聚丙烯纤维对水泥稳定碎石基层的路用性能影响

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摘要：通过分析水泥稳定碎石基层收缩规律和抗裂性机理，并进行了一系列的室内试验,室内试验结果表明,聚丙烯纤维能够提高水泥稳定碎石基层的力学强度、抗裂性能、抗冻性，使水泥稳定碎石基层的路用性能得到有效改善。

关键词：聚丙烯纤维水泥稳定碎石路用性能

1、概述

水泥稳定碎石基层具有良好的力学性能和板体性、水稳性以及抗冻性等优点,被广泛用于修建高速公路路面基层或底基层。然而，水泥稳定碎石由于脆性，尤其对温度、湿度敏感性较强，在施工及使用过程中，在温度或湿度交替变化时容易发生收缩开裂，当沥青路面层较薄时进一步发展成为路面反射裂缝，最后将导致整个路面结构的破坏。为了科学有效地采取防裂措施，减少或延缓水泥稳定碎石基层沥青路面的开裂，充分发挥水泥稳定碎石基层的优势，通过一系列的室内实验分析发现，掺用一定比例的聚丙烯纤维后，在力学强度、抗裂性能、抗冻性等方面都得到了有效改善。

2、水泥稳定碎石收缩规律与开裂机理分析

水泥稳定碎石中不同矿物颗粒组成的固相、液相和气相在降温过程中相互作用的结果是水泥稳定碎石材料产生体积收缩，即温度收缩。就组成固相的矿物颗粒而言，原材料中砂砾以上颗粒的温度收缩系数较小，而粉粒以下的颗粒，特别是粘土矿物的温度收缩系数较大。粘土与其他胶体颗粒的温度收缩性能与其扩散层厚度成正比。水泥稳定碎石材料中胶结物各矿物有较大的温度收缩性。存在水泥稳定碎石材料内部的较大孔隙、毛细孔和凝胶孔中的水通过“扩张作用”、“表面张力作用”和“冰冻作用”三个过程，对水泥稳定碎石的温度收缩性将产生极大影响，使水泥稳定碎石材料在干燥和保水状态下有较小的温度收缩值，而在一般含水量下有较大的温度收缩值。

水泥稳定碎石材料的干燥收缩是由于其内部含水量的变化而引起整体宏观体积收缩的现象。水泥稳定碎石材料之所以随着含水量减少而发生干燥收缩，是因为随着含水量的减少，水泥稳定碎石材料依次经受了毛细管张力作用、吸附水和分子间力作用及层间水作用。由于水泥稳定碎石材料均为多孔结构的材料，水以各种形式存在于其内部：有结构水（层间水、结晶水）；表面吸附水（结合水）；毛细管水包括材料内部颗粒之间孔隙、胶结物和各种矿物团粒内部的空隙间的空隙毛细水。这些水的蒸发会引起材料宏观上的干燥收缩。

水泥稳定碎石基层铺筑时和养生期间，由于水和水泥稳定碎石的亲润性，在水分蒸发时，基层材料毛细管中便形成凹液面，而凹液面上表面张力的垂直分量形成了对管壁间材料的拉应力，此时水泥稳定碎石处于塑性阶段，自身的塑性抗拉强度较低，若水泥稳定碎石表层毛细管失水收缩产生应变能大于其塑性抗拉应变能，则水泥稳定碎石出现开裂现象。

3、原材料的性质分析与最佳配合比的确定

通过对原材料的物理、化学性质进行分析，以便了解并掌握原材料的基本性能，为实验结果进行理论分析提供保证和依据。

3.1、水泥：水泥稳定碎石基层对水泥品种没有特殊的要求，本试验采用河南省新乡孟电32.5#普通硅酸盐水泥。其检测结果如下表1

试验所用聚丙烯纤维的弹性模量较低，为一般半刚性基层材料弹性模量的1/2~1/3倍，热胀系数为一般半刚性基层材料的1/10倍。

3.3集料：在水泥稳定碎石混合料中，集料起着很重要的骨架作用。试验采用河南省开封石灰岩。为了减少试验误差，找出聚丙烯纤维对水泥稳定碎石的路用性能尤其是抗裂性能的作用规律，集料级配采用规范中值。规范规定的水泥稳定材料集料级配范围如下表3

试验集料压碎值为17.8，符合沥青路面半刚性基层材料要求。

3.4最佳配合比地确定：一般地，水泥稳定碎石基层的路用性能受到水泥剂量、水泥品种、集料组成和外加剂等多种因素的影响。水泥稳定碎石作为路面基层，其收缩量往往比较大，抗裂性能差，为了减少其收缩量，增加抗裂性，采用掺加聚丙烯纤维，选用水泥、纤维长度和纤维剂量等为主要因素，各因素分别选取了四个水平，进行均匀试验。根据均匀试验法设计理论和拟定试验因素和试验水平数，确定出掺纤维水泥稳定碎石混合料最佳配合比：水泥剂量：5%，纤维长度：5cm，纤维剂量：0.5‰。

