不同玻璃纤维掺量及长度下的水泥碎石抗裂性能分析

穆庄庄　宋海涛　轩元伟

摘 要：玻璃纤维水泥碎石混料作为路基填料具有较强的应用价值。文章研究了不同掺量及纤维长度的玻璃纤维对水泥混料抗裂性能的影响规律，通过温缩、干缩试验分析其温缩及干缩性能和不同纤维长度、掺量对水泥碎石混料抗裂性能的影响，并探讨了其抗裂机理及原理。

关键词：玻璃纤维；掺量；纤维长度；水泥碎石混料；抗裂性能

中图分类号：U414 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）03-0067-02

Abstract： Glass fiber cement macadam mixture as roadbed filler has a strong application value. The influence of glass fiber with different content and fiber length on the crack resistance of cement mixture is studied in this paper. The effects of temperature shrinkage and dry shrinkage properties， fiber length and content on the crack resistance of cement macadam mixture were analyzed by temperature shrinkage and dry shrinkage tests， and the mechanism and principle of crack resistance were discussed.

Keywords： glass fiber； dosage； fiber length； cement macadam mixture； crack resistance

水泥稳定碎石材料的抗变形能力不强，且弹性变形差，如果增大其失水率，则易导致收缩裂缝，若干缩盈利超出其抗拉极限荷载，就会导致路基层表面开裂[1]。同时，随着季节及温度变化，水泥稳定碎石材料温度也随之变化，从而会造成温度收缩开裂。在行车荷载作用下，裂缝会像沥青层面反射，即出现反射裂缝，造成路面性能下降，缩短使用寿命。

有文献资料[2]显示，纤维能够强化水泥稳定碎石抗裂能力。本文应用玻璃纤维碎石稳定碎石进行研究，分析在不同掺量及长度下，玻璃纤维-水泥碎石的抗裂性能，以期发现纤维长度及掺量对水泥混料抗裂性能强度的影响规律。

1 试验方法及材料

1.1 玻璃纤维

本文选用耐碱玻璃纤维作为试验用纤维，其技术参数分别为：硬挺度125±20mm；可燃物含量为1.2±0.15（%）；线密度为2400±120（tex）；断裂伸长率2.45（%）；含水率≤0.15（%）；单丝直径为15μm；密度2.7g/m3，抗拉强度1800MPa。设定掺量0.05%、0.15%和0.25%，纤维长度分别是6毫米、12毫米和18毫米。

1.2 集料

本试验所用水泥为中联普通硅酸盐水泥（PC32.5）。

1.3 玻璃纤维配合比

本文所选玻璃纤维长度及掺量配合比设计如下：G0：略；G1：纤维掺量（%）0.05、纤维长度（mm）6；G2：0.15%、6mm；G3：0.25%、6mm；G4：0.05%、12mm；G5：0.15%、12mm；G6：0.25%、12mm；G7：0.05%、18mm；G8：0.15%、18mm；G9：0.25%、18mm。

2 試验方案

2.1 干缩试验方案

依据公路工程结合料稳定材料试验的相关规程及试验方法的操作标准，选择龄期为7天的梁式试件实施干缩试验，试验湿度设定为50%，温度设定为20℃，干缩变形测试采用平卧式支架法进行。

2.2 温度收缩试验方案

依据公路结合材料试验规范中温缩试验的相关标准，对梁式试件的7天和28天龄期进行温缩试验。温缩试验温度范围为：-20℃至50℃，温度级别测定总共7个，温差10℃，降温速率设定10℃/h，位移采集间隔时间为5分钟，恒温时间3小时。

3 试验结果分析

3.1 干缩试验结果分析

不同掺量玻璃纤维-水泥混合料的7Ian龄期失水量和干缩应变的干缩系数分别为：G0～G9的最大干缩应变（？滋？着）分别为：372、363、345、356、366、342、362、336、322、340；最大失水率（%）：2.77、2.57、2.42、2.37、2.34、2.25、2.19、1.90、1.53、1.40；干缩系数（？滋？着/%）：85.6、77.6、70.5、81.7、67.3、58.4、71.6、54.1、45.3、59.1。

结果显示，如果长度及掺量增加，混料的最大失水率则下降，玻璃纤维长度越大、掺量越多，玻璃纤维-水泥混料的最大失水率也就越低。而其最大干缩应变及干缩系数则同其掺量和长度的变化规律相同，具体分析如下：

（1）纤维长度方面

不同掺量下混合料的干缩系数同纤维长度呈反比，随着纤维长度增加而下降[3]。可见，玻璃纤维长度越大，其抗干缩性能越强。如果掺量0.15%，纤维长度分别为0毫米、6毫米及12毫米的纤维长度混合料的干缩系数则会比纤维长度为18毫米的干缩系数多87.9%、55.3%和28.8%。这是因为玻璃纤维的抗拉能量较好，增加玻璃纤维长度，也会增加纤维同水泥混料间的接触点，使其同基体连接的能力随之增强，从而能够有效改善水泥混合料抗拉强度低的缺点，增强其抗干缩性能。

