纖維強(qiáng)化水穩(wěn)再生料力學(xué)曲線分析

曹紅紅，張萍，趙曉敏，周浩

（1.無(wú)棣縣公路事業(yè)發(fā)展中心，山東濱州 251900；2.濱州安泰路橋工程有限公司，山東濱州 251900；3.山東建筑大學(xué)，山東濟(jì)南 250101）

0 引言

隨著我國(guó)公路建設(shè)里程的突飛猛進(jìn)，道路施工過(guò)程中消耗了大量的石料、瀝青、水泥等基本材料，導(dǎo)致石料等原材料獲取難度逐步變大，成本日益提高；加之目前環(huán)保要求的提高，未來(lái)道路施工中越來(lái)越難以獲得優(yōu)質(zhì)集料，對(duì)舊有道路材料進(jìn)行再生利用是未來(lái)道路工程發(fā)展的趨勢(shì)[1-2]。半剛性基層的水泥穩(wěn)定再生料的基本力學(xué)和路用性能接近水穩(wěn)碎石。由于服務(wù)期和銑刨過(guò)程中集料受到的荷載和環(huán)境作用，其強(qiáng)度和顆粒完整性有一定損失，級(jí)配也有一定程度的衰減，導(dǎo)致其強(qiáng)度略有降低；更重要的是銑刨再生料粉料中水泥石含量偏大，粉類成分也可能偏高，基層再生料的抗收縮性能一般低于普通新拌水穩(wěn)碎石。為了提高作為半剛性基層的水穩(wěn)再生料的性能，道路工作者展開(kāi)了大量的研究工作[3-4]。水穩(wěn)再生料的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度較高、承載力很強(qiáng)且成本較低；缺點(diǎn)是變形能力較差、收縮系數(shù)較大，導(dǎo)致易于收縮開(kāi)裂，進(jìn)而引發(fā)瀝青路面的反射裂縫。提高半剛性基層的水穩(wěn)再生料的性能的根本途徑是改善其變形能力，而摻入有機(jī)固化劑或適量纖維一般對(duì)其強(qiáng)度有一定的改善作用，而對(duì)其變形能力有顯著的改善作用。通過(guò)添加聚丙烯纖維[5-7]對(duì)水穩(wěn)再生料進(jìn)行強(qiáng)化，并通過(guò)水穩(wěn)再生料力學(xué)曲線分析合理的再生基層變形能力評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定合理的高聚物纖維用量，評(píng)價(jià)纖維對(duì)基層再生料性能的改善效果。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文所用水泥為42.5的硅酸鹽水泥，各項(xiàng)指標(biāo)性能參數(shù)經(jīng)過(guò)測(cè)試符合規(guī)范要求，該試驗(yàn)水泥劑量為5%。為完全利用再生銑刨料，該試驗(yàn)研究將銑刨料分為粗、中、細(xì)三檔，然后按一定比例形成合理級(jí)配，且未添加新碎石；銑刨料合成級(jí)配接近懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)水穩(wěn)碎石的級(jí)配范圍。此次試驗(yàn)所用纖維為聚丙烯纖維，根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，較大的纖維有利于提高混合料的強(qiáng)度，但纖維長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)不利于纖維的分散，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的纖維團(tuán)聚從而降低材料整體強(qiáng)度，一般情況下，最佳纖維長(zhǎng)度是12mm，而纖維摻量分別為0、0.5‰、1‰、2‰、4‰。

1.2 試驗(yàn)方法

該項(xiàng)目按照標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生法制作再生試件，并進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，但在抗壓試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)荷載-變形曲線進(jìn)行深入分析。試驗(yàn)中按照試驗(yàn)規(guī)程《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE51—2009）中的《無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試件制作方法（圓柱形）》（T0843—2009）方法成型徑高比為1∶1的圓柱形試件，試模選用φ50mm×150mm，壓實(shí)度為98%，靜壓成型。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是水泥穩(wěn)定再生料試件在無(wú)側(cè)向壓力的條件下，抵抗軸向壓力的極限強(qiáng)度，這是無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定料組成設(shè)計(jì)的核心指標(biāo)，可以綜合反映材料的力學(xué)性能和路用性能。本文通過(guò)荷載-變形曲線峰值的荷載值反映再生料的力學(xué)強(qiáng)度，以峰值點(diǎn)的變形值以及峰值50%荷載值、25%荷載值對(duì)應(yīng)的變形值評(píng)價(jià)再生料的變形能力，并通過(guò)曲線面積計(jì)算材料破壞所需的壓縮能量，以此評(píng)價(jià)道路材料抵抗荷載的能力。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 荷載-變形曲線與纖維強(qiáng)化原理

