侯兆軍, 馮立群, 李林萍

(1.新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆交通科學(xué)研究院 道路橋梁研究所，新疆 烏魯木齊 830047)

瀝青混凝土路面半剛性基層剛度相對較大，面層層底彎拉應(yīng)力及基層層底彎拉應(yīng)力小，可增加面層在重復(fù)荷載作用下的疲勞抗力；半剛性基層板體性好，利于機械化施工；取材方便，造價低，已經(jīng)成為目前我國高等級公路路面基層的主要形式[1]。而無機結(jié)合料穩(wěn)定材料抗沖刷能力差，隨溫度和濕度變化易產(chǎn)生溫縮和干縮等非荷載型裂縫；無機結(jié)合料基層抗拉強度低，基底彎拉應(yīng)力大于抗拉強度即可在基層底部產(chǎn)生荷載疲勞裂縫，并不斷向面層擴展，致使瀝青路面產(chǎn)生反射裂縫。

為了改善半剛性基層性能，特別是減小半剛性基層材料的收縮性，通過研究不同級配對基層性能的影響確定最適配比，通過改善半剛性基層材料各組成成分的性能來增強基層抗裂性。20世紀90年代開始，我國學(xué)者開始關(guān)注合成纖維在路面上的應(yīng)用[2]。陳燁，等[3]于21世紀90年代初開始對聚丙烯纖維增強石灰水泥土和石灰粉煤灰兩種基層材料進行初步應(yīng)用研究，啟發(fā)了科研人員對柔性纖維在路面基層上應(yīng)用價值的思考，但其研究僅限于石灰水泥土和石灰粉煤灰兩種半剛性基層材料，對纖維在應(yīng)用較廣泛的水泥穩(wěn)定材料中應(yīng)用研究較少。鑒于摻加纖維可提高半剛性基層性能，筆者研究了摻加拉伸強度和斷裂伸長率均較高的聚酯纖維水泥穩(wěn)定砂礫強度特性，取不同纖維長度和不同摻量兩個變量因素，選用L934正交水平表，研究纖維摻量、纖維長度和養(yǎng)護齡期對水泥穩(wěn)定砂礫強度影響規(guī)律。

1 原材料

定義聚酯纖維無機結(jié)合料穩(wěn)定砂礫為：對具有規(guī)定級配的天然砂礫，用水泥等無機結(jié)合料進行穩(wěn)定，在拌和過程中摻加一定量的聚酯纖維，經(jīng)碾壓成型，形成具有一定強度的水泥穩(wěn)定砂礫，聚酯纖維主要起阻裂、增強和增韌作用，纖維的拌和方法推薦使用干拌法。

1)選擇新疆阿勒泰產(chǎn)砂礫，所選料場易溶鹽含量0.365%，分類定名為亞硫酸鹽非鹽漬土。

經(jīng)試驗，所選擇砂礫壓碎值為16.9%，相對表觀密度為2 703，針片狀含量為14.8%，弱顆粒含量為3.6%，表明所選砂礫性能良好。

2)選用山東某公司生產(chǎn)的聚酯纖維。選用6，12，15 mm等3種長度聚酯纖維，摻量分別為2‰，4‰及6‰。按照JT/T 525—2004《公路水泥混凝土纖維材料 聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維》對所選聚酯纖維進行試驗，結(jié)果見表1。

表1 聚酯纖維性能試驗 Table 1 Test results of polyester fiber properties

3)半剛性基層厚度一般為15～40 cm，水泥穩(wěn)定砂礫結(jié)構(gòu)層應(yīng)用12 t以上壓路機碾壓，每層的壓實厚度不應(yīng)超過15 cm[4-5]，半剛性基層一般為分層碾壓。為了保證分層攤鋪的上、下兩層能有效結(jié)合成整體及基層的鉆芯取樣完整性，選用緩凝效果較好的P.C.32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，水泥劑量為4.5%。水泥試驗結(jié)果見表2。

表2 P.C.32.5復(fù)合硅酸鹽水泥試驗結(jié)果

Table 2 Test results of composite portland cement P.C.32.5

4)試驗用水選用飲用水。

2 試驗方案設(shè)計

2.1 級 配

根據(jù)基層材料中粗集料和細集料的分布狀態(tài)，將基層材料的結(jié)構(gòu)劃分為骨架密實、骨架空隙、懸浮密實和均勻密實4種類型。由于骨架密實結(jié)構(gòu)是粗集料形成相互嵌擠的骨架，細集料以充分密實的狀態(tài)填充到骨架間的空隙里，其粗骨料較多，基層抗壓強度較高、抗裂性和抗沖刷性較好[6-7]。筆者選用骨架密實型級配，并根據(jù)JTG D 50—2006《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的骨架密實型水泥穩(wěn)定砂礫級配范圍配成接近級配中值的合成級配，見表3。

