聚丙烯纖維對高寒地區水穩基層冷再生混合料性能的影響

劉 紀，黃麗平，李秀君，邵 晗

（1. 上海理工大學 環境與建筑學院，上海 200093；2. 河南交通技師學院，駐馬店 463000）

水泥穩定就地冷再生基層技術具有投入低、消耗低、效率高、質量高及節能降耗等優點，是一種就地對舊瀝青路面結合新集料修復、整合、翻新的新型施工工藝[1]。

高緯度寒冷地區具有冬季時間長、氣溫低及濕度低等氣候特點[2]，在持續低溫、凍融循環和低濕度的作用下，水泥穩定冷再生基層易出現干縮裂縫、凍融破壞、強度下降及承載力降低等現象，最終導致再生路面出現各類早期病害[3-4]。針對低溫、低濕度養護條件下水泥穩定冷再生類材料性能的研究較少。

目前添加外摻劑是提高水穩材料性能的有效方法，主要包括粉狀類和纖維類外摻劑。常見的粉狀類外摻劑有橡膠粉、可再分散乳膠粉、羥丙基甲基纖維素醚等[5-7]，雖然粉狀類外摻劑可有效改善水穩材料的抗干縮性能，但均會因降低混合料的密度而削弱其強度[8]。傳統的纖維類外摻劑如石棉、纖維等，因其添加方便、質地輕巧等優點被廣泛用于增強水穩材料性能，但石棉對環境和人體健康存在一定危害。近些年，高強高模、耐高溫、耐腐蝕的有機聚合物纖維如聚乙烯醇纖維（polyvinyl alcohol，簡稱為PVA）、聚丙烯纖維（polyproylene，簡稱為PP）等被逐步用于增強水泥混凝土的強度和抗裂性能[9-11]。彭興國等[12]研究了水泥摻量和PVA纖維摻量對水泥穩定碎石力學性能和抗裂性能的影響。Fonseca等[13]評估了黃麻纖維和微/納米纖維（亞微米元素）在擠壓纖維-水泥復合材料中的增強性能。Dos Santos等[14]提出利用碳酸水加速碳酸化來修改膠凝基質的微觀結構，并得出碳酸水可改善纖維-水泥復合材料的水化性能，還可用于纖維-水泥復合材料中。徐建成[15]分析了揚州市政道路中摻入聚丙烯纖維水泥穩定碎石材料的應用情況，研究結果證實了該方法具有很大的實際工程意義。白云[16]考慮到水泥穩定碎石材料易產生裂縫病害等問題，通過在水泥穩定碎石中摻纖維的方式改善水泥穩定碎石的路用性能，改善其抗裂性。張虹[17]以不同纖維長度和摻量進行摻加聚丙烯纖維的水泥穩定碎石正交試驗測試了水泥穩定碎石的基本力學性能，這表明摻加聚丙烯纖維水泥穩定碎石具有較好的柔性和良好的抗收縮能力，其應用前景良好。陳玉宏等[18]為了改善再生基層材料路用性能，選取不同水鎂石纖維，評價其對再生基層材料的路用性能影響，結果顯示水鎂石纖維可以顯著提高路用性能，降低收縮效應。綜上可以看出，對于纖維類外摻劑的研究主要集中在纖維增強理論、纖維對水泥穩定碎石或水泥混凝土強度及抗裂性的改善研究方面，而針對水泥穩定冷再生混合料的研究較少。

為了改善高寒地區水泥穩定冷再生混合料性能抗凍、抗干縮性能、早期強度不足，以及高寒地區氣候惡劣所導致的冬季可施工時間短、工期長等問題。本文研究聚丙烯纖維水泥穩定冷再生混合料性能，確保在惡劣環境下仍能滿足規范要求，從而延長冬季可施工時間，縮短工期，為聚丙烯纖維在高寒地區市政道路水泥穩定冷再生工程中的應用提供經驗。

1 試驗材料

1.1 礦料級配

礦料級配決定水泥穩定冷再生混合料內部骨架顆粒結構的類型和強度，對混合料的力學性能起重要作用。現場采集的銑刨料級配不滿足規范要求，因此，通過試配使其滿足規范要求。最終按19.5～31.5 mm（粒徑）碎石∶4.75～19.5 cm（粒徑）碎石∶0～4.75 mm（粒徑）石屑∶銑刨料的質量比為15%∶15%∶2%∶68%確定冷再生混合料的礦料級配，再生集料的級配如表1所示。

