半刚性材料配合比设计及力学性能研究

2010-01-28张新旺

土木工程与管理学报 2010年2期

张新旺

(平顶山市公路管理局，河南平顶山 467000)

半刚性材料主要由水泥、石灰、粉煤灰和集料组合而成，常用的组合有水泥+集料和石灰+粉煤灰+集料，即水泥稳定类和二灰稳定类基层[1,2]。但是对于水泥+石灰+粉煤灰+集料组合成的水泥石灰粉煤灰稳定类基层研究很少[3,4]。深入研究分析水泥石灰粉煤灰稳定类与石灰粉煤灰稳定类和水泥稳定类的抗裂性能优劣问题具有十分重要的意义[5,6]。

半刚性材料开裂的产生，不管是荷载型还是非荷载型裂缝，其主要原因是收缩应力或荷载应力超过材料最大的抗弯拉应力，因此提高半刚性材料抗弯拉应力也是提高抗裂性能的一个重要方法。而从理论上讲，在半刚性材料中加筋(纤维)是提高其抗弯拉应力的一种有效方法。

基于此，本研究在砂砾骨架级配确定的基础上，主要进行三灰砂砾细集料级配研究，深入分析细集料级配对三灰砂砾抗裂性能的影响；在级配研究的基础上，选用抗裂性能好的级配，进行常用的半刚性基层结合料最佳配合比研究，从而优化石灰粉煤灰砂砾、水泥粉煤灰砂砾以及水泥石灰粉煤灰砂砾配合比；选用最佳抗裂性能的级配和配合比作为基体材料，通过添加不同性能的聚丙烯纤维，进行半刚性复合材料抗裂性能研究。

1 试验配合比组成

石灰粉煤灰(简称二灰)比例对混合料强度的影响很大。试验选择了五种二灰比例，即石灰∶粉煤灰=1∶2，1∶2.5，1∶3，1∶3.5，1∶4(质量比)，进行抗压强度试验，并以强度最大值对应的二灰比例作为最佳二灰配比。得到二灰比例在1∶2.3左右的7天抗压强度最大，因此本研究采用石灰∶粉煤灰=1∶2.3(质量比)，由内插法得到其最大干密度为1.25 g/cm3，最佳含水量为27.8%。

按W.B富勒(Fuller)的最大干密度曲线公式，得到的初定级配见表1所示。

表1 砂砾初定级配

现以初定砂砾级配为基准级配W-1，细集料采用逐级替代，得到六种砂砾级配见表2，旨在研究细集料级配对半刚性材料抗裂性能的影响。根据级配理论，针对平顶山地区原材料，可得二灰的合理填充量。

表2 六种集料级配汇总表(%)

为了研究不同结合料对半刚性基层材料性能的影响，进行了不同结合料的半刚性材料力学性能试验，结合料类型如表3所示。

通过掺加纤维可以提高半刚性材料的抗拉强度，为了分析纤维的掺量、截面形状、界面粗糙度对三灰砂砾劈裂强度的影响，还进行了掺加纤维带和纤维网的试验，如表4所示。

表3 不同结合料稳定砂砾的代号

表4 添加复合材料的三灰砂砾的代号

2 力学性能试验及分析

作为路面主要承重层的半刚性基层必须具备足够的强度和刚度，才能够承受外力，并具有抵抗外力作用下的变形能力。同时还须具备一定的抗拉强度，才能使材料具有一定的抗裂性能。因此，在室内对各种方案的基层材料进行无侧限抗压强度、抗压回弹模量、抗弯拉强度试验。

2.1 抗压强度试验结果及分析

2.1.1不同细集料级配三灰砂砾抗压强度试验

不同细集料级配三灰砂砾的抗压强度试验结果见图1所示。

由图1可知：合理的细集料级配对粗集料骨架的形成起到重要的作用，细集料过细对骨架结构存在干涉现象，致使内摩擦角减小，细集料过粗则对粗集料的骨架起不到很好的填充作用，导致粘聚力减小。而合理的细集料级配不但使骨架结构不产生干涉现象，而且还能起到很好的填充作用，使整体强度提高，该级配为W-3。故后面的研究均以W-3作为骨料级配。

2.1.2不同结合料稳定砂砾的抗压强度试验

半刚性基层材料要具备足够的强度和刚度，在很大程度上取决于结合料的配比和用量，而在用量一定的情况下，配比尤为关键，因此进行不同结合料稳定砂砾抗压强度试验，试验结果见图2、图3所示。