表3 集料級配

Table 3 Aggregates grade

2.2 正交試驗

選擇纖維長度和纖維摻量為兩個因素，每種因素均有3個水平，考核指標(biāo)是7 d和28 d無側(cè)限抗壓強度，選擇正交試驗表L934，見表4。

表4 影響因素及水平 Table 4 Influence factors and levels

3 試驗研究

3.1 擊實試驗

對摻纖維水泥穩(wěn)定碎石的電動擊實試驗研究表明[8-9]，纖維的摻入對水穩(wěn)碎石擊實特性影響較小；文獻[10-12]的研究忽略纖維對水泥穩(wěn)定碎石最大干密度和最佳含水量的影響。本試驗纖維摻量小，所以不考慮纖維的摻加對水穩(wěn)材料擊實性能的影響，僅對水穩(wěn)砂礫進行電動擊實試驗。

根據(jù)JTG E 51—2009《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》進行擊實試驗，由于集料中大于19 mm的顆粒含量為19.9%(>10%)，且原材料最大公稱粒徑26.5 mm，小于《試驗規(guī)程》中規(guī)定的丙法容許最大公稱粒徑37.5 mm，故采用丙法進行電動擊實儀擊實試驗，并繪制聚酯纖維水泥穩(wěn)定砂礫的含水量-干密度關(guān)系曲線，從而確定其最佳含水量和最大干密度分別為5.2%和2.35 g/cm3，如圖1。

圖1 擊實曲線Fig.1 Compaction curve

3.2 拌和工藝

纖維水穩(wěn)砂礫的拌和工藝不同，直接影響混合料強度性能[2]，拌和方法、放料順序和拌和時間是決定纖維是否發(fā)揮作用的關(guān)鍵因素。據(jù)實際情況采用人工干拌法，使纖維充分分散于水穩(wěn)砂礫材料中。拌和流程見圖2。

圖2 纖維水穩(wěn)砂礫人工拌和流程Fig.2 Artificial mixing process of fiber cement stabilized gravel

3.3 試件制作及養(yǎng)護

根據(jù)《試驗規(guī)程》，選用φ150 mm × 150 mm圓柱體試模，用YES-2000B數(shù)顯式壓力機靜壓成型試件，12 h后脫模，然后將試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室分別養(yǎng)護7，28 d，最后一天浸水24 h。測試時，將試件從水池取出，用軟布擦去可見水，立即進行無側(cè)限壓強度試驗。

3.4 無側(cè)限抗壓強度試驗

用WE-1000型萬能材料試驗機進行無側(cè)限抗壓試驗。共測試9組，每組9個平行試件，剔除異常值后取其平均值。試驗結(jié)果見表5。

表5 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果 Table 5 Test result of unconfined compress

4 各因素對抗壓強度影響規(guī)律分析

4.1 極差分析

從表6聚酯纖維水泥穩(wěn)定砂礫無側(cè)限抗壓強度值看出，其7 d的強度極差R長度(0.864)>R摻量(0.627)，即纖維長度對混合料7 d無側(cè)限抗壓強度的影響大于纖維摻量的影響；而28 d的強度極差R長度(0.707)

表6 直觀分析(極差分析)

Table 6 Visual analysis (range analysis)

4.2 趨勢圖分析

4.2.1 聚酯纖維摻量對無側(cè)限抗壓強度的影響

由圖3可見，隨著聚酯纖維摻量的增加，試件的7 d和28 d無側(cè)限抗壓強度均增加。隨著摻量的增加，對于6 mm的聚酯纖維，試件的7 d，28 d抗壓強度分別增加了11.8%，13.6%；對于12 mm的聚酯纖維，試件的7 d，28 d抗壓強度分別增加了5.9%，12.1%；對于15 mm的聚酯纖維，試件的7 d，28 d抗壓強度分別增加了20.0%，31%。

圖3 聚酯纖維摻量對7 ，28 d無側(cè)限抗壓強度的影響Fig.3 Effect of polyester fiber content on unconfined compressive strength of 7 d, 28 d

