玄武巖纖維對水泥穩定多孔玄武巖碎石力學性能的影響

吳啟一，姚華彥，扈惠敏，許澤寧，吳林松，鮑 犇

(1.合肥工業大學土木與水利工程學院，合肥 230009；2.安徽省交通控股集團有限公司，合肥 230088)

0 引 言

多孔玄武巖是火山爆發后由火山玻璃、礦物與氣泡形成的多孔形石材，其具有質地堅硬，色澤暗淡，孔徑大小、孔形沒有規則，表面比較粗糙等特點[1-2]。由于石料表面及內部孔隙較多，在制備各類混合料時，相對于其他普通集料需要較多的細集料和水泥(或瀝青)來裹覆和填充集料之間的孔隙和部分粗集料表面的開口孔隙；同時，多孔結構的不規則性和不穩定性，導致拌和混合料時用水量具有不確定性[3-4]，其多孔的特性使得水泥穩定多孔玄武巖力學性能降低，對水分和溫度更為敏感。面對車輛荷載和溫濕度的變化，水泥穩定多孔玄武巖變形增大，基層更容易產生裂縫，導致路面損壞。目前，如何利用孔隙多和吸水率大的集料保證路面基層或面層的性能，工程界暫無統一的做法。針對一些石料匱乏地區，在道路施工中若能充分利用挖方石料作為路面基層，不僅可以節約工期和成本，還可以達到減少棄渣和保護環境的效果，具有良好的經濟效益和社會環境效益。

水泥穩定碎石基層具有強度高和整體性好等優點，但是在道路運營過程中車輛荷載、溫度變化和降雨等外界因素的長期作用下，水泥穩定碎石基層容易出現裂縫，從而引起反射裂縫，降低路面的使用性能[5-7]。為了解決水泥穩定碎石基層裂縫產生的問題，學者運用不同手段進行了大量的研究。Sun等[8]在水泥穩定碎石中摻加橡膠粉，試驗結果表明摻入橡膠粉可以顯著提高水泥穩定碎石的抗收縮能力，但是也會使其抗壓強度降低。盛燕萍等[9]研究了在不同養護條件下摻加新型早強低收縮外加劑(ELA)對水泥穩定碎石性能的影響，試驗發現摻加ELA可以改善水泥穩定碎石在低溫和變溫養護條件下的力學強度，并且可以降低基層的收縮開裂程度。盛燕萍等[10]研究了摻入煤氣化渣對水泥穩定碎石基層材料性能影響，試驗表明摻加煤氣化渣對水泥穩定碎石的抗收縮能力有明顯的提高。李雪連等[11]在集料中加入地溝油拌和后再制備水泥穩定碎石，結果表明地溝油的摻入會降低集料的力學強度，但在增加混合料的柔韌性能方面效果明顯。呂松濤等[12]通過試驗發現橡膠顆粒可以很好地增強水泥穩定碎石的變形能力從而提高抗裂性能。Ma等[13]通過在水泥穩定碎石中摻入聚丙烯纖維增強了其抗彎疲勞性能。不少學者[14-18]通過在水泥穩定碎石中摻入聚乙烯醇(PVA)纖維提高了混合料的抗裂性能。程培峰等[19]通過在水泥穩定碎石中摻入玄武巖纖維提高了水泥穩定碎石在溫縮試驗中的抗裂性能。Sheng等[20]在水泥穩定碎石中加入水鎂石纖維和早強劑提高了材料的抗凍害能力。

本論文結合安徽省滁(州)-天(長)高速路建設的實際情況，以挖方段石料破碎得到的多孔玄武巖碎石替代普通碎石，制備水泥穩定碎石混合料。對混合料進行不同齡期的無側限抗壓強度試驗、劈裂試驗和彎拉試驗研究，并摻入玄武巖短切纖維改善其力學性能。本研究可以為多孔玄武巖集料在高速公路基層中的應用提供參考。

1 實 驗

圖1 多孔玄武巖碎石Fig.1 Porous basalt macadam

1.1 原材料

試驗所用多孔玄武巖碎石如圖1所示，按粒徑分為0～2.36 mm、2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～19 mm和19～31.5 mm五檔，其主要物理力學參數如表1所示，表中“%”均為質量分數。與普通碎石相比[9]，多孔玄武巖碎石的表觀密度較低，但針片狀含量和軟石含量偏高，而且多孔玄武巖碎石的吸水率遠高于普通碎石。水泥選用全椒海螺水泥有限公司生產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其相關性能指標滿足規范要求。

表1 多孔玄武巖碎石的物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of porous basalt macadam

