玄武巖纖維增強水泥穩定碎石基層設計及性能評價

摘要：為了提升水泥穩定碎石基層的抗裂性能，實現路面服役長壽命目標，文章設計在水泥穩定碎石基層中摻入不同摻量的玄武巖纖維，通過測試劈裂強度，確定最佳纖維摻量；設置最佳玄武巖纖維摻量與未添加玄武巖纖維摻量的水泥穩定碎石基層兩組平行試件，測試玄武巖纖維的摻入對兩組試件無側限抗壓強度、抗凍性能、干縮應變、溫縮應變、抗彎折強度以及抗裂性能的影響；利用掃描電鏡（SEM）從微觀角度對玄武巖纖維增強機理進行闡述。研究表明：玄武巖纖維的摻入對水泥穩定碎石基層的抗凍性能以及抗壓強度影響不大，但能減小其干縮以及溫縮應變，并顯著提升水泥穩定碎石基層的劈裂強度及抗彎拉強度，同時提升水泥穩定碎石基層的抗裂性能。

關鍵詞：水泥穩定碎石基層；長壽命；抗裂；玄武巖纖維

中圖分類號：U416.1" " " " "文獻標識碼：A" " " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.016

文章編號：1673-4874（2024）11-0049-03

0引言

我國道路基層材料普遍采用水泥穩定碎石。水泥穩定碎石基層具有抗壓強度高、穩定性好的特點，能在高溫地區有效抵抗車轍的發生，為瀝青面層提供良好的承載力［1］。但是在重載交通與復雜環境的作用下，水泥穩定碎石基層容易出現裂縫［2］，并且一旦出現裂縫將減弱其對路面的承載作用，嚴重時會形成反射裂縫，導致瀝青路面服役年限縮短，降低其耐久性［3］。

為了提升基層的抗裂性能以增強其耐久性，學者們進行了深入研究［4］，包括摻入礦物摻和料、改善集料的級配等。摻入礦物摻和料能與水泥發生二次水化反應，增強膠凝材料與集料之間的粘附。但是作為圬工結構，水泥穩定碎石基層抗拉強度遠小于抗壓強度［5］，對于裂縫的發展影響不大。改善集料級配能形成集料之間的強嵌擠結構［6］，能在一定程度上提升其抗壓強度以及抗疲勞性能，但是對于裂縫的抑制效果不明顯。目前亟須研究出一種有效方法來提升水泥穩定碎石基層的抗裂性能。

玄武巖纖維作為一種增強材料，被廣泛運用于土木工程。摻入的纖維能均勻分布于瀝青或混凝土中，通過自身的橋接作用，提升材料基體的抗拉強度以及抗裂性能［7］。本文通過試驗，探究玄武巖纖維的加入對水泥穩定碎石基層的抗壓強度、干縮性能、溫縮性能、抗凍性以及基層裂縫發展的影響。

1原材料及試件制備

1.1原材料

試驗所用原材料包括水泥、水、玄武巖纖維、玄武巖骨料。水泥采用新疆烏魯木齊市某水泥廠采購的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水為普通自來水，玄武巖纖維購于海寧安捷復合材料公司。材料基體信息如表1所示。

1.2試件制作

將玄武巖碎石、水泥與不同摻量的玄武巖纖維拌和，之后加入水，充分拌和均勻。圓柱體試件裝入直徑為150 mm的圓柱體模具并振動壓實；棱柱體試件裝入內徑為150 mm×150 mm×550 mm的立方體模具并靜壓壓實。之后將試件脫模放入養護箱中養護，得到水泥穩定碎石基層試件。將圓柱體試件進行切割，制作成厚度為50 mm、直徑為150 mm的水泥穩定碎石基層半圓試件。試驗配合比如表2所示。

