房英鋒

(中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京市 100089)

公路水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層普遍存在收縮開裂、均勻性差等問題，是公路基層產(chǎn)生諸多病害的主要原因之一。一般認(rèn)為，通過工藝提升、外摻添加劑和設(shè)計優(yōu)化等技術(shù)手段能夠改善半剛性基層材料的強(qiáng)度、抗裂性能等，從而提高公路基層的路用性能和耐久性。目前相關(guān)研究認(rèn)為：纖維能夠?qū)λ喾€(wěn)定碎石具有增強(qiáng)和增韌效應(yīng)，摻加纖維是改善水泥穩(wěn)定碎石路用性能方法之一；另外振動攪拌工藝可從宏觀和微觀層面上改善材料拌和過程中的均質(zhì)性，從而提高強(qiáng)度和各項(xiàng)使用性能。

聚酯纖維材料化學(xué)穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高，同時具有良好的耐酸性能和抵抗非極性溶劑侵蝕的能力，是綜合性能較好的纖維材料。目前中國多家單位研究基于靜壓成型方法分析了聚酯纖維對水泥穩(wěn)定碎石材料的強(qiáng)度和干縮性能的影響，但未對采用振動成型工藝條件下聚酯纖維對水泥穩(wěn)定碎石的各項(xiàng)路用性能影響規(guī)律進(jìn)行深入研究。

因此，該文首先對比振動攪拌工藝和傳統(tǒng)靜壓成型方法對摻入聚酯纖維水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、均勻性、干縮性能和溫縮性能的影響規(guī)律，并在振動攪拌成型工藝的基礎(chǔ)上，研究纖維摻量對水泥穩(wěn)定碎石上述各項(xiàng)路用性能的影響，最終確定基于振動攪拌成型工藝的聚酯纖維的最佳摻量范圍。

1 原材料

(1) 水泥。采用礦渣硅酸鹽水泥P-S-A32.5，具體技術(shù)指標(biāo)見表1。

(2)聚酯纖維。采用普通聚酯纖維，具體指標(biāo)見表2。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)

表2 聚酯纖維技術(shù)指標(biāo)

(3) 集料與礦料級配。所用集料為石灰?guī)r，級配見表3。

表3 礦料級配

2 試驗(yàn)方案及方法

為了研究聚酯纖維在水泥穩(wěn)定碎石基層混合料中的應(yīng)用，該文通過分析研究聚酯纖維摻量對水穩(wěn)碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)、離散系數(shù)的影響規(guī)律，確定其最佳摻量。

2.1 試驗(yàn)方案

聚酯纖維摻量分別為0‰、0.4‰、0.6‰、0.8‰和1‰。采用600 t/h連續(xù)式試驗(yàn)室內(nèi)小型試驗(yàn)水泥穩(wěn)定碎石振動攪拌設(shè)備，當(dāng)養(yǎng)生齡期為7、28 d時分別對其性能評價指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 評價指標(biāo)及試驗(yàn)方法

水穩(wěn)碎石混合料路用性能指標(biāo)測定包括無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、干燥收縮、溫度收縮，通過試驗(yàn)研究分析聚酯纖維的摻量對其指標(biāo)的影響規(guī)律。

2.2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是水穩(wěn)碎石混合料的主要性能指標(biāo)，其大小直接決定路面基層承載力的大小，按照規(guī)范要求，抗壓強(qiáng)度的試件制作成φ150 mm×150 mm的圓柱體，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生齡期分別為7、28 d時對試件做加載試驗(yàn)，根據(jù)不同纖維摻量和不同齡期制作16組且每組平行試件5個，共有80個。

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度按式(1)計算：

(1)

式中：Rc、P、A分別為試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(MPa)、破壞時的最大壓力(kN)、截面面積(mm2)。

2.2.2 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)方法

抗拉強(qiáng)度是水穩(wěn)碎石混合料的另一個重要性能指標(biāo)，混合料的抗拉能力可以用劈裂強(qiáng)度大小反映，故水穩(wěn)碎石混合料的抗拉強(qiáng)度采用劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)。其試件配合比、尺寸和數(shù)量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)相同，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生齡期分別為7、28 d時對試件做加載試驗(yàn)。

劈裂強(qiáng)度計算公式為：

(2)

式中：Rl、P、d分別為試件劈裂強(qiáng)度(MPa)、破壞時的最大壓力、直徑(mm);h為浸水后試件的高度(mm);α為半壓條寬對應(yīng)的圓心角(°)；a為壓條的寬度(mm)。