表1 再生混合料的合成級配Tab.1 Composite gradation of recycled mixture

1.2 水泥

選擇標號為P·O42.5的普通硅酸鹽水泥作為原材料，根據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG 3420-2020）[19]的要求，對該水泥的相關技術指標進行了檢驗，測定的結果如表2所示。

表2 水泥主要性能指標Tab.2 Main performance indexes of cement

1.3 聚丙烯纖維

選用河北石家莊某廠生產的聚丙烯單絲纖維，其外觀為白色單絲狀，如圖1所示。聚丙烯單絲纖維的性能參數如表3所示。

表3 聚丙烯單絲纖維主要技術指標Tab.3 Main technical indexes of polypropylene monofilament fiber

圖1 聚丙烯纖維Fig. 1 Polypropylene fiber

2 聚丙烯纖維對混合料性能的影響

2.1 試驗方案設計

現研究聚丙烯纖維摻量對水泥穩定類混合料性能的影響，聚丙烯纖維摻量（纖維質量/混合料體積）分別為0.6，0.9，1.2，1.5，0 kg/m3，聚丙烯長度分別為6，9，12，15，18 mm。研究水泥穩定冷再生混合料的低溫抗凍性、抗干縮開裂能力、抗拉強度、抗壓強度。參照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51-2009）[20]要求，采用振動成型法成型制作Φ150 mm×150 mm水泥穩定冷再生混合料圓柱體試件并標準養生7 d（溫度（20±2） ℃，濕度≥95%）來表征混合料抗壓性能；制作Φ150 mm×150 mm水泥穩定冷再生混合料圓柱體試件并標準養生28 d，檢測試件劈裂強度用以表征混合料抗拉性能；采用振動成型法制作Φ150 mm×150 mm水泥穩定冷再生混合料圓柱體試件并標準養生28 d進行凍融循環，檢測試件28 d凍融前、后無側限抗壓強度，選用凍融循環后試件抗壓強度殘余比（BDR）表征混合料的抗凍性能；采用振動成型法制作100 mm×100 mm×400 mm水泥穩定冷再生混合料梁式試件并標準養生28 d，檢測試件干縮系數用以表征混合料的抗干縮開裂性能。綜合分析各項指標，得出纖維的最佳摻配方式。

2.2 試驗結果及分析

a. 無側限抗壓強度（抗壓性能）。

圖2為不同纖維長度和摻量下混合料無側限抗壓強度的試驗結果，由圖2可知，摻加聚丙烯纖維后，混合料無側限抗壓強度有不同程度的提高，均高于規范的要求，長度為12 mm、摻量為1.5 kg/m3時，無側限抗壓強度最大，比未摻加纖維時提高了23.6%。對于相同的纖維長度，聚丙烯纖維摻量低于0.9 kg/m3時，隨著摻量的增加，混合料抗壓性能均有明顯提高；聚丙烯纖維摻量高于0.9 kg/m3時，混合料抗壓性能逐漸趨于平穩。對于同一纖維摻量，隨著聚丙烯纖維長度的增大，混合料抗壓性能均呈現先增大后減小，當纖維長度為12 mm時出現最大值。

圖2 不同摻加方式下無側限抗壓強度Fig.2 Unconfined compressive strength under different mixing methods

纖維長度為12 mm時，隨著摻量的增加，無側限抗壓強度逐漸上升，在摻量大于0.9 kg/m3時逐漸趨于平穩。為了探究原因，通過掃描電子顯微鏡對纖維長度12 mm時不同摻量的聚丙烯纖維混合料的微觀形貌進行觀察。可以看出，在混合料中摻入聚丙烯纖維后，增加了混合料中各組成材料的粘結性能，從而提高了無側限抗壓強度。由圖3可知，摻量過高時束狀纖維的均勻性和分散性差，從而影響了抗壓強度的提高。當纖維長度較短時，由于與基體的粘結長度較短，握裹力較小，纖維易被拔出；隨著纖維長度逐漸增大，纖維與基體的粘結面增多，握裹力也隨之增強；但當纖維長度過長時，握裹力大于纖維極限拉應力，混合料的破壞模式由纖維被拔出變成纖維被拉斷，混合料強度取決于纖維極限拉應力，與握裹面積的相關性小，且當纖維長度過長時，束狀單絲纖維會形成團狀結構，不能很好地在混合料內發揮聯結作用，影響了混合料的強度[21]。