2試驗方法

（1）對不同摻量玄武巖纖維的試件7 d以及28 d劈裂強度進行測試，選出最佳玄武巖纖維摻量。

（2）測試最佳玄武巖纖維摻量與未添加玄武巖纖維的水泥穩定碎石基層兩組平行試件的抗凍性能、干縮應變、溫縮應變以及抗彎折強度，并對兩組試件進行三點彎曲試驗測試，得到其位移時間曲線。

（3）利用掃描電鏡（SEM）對玄武巖纖維混凝土界面進行測試，從微觀角度分析玄武巖纖維對水泥穩定碎石基層的增強機理。試驗技術路線如圖1所示。

3試驗結果與分析

3.1劈裂強度測試結果與分析

利用壓力試驗機測試不同玄武巖纖維摻量下7 d與28 d劈裂強度，設置加載速率為1 mm/min，每組試驗設置5個平行試件。結果如圖2所示。

由圖2可知，試件7 d無側限抗壓強度較低，當試件養護至28 d時，其劈裂強度大幅度上升。養護7 d時，試件的水泥水化反應不充分，隨著試件的養護，至28 d時，試件的劈裂強度大幅度提升。另外，玄武巖纖維的摻量為0 kg/m3時，試件劈裂強度最低；隨著玄武巖纖維摻量從0 kg/m3上升至3.6 kg/m3，試件劈裂強度有小幅度上升；當玄武巖纖維摻量超過3.6 kg/m3時，試件劈裂強度變化不明顯。綜合比較，確定玄武巖纖維最佳摻量為3.6 kg/m3。

3.2抗壓強度及抗折強度測試結果

利用壓力試驗機以及UTM萬能試驗機測試摻入玄武巖纖維試件以及未摻入玄武巖纖維的試件的7 d、14 d與28 d抗壓強度及抗折強度，加載速率為1 mm/min，每組設置5個平行試件。結果如圖3所示。

由圖3可知，隨著養護齡期增長，試件的抗壓強度以及抗彎折強度均有增長。總體來說，玄武巖纖維的加入對于抗壓強度影響不大，但對于抗彎拉強度有顯著的提升作用，并且隨著齡期的增長提升效果更加明顯。分析認為，纖維能發揮自身的抗拉強度，代替基體材料受拉［8］。隨著養護齡期增長，水泥水化反應越充分，自身力學性能有所提高，同時玄武巖纖維與水泥基材料的粘附作用更強，纖維增強效果更好。

3.3溫縮、干縮試驗測試結果

將水泥穩定碎石基層試件放于干縮儀后，放入干縮室，利用千分表測試水泥穩定碎石基層干縮變形情況。每隔2 d讀數并記錄，直到第28 d，計算其干縮應變。按照同樣的原理，將試件放入高低溫交變試驗箱，設定溫度為-10 ℃～50 ℃，每5 ℃為一個溫度區間，測試14個溫度區間試件的溫縮應變。兩組試件干縮應變結果如圖4（a）所示，溫縮應變結果如圖4（b）所示。

由圖4（a）可知，隨著試件放置時間的延長，干縮應變逐漸上升。28 d后，未添加玄武巖纖維的水泥穩定碎石基層試件累計干縮應變由0上升至330×10-6左右；玄武巖纖維的摻入在一定程度上減少了其干縮應變，28 d試件累計干縮應變由0上升至230×10-6左右。觀察溫縮應變可以看出，隨著溫度升高，試件應變增大，同時玄武巖纖維的摻入在一定程度上抑制了試件的溫縮。綜合分析可以認為，玄武巖纖維的摻入能夠減緩自然條件下由混凝土收縮引起的裂縫。

3.4凍融試驗測試結果

利用混凝土凍融循環箱進行凍融處理。設置一次凍融循環周期為：-10 ℃處理14 h，25 ℃處理10 h，每24 h為一個凍融循環周期。測試摻入3.6 kg/m3玄武巖纖維以及未摻入玄武巖纖維的水泥穩定碎石基層試件的未凍融循環和凍融循環7次、14次、21次、28次無側限抗壓強度。結果如圖5所示。

