聚乙烯醇纤维增强水稳碎石基层抗裂性能的研究

2018-09-22刘恩富

智能城市 2018年16期

刘恩富

中建七局第二建筑有限公司，安徽合肥 230001

聚乙烯醇纤维增强水稳碎石材料，是一种脱胎与半刚性的材料，在以往的研究与建设当中得知，半刚性材料具备强度高、刚度大、抗冲刷能力强等优点。但半刚性材料的缺陷十分明显，即抗裂性能较弱，在长久的应用之下，很容易导致道路结构出现裂缝，而为了对此进行改善，相关研究在半刚性材料基础上，研发出了聚乙烯醇纤维增强水稳碎石材料，在理论上，此材料的抗裂性能相对较高，但因为其实际应用较少，所以抗裂性能的可靠性相对不足。

1 聚乙烯醇纤维增强水稳碎石材料基层抗裂性能研究

1.1 力学性能实验

本文对聚乙烯醇纤维增强水稳碎石材料的力学性能进行研究，研究主要参考《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》来进行研究。研究为了保障代表性，采用了不同长度聚乙烯醇纤维，纤维长度0、18、30mm，其中0mm代表不掺入聚乙烯醇纤维的原有结构。

1.2 力学性能道路结构有限元模型构建

为了进行对比，本文参考了某实例工程，该工程原有水泥稳定碎石基层厚度为56cm，进而本文在此条件下进行有限元模型构建[1]。本文的有限元模型构建主要分为两个部分，第一个为初始阶段，即构建出第一个模型之后，通过Abaqus软件对模型进行分析，分析结果显示第一个模型过于复杂，有必要进行简化，进而本文开始了第二阶段的模型构建，最终构建出简化的道路结构模型。

1.3 聚乙烯醇纤维水泥稳定碎石的劈裂强度实验

依照上述的有限元模型，对聚乙烯醇纤维水泥稳定碎石的劈裂强度进行实验，实验结果如表1所示。

表1 聚乙烯醇纤维水泥稳定碎石不同龄期试样的劈裂强度

通过表1可以看出，在聚乙烯醇纤维水泥稳定碎石方面，其劈裂强度随时间增长而增长，在于上述普通的水泥稳定碎石有限元模型相比，其劈裂强度得到了明显的提高。而在不同长度的聚乙烯醇纤维方面，其因为聚乙烯醇纤维的作用，水泥稳定碎石材料的强度增长形成了规律性，而这样说明聚乙烯醇纤维的劈裂强度与纤维长度之间存在线性关系，因此，说明聚乙烯醇纤维水泥稳定碎石具备了提高工程结构劈裂强度的能力，有助于抗裂性能的增长。

1.4 聚乙烯醇纤维水泥稳定碎石的抗压回弹模量试验

基于理论了解到，材料的刚度代表着材料对外力的抵抗能力，当材料受到外界压力时，材料本身的刚度将决定材料的是否变形、变形程度，而如果变形程度过大，就可能会导致断裂现象，因此材料的刚度与抗裂性能有密切联系[2]。本文为对聚乙烯醇纤维水泥稳定碎石的刚度进行研究，采用了抗压回弹模量试验法。

实验当中，针对上述有限元模型进行了两次实验，即对原有模型进行一次实验、对掺入不同长度的聚乙烯醇纤维进行一次实验，实验结果如表2所示。

表2 原有模型与不同长度聚乙烯醇纤维有限元模型抗压回弹模量试验法结果

结合表2可以看到，原有的有限元模型在掺入不同长度的聚乙烯醇纤维之后，其抗压回弹模量在逐渐下降，并随着聚乙烯醇纤维长度增长，聚乙烯醇纤维的抗压回弹模量下降程度越多，这说明在聚乙烯醇纤维的作用下，能够有效提高结构的刚度，聚乙烯醇纤维长度越大则刚度越大。

2 水稳碎石道路结构抗裂性分析

下文在上述有限元模型之下，对水稳碎石道路结构抗裂性进行直接分析。

2.1 应力强度因子分析

实际应用上，在水稳碎石道路结构建设的一系列过程当中，其难免会出现工程裂缝，而工程裂缝会在一定程度上产生扩张，如果水稳碎石道路结构不具备良好的抗裂性能，那么工程裂缝的扩张就可能难以抑制，导致大面积裂缝现象，不利于结构质量。但水稳碎石道路结构的抗裂性能来自于多个方面，例如，劈裂强度、刚度等，在多项性能的应力强度因子影响下，才能形成良好的抗裂性能。本文为了了解水稳碎石道路结构的应力强度因子，结合上述有限元结构，对三种不同的裂缝现象进行分析。

裂缝现象可以分为三种，即张开型、滑开型、撕开型。张开型的裂缝应力方向是由下至上，所以要对此进行抑制，水稳碎石道路结构就应当具备由上至下的应力强度因子；滑开型的裂缝应力方向是前后同时进行，所以要对此进行抑制，水稳碎石道路结构就应当具备相反的应力强度因子；撕开型的裂缝应力方向是由左至右，所以要对此进行抑制，水稳碎石道路结构就应当具备相反的应力强度因子。

为了对水稳碎石道路结构的抗裂性能进行分析，本文在上述有限元模型的基础上，同样增加了不同长度的聚乙烯醇纤维，再人工制造相应的裂缝现象，并逐渐加大裂缝产生的力度，力度值为1.0、1.2MPa，以此观测聚乙烯醇纤维对三种裂缝的抵抗应力，了解聚乙烯醇纤维的应力强度因子。实验结果显示，聚乙烯醇纤维水泥稳定碎石在聚乙烯醇纤维的应用之下，随着长度的增长，其抵抗裂缝的应力强度因子就越高，而随着施加力度的提高，应力强度因子的数值就越低，但这属于正常的力学现象，而且其数值降低的程度不大，说明聚乙烯醇纤维水泥稳定碎石具有良好的应力强度因子，提高了结构的抗裂性能。

2.2 抗裂耐久性分析

因本文研究主要以实际道路结构使用为背景，所以需要考虑到长时间使用后的抗裂性能，因此进行了抗裂耐久性分析。本文主要采用直接拉伸实验方法来对抗裂耐久性进行分析，采用统一18mm聚乙烯醇纤维水泥稳定碎石样品，通过拉伸设备，对样品进行直接拉伸5次，之后将样品放置5h之后，进行了上述三种裂缝抗裂性能实验。实验结果显示在直接拉伸之后，聚乙烯醇纤维水泥稳定碎石的应力强度因子相对下滑，但程度不大，并同样属于正常力学变化，因此说明聚乙烯醇纤维可提高水泥稳定碎石的抗裂性能，能够有效增强我国道路建设质量。