纤维级配碎石性能研究

周卫峰，李彦伟，苗 乾，李源渊，张连营

（1.天津大学 管理与经济学部，天津 300073；2.天津市市政工程研究院，天津 300074）

半刚性基层沥青路面是中国高等级公路的典型结构.20多年高速公路的建设经验证明，半刚性基层材料虽然具有强度高、稳定性好、造价低等优点，但同时也具有反射裂缝无法避免、易产生水破坏及寿命普遍达不到设计要求的缺点.级配碎石作为柔性路面基层材料，具有渗水能力强，不产生反射裂缝，造价比半刚性材料更低的优点，但同时也具有强度低、抗剪切能力小，用于道路基层易产生塑性变形，从而导致路面出现车辙的缺点.

文献［1］表明，在沙土中掺加质量1／1 000的纤维后，沙土的承载能力、抗冲刷能力及抗剪强度显著提高.近年来，中国学者对级配碎石的研究主要集中在力学 参 数［2－3］及路面结构力学［4－6］方面，而如何提高级配碎石自身路用性能的研究则较少.

本文采用振动成型方法设计级配碎石，筛选了适用的专用纤维，旨在克服其抗剪切强度低、塑性变形大的缺点，为进一步提高其性能、充分发挥其优点，使这种柔性基层应用于重载交通沥青路面提供技术支撑.

1 纤维的选择

目前，用于道路建筑材料的纤维主要有聚酯纤维、聚丙烯纤维、木质素纤维、矿物纤维及玻璃纤维等.由于纤维与级配碎石密度相差悬殊，因此在选取纤维时，不仅要考虑级配碎石力学性能的提高，同时更要重点考虑纤维在级配碎石混合料中的分散性.

1.1 纤维长度与掺量

采用振动成型法优化的级配碎石级配见表1.

表1 级配碎石级配表Table 1 Graded crushed rock gradation（by mass） %

由于级配碎石试件劈裂强度的绝对值较小，掺加纤维后其劈裂强度的变化比较明显，易于判定，因此本文采用劈裂强度（即级配碎石的间接抗拉强度）作为纤维优化标准.试验采用的压实度为98%，每组13个试件，变异系数小于20%.

选用常用的聚酯纤维绑扎带，长度分别切成0.5，1.0，2.0，3.0，4.0cm，其掺量（质量分数）为0.1%，0.2%，0.3%，0.4%.级配碎石劈裂强度与纤维掺量的关系见图1.

由图1可见，无论纤维长度如何，掺加0.1%纤维的级配碎石劈裂强度均有不同程度的提高，但纤维长度超过1.0cm 后，纤维越长，其劈裂强度提高幅度愈小.当纤维长度为1.0cm，掺量为0.1%时，级配碎石的劈裂强度最大，为不掺加纤维级配碎石的152%.据此，以纤维长度1.0～2.0 cm，掺量0.1%优化纤维种类.

图1 级配碎石劈裂强度与纤维掺量的关系Fig.1 Graded crushed rock's splitting strength vs.fiber dosage

1.2 纤维种类

根据优化的纤维长度，选取5种满足要求的纤维，以掺量0.1%进行劈裂强度试验，结果见表2.

表2 不同种类纤维级配碎石劈裂强度Table 2 Different types of fiber graded crushed rock splitting strength

由表2可见，掺加不同种类的纤维后，级配碎石的劈裂强度均有所提高，其中尤以3＃聚丙烯纤维掺后的劈裂强度提高幅度最为显著，其劈裂强度提高了70%以上.3＃聚丙烯纤维为黑色纤维，与其他纤维相比，其硬度大，不易弯折，可在级配碎石中保持原有形态，从而充分发挥其作用.另外，3＃聚丙烯纤维直径为1mm，单丝质量是其他纤维的20～30倍，容易分散.基于此，本文选用3＃聚丙烯纤维进行试验.

2 纤维级配碎石的抗剪强度及影响因素

采用自制的抗剪强度专用仪［7］进行试验，剪切速率为5mm／min；采用有限元法计算分析纤维级配碎石柔性路面在标准轴载BZZ－100作用下的受力状况，以纤维级配碎石层中部靠近车轮内侧边缘的位置作为剪切破坏的最不利位置，其围压为50kPa.

2.1 围压及纤维的影响

围压及纤维（掺量0.1%）对级配碎石抗剪强度的影响见表3，其中CV 为变异系数.

由表3可见，无围压时，纤维级配碎石的抗剪强度提高了1.2倍，有围压时，其抗剪强度提高了1.3倍；在不掺纤维的情况下，施加围压后级配碎石的抗剪强度提高了2.1倍；在围压和纤维的共同作用下，级配碎石的抗剪强度提高了2.7倍.这说明，随着围压的增大，纤维对级配碎石抗剪强度提高的作用更加明显.

