聚丙烯纤维对水泥冷再生材料力学及收缩性能影响研究

宋金华 缪一飞

摘要 选用聚丙烯粗纤维（PPTF）和普通聚丙烯单丝纤维（PP-Fiber）作为水泥稳定冷再生基层材料的外掺剂，对外掺2种聚丙烯纤维和未掺加纤维的水泥冷再生3种类型材料进行强度、刚度力学实验及干缩、温缩特性试验，发现纤维的加入使水泥冷再生复合材料的强度先降低后升高，同时显著提高其韧性;纤维的加入还能有效改善材料的干缩抗裂性能和抗温度收缩性能，且聚丙烯粗纤维（PPTF）的抗缩裂改善效果优于普通聚丙烯单丝纤维（PP-Fiber），指出在水泥稳定冷再生基层材料中掺入聚丙烯粗纤维（PPTF）的最佳掺量应为0.1%～0.15%。

关 键 词 聚丙烯纤维;水泥冷再生;强度试验;刚度试验;干缩特性试验;温缩特性试验

中图分类号 U416.03     文献标志码 A

0 引言

水泥稳定类半刚性基层的强度和刚度大，承载能力强，是我国目前各等级公路中应用最多的基层类型，但半刚性基层易产生因温度变化和含水率降低而导致的缩裂，影响道路使用寿命[1-2]。目前国内外相关学者针对于防治半刚性基层的两类缩裂进行过大量的试验研究，一方面从混合料自身角度入手，改善级配及水泥掺量;另一方面则是通过外掺各类改善剂如减水剂、膨胀剂及纤维、橡胶颗粒等材料以提高混合料的综合抗裂能力[3]。

水泥稳定类冷再生基层作为水泥稳定碎石的一个衍生方向，近些年来以其优异的环保价值和便捷的施工操作被广泛运用于各类道路的翻修再生工程中[4]。相较新集料而言，再生结合料的强度低、稳定性差，且表面可能裹附有旧的沥青材料或水泥砂浆形成夹层，在同一情况下所形成的稳定类基层强度较低;再加上旧料比表面积更大，吸水性较新料更强，导致水泥冷再生類材料的最佳含水量比水泥稳定碎石高，因此更容易发生缩裂[5]。

有文献指出[6-8]，聚丙烯纤维对提高水泥稳定碎石的抗缩裂性能有着突出作用，但同时也会影响水泥稳定碎石的力学性能，因此在水泥冷再生基层中应用聚丙烯纤维作为提高结构抗裂性能的外加剂还需经过一定验证。为此本文拟选取聚丙烯粗纤维和普通聚丙烯单丝纤维两种外掺纤维作为改善剂，对加入纤维后的水泥稳定冷再生材料的力学性能的变化规律及抗裂性能的改善程度进行对比研究。

1 原材料试验

1.1 水泥

本次试验所选择的水泥为河北金隅鼎鑫P·C32.5复合硅酸盐水泥，各项性能检测指标见表1。

1.2 RAP料

本次试验所选取的冷再生铣刨料为河北石家庄市省道S393赞皇段面层及部分基层铣刨料（旧路面面层为4 cm AC-13细粒式沥青混凝土+5 cm AC-13粗粒式沥青混凝土+18 cm水泥稳定碎石）。对铣刨料恒温干燥24 h后再进行筛分试验并绘制级配曲线（其中级配限值参照半刚性基层骨料级配范围），结果见图1。

实验结果表明所选试验路段旧路铣刨料的级配组成符合规范要求，因此可以选定该铣刨料直接作为再生层的骨料进行利用，无需添加新集料。

1.3 纤维

试验所选用聚丙烯纤维分为2种，其中常规聚丙烯纤维选自山东泰安同伴公司所生产的PP-Fiber单丝聚丙烯纤维;聚丙烯纤维同样选取该公司所生产的波浪形改性聚丙烯粗纤维PPTF（仿钢纤维）。2种纤维的基本技术指标见表2。