研究纖維對(duì)水穩(wěn)再生料的影響，不應(yīng)局限于強(qiáng)度研究，而應(yīng)該對(duì)水穩(wěn)再生料荷載-變形曲線進(jìn)行深入分析[8]。

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)表明，隨著纖維用量的增加，水泥穩(wěn)定再生料的強(qiáng)度先上升后降低，存在最佳用量；而其荷載-變形曲線逐步變得平緩，表明其脆性減弱，韌性增強(qiáng)；峰值對(duì)應(yīng)變形值逐步向右移動(dòng)說(shuō)明混合料承受變形的能力逐步加強(qiáng)。纖維的加入顯著改變了水泥穩(wěn)定碎石的穩(wěn)定再生料的力學(xué)性能。

這是因?yàn)楫?dāng)纖維摻加水穩(wěn)再生料并均勻分散后，隨著水泥的水化反應(yīng)不斷進(jìn)行，每根高聚物纖維絲都會(huì)與水泥基體緊密黏結(jié)，并形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而增加集料-水泥石-纖維復(fù)合材料整體的強(qiáng)度，且纖維自身變形能力很強(qiáng)、抗變形能力很強(qiáng)、能夠承受很大的變形。當(dāng)集料-水泥石結(jié)構(gòu)受力破壞產(chǎn)生微裂縫后，纖維絲束仍然能將再生混合料聯(lián)系成一個(gè)整體，所以集料-水泥石-纖維復(fù)合材料有較強(qiáng)的變形能力。但纖維用量過(guò)大或分散不均勻，則纖維過(guò)于密集的局部反而會(huì)阻礙水泥石與集料黏結(jié)，從而降低再生料的力學(xué)強(qiáng)度。

2.2 荷載-變形曲線峰值分析

峰值點(diǎn)荷載與變形決定不同纖維摻量下再生料能承受的極限應(yīng)力與對(duì)應(yīng)應(yīng)變值，是其最重要的性能參數(shù)之一，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 纖維摻量對(duì)再生料峰值荷載與變形的影響

從圖1中可以知道，隨著纖維用量的提高，再生料的峰值強(qiáng)度的變化規(guī)律基本呈現(xiàn)拋物線形狀。纖維用量0～1‰過(guò)程中再生料強(qiáng)度隨纖維增加而提高；當(dāng)其用量為1‰時(shí)強(qiáng)度最高，比不添加纖維時(shí)可以提高24%，有顯著改善；用量超過(guò)1‰后，混合料強(qiáng)度逐步降低，這是因?yàn)槔w維太多會(huì)發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，阻礙水泥石與集料的黏結(jié)。再生料的變形值隨纖維用量而增加而提高，當(dāng)纖維用量為1‰和2‰時(shí)極限應(yīng)變分別提高約30%和80%，由此可知摻入纖維可顯著改善再生料的變形能力。為了深入研究纖維對(duì)再生料力學(xué)性能影響，本文對(duì)再生料峰值承載能力、變形能力與纖維用量的關(guān)系進(jìn)行定量研究。

水穩(wěn)再生料的承載能力與纖維摻量的關(guān)系如公式（1）所示，較為接近二次拋物線。

式（1）中：B為承載能力（kN）；X為纖維用量（‰）。

而水泥穩(wěn)定再生料的峰值對(duì)應(yīng)變形值會(huì)隨纖維用量的增加單調(diào)上升，且呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)規(guī)律，具體關(guān)系如式（2）所示，從變形能力角度看纖維值用量越高越好。

式（2）中：D為變形能力（mm）；X為纖維用量（‰）。

從力學(xué)強(qiáng)度角度看，水穩(wěn)再生料的最佳纖維用量是1‰，而從變形能力角度，纖維用量越高越好。

2.3 破壞能量

2.3.1 應(yīng)變能基本理論

基層再生混合料試件被破壞的根本原因是試件受到壓力作功而產(chǎn)生的壓縮能超過(guò)材料自身能承載能力。在無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)中這種能量就是壓縮應(yīng)變能，也就是當(dāng)荷載從0到相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程中所圍成的面積，如圖2中的OAε，其計(jì)算公式（3）為：

圖2 峰值壓縮能

峰值A(chǔ)點(diǎn)處的變形值為ε0，荷載值為Bmax，此時(shí)的能量為：

如圖2中OAε0所圍成陰影面積即為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程中的荷載-變形曲線壓縮能，也就是破壞試件過(guò)程中需要施加的能量。