4.2.2 聚酯纖維長度對無側(cè)限抗壓強度的影響

由圖4可見，試件的7 d和28 d無側(cè)限抗壓強度隨著纖維長度的增加而降低。隨著纖維長度的增加，摻量為2‰的纖維水穩(wěn)砂礫，7 d降低18%，28 d降低17.8%；摻量為4‰的纖維水穩(wěn)砂礫，7d降低13.6%，28 d降低11.4%；摻量為6‰的纖維水穩(wěn)砂礫，7 d增加12.4%，28 d降低5.2%。

圖4 聚酯纖維長度對7 ，28 d無側(cè)限抗壓強度的影響Fig.4 Effect of polyester fiber length on unconfined compressive strength of 7 d, 28 d

4.2.3 養(yǎng)護齡期對無側(cè)限抗壓強度的影響

聚酯纖維水泥穩(wěn)定砂礫強度的增長主要產(chǎn)生于7 d養(yǎng)護齡期內(nèi)，如圖5。摻加相同長度和相同摻量的聚酯纖維，水穩(wěn)砂礫養(yǎng)護齡期從7 ～28 d期間，無側(cè)限抗壓強度平均增加12.3%，增加幅度較小。

圖5 不同長度纖維水泥穩(wěn)定砂礫3，7d無側(cè)限抗壓強度Fig.5 7 d, 28 d unconfined compressive strengths of cemsent stabilized gravel mixing lengths fiber

4.3 復(fù)合材料理論的解釋

聚酯纖維水泥穩(wěn)定砂礫是一種復(fù)合材料，由聚酯纖維和水泥穩(wěn)定砂礫兩相組成，其性能為兩相性能的疊加[13]。

壓力機上壓頭對試塊施加豎向荷載時(圖6)，圓柱體試塊內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫，裂縫擴展過程中，纖維附近的反向應(yīng)力場消弱裂縫尖端應(yīng)力[14]，降低了裂縫附近應(yīng)力集中程度，使裂縫的擴展受到約束。

圖6 試塊受壓Fig.6 Compression test

若纖維所承擔(dān)的拉應(yīng)力小于自身極限抗拉強度，則裂縫尖端繞過纖維而繼續(xù)擴展，由于纖維附近的反向應(yīng)力場作用，裂縫尖端應(yīng)力強度不斷被消弱，直到該應(yīng)力強度小于材料極限強度，裂縫停止擴展。圓柱體試塊的受壓破壞過程中，內(nèi)部裂縫擴展受纖維的約束是無側(cè)限抗壓強度提高的根本原因。

由上述描述可知，纖維摻量越大，在基體內(nèi)部的亂向不連續(xù)性越明顯，纖維對裂縫的擴展的約束作用越強，該結(jié)論與試驗結(jié)果吻合。

5 結(jié) 論

1)在本試驗研究纖維長度范圍(6～15 mm)和摻量范圍(質(zhì)量百分比2‰～6‰)內(nèi)，浸水無側(cè)限抗壓強度試驗表明，聚酯纖維水泥穩(wěn)定砂礫的強度主要形成于7 d養(yǎng)護齡期內(nèi)，7～28 d抗壓強度增加緩慢。

2)聚酯纖維長度不變，纖維水穩(wěn)砂礫的強度與纖維摻量呈正相關(guān)關(guān)系；摻量不變，纖維水穩(wěn)砂礫的7 d和28 d浸水無側(cè)限抗壓強度與纖維長度呈負相關(guān)關(guān)系。

3)通過正交分析，相對于纖維摻量，纖維長度對水泥穩(wěn)定砂礫混合料設(shè)計強度標(biāo)準(zhǔn)影響較大，故所摻纖維長度的選擇對纖維水穩(wěn)砂礫半剛性基層強度和混合料設(shè)計的影響至關(guān)重要。

4)對于纖維水穩(wěn)砂礫，采用干拌法進行人工拌和，即將纖維與砂石料在加水之前進行充分拌和，避免或減少加水后纖維結(jié)團，使聚酯纖維充分分散于砂石料之間，充分發(fā)揮纖維的增強和增韌作用。

[1] 梁乃興,王秉剛.現(xiàn)代無機道路工程材料[M].北京:人民交通出版社,2011:216-227.Liang Naixing,Wang Binggang.Modern Inorganic Road Construction Materials [M].Beijing:China Communications Press,2011:216-227.

