聚丙烯纖維對多孔水泥穩定碎石路用性能的影響

段志勇 周義生 劉東杰 彭凱 吳燾 謝禮群

（江西省交通供應鏈有限公司，江西 南昌 330000）

多孔水泥穩定碎石基層是消除路面雨水滲漏的解決方案之一[1，2]。多孔水泥穩定碎石作為一種透水材料，具有“儲滲”功能，也適用于“海綿路”和“海綿城市”施工[3]。因此，多孔水泥穩定碎石的設計和研究引起了工程師們的注意。目前，多孔水泥穩定碎石的設計主要基于《公路排水設計規范》中的指導性規定或試驗經驗[4]，添加纖維以改善多孔水泥穩定骨料的性能也鮮有報道。為了解決多孔水泥穩定碎石的設計問題，提高多孔水泥穩定碎石的強度性能，本文提出了一種基于Bailey法和Taibal法的多孔水泥穩定碎石設計方法[5，6]。將該方法應用于多孔水泥穩定碎石的設計，并通過試驗研究分析了聚丙烯纖維對多孔水泥穩定碎石性能的影響。

一、多孔水泥穩定碎石設計

根據Bailey法，多孔水泥穩定碎石分為粗骨料和細骨料。粗骨料形成骨架，細骨料填充骨架。粗骨料形成骨架間隙VCA采用下式：

本文使用的礫石來自京滬高速擴建項目，所有參數均符合規范要求。骨料的最大粒徑為31.5mm，標稱粒徑（NMPS）為26.5mm。根據Bailey法，粗骨料和細骨料的邊界篩為0.22NMPS和4.75mm。根據Taibal方法，每個篩子的通過率計算如下：

式中：D為骨料的最大粒徑；d為篩徑；m為級配指數。

根據設計中使用的骨料，根據Taibal計算混合料等級如表1所示。根據各級篩的篩分質量，控制混合料的混合。

根據表1中粗骨料的級配，混合粗骨料，粗骨料的實測體積密度為2.753g/cm3。振動用于成型。粗骨料的實測密度為1.887g/cm3，材料骨架間隙為31.5%。由于粗骨料形成骨架，當混合物的體積為V時，粗骨料量mc為：

表1 多孔水泥穩定碎石材料的級配

水泥水化需要將其自身質量的25%的水結合起來，以形成長效物質，其體積吸收75%的自由水體積（Czernin，W.，1991）。水泥與γce、水泥質量mce和水泥體積Vce的比值：

根據需要設置目標孔隙率n，Vce可通過公式（6）計算得到。

在試驗中，試件直徑為15cm，高度為15cm。根據公式（3），一個樣本的粗骨料約為5kg。由于多孔水泥穩定碎石的設計，公路水泥混凝土路面設計的推薦水泥設計（JTG D40-2011）為9.5%～11%，水泥含量取10%。在試驗中，為了達到最大孔隙率，采用細骨料的含量為0。則根據公式（6），混合物的理論孔隙率為27.9%；級配設計完全按照Taibo法，此時孔隙率最小。孔隙率為4.5%，粗骨料與細骨料的質量比為3.14，理論空隙率設置為20%。此時，粗骨料與細骨料的質量比為9.27。

二、試驗方案

制作試驗的水泥使用32.5普通硅酸鹽水泥，并根據上述設計方法確定試驗中的粗骨料、細骨料和水泥的用量。根據27.9%、20%和4.5%的理論孔隙率設計了孔隙型水泥穩定碎石試件，并記錄為1號試件、2號試件和3號試件。為了分析纖維摻雜對混合物性能的影響，試驗中摻加了聚丙烯纖維。聚丙烯纖維的參數如表2所示。在實驗中，分析了纖維長度和纖維含量（體積含量）對混合物性能的影響。本文所采用的纖維長度分別為6mm、12mm和18mm。而纖維摻量則分比為1‰、1.5‰和2‰。試驗方案如表3所示，由于纖維含量較小（1‰～2‰），故不計算纖維體積。

表2 纖維參數

本文采用振動法制備試件，根據半剛性材料的主要性能要求和發揮透水、蓄水和排水功能的需要，試驗指標采用控制有效孔隙度（連通孔隙度）、無側限抗壓強度和劈裂力量孔隙率等指標制備多孔水泥穩定碎石。

三、試驗結果及分析

試驗樣品用于測定有效孔隙度、7d無側限抗壓強度和28d劈裂強度。結果如表4所示。

表4 試驗結果

從實驗結果可以看出，使用該方法所設計的無纖維多孔水泥穩定碎石（1～3號試件）的有效孔隙率與理論孔隙率呈現正相關，3組試件的有效孔隙度與理論孔隙度之比分別為66.3%、56.5%和68.9%。其主要原因是，隨著理論孔隙率的降低，混合料中的細集料增加，而連通孔隙則隨之降低，可以認為在以理論孔隙率作為無纖維多孔水泥穩定碎石的設計指標時，其是可以滿足多孔水泥穩定碎石對有效孔隙率的技術要求。