續表

玄武巖短切纖維采用江蘇天龍公司生產的玄武巖纖維，纖維的物理力學參數如表2所示。

表2 玄武巖纖維的物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of basalt fiber

1.2 配合比

對所用五檔粒徑的多孔玄武巖碎石進行篩分試驗，并依據試驗結果，配制骨架密實型水泥穩定碎石材料。通過調整使得合成級配位于級配上限和級配下限之間，集料合成級配如表3所示。本試驗采用外摻法摻入質量分數為5.0%的水泥，依據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)中T0804—1994節的丙法進行擊實試驗，試驗參數如表4所示。試驗所得最大干密度為2.305 g·cm-3，其對應的最佳含水量為7.3%(質量分數)。

表3 集料合成級配Table 3 Synthetic gradation of aggregate

表4 擊實試驗參數Table 4 Parameters of compaction test

1.3 試件制備方法

首先按設計配合比稱量烘干后的集料，加入玄武巖纖維進行干拌，如圖2所示。集料拌和均勻后，加入部分水拌和，并將所得混合料裝入塑料袋悶料2 h。然后加入水泥和剩余的水再次進行拌和，如圖3所示。拌和均勻后采用靜壓成型的方法制備φ150 mm×150 mm圓柱形試件和100 mm×100 mm×400 mm中梁試件，最后將試件放入塑料袋中密封并放入標準養護室進行養護。在到達指定齡期的前一天，將試件放入水中浸泡24 h后進行試驗。

圖2 干拌后混合料Fig.2 Mixture after dry mixing

圖3 加水拌和后混合料Fig.3 Mixture after wet mixing

2 結果與討論

2.1 纖維長度及纖維摻量對劈裂強度的影響

試驗將3種不同長度(12 mm、18 mm和24 mm)的玄武巖纖維分別以試件總碎石質量的0.05%、0.10%和0.15%摻入到水泥穩定多孔玄武巖碎石中。混合料通過靜壓成型的方法制備φ150 mm×150 mm圓柱形試件，在標準養護室養護6 d之后，第7天將試件放入水中浸泡24 h后進行劈裂試驗，如圖4所示。圖5為不同纖維摻量、長度對混合料劈裂強度影響的試驗結果。

圖4 劈裂試驗Fig.4 Splitting test

圖5 纖維摻量和長度對劈裂強度的影響Fig.5 Effects of fiber content and length on splitting strength

由圖5可以看出，混合料中摻加玄武巖纖維后，7 d 劈裂強度均有明顯的提升。總體趨勢表明，隨著纖維摻量增加,混合料的7 d劈裂強度先增大后減小。但對于不同長度的纖維，對劈裂強度增強規律不一致。劈裂強度增強最大的是纖維摻量為0.10%、長度為18 mm的一組，達到0.47 MPa，而未摻纖維混合料的劈裂強度為0.35 MPa，增幅達34.3%。長度為12 mm和18 mm的玄武巖纖維相較24 mm的纖維對水泥穩定碎石劈裂強度的增強效果更好。長度為12 mm的纖維的最佳摻量在0.10%～0.15%；長度為18 mm的纖維的最佳摻量在0.05%～0.10%。相對而言，纖維長度18 mm時增強效果優于12 mm時，且用量更少。纖維的摻入可以在混合料中起到加筋作用，在材料受力過程中分擔部分應力，從而抑制水泥穩定碎石的開裂，達到提高材料強度的效果[21]。但是纖維過長和摻量過大，會使得混合料拌和難度增加，導致材料密實度降低從而影響材料強度。同時，水泥穩定碎石材料孔隙較多，較短的纖維會降低加筋橋接作用，使得纖維不能充分發揮對混合料強度的增強作用[22]。

綜合上述試驗表明，長度為18 mm的纖維對水泥穩定多孔玄武巖碎石的抗裂性能增強效果最為顯著。因此，以下試驗主要結合摻加18 mm玄武巖纖維的水泥穩定碎石開展。

2.2 纖維摻量對劈裂強度的影響

圖6 纖維摻量對劈裂強度的影響Fig.6 Effect of fiber content on splitting strength

制備φ150 mm×150 mm圓柱形試件，纖維長度僅考慮18 mm的情況，摻量分別為試件總碎石質量的0.05%、0.10%和0.15%，開展7 d、28 d、60 d和90 d不同齡期的劈裂試驗。

圖6為纖維摻量對劈裂強度影響的試驗結果。可以看出，纖維增強混合料劈裂強度的效果顯著，在齡期為7 d時，摻纖維組比不摻纖維組強度提高了11.4%～34.3%。劈裂強度最高點出現在齡期為90 d，纖維摻量為0.10%時，劈裂強度為1.03 MPa。在纖維摻量不大于0.10%的情況下，混合料的劈裂強度隨著纖維摻量的增加而增加；當纖維摻量達到0.15%時，混合料的劈裂強度出現下降的趨勢。這表明纖維摻量為0.10%時對混合料劈裂強度增強效果最好。混合料的劈裂強度均隨著齡期的延長而增加。在前28 d，混合料的劈裂強度增長較快，28 d后劈裂強度增長速度變緩。這說明隨著混合料水化反應的進行，混合料劈裂強度也隨之增加。