4、试验结果和分析

4.1强度增长规律

水泥稳定碎石与掺纤维水泥稳定碎石不同龄期的抗压强度、劈裂强度试验结果如下表4

不同龄期的抗压强度、劈裂强度试验结果 表4

分析上表结果可知，掺纤维水泥稳定碎石早期强度和没外加剂水泥稳定碎石材料的比较接近，但后期强度有一定提高。因为在掺纤维水泥稳定碎石中，水泥与集料相互作用而生成的胶结物和晶体会随龄期的增长而增加，使得胶结物对纤维的粘结和固定作用增强。这样使纤维水泥稳定碎石形成一个坚强的整体，纤维可以在基体中发挥独特的性能，因而起到纤维增强效果，而且龄期愈长，增长效果愈明显，所以掺纤维水泥稳定碎石材料后其强度仍有较大提高。掺纤维水泥稳定碎石中纤维与水泥稳定碎石的连结方式除了粘着连接外，还存在着摩擦连结，当掺纤维水泥稳定碎石材料在载荷作用下开始变形时，纤维受力，在纤维和水泥稳定碎石中生成的团粒嵌固点上，发生摩擦作用，产生摩擦力，从而使纤维和基体之间出现一种内聚力。

4.2抗冻性能分析

水泥稳定碎石与掺纤维水泥稳定碎石不同龄期的冻融试验结果如下表5

分析上表结果可知，掺纤维水泥稳定碎石的抗冻性能优于没加剂水泥稳定碎石材料的抗冻性能。掺纤维水泥稳定碎石抗冻系数较高，分析为以下两方面原因：第一，基层材料为多孔隙材料，在受到冻融循环作用时，其内部孔隙水冻胀时体积膨胀9%产生的附加内应力将重复对材料的空隙壁产生挤压破坏作用，而纤维能够封闭了一些水泥稳定碎石的缝隙，减少了液体膨胀压力；第二，基层材料中的溶液部分结冰时还会产生很大的渗透压力，引起基层的破坏开裂，而掺加聚丙烯纤维后，水泥稳定碎石抵抗内部液体膨胀压力的能力大大增强，减小了冻融导致材料内部结构的破坏。

4.3抗裂性能分析

水泥稳定碎石与掺纤维水泥稳定碎石抗裂试验结果如下表6

分析上表结果可知，无论干缩能抗裂系数还是温缩能抗裂系数都是掺纤维水泥稳定碎石远远大于水泥稳定碎石，可见纤维对水泥稳定碎石抗裂性提高很大。分析为以下三方面原因：第一，聚丙烯纤维可以减少水泥稳定碎石早期干缩应变；在水泥稳定碎石中掺入聚丙烯纤维材料后，使得其失水面积有所减小，水分迁移较为困难，从而使毛细管失水收缩形成的毛细管张力有所减小，同时低弹模的有机纤维相对于塑性水泥稳定碎石也成为高弹模纤维材料，依靠纤维材料与水泥基之间的界面吸附粘结力、机械啮合力等，增加了材料抵抗开裂的塑性抗拉应变能，水泥稳定碎石的开裂状况得以减轻，甚至消失。第二，聚丙烯纤维能够抑制温缩应变；聚丙烯纤维的热胀缩系数很小，通常为水泥稳定碎石等半刚性材料温缩系数的1/10，当聚丙烯纤维加入水泥稳定碎石拌和成型，随着龄期的增加，纤维和水泥稳定碎石结合成为一个整体，如果温度变化，材料将会发生收缩或膨胀，由于纤维膨胀系数很小，它就会抑制水泥稳定碎石基体的膨胀，从而表现出来温缩系数减小。第三、聚丙烯纤维，能够大大提高水泥稳定碎石的极限抗拉应变能，增大极限收缩破坏应变能；掺纤维水泥稳定碎石中布置的纤维有很多弯曲，当纤维受力时，在弯曲区产生摩擦力，继而引起一种抗力，并随纤维受力而增加，同时在纤维交叉处产生的力企图使纤维产生横向位移，则很快会遇到其它纤维阻止这种位移，受力后欲位移纤维上的力传到其他纤维，形成一个受力作用新区，从而产生纤维水泥稳定碎石的内聚力，提高水泥稳定碎石的抗拉能力。

参考文献：

张登良、郑南翔等，半刚性材料抗裂性能研究，西安公路学院科学技术报告，1998.6

孙家瑛，魏涛等，聚丙烯纤维对混凝土路用性能的影响，混凝土，2001.6

中华人民共和国行业标准，公路工程无机结合料稳定材料试验规程，JTJ057-94

朱江，聚丙烯纤维混凝土在路面工程中的应用研究，混凝土，2000.12

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