[2] 李清富,張鵬,劉晨輝.聚丙烯纖維半剛性基層抗裂性能研究[M].鄭州:黃河水利出版社,2010:7-10.Li Qingfu,Zhang Peng,Liu Chenhui.Study on Polypropylene Fibers Cracking Performance of Semi-Rigid Base [M].Zhengzhou: Yellow River Water Conservancy Press,2010:7-10.

[3] 陳曄,張起森.纖維加固土路面基層的研究與應(yīng)用[M].北京:人民交通出版社,1995.Chen Ye,Zhang Qisen.Research and Application of Fiber Reinforced Soil Pavement [M].Beijing:China Communications Press,1995.

[4] 李繼業(yè),劉經(jīng)強,張玉穩(wěn).現(xiàn)代道路材料與施工工藝[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006:397-399.Li Jiye,Liu Jingqiang,Zhang Yuwen.Materials and Construction Techniques of Modern Road [M].Beijing:Chemical Industry Press,2006:397-399.

[5] JTJ 034—2000 公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2000.JTJ 034—2000 Technical Specifications for Construction Highway Pavement [S].Beijing:China Communications Press,2000.

[6] 沙愛民,胡力群.半剛性基層材料的結(jié)構(gòu)特征[J].中國公路學(xué)報,2008,21(4):1-5.Sha Aimin,Hu Liqun.Semi-rigid structural characteristics of material [J].China Journal of Highway and Transport,2008,21(4):1-5.

[7] 沙愛民.半剛性路面材料結(jié)構(gòu)與性能[M].北京:人民交通出版社,1998:63-64.Sha Aimin.Semi-Rigid Pavement Structure and Properties of Materials [M].Beijing:China Communications Press,1998:63-64.

[8] 徐秀霞.柔性纖維半剛性基層的力學(xué)性能及工程應(yīng)用研究[D].重慶:重慶交通大學(xué),2009.Xu Xiuxia.Mechanical Properties and Engineering Application of Semi-Rigid Flexible Fiber [D].Chongqing: Chongqing Jiaotong University,2009.

[9] 張鵬.高等級公路半剛性基層材料的抗裂性能研究[D].大連:大連理工大學(xué),2007:37-38.Zhang Peng.Study on Highway Semi-Rigid Base Material Crack Resistance [D].Dalian: Dalian University of Technology,2007:37-38.

[10] 楊紅輝,王建勛,郝培文,等.纖維在水泥穩(wěn)定碎石在基層中的應(yīng)用[J].長安大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2006,26(3):14-16.Yang Honghui,Wang Jianxun,Hao Peiwen,et al.Application of fibers in cement stabilized aggregate base course [J].Journal of Chang’an University: Natural Science,2006,26(3):14-16.

[11] 霍宏娟,徐博書,張素青,等.聚酯纖維對水泥穩(wěn)定碎石強度影響的試驗研究[J].徐州建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2009,9(2):22-24,37.Huo Hongjuan,Xu Boshu,Zhang Suqing,et al.Experimental study on the effect of polyester fiber on strength of cement stabilized macadam [J].Journal of Xuzhou Institute of Architectural Technology,2009,9(2):22-24,37.

[12] 徐博書,竇剛玉,杜鐵軍.基于非線性的聚酯纖維對水泥穩(wěn)定碎石作用機理的研究[C]//第七屆全國土木工程研究生學(xué)術(shù)論壇.南京:東南大學(xué),2009.Xu Boshu,Dou Gangyu,Du Tiejun.The mechanism study of polyester fiber to cement stabilization crushed stone based on nonlinear [C]// Seventh National Civil Engineering Graduate Academic Forum.Nanjing:Southeast University,2009.

[13] 何力軍.正交各向異性纖維增強復(fù)合材料若干斷裂力學(xué)問題的研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2001:2-3.He Lijun.Study on Several Problems of Orthotropic Fiber Reinforced Composites Fracture Mechanics [D].Xi’an: Northwestern Polytechnic University,2001:2-3.

[14] 馬銀華,易志堅,楊慶國.柔性纖維對水泥穩(wěn)定粒料基層的阻裂增韌機理分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2007,26(5):84-86.Ma Yinhua,Yi Zhijian,Yang Qingguo.Analysis of anti-cracking and tenacity increasing mechanism of flexible fiber cement-stabilized material semi-rigid base [J].Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2007,26(5):84-86.