2.2.3 干燥收縮試驗(yàn)方法

干燥收縮是因其內(nèi)部含水量的變化而引起整體宏觀體積收縮的現(xiàn)象。此次干縮試驗(yàn)是在室內(nèi)自然條件下進(jìn)行的，采用100 mm×100 mm×400 mm的水泥穩(wěn)定碎石混合料小梁試件，每組有5個平行試件，其養(yǎng)護(hù)齡期為7 d，測試時間間隔第1 d為6 h一次，第2～5 d為12 h一次，之后24 h一次，直到含水量基本不變?yōu)橹埂Ｆ骄煽s系數(shù)的計算公式為：

(3)

式中：εi、ε0為第i次及初始測得的試件干縮應(yīng)變(με)；wi、w0為第i次及初始測得的試件含水量(%)。

2.2.4 溫度收縮試驗(yàn)方法

溫縮是溫度下降時引起水穩(wěn)碎石混合料外部體積變化的現(xiàn)象。溫縮試驗(yàn)在高低溫交變環(huán)境箱中進(jìn)行，溫度從55 ℃降到-25 ℃，每次降溫10 ℃，降溫速率為1 ℃/min，每次降溫后恒溫2 h。試件的制備、數(shù)量與干縮試驗(yàn)相同，其養(yǎng)護(hù)齡期為7、28 d。

溫縮系數(shù)的計算公式為：

(4)

式中:αt、εi、ti分別為溫縮系數(shù)、溫縮應(yīng)變、溫度區(qū)間(℃)。

3 纖維摻量對水泥穩(wěn)定碎石路用性能的影響

3.1 纖維摻量對強(qiáng)度的影響

由式(1)、(2)可得7、28 d兩個齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果分別如圖1、2所示。

圖1 聚酯纖維摻量對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 聚酯纖維摻量對劈裂強(qiáng)度的影響

由圖1、2可知：① 聚酯纖維對水穩(wěn)碎石混合料的早期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響較小，而對其后期抗壓強(qiáng)度具有一定的增強(qiáng)作用；② 摻入聚酯纖維對水穩(wěn)碎石混合料早期劈裂強(qiáng)度會產(chǎn)生不利影響；③ 養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時，隨著聚酯纖維摻量的增加，水穩(wěn)碎石混合料的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度均先增大后減小，摻量為0.6‰～0.8‰時，混合料的抗壓強(qiáng)度提高了16%左右。

養(yǎng)護(hù)早期試件混合料中的水泥尚處于水化狀態(tài)，與摻入的聚酯纖維之間的聯(lián)結(jié)較弱，這樣使得聚酯纖維對其強(qiáng)度影響較小，甚至?xí)档蛷?qiáng)度值。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間不斷增加時，混合料中的水泥水化反應(yīng)逐漸完成，其水化產(chǎn)物提升了兩者之間的聯(lián)結(jié)，這時聚酯纖維的摻入對混合料會產(chǎn)生有利的影響。

3.2 纖維摻量對收縮系數(shù)的影響

(1) 由式(3)計算得養(yǎng)護(hù)齡期為7 d的試件的平均干縮系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 聚酯纖維摻量對干縮系數(shù)的影響

由圖3可知：① 在水穩(wěn)碎石混合料養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時，隨著聚酯纖維的增加，其平均干縮系數(shù)逐漸減小，這是因?yàn)榫埘ダw維被分散到水穩(wěn)碎石混合料中的孔隙處，從而阻止了自由水分的散失，當(dāng)聚酯纖維增加到一定量時混合料會出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，這可能是由聚酯纖維的模量引起的，隨著摻量的不斷增加，其模量的彈性性能會造成試件體積的擴(kuò)張；② 當(dāng)聚酯纖維摻量為0.4‰～0.6‰時，會大幅度降低平均干縮系數(shù)，而在0.6‰～0.8‰之間有一個最佳聚酯纖維摻量會消除干縮現(xiàn)象。

(2) 由式(4)可計算得養(yǎng)護(hù)齡期為7、28 d的試件的溫縮系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 聚酯纖維摻量對溫縮系數(shù)的影響

由圖4可知:① 隨著水穩(wěn)碎石混合料養(yǎng)護(hù)齡期的增長，溫縮系數(shù)呈現(xiàn)增加的趨勢，這是由水泥水化反應(yīng)形成的膠結(jié)物和晶體引起的；② 隨著摻入聚酯纖維，兩個不同齡期的溫縮系數(shù)均逐漸減小，這是因?yàn)榫埘ダw維的線性溫縮系數(shù)低于混合料的線性溫縮系數(shù)，從而對膠結(jié)物起到了抑制作用；③ 當(dāng)聚酯纖維摻量達(dá)到一定值時，溫縮系數(shù)減小幅度逐漸下降；④ 摻量為0.6‰～0.8‰時，其溫縮系數(shù)降低了14%左右。