表3 围压及纤维对级配碎石抗剪强度的影响Table 3 Effects on graded crushed rock's shear strength of confining pressure and fiber

2.2 含水量的影响

在50kPa围压下，试件的抗剪强度随含水量的变化如表4所示.

表4 剪切强度随含水量的变化Table 4 Shear strength change with water content

由表4可见，含水量对纤维级配碎石的剪切强度有较大影响.当含水量小于最佳含水量时，纤维级配碎石的抗剪强度稍有降低，当含水量大于最佳含水量时，其抗剪强度仅为最佳含水量时的57%.这说明纤维级配碎石柔性基层在运营期应处于干燥或最佳含水量状态.

2.3 压实度的影响

在50kPa围压及5mm／min剪切速率的条件下，试件抗剪强度随压实度的变化曲线见图2.

图2 抗剪强度随压实度的变化曲线Fig.2 Curve of shear strength change with compaction degree

由图2可见，当压实度由98%下降到96%时，纤维级配碎石的抗剪强度降低了17%，当压实度由96%下降到94%时，其抗剪强度急剧降低，仅为96%，98%压实度时的49%，41%.当压实度由98%提高到100%时，纤维级配碎石的抗剪强度提高了1.5倍.这一方面是由于压实度的提高，纤维级配碎石内摩擦力大幅增加，另一方面，由于压实度的提高，集料排列更加紧密，纤维的加筋作用愈加显著.两者共同作用，使高压实度纤维级配碎石的抗剪强度明显提高.

2.4 粒径的影响

不同级配纤维级配碎石的抗剪强度见表5.

表5 不同级配纤维级配碎石的抗剪强度Table 5 Different gradations of fiber graded crushed rock's shear strength

由表5可见，小粒径纤维级配碎石的抗剪强度是大粒径纤维级配碎石的1.4倍.这主要是由于小粒径级配碎石不仅密实度较高，而且与纤维的接触面积也较大，使纤维在级配碎石中的加筋效应更加明显，从而提高了抗剪强度.

2.5 纤维级配碎石抗剪强度影响因素灰关联分析

关联度反映各比较因素对系统参考因素的接近程度，通过关联度的计算能够找出各比较因素中对系统参考因素影响最大的因素，即与系统参考因素关联度最大的因素，灰关联分析不需要大量的样本及数据的典型分布，而且计算简单.因此，本文采用灰关联分析方法计算了因素1（围压），因素2（含水量），因素3（压实度），因素4（最大粒径）与抗剪强度指标的关联度，其值γ1，γ2，γ3，γ4分别为0.552 5，0.564 0，0.599 5，0.589 6，相应的关联度序列为：γ3＞γ4＞γ2＞γ1，即压实度＞最大粒径＞含水量＞围压.这说明提高纤维级配碎石抗剪强度最有效的措施是提高压实度，其次是选择合适的最大粒径或维持最佳基层含水量.

3 纤维级配碎石及结构的抗车辙能力

3.1 纤维级配碎石＋沥青混凝土层车辙试验

采用自制的高10cm 车辙试模，成型8cm 厚的级配碎石（掺加或不掺加纤维）试块，然后于其上铺筑2cm 的AC－10改性沥青混凝土，在60℃下进行车辙试验，结果见表6.

试验结果表明，掺加纤维的级配碎石结构其抗车辙能力提高了58%.

3.2 不同轮压下的级配碎石车辙试验

制作10cm 厚、掺加和不掺加纤维的级配碎石车辙试件，在常温下，分别用0.7，1.0 MPa的轮压进行车辙试验，结果见表7.

表6 级配碎石车辙试验结果Table 6 Graded crushed rock rut experimental results

表7 不同轮压下的车辙试验结果Table 7 Rutting results under different wheel pressures

由表7可见，纤维级配碎石的动稳定度提高了2.9倍，60min车辙深度为不掺纤维试件的61%.这就说明纤维的掺加使级配碎石的抗车辙能力大幅提高.

当轮压提高到1.0MPa时，不掺纤维的级配碎石严重变形，仪器无法采集数据，人工量测的车辙深度为2.4cm，而纤维级配碎石的抗车辙能力则较强，与0.7MPa的轮压相比，车辙深度仅增加13%，动稳定度仅下降34%.这进一步说明，在重载作用下，纤维对抗剪强度和抗车辙能力的提高作用更加显著.

4 工程应用

2013年于山西某高速公路连接线铺筑了1 000m的试验路面，路面结构为：4cm 的AC－13改性沥青混凝土＋6cm 的AC－20沥青混凝土＋8cm 的AC－25沥青混凝土＋54cm 的级配碎石，其中500m 级配碎石基层材料纤维掺量为0.1%，剩下500m 不掺纤维.

4.1 配合比设计

级配碎石均采用振动成型法设计，其配合比见表8.剪切试验围压为50kPa.