由圖5可知，隨著試件凍融循環次數的增加，水泥穩定碎石基層無側限抗壓強度降低。分析認為，在-10 ℃時，孔隙中的水結冰，體積增大，使試件孔隙增大。隨著凍融循環的進行，造成膠凝材料與集料的剝落，導致無側限抗壓強度下降。另外，還可以看出，玄武巖纖維的加入對于水泥穩定碎石基層抗凍性能影響不大。在凍融循環28 d后，兩組試件的抗壓強度都下降至4MPa左右，側面證明了凍土地區水泥穩定碎石基層的路用性能會受到很大影響，值得進行后續研究。

3.5半圓試件加載結果

利用UTM萬能試驗機進行加載，設置加載速率為1 mm/min，得到兩組試件位移曲線，如圖6所示。

由圖6可知，隨著UTM萬能試驗機的加載，試件所承受的荷載先升高，再降低。摻入玄武巖纖維的試件峰值荷載為2.34 kN，高于未添加玄武巖纖維試件的2.29 kN。另外，纖維的摻入使峰值荷載對應的位移得到延長。

將試件破壞過程中裂縫的發展分為兩個階段，階段一隨著UTM試驗機的加載，裂紋開始在內部萌生，此時試件能承受的荷載增大；階段二隨著加載的繼續，試件內部的微裂紋逐漸連通貫穿，形成宏觀裂紋繼續擴展，此時試件能承受的荷載急劇降低。根據加載過程中的荷載位移曲線，得到加載過程的斷裂功wf，按式（1）計算：

wf=∫x2x1f（x）dx（1）

式中：x——位移（m）；

f（x）——位移為x時對應的荷載（N）。

試件破壞損傷過程及纖維橋接阻裂機理如圖7所示，各個階段對應的斷裂功如圖8所示。

由圖8可知，玄武巖纖維的加入能提高破壞過程中的斷裂功，其中，階段一的斷裂功提升了32.8%，階段二的斷裂功提升了98.1%，全階段斷裂功提升了62.7%。可以認為玄武巖纖維的加入能抑制裂縫全過程發展，并且對宏觀裂縫的擴展抑制效果更好。

3.6掃描電鏡試驗結果

利用鎢燈絲掃描電鏡對纖維及纖維水泥基界面進行觀察，結果如圖9所示。

由圖9可知，玄武巖纖維能分散在水泥基材料中，纖維與水泥基材料界面結合良好。水泥穩定碎石基層內部含有大量缺陷，纖維的存在能起到橋接作用，既能阻止微觀裂縫的萌生，同時也能抑制宏觀裂縫的擴展。

4結語

良好的基層質量是道路工程實現長壽命的基本前提。本文通過試驗對玄武巖纖維的加入在水泥穩定碎石基層性能的影響進行了全方位探究，結論如下：

（1）玄武巖纖維的加入能提升水泥穩定碎石基層的無側限抗壓強度。當纖維的摻量為3.63.6 kg/m3時對水泥穩定碎石基層無側限抗壓強度最明顯。

（2）玄武巖纖維的摻入對水泥穩定碎石基層抗凍性影響不大，但對其干縮以及溫縮性能有一定提升。

（3）玄武巖纖維的摻入能顯著提升水泥穩定碎石基層抗彎拉性能。通過發揮自身的橋接作用，能有效防止裂縫的萌生與擴展，增強構件的耐久性。

參考文獻：

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［2］祝爭艷，周文，劉海婷，等.半剛性基層裂縫注漿材料性能及其機理研究［J］.公路工程，2020，45（6）：185-189，237.

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［4］趙勁松.淺談水泥穩定碎石基層裂縫成因及防治措施［J］.公路，2008（8）：177-179.

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［7］苑艷飛.摻玄武巖纖維水穩基層在公路工程中的應用［J］.工程建設與設計，2022（1）：92-94.

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作者簡介：陳三喜（1986—），工程師，主要從事道路工程建造研究方面的工作。

收稿日期：2024-05-16