（2）纤维掺量与干缩系数变化间的关系

在纤维长度固定的情况下，在掺量≤0.15%范围内，混合料干缩系数同玻璃纤维掺量呈反比，随着掺量的增加而下降。这是因为玻璃纤维混合料的表层纤维会降低混合料失水面积，使水分蒸发速度下降，进而降低了因失水所致的毛细管张力[4]。同时，增加玻璃纤维掺量，玻璃纤维同水泥混合料基体间界面的机械齿合力、粘结力也会强化，进而使混合料干缩系数显著下降。如果玻璃纤维掺量超出0.15%，玻璃纤维-水泥混合料干缩系数则会变大。纤维掺量过高，使每根玻璃纤维表面水化胶结物含量下降，使混合料内部极易产生微裂缝和空隙，进而使玻璃纤维混合料抗拉强度下降。所以，如果玻璃纤维掺量多于0.15%，则玻璃纤维-水泥混合料的抗开裂干缩的能力则会下降。

3.2 温缩试验结果分析

各组配合比试件7天、28天龄期的温缩应变结果（数

据略）。各龄期纤维长度、温度和掺量对温缩系数的影响情况分析如下：

（1）龄期对温缩系数的影响

由图1可知，增加养护龄期后，其温缩系数也随之增加，但纤维掺量及长度增加后，各龄期混合料温缩系数间的差距变小。

在试验温度范围内，玻璃纤维混合料温缩系数随温度下降而上升，且在0℃-10℃时达到最大化。增加玻璃纤维长度及掺量，各温度区间的温缩系数变化平缓，表明玻璃纤维对温缩变形具有很好的抑制作用。

（2）纤维长度及掺量

各龄期纤维混合料温缩系数同纤维长度呈反比，但其温缩系数同掺量变化较为一致，呈正比关系。从上述分析可知，当玻璃纤维长度为18毫米，掺量为0.15%时，其配合比为最佳配合比。

3.3 玻璃纤维提升混合料抗裂性能的机理

玻璃纤维-水泥混合料的粘结方式主要有摩擦和粘着两种方式，外力作用使其发生变形，玻璃纤维及水泥混料会一起承受外力，且在嵌固点因并行增加而产生摩擦力，与基体间会生成一种内聚力，进而可以抵抗变形继续发生。若摩擦力难抵抗外力而发生变形，粘着连接则会起作用，直到极限应变为止。

玻璃纤维在混合料中形成网状支撑体，能够约束和包裹骨料颗粒，使其形成坚实整体，增加纤维掺量，混料中纤维根数也增加，其对胶结物及混合料的约束力也提高，进而限制混料变形收缩力增加。同时，玻璃纤维连接强度高，能提高混合料抗裂性能。

4 路用性能测试

取100米路段，分3个试验区，玻璃纤维掺量分别为0.05%、0.15%、025%，玻璃纤维长度分别取6毫米、12毫米和18毫米。玻璃纤维-水泥混料均用于道路路基层，试验基层分为2区，每区4层填筑，每层填筑及碾压成型厚度20厘米，因篇幅限制，本文仅取1层给出测试结果。依据上述试验结果，本路用性能试驗设计参数均依据原设计进行。路用性能测试主要有承载力、回弹弯沉值及压实度等，本文限于篇幅仅给出承载力检测结果，试验方法为加州承载比法进行，操作依据相关国家标准及规范进行。

各试验区设置观察点8个，为方便比较，均去其平均值进行分析，各龄期内承载力测试结果7天龄期各试验区无太大差距，但纤维长度6毫米、12毫米的承载力低于纤维长度18毫米的承载力；在7天、28天龄期内，各种掺量的承载力较为一致，但龄期越长，其承载力越大，在掺量固定时，纤维长度越长，承载力也越长，纤维长度超出18毫米时，却无明显变化。当掺量超出0.15%时，其承载力变化不明显，也就是说，在道路实际应用中，应将玻璃纤维掺量控制在合适的范围内，以减少经济投入。

总之，玻璃纤维长度及掺量增加，混合料最大失水率显著降低，干缩系数同纤维长度成反比，抗干缩性能增强。掺量≤0.15%时，干缩系数与掺量成反比，掺量>0.15%，干缩系数则与掺量成正比。纤维长度增加，其温缩系数下降，在充分考虑玻璃纤维-水泥混料抗温缩开裂及抗干缩开裂性能时，玻璃纤维最佳长度应为18毫米，最佳掺量应为0.15%。经过路用性能试验验证，上述结果均可靠。

参考文献：

[1]柴琦龙.玻璃纤维混凝土在隧道薄壁中隔墙中的应用研究[J].建筑技术，2017，48（11）：1179-1182.

[2]吴潜，孙小巍，王瑾.纤维复掺对泡沫混凝土性能影响的研究[J].混凝土，2017（03）：157-160.

[3]王小凤，徐磊磊，王进玺.玻璃纤维超粘薄磨耗层路用性能试验研究[J].高科技纤维与应用，2017，42（01）：31-36+47.

[4]亓松彬.耐碱玻璃纤维在水泥混凝土砂浆中的应用研究[J].混凝土世界，2016（10）：80-85.