對于摻加纖維的多孔水泥穩定碎石（4號～8號試件），其有效孔隙度與理論孔隙度的比值分別為54.5%、56.9%、55.2%、54.5%和58.2%，且該比值通常低于未摻加纖維的多孔水泥穩定碎石試件（1號～3號試件）的比值。這說明著隨著纖維的加入，多孔水泥穩定碎石材料內部的連通孔隙率降低。但從試驗結果可以看出，纖維長度和纖維含量對有效孔隙率則并沒有顯著影響，這是因為纖維含量相對較小（1‰～2‰）的緣故。因此，在小摻量纖維的多孔水泥穩定碎石混合料的設計方法也適用。

隨著有效孔隙率的增加，多孔水泥穩定碎石材料的無側限抗壓強度和劈裂強度降低。當試件的有效孔隙度從3.1%增加到19.7%時，其無側限抗壓強度試驗值降低了75.9%，而其劈裂強度試驗值則降低了69.0%。可以看出，抗壓強度和抗拉強度與孔隙率密切相關，孔隙率大，細骨料含量小，骨料之間的接觸面積就小，導致水泥的穩定性受到了限制，進而導致其強度有所降低。

另一方面，當試件的有效孔隙率從3.1%增加到11.3%時，有效孔隙度增加了約264.5%，其無側限抗壓強度試驗值降低了25.6%，其劈裂強度試驗值卻僅降低了6.0%。當有效孔隙率從11.3%增加到19.7%時，孔隙率增加了約74.3%，無側限抗壓強度降低了67.6%，劈裂強度下降了67.0%。可以看出，多孔水泥穩定碎石的強度隨著細骨料比重的增加而增加，但隨著細骨料的增加，細骨料對強度的影響也逐漸減弱。

而聚丙烯纖維的加入則可以有效地提高多孔水泥穩定碎石材料的無側限抗壓強度和劈裂強度。在試驗中，摻加纖維的試樣表現出明顯的塑性破壞特征，即其無側限抗壓強度試驗后的試樣仍保持良好的完整性，無明顯開裂；而劈裂強度試件在斷裂時，裂紋兩側通過纖維連接，表明其仍具有一定的抗拉強度。

分析纖維含量時可以發現，當纖維含量從0增加到1‰時，試件的無側限抗壓強度試驗值增加了90.8%，劈裂強度試驗值增加了144.0%；而當纖維含量從1‰增加到1.5‰時，無側限抗壓強度試驗值僅增加了6.1%，劈裂強度試驗值也僅僅增加了8.2%。當纖維含量從1.5‰增加到2‰時，無側限抗壓強度試驗值增加了1.1%，劈裂強度試驗值增加了2.8%。這是由于添加了纖維可以增強多孔水泥穩定碎石試件的完整性，即隨機分散的纖維具有較高的拉伸強度，對骨架具有一定的約束作用，可以分擔部分載荷；但當纖維含量超過1.5‰時，增加纖維含量對多孔水泥穩定碎石試件強度的影響將不再顯著。

多孔水泥穩定碎石試件

當纖維長度從6mm增加到12mm時，無側限抗壓強度試驗值增加了0.1%，劈裂強度試驗值增加了22.8%；而當纖維長度從12mm增加到18mm時，無側限抗壓強度試驗值增加了1.3%，劈裂強度試驗值增加了6.8%。從試驗結果可以看出，纖維長度對無側限抗壓強度的影響相對較小，而其對劈裂強度的影響則較大。原因在于，劈裂強度更依賴于纖維所能施加的拉伸強度，纖維施加的拉伸強度取決于纖維和礦物之間的連接及纖維本身的拉伸強度。由于聚丙烯纖維的高拉伸強度，纖維和礦物材料之間的聯結力成為限制纖維拉伸強度的因素。纖維長度越長，纖維與礦物材料之間的連接力越大。

四、結語

本文所提出的多孔水泥穩定碎石的設計方法可用于無纖維多孔水泥穩定碎石的設計和纖維填充多孔水泥穩定碎石的設計。無論水泥穩定碎石材料中有無纖維，理論孔隙度與有效孔隙率之間都存在明顯的正相關關系；孔隙率對無纖維水泥穩定碎石的無側限抗壓強度和劈裂強度影響很大，隨著理論孔隙率的增加，無側限抗壓強度和劈裂強度顯著降低；聚丙烯纖維可以顯著提高多孔水泥穩定集料的無側限抗壓強度和劈裂強度，本文建議纖維含量取1.5‰；纖維長度越長，劈裂強度越大，在纖維量相同的情況下，纖維越長，纖維數量越少，本文纖維長度應取18mm。