圖3 不同摻量聚丙烯纖維混合料微觀圖Fig.3 Microstructure of polypropylene fiber mixture with different contents

b. 劈裂強度（抗拉性能）。

由圖4可知，摻加聚丙烯纖維后，混合料劈裂強度均有不同程度的提高，長度為12 mm、摻量為0.9 kg/m3時，劈裂強度最大，比未摻加纖維時提高了33.8%。對于相同的纖維長度，隨著纖維摻量的增大，混合料劈裂強度先大幅度增大后減小；除了18 mm的纖維外，當纖維摻量為0.9 kg/m3時，劈裂強度出現最大值。而18 mm的纖維，劈裂強度最大值出現在了更高的摻量，即1.2 kg/m3時。對于同一纖維摻量，當摻量小于0.9 kg/m3時，混合料劈裂強度隨著纖維長度的增大，先增大后減小，在纖維長度為12 mm時出現最大值；當摻量大于0.9 kg/m3時，劈裂強度隨著纖維長度的增大，先增大后減小之后有少許回升，最大值仍然出現在纖維長度為12 mm時。因為，聚丙烯纖維在混合料內部形成了一種亂向支撐體系[22]，在一定程度上遏制了混合料裂縫的產生和發展，有效地降低了裂縫處的應力集中程度，從而提高了混合料的劈裂強度。

圖4 不同摻加方式下劈裂強度Fig. 4 Splitting strength under different mixing methods

c. 抗凍性能。

選用凍融循環后試件抗壓強度殘余比BDR表征混合料的抗凍性能，試驗結果如圖5所示。摻加聚丙烯纖維后，混合料的BDR有不同程度的提高，長度為12 mm、摻量為0.9 kg/m3時，出現最大值，比未摻加纖維時提高了7.76%。對于相同的纖維長度，隨著摻量的增加，混合料抗凍性能增大后趨于平緩。對于同一纖維摻量，隨著聚丙烯纖維長度的增大，抗凍性能先增大后趨于平緩，在纖維長度為12 mm時出現最大值。說明聚丙烯纖維的加入可以堵住混合料的連接間隙，起到加筋作用，且隨著纖維長度的增加，聚丙烯纖維與混合料粘結面積增大，粘結強度得到增強，減少了凍融循環作用造成的破壞。

圖5 不同摻加方式下凍融強度殘余比BDRFig.5 Freeze thaw strength residual ratio BDR under different mixing methods

d. 抗干縮性能。

選用干縮系數表征混合料的抗干縮開裂性能，試驗結果如圖6所示。摻加聚丙烯纖維后，混合料抗干縮能力有不同程度的提高，長度為12 mm、摻量為1.5 kg/m3時，抗干縮性能最強，比未摻加纖維時提高了7.69%。相同的纖維長度時，隨著摻量的增加，混合料抗干縮性能明顯提高；相同纖維摻量時，隨著聚丙烯纖維長度的增加，抗干縮能力都呈現先增大后略有減小，在纖維長度為12 mm時出現最大值。加入聚丙烯纖維后，纖維與混料之間的粘結力抑制了干燥收縮，降低了干燥收縮系數。隨著纖維含量的增加，混合料中分布的纖維數量增加，纖維間距減小，聚丙烯纖維對混合料和粘合劑的結合力會逐漸增強。因此，隨著聚丙烯纖維含量的增加，混料的抗收縮能力逐漸增強。