图3 不同水泥剂量稳定砂砾抗压强度随龄期增长曲线

从图2、图3可知：各类半刚性基层的抗压强度均随龄期的增长而增大；各类材料的早期(28天前)强度中，水泥粉煤灰砂砾最大，二灰砂砾最小，三灰砂砾居中，而且三灰砂砾的强度随水泥替代石灰量的增加而增大；材料的强度增长，90天前呈直线增长，90天后水泥粉煤灰砂砾和二灰砂砾明显变缓，即在90天处存在强度增长拐点，而三灰砂砾90天后仍保持直线增长；龄期为180天的各类材料强度中，三灰砂砾最大，水泥粉煤灰砂砾次之，二灰砂砾最小。

试验表明，三灰砂砾不但可以克服二灰砂砾的早期强度不足，而且后期强度比二灰砂砾和水泥粉煤灰砂砾高，由此说明三灰砂砾强度增长的优越性，同时还可以通过调整三灰砂砾中的水泥用量来实现基层早期强度的要求。

2.1.3复合材料及规范级配三灰砂砾抗压强度试验

三灰砂砾掺加纤维后的抗压强度、规范级配与最佳级配三灰砂砾的抗压强度测试结果如图4所示(GF指规范级配)。

图4 复合材料、规范级配等三灰砂砾的强度增长曲线

由图4可见：对于相同的结合料和结合料配比，砂砾的级配对于强度影响很大，如在三灰砂砾的原材料、配比一样的情况下，本课题得到最佳级配的180天抗压强度是规范级配的1.75倍；掺加纤维降低了三灰砂砾的抗压强度，同时纤维尺寸对三灰砂砾强度的形成有一定影响，如掺加纤维丝(J-2-3)使三灰砂砾180天抗压强度降低了25%，掺加纤维带(J-2-Ⅲ)使三灰砂砾的180天抗压强度降低了62%，这是因为纤维的加入影响了基层材料整体性的形成。

2.2 抗压回弹模量试验结果及分析

依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTJ 057-94)，采用顶面法，测试了各类半刚性材料的抗压回弹模量，试验结果见图5、图6。

图5 不同结合料稳定砂砾的抗压回弹模量

图6 复合材料及规范级配三灰砂砾的抗压回弹模量

由图5可知：抗压回弹模量随着龄期的增长而增大。在水泥和石灰用量相同的条件下，水泥稳定类的抗压回弹模量大于二灰类的抗压回弹模量，而且水泥稳定类的抗压回弹模量随水泥用量的增大而增大，同时三灰砂砾的抗压回弹模量随水泥剂量的增大而增大。

由图6可知：三灰砂砾的抗压回弹模量随其添加纤维而减小，而且剂量和纤维尺寸越大其抗压回弹模量越小。

基层刚度越大结构内部产生的温度应力就越大，使结构越容易产生温度收缩裂缝，所以从抗裂角度出发，在满足强度要求的前提下，刚度越小越好；但是从路面的结构层设计角度来说，刚度越大则结构层厚度就越薄，所以结构层设计要求刚度越大越好。当然，若层间的刚度相差太大，将使结构产生过大的拉应力，特别是在干燥收缩和温度收缩的综合影响下，也使路面的抗裂性能降低，因此，合适的基层刚度不仅可提高抗裂性能，还可以优化路面结构设计。综上所述，在强度满足要求的前提下(J-1的7天强度为0.48 MPa，不满足规范要求)，刚度越小抗裂性能越好，因此由强度、刚度得到J-2的抗裂性能最佳。

2.3 抗拉强度试验结果及分析

作为路面的主要承重层，半刚性基层材料还必须具备一定的抗拉强度，以满足行车荷载的需要。其中劈裂强度和抗折强度就是目前用来衡量抗拉强度的两个基本指标。

2.3.1劈裂试验

通过掺加纤维可以提高半刚性材料的抗拉强度，所以本研究以纤维剂量和龄期为变量进行材料的劈裂强度试验，以期得到纤维的最佳掺量和测定该最佳掺量的最佳龄期。试验结果见图7所示。