表8 试验路面级配碎石的配合比Table 8 Graded crushed rock mix design results of test road

4.2 纤维级配碎石的施工

纤维级配碎石含水量（质量分数）按最佳含水量＋0.5%控制，采用专用纤维添加设备连续添加，由自重22t单钢轮振动压路机振动碾压6遍，要求压实度达到振动成型最大干密度的98.0%以上.

4.3 工程检测结果

采用灌沙法检测的59个压实度数据表明，纤维级配碎石的压实度为振动成型最大干密度的97.1%～101.8%，平均99.2%，压实度代表值98.4%.采用灌沙法对纤维级配碎石26个样品中的纤维含量进行了检测，其纤维质量分数为0.07%～0.14%，平均0.11%，变异系数为23%.检测结果表明，纤维分散较均匀，能够满足工程要求.试验路面基层路表弯沉检测结果见表9.

表9 试验路面基层路表弯沉检测结果Table 9 Base surface deflection test results of test road

由表9可见，纤维级配碎石柔性路面基层路表弯沉小于级配碎石柔性路面基层路表弯沉.这说明纤维的掺加提高了路面的整体结构强度，从而提高了路面寿命.

5 结论

（1）以劈裂强度为标准优化的纤维为聚丙烯纤维，其最佳长度为1.0cm，直径为1mm，最佳掺量为0.1%.

（2）纤维掺量、含水量、最大粒径、压实度及围压对级配碎石抗剪强度均有显著影响.掺加适量纤维、提高压实度、增大围压及减小最大粒径均可提高级配碎石的抗剪切能力.级配碎石抗剪强度影响因素的大小顺序为：压实度、粒径、含水量及围压.这表明，要提高级配碎石的性能，在掺加纤维的同时要保证其有较高的压实度及最佳含水量.另外，也可通过减小最大粒径来提高级配碎石的抗剪强度.

（3）纤维的掺加显著提高了级配碎石的抗车辙能力.本文中纤维级配碎石的抗车辙能力提高了58%，其动稳定度提高了2.9倍.

（4）优化的纤维在级配碎石中分散较均匀，满足工程要求.以纤维级配碎石为基层的路表弯沉小于普通级配碎石的路表弯沉，表明纤维级配碎石柔性路面具有更长的寿命.

［1］黄生文.纤维土——一种新的加固材料［J］.国外公路，1990（3）：48－51.HUANG Shengwen.Fiber soil—A new reinforcement materials［J］.Foreign Highway，1990（3）：48－51.（in Chinese）

［2］蒋应军，李思超，王天林.级配碎石动三轴试验的数值模拟方法［J］.东南大学学报：自然科学版，2013，43（3）：604－609.JIANG Yingjun，LI Sichao，WANG Tianlin.Numerical method of dynamic triaxial test on graded crushed rock［J］.Journal of Southeast University：Natural Science，2013，43（3）：604－609.（in Chinese）

［3］张敏江，宋志涛，于保阳.级配碎石上基层沥青路面合理结构参数分析［J］.沈阳建筑大学学报：自然科学版，2012，28（3）：460－466.ZHANG Minjiang，SONG Zhitao，YU Baoyang.Reasonable structure parameters analysis of the upper base of the graded crushed stone asphalt pavement［J］.Journal of Shenyang Jianzhu University：Natural Science，2012，28（3）：460－466.（in Chinese）

［4］张敏江，李依默，周兴，等.级配碎石基层非线性对沥青路面结构受力的影响［J］.沈阳建筑大学学报：自然科学版，2014，30（1）：78－84.ZHANG Minjiang，LI Yimo，ZHOU Xing，et al.Effect of nonlinearity of the graded crushed stone base on mechanical behaviors of asphalt pavement structure［J］.Journal of Shenyang Jianzhu University：Natural Science，2014，30（1）：78－84.（in Chinese）

［5］董鑫.级配碎石基层沥青混凝土路面非线性力学响应分析［J］.公路，2013（10）：22－25.DONG Xin.Nonlinear mechanical response analysis over asphalt pavement on graded crushed stone base［J］.Highway，2013（10）：22－25.（in Chinese）

［6］于保阳，张敏江，李拓文.微粘结级配碎石基层沥青路面结构分析［J］.沈阳建筑大学学报：自然科学版，2013，29（5）：852－860.YU Baoyang，ZHANG Minjiang，LI Tuowen，Analysis of the micro bonding graded gravel asphalt pavement structure［J］.Journal of Shenyang Jianzhu University：Natural Science，2013，29（5）：852－860.（in Chinese）

［7］周卫峰，宋晓燕，苗乾，等.一种测定散体材料剪切强度的试验仪器：中国，203587450U［P］.2013－12－11.ZHOU Weifeng，SONG Xiaoyan，MIAO Qian，et al.A bulk material testing instruments measured shear strength：China，203587450U［P］.2013－12－11.（in Chinese）