摘要：根據大量試驗結果，分析了外摻不同長度聚乙烯醇纖維對水泥穩定碎石干縮特性(平均干縮系數)和7天無側向抗壓強度的影響，得出了相應的影響規律。結果表明：聚乙烯醇纖維的摻加對水泥穩定碎石7天無側向抗壓強度有顯著的提高;外摻不同長度纖維的水泥穩定碎石干縮明顯減小;纖維的長度對干縮系數和7天抗壓強度有一定的規律性影響。
關鍵詞：聚乙烯醇纖維;水泥穩定碎石;干縮系數
Abstract: According to a large number of test results, analysis of the shrinkage characteristics of cement stabilized gravel, mixed with different lengths of polyvinyl alcohol fiber (average shrinkage coefficient) and 7 days without lateral compressive strength, impact, and obtained the corresponding effects of. The results showed that: the mixing of polyvinyl alcohol fibers have significantly improved for seven days without lateral compressive strength of cement stabilized macadam; cement stabilized gravel mixed with the different length of fiber shrinkage significantly reduced; the length of the fiber shrinkage coefficients and the 7 days compressive strength of a certain regularity effects.
Keywords: polyvinyl alcohol fibers; cement stabilized gravel; shrinkage factor
中圖分類號:TQ342+.41文獻標識碼：A 文章編號：
0.引言
水泥穩定碎石基層作為半剛性基層的一種重要形式,具有良好的整體特性和穩定性,具有強度高、抗疲勞特性好的特點【1】。然而，該類基層形式彈性變形小、抗變形能力差，養生結束后在失水率逐漸增大時易產生干燥收縮裂縫等缺陷，一直是困擾著公路研究人員的一項難題【2】。
水泥穩定碎石材料具有抗壓強度高，但抗彎拉能力較弱的特點，當干燥收縮引起的干縮應力大于其抗拉極限荷載時，基層表面就會開裂，產生橫向裂縫，這些橫向裂縫在上部行車荷載的作用下，很快就會反射到瀝青面層上，加速路面使用性能的惡化。國內外學者通過對級配調整和在混合料中摻各種外加劑和特殊材料，這些措施對裂縫的產生、擴展取得一定的抑制作用。本文針對在低劑量水泥穩定碎石基層中外摻不同劑量的聚乙烯醇纖維材料進行強度和干縮試驗，探討纖維長度對水泥穩定碎石強度和干縮的影響規律。
1 原材料性質
1.1 原材料試驗
本次試驗采用巢湖散兵生產的四檔石灰巖碎石,各檔集料的技術性質見表1所列。
集料規格
/mm |
壓碎值
/(%) |
含泥量
/(%) |
表觀密度
/(g/cm-3) |
吸水率
/(%) |
|
19~37.5 |
18.2 |
0.35 |
2.741 |
0.18 |
|
9.5~19 |
0.96 |
2.734 |
0.21 |
|
4.75~9.5 |
1.12 |
2.746 |
0.45 |
|
0~4.75 |
13.7 |
2.730 |
2.47 |
表1 基層用集料技術性質
試驗采用聚乙烯醇纖維，纖維長度有12mm、20mm、30 mm、50mm等四種規格。其技術參數參考見表2。
|
指標 |
抗拉強度
/（Mpa） |
比重
/（g/cm3） |
延伸度
/（%） |
吸濕性
/（%） |
|
結果 |
1500~1700 |
1.29~1.30 |
6~7 |
5 |
表2 聚乙烯醇纖維(PAV)技術性質
采用安徽海螺集團水泥廠生產的P.O325硅酸鹽水泥,進行水泥的常規試驗, 得到各指標值表3。經檢驗,試驗所用水泥符合P.O32.5水泥技術要求。
|
項目 |
實測值 |