一般情況下，荷載-變形曲線的峰值、峰值50%荷載值、25%荷載值及其對(duì)應(yīng)的變形值是荷載-變形曲線分析的關(guān)鍵點(diǎn)。也有研究以峰值對(duì)應(yīng)應(yīng)變的3倍應(yīng)變值作為關(guān)鍵分析點(diǎn)。但根據(jù)水泥穩(wěn)定料疲勞過(guò)程中動(dòng)態(tài)模量分析，水穩(wěn)材料的強(qiáng)度下降到初始強(qiáng)度35%后，疲勞壽命會(huì)迅速下降；強(qiáng)度下降到初始強(qiáng)度25%時(shí)，材料基本失去承載能力，并可能立刻破壞；當(dāng)強(qiáng)度下降到初始強(qiáng)度35%后水穩(wěn)再生料疲勞壽命較短，且隨機(jī)性較大。為了對(duì)水穩(wěn)再生混合料性能較為可靠的階段進(jìn)行研究，本文以荷載-變形曲線的峰值、峰值50%荷載值、35%荷載值及其對(duì)應(yīng)的變形值，作為關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行壓縮應(yīng)變能分析。不同纖維用量和不同荷載值情況下的壓縮能計(jì)算結(jié)果，如圖3所示。

圖3 纖維用量對(duì)壓縮能的影響

2.3.2 纖維用量對(duì)壓縮能的影響

由圖3可知，第一，隨著纖維用量的提高，所有的壓縮能都會(huì)提高。壓縮能最大的增幅出現(xiàn)在纖維用量從1‰提高到2‰時(shí)，而當(dāng)纖維用量超過(guò)2‰以后，壓縮能提高幅度很小，這是因?yàn)槔w維用量過(guò)高導(dǎo)致再生料強(qiáng)度明顯降低，從而降低了壓縮能的提高程度。第二，在纖維用量從0提高到2‰的過(guò)程中，峰值、峰值50%荷載、35%荷載對(duì)應(yīng)的壓縮能分別提高了81N·m、154N·m、192N·m；纖維用量從0提高到2‰，其在35%荷載條件下的壓縮能提高約100%。這是因?yàn)樗€(wěn)再生料的纖維用量越大，其荷載-變形曲線在峰值點(diǎn)后的部分面積越大，這就是水穩(wěn)再生料變形能力和韌性提高的根本原因。

2.3.3 不同壓縮能分析

水穩(wěn)再生料不同荷載下的壓縮能以及纖維用量的影響如圖4所示。

圖4 不同荷載下的壓縮能及纖維用量的影響

由圖4可知，第一，壓縮能的增長(zhǎng)，主要發(fā)生在峰值、峰值50%荷載過(guò)程中，峰值50%荷載到35%荷載過(guò)程增幅相對(duì)較小，這是因?yàn)榇诉^(guò)程中材料強(qiáng)度較低、實(shí)際承載能力下降。第二，從不同纖維用量的壓縮能曲線對(duì)比再次表明，壓縮能增長(zhǎng)幅值主要發(fā)生在纖維1‰增長(zhǎng)到2‰的過(guò)程中。第三，當(dāng)纖維用量小于1‰時(shí)，峰值50%荷載到峰值35%過(guò)程中的壓縮能增長(zhǎng)很小，但當(dāng)纖維用量大于2‰時(shí)，峰值50%荷載到峰值35%過(guò)程中的壓縮能仍有相對(duì)明顯的增長(zhǎng)。這表明較高的纖維用量，對(duì)延長(zhǎng)再生基層材料服務(wù)后期壽命仍有較為明顯的作用。

從水穩(wěn)再生料壓縮能的角度，纖維最佳用量是2‰，超過(guò)2‰后效果不明顯且不經(jīng)濟(jì)。

綜合破壞能量和強(qiáng)度分析，并考慮經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，1‰～2‰為合理纖維用量，超過(guò)2‰后增加纖維用量，對(duì)纖維強(qiáng)化水穩(wěn)再生料的力學(xué)性能改善效果不明顯，且不經(jīng)濟(jì)。

3 結(jié)論

本文通過(guò)荷載-變形曲線分析了水穩(wěn)再生料的力學(xué)性能以及纖維的改善效果，具體結(jié)論如下：

一是基于荷載-變形曲線，對(duì)水穩(wěn)再生料的承載能力、變形能力，以及峰值、峰值50%荷載、35%荷載對(duì)應(yīng)的壓縮能進(jìn)行分析，可以對(duì)纖維對(duì)水穩(wěn)再生料的強(qiáng)化作用進(jìn)行更全面的研究。

二是摻入合理用量纖維可以將再生料強(qiáng)度提高24%，并顯著提高其變形能力和壓縮能。

三是確定了峰值變形值和荷載值與纖維用量的關(guān)系模型，分別為線性模型和拋物線模型。

四是從力學(xué)強(qiáng)度角度，最佳纖維用量是1‰；從變形能力角度，纖維用量越高越好；從破壞能量角度，最佳纖維用量是1‰～2‰。