聚酯纤维增强型水泥稳定砂砾抗压强度试验研究

侯兆军, 冯立群, 李林萍

(1.新疆大学 建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047；2.新疆交通科学研究院 道路桥梁研究所，新疆 乌鲁木齐 830047)

沥青混凝土路面半刚性基层刚度相对较大，面层层底弯拉应力及基层层底弯拉应力小，可增加面层在重复荷载作用下的疲劳抗力；半刚性基层板体性好，利于机械化施工；取材方便，造价低，已经成为目前我国高等级公路路面基层的主要形式[1]。而无机结合料稳定材料抗冲刷能力差，随温度和湿度变化易产生温缩和干缩等非荷载型裂缝；无机结合料基层抗拉强度低，基底弯拉应力大于抗拉强度即可在基层底部产生荷载疲劳裂缝，并不断向面层扩展，致使沥青路面产生反射裂缝。

为了改善半刚性基层性能，特别是减小半刚性基层材料的收缩性，通过研究不同级配对基层性能的影响确定最适配比，通过改善半刚性基层材料各组成成分的性能来增强基层抗裂性。20世纪90年代开始，我国学者开始关注合成纤维在路面上的应用[2]。陈烨，等[3]于21世纪90年代初开始对聚丙烯纤维增强石灰水泥土和石灰粉煤灰两种基层材料进行初步应用研究，启发了科研人员对柔性纤维在路面基层上应用价值的思考，但其研究仅限于石灰水泥土和石灰粉煤灰两种半刚性基层材料，对纤维在应用较广泛的水泥稳定材料中应用研究较少。鉴于掺加纤维可提高半刚性基层性能，笔者研究了掺加拉伸强度和断裂伸长率均较高的聚酯纤维水泥稳定砂砾强度特性，取不同纤维长度和不同掺量两个变量因素，选用L934正交水平表，研究纤维掺量、纤维长度和养护龄期对水泥稳定砂砾强度影响规律。

1 原材料

定义聚酯纤维无机结合料稳定砂砾为：对具有规定级配的天然砂砾，用水泥等无机结合料进行稳定，在拌和过程中掺加一定量的聚酯纤维，经碾压成型，形成具有一定强度的水泥稳定砂砾，聚酯纤维主要起阻裂、增强和增韧作用，纤维的拌和方法推荐使用干拌法。

1)选择新疆阿勒泰产砂砾，所选料场易溶盐含量0.365%，分类定名为亚硫酸盐非盐渍土。

经试验，所选择砂砾压碎值为16.9%，相对表观密度为2 703，针片状含量为14.8%，弱颗粒含量为3.6%，表明所选砂砾性能良好。

2)选用山东某公司生产的聚酯纤维。选用6，12，15 mm等3种长度聚酯纤维，掺量分别为2‰，4‰及6‰。按照JT/T 525—2004《公路水泥混凝土纤维材料 聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维》对所选聚酯纤维进行试验，结果见表1。

表1 聚酯纤维性能试验 Table 1 Test results of polyester fiber properties

3)半刚性基层厚度一般为15～40 cm，水泥稳定砂砾结构层应用12 t以上压路机碾压，每层的压实厚度不应超过15 cm[4-5]，半刚性基层一般为分层碾压。为了保证分层摊铺的上、下两层能有效结合成整体及基层的钻芯取样完整性，选用缓凝效果较好的P.C.32.5复合硅酸盐水泥，水泥剂量为4.5%。水泥试验结果见表2。

表2 P.C.32.5复合硅酸盐水泥试验结果

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

4)试验用水选用饮用水。

2 试验方案设计

2.1 级 配

根据基层材料中粗集料和细集料的分布状态，将基层材料的结构划分为骨架密实、骨架空隙、悬浮密实和均匀密实4种类型。由于骨架密实结构是粗集料形成相互嵌挤的骨架，细集料以充分密实的状态填充到骨架间的空隙里，其粗骨料较多，基层抗压强度较高、抗裂性和抗冲刷性较好[6-7]。笔者选用骨架密实型级配，并根据JTG D 50—2006《公路沥青路面设计规范》规定的骨架密实型水泥稳定砂砾级配范围配成接近级配中值的合成级配，见表3。

表3 集料级配

Table 3 Aggregates grade

2.2 正交试验

选择纤维长度和纤维掺量为两个因素，每种因素均有3个水平，考核指标是7 d和28 d无侧限抗压强度，选择正交试验表L934，见表4。

表4 影响因素及水平 Table 4 Influence factors and levels

3 试验研究

3.1 击实试验

对掺纤维水泥稳定碎石的电动击实试验研究表明[8-9]，纤维的掺入对水稳碎石击实特性影响较小；文献[10-12]的研究忽略纤维对水泥稳定碎石最大干密度和最佳含水量的影响。本试验纤维掺量小，所以不考虑纤维的掺加对水稳材料击实性能的影响，仅对水稳砂砾进行电动击实试验。

根据JTG E 51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行击实试验，由于集料中大于19 mm的颗粒含量为19.9%(>10%)，且原材料最大公称粒径26.5 mm，小于《试验规程》中规定的丙法容许最大公称粒径37.5 mm，故采用丙法进行电动击实仪击实试验，并绘制聚酯纤维水泥稳定砂砾的含水量-干密度关系曲线，从而确定其最佳含水量和最大干密度分别为5.2%和2.35 g/cm3，如图1。