技術要求 |
|
初凝時間/(h) |
2.25h |
≥1.5h |
|
終凝時間/(h) |
6.7h |
≤10h |
|
細度/ ( 0.08 mm) 篩余量 |
4.7 |
≤10 |
|
安定性（雷氏法） |
合格 |
合格 |
|
抗壓強度（Mpa） |
3d |
19.2 |
≥12 |
|
18d |
34.6 |
≥32.5 |
|
抗拉強度（Mpa） |
3d |
3.4 |
≥2.5 |
|
18d |
7.5 |
≥5.5h |
表3 水泥物理力學性能指標
本試驗采用逐檔篩孔合成級配，各檔篩孔通過率見表4。
數值
篩孔（mm） |
篩孔通過率（%） |
|
實測 |
上限 |
下限 |
|
31.5 |
100 |
100 |
100 |
|
26.5 |
92 |
/ |
/ |
|
19 |
77 |
86 |
68 |
|
9.5 |
50 |
58 |
38 |
|
4.75 |
31 |
32 |
30 |
|
2.36 |
23 |
28 |
16 |
|
0.6 |
12 |
15 |
8 |
|
0.075 |
3 |
3 |
0 |
表4 水泥穩定碎石合成級配篩孔通率
2 試驗結果與分析
2.1試驗方案及試驗方法
試驗過程嚴格參照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51-2009)，采用4種不同長度的纖維、水泥劑量為4.5%、含水量6.2%、纖維摻量為1.2kg/m3、固定級配下進行成型試件，進行無側向抗壓強度試驗。
根據重型擊實試驗結果，采用靜力壓實法成型試件進行干縮試驗。試件尺寸為100mm×100mm×400mm的中梁，將成型后試件包裹嚴密后放入恒溫恒濕養護箱中養護7d齡期，養護箱溫度調整為(20±2)℃，相對濕度為≥95%。
為了將試件在測試過程中的各項誤差降到最低，本試驗采用千分表支架法測量梁式試件在一定失水率下的干燥收縮變形。在測試水分損失的試件底部及測量干縮形變的試件底部均安放8根玻璃棒，起到不阻滯水分散失和減小試件干縮時與底板之間摩擦阻力的作用。由于水泥穩定碎石一小塊玻璃片，這樣可以有效地減小千分表讀數時的誤差。
2.2試驗結果
外摻不同長度纖維的7天抗壓強度結果如表5所示，15天干縮試驗結果如表6所示。
表5 7天無側向抗壓強度匯總表
|
纖維長度 |
平均抗壓強度 |
標準差 |
變異系數 |
|
|
0 |
4.23 |
0.07 |
1.58 |
4.32 |
|
12mm |
4.48 |
0.12 |
2.68 |
4.31 |
|
20mm |
4.58 |
0.11 |
2.40 |
4.43 |
|
30mm |
4.60 |
0.13 |
2.83 |
4.42 |
|
50mm |
4.49 |
0.15 |
3.27 |
4.37 |
表6 14天干縮試驗結果匯
2.2不同纖維長度對無側向抗壓強度的影響
根據7天無側向抗壓強度測試值，匯出各不同纖維長度-抗壓強度和不同纖維長度-變異系數直方圖如圖1、圖2所示.
從圖1、圖2結果可以看出
(1)纖維的對水泥穩定碎石基層的力學性質有很重要的影響，總體來看，聚乙烯醇纖維(PAV)的摻入對增強水泥穩定碎石基層的抗壓強度和抗拉強度是有一定效果的。
(2)當PAV纖維長度有12mm增加到30mm時，水泥穩定碎石材料的抗壓強度呈增長趨勢。但纖維增加到50mm時，抗壓強度反而下降。致使強度趨勢出現變點的原因主要有兩方面，一方面是纖維長度較大，在攪拌過程中纖維不易分散、易結團成束(見圖24)，故在水泥穩定碎石基層材料中并未起到應有的配筋和橋接作用;另一方面是隨著
不同長度纖維的摻加，纖維良好的延展性和易與基體材料粘結的特性占主導，促使摻加纖維的水泥穩定碎石基層材料表現出優于普通基體材料的基本力學特性[3]。然而外摻纖維長度并非越長越好，因為纖維低模量的性質使纖維與基體材料受力變形時產生異步現象嚴重，纖維的握裹力和良好的變形能力不再發揮主要功能，基體材料的破壞此時取決于基體材料自身的性質。由此可見，PAV纖維對水泥穩定碎石基層基本力學特性的增強作用存在一個合理的長度范圍。
2.3不同纖維長度水泥穩定碎石干縮的影響
不同纖維長度下失水率、干縮系數與時間關系如圖3、圖5所示，不同纖維長度和平均干縮系數關系如圖4所示，干縮系數與失水率關系如圖6所示。
對圖3中曲線做回歸分析，各回歸多項式如下:
不摻纖維：y=0.0002x3−0.0077 x2+0.1126x