3.3 纖維摻量對均勻性的影響

當(dāng)聚酯纖維摻量為0.8‰、0.6‰養(yǎng)護(hù)齡期為7、28 d時，每組平行5個試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果

由表4可知：隨著聚酯纖維摻量的增加，會降低水穩(wěn)碎石混合料的均勻性，但降低幅度不大。

4 成型拌和工藝對水泥穩(wěn)定碎石路用性能的影響

除混合料配合比設(shè)計外，拌和工藝對水泥穩(wěn)定碎石基層路面的使用性能也有一定的影響?；诖?，在聚酯纖維摻入量為0‰、0.6‰和0.8‰時，通過試驗(yàn)對比振動拌和與傳統(tǒng)拌和工藝分別對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、干燥收縮以及溫度收縮性能的影響，結(jié)果如圖5～8所示。

圖5 拌和工藝及聚酯纖維摻量對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的

圖6 拌和工藝及聚酯纖維摻量對劈裂強(qiáng)度的

圖7 拌和工藝及聚酯纖維摻量對干縮的

圖8 拌和工藝及聚酯纖維摻量對溫縮的

由圖5、6可知：在試件養(yǎng)護(hù)齡期為28 d，不摻聚酯纖維時，振動拌和的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度與傳統(tǒng)拌和的相比分別提高了21.6%、21.2%，這是因?yàn)檎駝幼饔锰岣吡嘶旌狭现兴嗨磻?yīng)的比例，使得水化產(chǎn)物也相應(yīng)增多。隨著聚酯纖維的摻入，其抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步提高。故振動拌和技術(shù)以及聚酯纖維可以有效提高水穩(wěn)碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

由圖7可知：在試件養(yǎng)護(hù)齡期為7 d，不摻聚酯纖維時，振動拌和的平均干縮系數(shù)與傳統(tǒng)拌和的相比降低了23.4%，隨著聚酯纖維的摻入，其平均干縮系數(shù)進(jìn)一步降低。故振動拌和技術(shù)以及聚酯纖維可以有效降低水穩(wěn)碎石混合料的平均干縮系數(shù)。

由圖8可知：在試件養(yǎng)護(hù)齡期為28 d，不摻聚酯纖維時，振動拌和的溫縮系數(shù)與傳統(tǒng)拌和的相比降低了21.3%，隨著聚酯纖維的摻入，其溫縮系數(shù)進(jìn)一步降低。故振動拌和技術(shù)以及聚酯纖維可以有效降低水穩(wěn)碎石混合料的溫縮系數(shù)。

當(dāng)聚酯纖維摻量為0.8‰、養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時，振動攪拌和傳統(tǒng)攪拌每組平行5個試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 聚酯纖維摻量為0.8‰時無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(28 d期齡)

由表5可知：振動拌和與傳統(tǒng)拌和抗壓強(qiáng)度的離散系數(shù)分別為0.68%、8.31%，故振動拌和較傳統(tǒng)拌和能更好地打散水泥結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，使其均勻地分布在混合料的周圍，提高水穩(wěn)碎石混合料的黏結(jié)性，改善基層的路用性能。

5 結(jié)論

通過試驗(yàn)分析聚酯纖維和振動拌和技術(shù)對水泥穩(wěn)定碎石性能的影響，得到以下結(jié)論：

(1) 聚酯纖維的摻入對水穩(wěn)碎石混合料養(yǎng)護(hù)早期強(qiáng)度影響較??；但當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時，隨著聚酯纖維摻量的增加，混合料的強(qiáng)度先增大后減小，聚酯纖維的最佳摻量為0.6‰～0.8‰，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度均提高16%左右。

(2) 當(dāng)混合料養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時，聚酯纖維的摻入會降低其平均干縮系數(shù)，其最佳摻量為0.6‰～0.8‰時會消除干縮現(xiàn)象；當(dāng)混合料養(yǎng)護(hù)齡期為7、28 d時，聚酯纖維的摻入會降低溫縮系數(shù)，聚酯纖維的最佳摻量為0.6‰～0.8‰會降低溫縮系數(shù)14%左右。

(3) 隨著聚酯纖維摻量的增加離散系數(shù)會逐漸變大，表明聚酯纖維會降低水穩(wěn)碎石混合料的均勻性，但幅度不大。

(4) 通過對比混合料振動拌和與傳統(tǒng)拌和技術(shù)可知，振動拌和技術(shù)可以有效提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度21.6%、劈裂強(qiáng)度21.2%；降低水泥穩(wěn)定碎石混合料的平均干縮系數(shù)23.4%、溫縮系數(shù)21.3%。