纤维增强水泥稳定碎石的收缩性能试验研究

闫利峰，李具文

(天津高速公路集团有限公司，天津 300384)

0 前 言

应用半刚性基层材料，实现沥青路面结构体系的“强击薄面”一直是我国公路设计建设领域的常规方法，而水泥稳定碎石的强度提升速度快、施工方法简单，是最为常用的半刚性基层材料，在我国公路建设领域发挥着极其重要的作用。但是，以水泥稳定碎石为首的半刚性基层材料在养护和使用的过程中，因失水而造成的干燥收缩以及温度变化而引起的收缩会产生开裂现象，其开裂发展到面层就会引起路面的反射裂缝，这是半刚性基层材料难以解决的顽疾。为了预防半刚性基层材料的开裂，广大科研工作者进行了大量的研究，比如：减少半刚性基层材料中的水泥含量，在碎石中掺入一定数量的纤维进行加强等，并且试验研究了纤维级配碎石的力学特性等技术指标。

本文首先试验分析纤维掺量和长度对水泥稳定碎石抗压强度的影响规律，而后试验研究纤维掺量对水泥稳定干缩、温缩等路用性能指标的影响规律，为预防和减少水泥稳定碎石的开裂问题提供试验数据的参考。

1 原材料性质

1.1 水泥

水泥采用P.O.325普通硅酸盐水泥，其技术指标详见表1。

表1 试验用水泥的主要技术指标

1.2 碎石

公路工程用水泥稳定碎石需要有良好的级配，本次纤维增强水泥稳定碎石的级配组成详见表2。碎石的各项技术指标均满足规范的相关要求。

表2 碎石的级配组成

1.3 纤维

本文试验用的纤维为聚丙烯纤维，这种纤维的强度高、韧性好、密度小，是一种优质的加筋增强填料，密度约为0.9 g/cm。

2 试验方案

按照本文表2中确定的碎石级配，均采用5%的水泥含量，分别在水泥稳定碎石中掺入不同剂量(0～0.3%)和不同长度(0.5～2 cm)的纤维，拌和均匀后，参照规范的相关方法成型并养护试验试件至规划的龄期。然后试验测定纤维增强水泥稳定碎石的强度、收缩特性等路用性能指标。试验中首先确定纤维的最佳掺量和最佳长度，进行收缩试验时，按照纤维的最佳长度掺加。

3 试验结果与分析

3.1 纤维增强水泥稳定碎石的抗压强度

根据选定的试验方案，制作试件，试验测得不同纤维掺量及长度情况下，纤维增强水泥稳定碎石7 d龄期无侧限抗压强度，分别绘出纤维掺量及纤维长度对抗压强度的影响曲线如图1、图2所示。

图1 不同纤维掺量时水泥稳定碎石的抗压强度

图2 不同纤维长度时水泥稳定碎石的抗压强度

图1的抗压强度试验结果表明，纤维的掺入可以有效提高水泥稳定碎石的抗压强度。同时，在相同的纤维长度情况下，水泥稳定碎石的抗压强度具有先增后减的趋势，在纤维掺量为0.15%时，纤维增强水泥稳定碎石的抗压强强度值达到最大。图2的试验结果表明了纤维长度对水泥稳定碎石的影响规律，在相同的纤维掺量时，在纤维长度为1 cm时，纤维增强水泥稳定碎石的抗压强强度值达到最大。因为纤维的掺入，提高了碎石之间的相互作用力，利用纤维的加筋作用，提高了水泥稳定碎石的抗压强度，但是，当纤维掺量过多或者长度过大时，纤维与级配碎石之间很难搅拌均匀，经常出现纤维分别不均匀的现象，甚至出现纤维的“结团”，反而会影响到水泥稳定碎石的抗压强度。

因而，就抗压强度指标而言，应对控制纤维的掺入量和纤维长度，本试验获得的纤维最佳掺量为0.15%，纤维长度为1 cm。

3.2 纤维增强水泥稳定碎石的干缩性能

干燥收缩开裂一直是水泥稳定碎石的通病，需要进一步研究结果。本文按照试验确定的纤维最佳长度，制作水泥稳定碎石的干缩试验试件，试验测得纤维增强水泥稳定碎石的干燥收缩性能，如图3所示。

图3 纤维增强水泥稳定碎石的干缩特性

从图3的干缩试验结果可以看出，纤维的掺入可以有效降低水泥稳定碎石的干缩系数，纤维掺入量分别为0.1%、0.2%和0.3%时，水泥稳定碎石14 d龄期(336 h)的干缩系数分别降低了12.1%、23.4%和35.8%。这主要是因为纤维的掺入有效提高了水泥稳定碎石各部分石料之间的相互摩擦作用，提高了强度的同时，增加了材料的韧性，进而使得其干燥收缩率减小，干缩系数降低，有助于提高水泥稳定碎石材料的抗裂性能。

另外，不同纤维掺量的水泥稳定碎石干燥收缩系数所时间的变化规律相似，基本上是材料成型之后的24 h之内快速增大，之后干缩系数的增大速度放缓，主是因为材料成型前期，水分蒸发损失较快、而后期随着材料强度的形成，混合料中的自由水分减少，失水速度降低的原因造成的。因而，水泥稳定碎石的施工成型早期，必须注意做好洒水养生。

3.3 纤维增强水泥稳定碎石的温缩性能

本文按照试验确定的纤维最佳长度，制作水泥稳定碎石的温缩试验试件，养护至90 d龄期，试验测得纤维增强水泥稳定碎石的温缩性能，如表3所示。

表3 纤维增强水泥稳定碎石的温缩试验结果

表3的试验结果表明，在本文的试验范围内，纤维增强水泥稳定碎石的温缩系数随着纤维掺入量的增大而降低，相对于不掺纤维的水泥稳定碎石，掺入0.1%、0.2%和0.3%的纤维后，其平均温缩系数分别降低了10.5%、15.0%和19.2%，其原因与干缩系数的变化原因相似，均为纤维加筋增强作用的体现。可见，掺入一定量的纤维可以有效提高水泥稳定碎石的抗裂性能。

4 结 论

本文试验研究了纤维增强水泥稳定碎石的抗压强度及干缩、温缩性能及其影响规律，试验结果表明，掺入一定量的纤维，可以有效提高水泥稳定碎石的抗裂性能。

(1)纤维的掺入可以有效提高水泥稳定碎石的抗压强度。在相同的纤维长度情况下，水泥稳定碎石的抗压强度具有先增后减的趋势，在纤维掺量为0.15%时，纤维增强水泥稳定碎石的抗压强强度值达到最大；在相同的纤维掺量时，在纤维长度为1 cm时，纤维增强水泥稳定碎石的抗压强强度值达到最大。

(2)纤维的掺入可以有效降低水泥稳定碎石的干缩系数，纤维掺入量分别为0.1%、0.2%和0.3%时，水泥稳定碎石14 d龄期(336 h)的干缩系数分别降低了12.1%、23.4%和35.8%。

(3)纤维增强水泥稳定碎石的温缩系数随着纤维掺入量的增大而降低，相对于不掺纤维的水泥稳定碎石，掺入0.1%、0.2%和0.3%的纤维后，其平均温缩系数分别降低了10.5%、15.0%和19.2%。