+0.022 R2=0.9922
摻12mm纖維：y=0.0002x3−0.0067 x2+0.1096x
+0.0062 R2=0.9899
摻20mm纖維：y=0.0003x3−0.0092x2+0.1228x
+0.045 R2=0.9955
摻30m纖維：y=0.0004x3−0.0117 x2+0.1484x
+0.0958 R2=0.9823
摻50mm纖維：y=0.0001x3−0.0054 x2+0.985x
+0.012 R2=0.9917
從圖3、圖4可以看出自然條件下，試驗初期(7d左右)試件的失水率急劇增大，隨著時間的不斷延長，失水率曲線逐漸趨于平穩，到14d左右時，試件每天的失水量基本為趨于穩定。這從另一個側面表明水泥穩定碎石碾壓結束后養生7d的重要性。
由于PAV纖維具有一定的親水性，PAV纖維水泥穩定碎石的失水率和干縮系數對不加纖維具有一定的滯后性。
外摻不同長度纖維的水泥穩定碎石失水率均在24天左右趨于穩定。根據回歸公式可以看出失水率與時間呈三次多項式的關系，且有良好相關性。
從圖5，可以看出從7天、和14天的平均干縮系數來看，在外摻30mm纖維后出現拐點，其主要原因在于，由于纖維長度增加后，拌合中纖維的分散性較差，整個復合材料(基體+纖維)各項受力異性，協調變形能力減弱。外摻纖維的抗裂性機理可以用斷裂力學來解釋。考慮到水泥穩定碎石基層屬于彈塑性材料這一性質分析起來的復雜性，故將彈塑性材料問題簡化為線彈性材料問題，采取K疊加法來進行分析[4]。K疊加法最早是由Ramualdi等人發展起來的，按照K疊加法的思想，外摻PAV水泥穩定碎石基層材料裂紋的應力強度因子K可用以下公式。
正是由于降低了裂紋應力強度因子K值，故可以很好的解釋纖維在水泥穩定碎石基體材料中的阻裂作用。由于纖維材料表現出具有很高的強度和韌性，當外摻纖維水泥穩定碎石基層出現裂紋后，若裂紋位于纖維之間且未穿過纖維，根據纖維與基體的完全接觸狀態，纖維的鉚固作用將阻止裂紋的進一步擴展。通過裂紋穿透纖維的時間歷程概念知，當裂尖運動到無限接近于纖維，裂尖區域處產生的應力集中會使水泥穩定碎石基體材料與纖維沿接觸面部分脫離，從而使裂紋穿過纖維。當裂尖穿過纖維的瞬間，與基體材料界面分離的纖維將產生應變的突變，阻止裂尖的擴展。
圖6干縮系數與失水率關系圖
從圖6，可以看不同長度纖維的干縮系數變化都有拐點出現，在失水率為0.8%后干縮系數變化不是較穩定。但從曲線的變化趨勢可以清晰地看出，不摻纖維的試件在試驗初期，水分急劇散失，加上水泥的硬化反應和0.075mm以下的細料的干燥收縮，水泥穩定碎石干縮系數梯增較為明顯。即隨著纖維長度的增大，試件水分的散失過程是逐步趨緩的。尤其是長度為30mm的纖維是的干縮的敏感性降低，纖維長度為50mm時候干縮系數有所提高，其主要原因在于此時拌合的混合料中，纖維結團的較多，纖維難以很好的分散，干縮系數敏感性增大。
纖維的摻入，使一些毛細水散失通道被細微的纖維絲堵塞或覆蓋住，失水面積有所減小，水分遷移較為困難，難以迅速蒸發，只能通過那些未被纖維絲堵塞住的通道逐步緩慢散失，同時由于纖維與基體之間產生的連接力、機械嚙合力以及大量纖維絲亂向分布形成的網狀支撐體系的共同作用，有效地約束了基體內混合料與膠凝物的干縮形變，進而形成了摻入纖維試件比普通水泥穩定碎石試件干縮系數和干縮應變均有較大幅度減小的現象。纖維在混合料中產生的作用效果主要表現在：1)閉塞及覆蓋毛細孔，延緩并抑制水分散失速率作用;2)纖維單絲產生的抵抗變形拉力作用;3)大量纖維絲亂向分布形成空間網狀支撐體系作用;4)纖維絲與水泥水化結晶物形成特殊嚙合連接力作用。
3 結論
(1)聚乙烯醇纖維摻入到水泥穩定碎石中抗壓強度和干縮有一定的提高。
(2)隨著纖維長度的增大，泥穩定碎石試件失水率隨著水時間的延長逐漸趨緩，纖維長度超過30mm后干縮系數和干縮應變呈現增大趨勢。
(3)外摻不同長度纖維的水泥穩定碎石失水率均在24天左右趨于穩定。失水率與時間呈三次多項式的關系，且相關性良好。
(4)由于PAV纖維具有一定的親水性，PAV纖維水泥穩定碎石的失水率和干縮系數對不加纖維具有一定的滯后性。
參考文獻：
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[4]楊紅輝,王建勛,郝培文,等.纖維在水泥穩定碎石基層中的應用[J].長安大學學報(自然科學版),2006,26(3).