圖6 不同摻加方式下干縮系數Fig. 6 Drying shrinkage coefficient under different mixing methods

綜合分析得出，摻加聚丙烯纖維后，在標注養護條件下振動成型法成型的水泥穩定再生混合料的無側限抗壓強度均有不同程度的提高，高于規范要求3～5 MPa，且長度為12 mm、摻量為1.5 kg/m3時，無側限抗壓強度最大，比未摻加纖維時提高了23.6%。劈裂強度具有不同程度的提高，長度為12 mm、摻量為0.9 kg/m3時，劈裂強度最大，比未摻加纖維時提高了33.8%。BDR也隨著纖維的加入有相應的提高，長度為12 mm、摻量為0.9 kg/m3時，出現最大值，比未摻加纖維時提高了7.76%。抗干縮能力也有不同程度的提高，長度為12 mm、摻量為1.5 kg/m3時，抗干縮性能最大，比未摻加纖維時提高了7.69%。綜合經濟性考慮，盡管在摻量為1.5 kg/m3時，無側限抗壓強度和抗干縮性能表現最優，但在0.9 kg/m3時干縮系數、無側限抗壓強度與1.5 kg/m3相差不大，且抗拉與抗凍性能更優。因此，綜合經濟性考慮得出在標準養護條件下，振動成型法成型的水泥穩定再生混合料聚丙烯纖維最佳摻配方式：聚丙烯纖維長度為12 mm、摻量為0.9 kg/m3。

3 水泥用量對聚丙烯纖維水穩再生料性能影響

3.1 試驗方案設計

研究得出添加聚丙烯纖維可以有效地提高強度、抗凍性、抗干縮性能，為了進一步研究其對于高寒地區氣候條件的適應性，考慮更為苛刻的環境對其性能的影響。選用聚丙烯纖維最優摻配方式來進行試驗方案設計。通過了解包頭全年氣溫變化，擬定3種混合料養護條件來表示惡劣環境、中等環境和良好環境：①號環境：溫度5 ℃，濕度55%；②號環境：溫度15 ℃，濕度75%；③號環境：溫度20 ℃，濕度95%，并結合水泥穩定冷再生混合料在包頭等高寒地區生產的特點，采用水泥用量分別為4%，4.5%，5%的3組水泥用量的試驗設計，研究水泥穩定冷再生混合料低溫抗凍性、抗干縮開裂能力、抗拉強度和抗壓強度（選用與前文相同的各種試驗方法表征各項指標）。

3.2 試驗結果及分析

a. 無側限抗壓強度（抗壓性能）。

通過不同養護環境下混合料的無側限抗壓強度來考慮更惡劣環境對混合料性能的影響。試驗結果如圖7所示。在②號、③號養護環境下未摻加纖維混合料的無側限抗壓強度曲線與①號、②號養護環境下摻加纖維混合料的無側限抗壓強度曲線基本重合，表明纖維的加入使水泥穩定冷再生混合料可以在惡劣環境、中等環境下達到中等環境、良好環境下水泥穩定冷再生混合料的無側限抗壓強度。

同時由圖7可知，與未摻加纖維相比，加入纖維的水泥穩定冷再生混合料的無側限抗壓強度有較大提升。在確保混合料無側限抗壓強度條件下，水泥穩定冷再生混合料加入纖維可減少0.5%的水泥用量。

圖7 不同水泥用量下無側限抗壓強度Fig. 7 Unconfined compressive strength under different cement dosage

b. 劈裂強度（抗拉性能）。

不同水泥摻量及不同養護環境下，劈裂強度試驗結果如圖8所示。摻加纖維的水泥穩定冷再生混合料的間接抗拉性能遠優于未摻加纖維的水泥穩定冷再生混合料，隨著水泥用量的增大，摻加纖維的水泥穩定冷再生混合料的間接抗拉性能提升顯著。

圖8 不同水泥用量下劈裂強度Fig.8 Splitting strength under different cement dosage

當水泥用量不變時，摻加纖維的混合料較未摻加纖維的混合料的劈裂強度提升幅度為34.2%～94.1%，表明纖維的加筋作用在混合料間接抗拉性能中發揮重要作用，從抗拉性能角度看，纖維的添加可以減少1%的水泥用量。

c. 抗凍性能。

凍融強度殘余比表征水泥摻量和養護條件對混合料抗凍性能影響，由圖9可知，隨著水泥用量的增加，水泥穩定冷再生基層的抗凍融性能逐漸增強。當水泥用量不變時，水泥穩定冷再生基層的抗凍融性能隨著養護環境的優化有明顯提高。環境的優化，促進了水泥穩定再生基層材料中C-S-H凝膠、C-A-H結晶的形成[23]，使水泥穩定再生基層材料的強度提升。