图7 添加纤维丝三灰砂砾劈裂强度

从图7可知：纤维的加入可提高三灰砂砾的劈裂强度；掺纤维三灰砂砾的劈裂强度与纤维掺量存在一个峰值，即存在一个峰值强度对应的最佳纤维掺量。

掺加纤维与不加纤维的劈裂强度增加百分率，具体计算如下：

计算结果如图8所示。

图8 添加纤维丝后三灰砂砾劈裂强度增长百分率

由图8可知：掺纤维三灰砂砾劈裂强度的增长率随纤维掺量大致呈抛物线变化，即劈裂强度增长率随着纤维掺量的增加而增加，当达到某一峰值后，劈裂强度增长率随着纤维掺量的增加而减少，该峰值为0.15‰；与其它龄期相比，28天劈裂强度的增长率最大，因此，以28天龄期作为测定最佳纤维用量的龄期，以此优选纤维丝的最佳用量为0.15‰。

劈裂强度随纤维掺量呈现抛物线变化的原因是：从理论上讲，增加纤维掺量，其劈裂强度会提高，但掺量大于某一定值时，掺纤维三灰砂砾的劈裂强度不仅不随纤维掺量的增加而提高，反而有下降的趋势。这是由于纤维掺量太大时，工艺上不能保证基体与纤维的均匀分布，以致有的纤维周围没有基体，形成缺陷(如空隙、微裂纹等)，导致劈裂强度下降。所以三灰砂砾中纤维掺量不能太大，应有一个最佳值。

为了分析纤维的截面形状、界面粗糙度对三灰砂砾劈裂强度的影响，还进行了掺加纤维网、纤维带三灰砂砾28天的劈裂强度试验，并与其它种类纤维对三灰砂砾的增加效果进行了横向对比。试验结果见图9所示。

图9 掺加不同纤维三灰砂砾的28天劈裂强度

从图9可知：不同种类纤维的加入均提高了三灰砂砾的28天劈裂强度，其中添加纤维带的劈裂强度提高48.7%(J-2-Ⅲ，掺量0.3‰)，添加纤维丝的劈裂强度提高61.3%(J-2-3，掺量0.15‰)，添加纤维网的劈裂强度提高80%(J-2-a，掺量0.15‰)。由此可知：相同添加剂量、尺寸一样的纤维，界面粗糙的纤维对劈裂强度的提高更大，这是因为纤维网与半刚性材料的界面粘结比纤维丝牢固。而纤维带的掺加剂量是纤维丝的两倍，但对三灰砂砾劈裂强度的提高却比纤维丝小，这说明纤维的截面尺寸对劈裂强度也有很大的影响，因为纤维截面尺寸越小，它与半刚性基体材料越能形成整体，缺陷越少。

由此可见，掺加纤维三灰砂砾劈裂强度的大小不但与纤维的剂量有关，而且与纤维的断面尺寸、界面粗糙状况等有关。因此，掺加纤维三灰砂砾的纤维断面尺寸越小、界面越粗糙，提高其抗弯拉能力就越大。

2.3.2抗折强度试验

抗折强度试验的试验方法参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTJ 057-94)，试件尺寸为10 cm的中梁，90天龄期的试验结果见图10～图12所示。

由图10可见，三灰砂砾的90天抗折强度随细集料级配的变粗出现一个峰值，即抗折强度随细集料变粗而变大，然后随细集料变粗而减小。该峰值抗折强度的级配为W-3。

图10 不同细集料级配三灰砂砾的90天抗折强度

图11 不同结合料稳定砂砾的90天抗折强度

图12 添加纤维及规范级配三灰砂砾的90天抗折强度

由图11、图12可见，合理的砂砾级配明显地提高了三灰砂砾的抗折强度，如本研究设计的最佳级配三灰砂砾(J-2)，其抗折强度是规范级配三灰砂砾(GF)的1.42倍。另外，添加纤维使三灰砂砾的抗折强度得到明显的提高，如添加纤维带(J-2-Ⅲ)的抗折强度是不加纤维三灰砂砾(J-2)的1.32倍，添加纤维丝(J-2-3)则为1.42倍。

抗折强度试验结果表明，有三种提高抗折强度的方法，一是通过试验研究改善砂砾的级配；二是添加纤维；三是提高材料的抗压强度。三种方法相比而言，级配的控制不易进行，通过提高抗压强度也不会有好的效果，而通过掺加纤维提高半刚性材料抗裂性能，既利于实际操作又有很好的提高抗裂效果。