2.3 纖維摻量對無側限抗壓強度的影響

對纖維長度為18 mm、摻量為試件總碎石質量0.05%、0.10%、和0.15%的混合料開展7 d、28 d、60 d和90 d的無側限抗壓強度試驗。試樣為φ150 mm×150 mm圓柱形試件，無側限抗壓試驗如圖7所示。

圖8為纖維摻量對無側限抗壓強度影響的試驗結果。摻加了玄武巖纖維的試樣7 d無側限抗壓強度滿足《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50—2017)中高速公路、一級公路各交通等級對水泥穩定類基層的強度要求。在養護齡期相同時，隨著纖維摻量的增加，無側限抗壓強度先增大后減小。其中纖維摻量為0.10%時，混合料強度增強效果最佳。在齡期為7 d時，摻纖維組比不摻纖維組強度提高了0.7%～5.4%，其中纖維摻量為0.10%時的無側限抗壓強度達到了5.67 MPa，比沒有摻纖維試樣僅提高了5.4%；在齡期為90 d時，纖維摻量為0.10%時的無側限抗壓強度增長到了8.32 MPa。在纖維摻量相同條件下，隨著養護齡期的增加，混合料的無側限抗壓強度不斷增加：在前28 d混合料的無側限抗壓強度增長速率較快，28 d的無側限抗壓強度比7 d時增長了17%～27%；在28 d后混合料的無側限抗壓強度增長速率緩慢，養護90 d試樣的無側限抗壓強度比60 d時僅增長了3%～5%。

圖7 無側限抗壓試驗Fig.7 Unconfined compression test

圖8 纖維摻量對無側限抗壓強度的影響Fig.8 Effect of fiber content on unconfined compressive strength

2.4 纖維摻量對彎拉強度的影響

將混合料通過靜壓成型的方法制備100 mm×100 mm×400 mm中梁試件，采用三分點加載的方法對纖維長度為18 mm、摻量為試件總碎石質量0.05%、0.10%、和0.15%的混合料進行齡期為7 d、28 d、60 d和90 d的彎拉試驗，如圖9所示。

圖10為纖維摻量對彎拉強度影響的試驗結果。摻加玄武巖纖維的試樣彎拉強度遠高于《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50—2017)中對水泥穩定碎石的強度要求，纖維對混合料的彎拉強度有明顯的提升。可以看出，在相同齡期的條件下，纖維可以增強混合料的彎拉強度。在齡期為7 d時，摻纖維組比沒有摻纖維組強度提高了6.9%～20.4%；當齡期達到28 d時，纖維摻量為0.10%時的彎拉強度比沒有摻纖維時提高了37.9%，強度增強效果顯著。在纖維摻量不超過0.10%時，彎拉強度隨著纖維摻量的增加而提高，當摻量達到0.15%時，彎拉強度出現下降趨勢。彎拉強度最高點出現在齡期為90 d，纖維摻量為0.10%時，彎拉強度為3.72 MPa，纖維摻量為0.15%時彎拉強度次之。在前90 d混合料的彎拉強度隨著齡期的增加而不斷提高，且彎拉強度呈線性增長趨勢。在7 d齡期時，纖維摻量為0.10%組的彎拉強度比沒有摻纖維組提高了20.4%；在90 d齡期時，彎拉強度提高了31.2%；隨著養護齡期的增加，纖維對混合料彎拉強度的增強效果不斷增強，玄武巖纖維的摻入對混合料的彎拉強度具有顯著的增強效果。

圖9 彎拉試驗Fig.9 Flexural-tensile test

圖10 纖維摻量對彎拉強度的影響Fig.10 Effect of fiber content on flexural-tensile strength

3 結 論

(1)玄武巖短切纖維對水泥穩定多孔玄武巖碎石的劈裂強度具有顯著的改善效果。齡期為7 d的混合料劈裂試驗表明，長度為18 mm的纖維對混合料劈裂強度的增強效果優于長度為12 mm、24 mm的纖維。

(2)纖維摻量和齡期對水泥穩定多孔玄武巖碎石的劈裂強度、無側限抗壓強度、彎拉強度均有影響，且在摻入纖維長度為18 mm、摻量為0.10%時各項力學性能的增強效果最好。在7 d齡期時，添加最佳纖維長度和纖維摻量的水泥穩定多孔玄武巖碎石的無側限抗壓強度、劈裂強度和彎拉強度比未摻纖維時分別提高了5.4%、34.3%和20.4%。

(3)隨著齡期的增長，水泥穩定多孔玄武巖碎石力學性能不斷提升；一般在28 d以前，混合料力學性能增長較快，28 d以后則增長緩慢。

(4)不同纖維摻量的水泥穩定多孔玄武巖碎石7 d無側限抗壓強度均大于5 MPa，滿足規程上的強度要求；摻加纖維對混合料的抗拉強度也均有顯著增強效果。這表明摻玄武巖纖維的水泥穩定多孔玄武巖碎石可用于高等級道路基層。