圖9 不同水泥用量下凍融強度殘余比BDRFig. 9 Freeze thaw strength residual ratio BDR under different cement dosage

在相同養護環境下，纖維的加入可有效地提高水泥基材料的粘結性能，提升水泥基材料的抗凍融性能。同時可以發現，在保證混合料強度不削弱的情況下，加入纖維可以有效地減少水泥的用量。

d. 抗干縮性能。

在不同水泥摻量及不同養護環境下，試件的干縮系數如圖10所示。在相同環境下，摻加纖維的水泥穩定冷再生混合料的干縮系數相較于未摻加纖維的水泥穩定冷再生混合料的干縮系數低5×10-6。在水泥用量不變的情況下，隨著環境的惡化，混合料的干縮系數升高。因為，環境的惡化，混合料內部失水加劇，產生毛細管張力、自由水、分子間力以及碳化脫水作用，導致嚴重的干縮效應[18]。

圖10 不同水泥用量下干縮系數Fig.10 Drying shrinkage coefficient under different cement dosage

對比不同水泥摻量下摻加纖維與未摻加纖維的干縮系數，得出在混合料強度滿足要求的情況下，纖維的添加可以減少約0.6%的水泥用量，且大幅度降低了混合料的干縮系數。因此，聚丙烯纖維的摻入，在一定程度上可以有效地提高混合料抗干縮性能，同時可減少水泥用量，降低了高寒地區水泥穩定冷再生基層產生干縮裂縫的可能性。

綜合分析可知，水泥用量的增加，可以提升混合料的抗壓、抗拉和抗凍性能，但會降低抗干縮性能；在相同的水泥用量情況下，養護環境的提升可以提升混合料的抗壓、抗拉、抗凍和抗干縮性能。對比①號養護環境下摻加纖維與未摻加纖維的各項性能指標可知，纖維的加入，增強了低溫、低濕度條件下混合料的抗壓、抗拉、抗凍和抗干縮性能。同時考慮經濟效益，纖維的加入可同比減少0.5%的水泥用量，從而達到相近力學性能和工程性質，且聚丙烯纖維的加入使得水泥穩定冷再生混合料在惡劣養護條件下達到較高性能，從而增強了水泥穩定冷再生混合料對惡劣養護環境的適應性，實現了低溫、低濕度的可養護，大幅度提高了冬季的可施工時間。有效地解決了高寒地區低溫、低濕度和晝夜溫差大導致施工條件差以及水泥穩定冷再生基層的強度不足和開裂等病害，有效地提高了水泥穩定就地冷再生技術在高寒地區市政道路中的應用效果。

4 結 論

a. 聚丙烯纖維可有效提升混合料的無側限抗壓強度、劈裂強度、BDR強度和抗干縮能力。在標準養護條件下，振動成型法成型的水泥穩定再生混合料聚丙烯纖維的最佳摻配方式為：聚丙烯纖維長度為12 mm、摻量為0.9 kg/m3。

b. 聚丙烯纖維在水泥穩定冷再生混合料中起到加筋作用，極大地改善了低溫、低濕度養護條件下水泥穩定再生混合料的強度、劈裂、抗干溫縮性能和抗凍融性能，有效地提高了聚丙烯纖維水泥穩定冷再生技術在高寒地區市政道路的應用效果。

c. 在確定的最優纖維摻加方式下，確保混合料抗壓強度、抗拉強度、抗凍性滿足相應要求，聚丙烯纖維的加入可以同比減少0.5%的水泥用量，使抗干縮性能大幅提高，工程經濟效益大幅度提高。

d. 在確定的最優纖維摻加方式下，加入聚丙烯纖維，可有效地解決高寒地區養護條件難以滿足的情況，降低了養護溫度及養護濕度，實現了低溫、低濕度的可養護，大幅度提高了冬季的可施工時間，有效地提高了水泥穩定就地冷再生技術在高寒地區市政道路中的應用效果。