图1 击实曲线Fig.1 Compaction curve

3.2 拌和工艺

纤维水稳砂砾的拌和工艺不同，直接影响混合料强度性能[2]，拌和方法、放料顺序和拌和时间是决定纤维是否发挥作用的关键因素。据实际情况采用人工干拌法，使纤维充分分散于水稳砂砾材料中。拌和流程见图2。

图2 纤维水稳砂砾人工拌和流程Fig.2 Artificial mixing process of fiber cement stabilized gravel

3.3 试件制作及养护

根据《试验规程》，选用φ150 mm × 150 mm圆柱体试模，用YES-2000B数显式压力机静压成型试件，12 h后脱模，然后将试件放入标准养护室分别养护7，28 d，最后一天浸水24 h。测试时，将试件从水池取出，用软布擦去可见水，立即进行无侧限压强度试验。

3.4 无侧限抗压强度试验

用WE-1000型万能材料试验机进行无侧限抗压试验。共测试9组，每组9个平行试件，剔除异常值后取其平均值。试验结果见表5。

表5 无侧限抗压强度试验结果 Table 5 Test result of unconfined compress

4 各因素对抗压强度影响规律分析

4.1 极差分析

从表6聚酯纤维水泥稳定砂砾无侧限抗压强度值看出，其7 d的强度极差R长度(0.864)>R掺量(0.627)，即纤维长度对混合料7 d无侧限抗压强度的影响大于纤维掺量的影响；而28 d的强度极差R长度(0.707)

表6 直观分析(极差分析)

Table 6 Visual analysis (range analysis)

4.2 趋势图分析

4.2.1 聚酯纤维掺量对无侧限抗压强度的影响

由图3可见，随着聚酯纤维掺量的增加，试件的7 d和28 d无侧限抗压强度均增加。随着掺量的增加，对于6 mm的聚酯纤维，试件的7 d，28 d抗压强度分别增加了11.8%，13.6%；对于12 mm的聚酯纤维，试件的7 d，28 d抗压强度分别增加了5.9%，12.1%；对于15 mm的聚酯纤维，试件的7 d，28 d抗压强度分别增加了20.0%，31%。

图3 聚酯纤维掺量对7 ，28 d无侧限抗压强度的影响Fig.3 Effect of polyester fiber content on unconfined compressive strength of 7 d, 28 d

4.2.2 聚酯纤维长度对无侧限抗压强度的影响

由图4可见，试件的7 d和28 d无侧限抗压强度随着纤维长度的增加而降低。随着纤维长度的增加，掺量为2‰的纤维水稳砂砾，7 d降低18%，28 d降低17.8%；掺量为4‰的纤维水稳砂砾，7d降低13.6%，28 d降低11.4%；掺量为6‰的纤维水稳砂砾，7 d增加12.4%，28 d降低5.2%。

图4 聚酯纤维长度对7 ，28 d无侧限抗压强度的影响Fig.4 Effect of polyester fiber length on unconfined compressive strength of 7 d, 28 d

4.2.3 养护龄期对无侧限抗压强度的影响

聚酯纤维水泥稳定砂砾强度的增长主要产生于7 d养护龄期内，如图5。掺加相同长度和相同掺量的聚酯纤维，水稳砂砾养护龄期从7 ～28 d期间，无侧限抗压强度平均增加12.3%，增加幅度较小。

图5 不同长度纤维水泥稳定砂砾3，7d无侧限抗压强度Fig.5 7 d, 28 d unconfined compressive strengths of cemsent stabilized gravel mixing lengths fiber

4.3 复合材料理论的解释

聚酯纤维水泥稳定砂砾是一种复合材料，由聚酯纤维和水泥稳定砂砾两相组成，其性能为两相性能的叠加[13]。

压力机上压头对试块施加竖向荷载时(图6)，圆柱体试块内部产生微裂缝，裂缝扩展过程中，纤维附近的反向应力场消弱裂缝尖端应力[14]，降低了裂缝附近应力集中程度，使裂缝的扩展受到约束。

图6 试块受压Fig.6 Compression test

若纤维所承担的拉应力小于自身极限抗拉强度，则裂缝尖端绕过纤维而继续扩展，由于纤维附近的反向应力场作用，裂缝尖端应力强度不断被消弱，直到该应力强度小于材料极限强度，裂缝停止扩展。圆柱体试块的受压破坏过程中，内部裂缝扩展受纤维的约束是无侧限抗压强度提高的根本原因。

由上述描述可知，纤维掺量越大，在基体内部的乱向不连续性越明显，纤维对裂缝的扩展的约束作用越强，该结论与试验结果吻合。

5 结 论

1)在本试验研究纤维长度范围(6～15 mm)和掺量范围(质量百分比2‰～6‰)内，浸水无侧限抗压强度试验表明，聚酯纤维水泥稳定砂砾的强度主要形成于7 d养护龄期内，7～28 d抗压强度增加缓慢。

2)聚酯纤维长度不变，纤维水稳砂砾的强度与纤维掺量呈正相关关系；掺量不变，纤维水稳砂砾的7 d和28 d浸水无侧限抗压强度与纤维长度呈负相关关系。

3)通过正交分析，相对于纤维掺量，纤维长度对水泥稳定砂砾混合料设计强度标准影响较大，故所掺纤维长度的选择对纤维水稳砂砾半刚性基层强度和混合料设计的影响至关重要。

4)对于纤维水稳砂砾，采用干拌法进行人工拌和，即将纤维与砂石料在加水之前进行充分拌和，避免或减少加水后纤维结团，使聚酯纤维充分分散于砂石料之间，充分发挥纤维的增强和增韧作用。

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