2 力学性能试验

2.1 试验准备及试件制作

试验采用重型击实试验对水泥稳定冷再生料进行最大干密度和最佳含水量的确定，试件成型方式为静压法，试件大小统一为Φ150 mm×150 mm，脱模后将试件用塑料薄膜覆盖后转移至标准养护条件下的恒温室内进行养护，并于试验所需养护龄期（7 d、28 d）的前1 d将试件提取后进行24 h恒温水浴（20±2 ℃）。

实验所选取水泥稳定冷再生料配合比统一按按水泥剂量5%进行设计，2种纤维掺量分别选定0.07%、0.11%和0.15%，并设置一组不掺任何纤维的基准配合比试件进行对照，配合比编号及击实试验结果见表3。

2.2 强度试验及其结果

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）中的试验要求，对不同养生龄期下的各组试件分别进行无侧限抗压强度及劈裂强度试验，实验结果分别见表4、表5。

观察表4及表5中的试验数据可以看出，当养护龄期为7 d时，掺加2种纤维的水泥冷再生结合料的无侧限抗压强度和劈裂强度较基准配合比下的结合料相比均有显著降低，按照《公路沥青路面再生技术规范》（JTG F41-2008）中无机结合料类冷再生基层的技术指标要求，作为二级公路基层的无侧限抗压强度（MPa）限值为≥3.0，外掺单丝聚丙烯纤维的3组水泥冷再生试件均小于该值。但当养护龄期至28 d时发现外掺纤维的水泥冷再生结合料的强度增长明显，并于各自掺量为0.11%下出现峰值，无侧限抗压强度分别较基准配合比下的强度增长2.3%和6.2%;劈裂强度则分别在F2及T3掺量下增长了2.0%和18.1%。

这是由于在外掺纤维后，水泥冷再生材料中的早期水泥水化受阻，导致水泥与集料间的粘结力较低，因此在龄期较短时外掺纤维的水泥冷再生结合料强度低于未掺纤维的结合料。但随着龄期增长，水泥水化产物逐渐变多，进一步裹附纤维和集料，使纤维与集料间锚固作用得到发挥，限制了集料间的相对滑移，因此当试件破坏时所承受的荷载越大，结合料的强度得到提升。

观察2种不同外掺纤维下的实验结果，发现PPTF对结合料早期强度的限制作用较常规聚丙烯单丝状纤维而言更低;且随着聚丙烯粗纤维掺量的增大，劈裂强度也随之提高。这是由于冷再生结合料中骨料的致密性较差且表面粗糙，较粗的纤维在嵌入骨料间的缝隙中后更能起到加筋和锚固作用[8]。

2.3 刚度试验及其结果

水泥冷再生结合料的刚度试验参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）中水泥稳定碎石的试验要求，抗压回弹模量采用顶面法，劈裂回弹模量采用与劈裂强度试验相同的压条并于加载板两侧各安装固定一个千分表。2种模量测定选取最大荷载均为破坏荷载的0. 6倍，分5级加载测定回弹变形量，读取千分表读数并分别按式（1）、式（2）进行模量计算。

观察表6及表7中试验结果可以看出，在掺入2种纤维后，7 d龄期下和28 d龄期下的回弹模量均随纤维的掺入而呈现下降的趋势，且掺量与刚度降低量成正比。说明纤维的加入会降低复合材料的刚度，提高复合材料的柔性。同时发现外掺2种不同形态的聚丙烯纤维较基准配合比刚度降低值差异不大。

3 干缩性能试验

3.1 干缩试验准备及方法

干缩试验参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）中水泥稳定碎石中梁（100 mm×100 mm×400 mm）试件进行水泥冷再生结合料试件的制备，振动成型，压实度≥98%。将成型试件静置4 h后放入养护室（20±2 ℃，湿度≥95%）进行养护，到达指定龄期后取出试件进行试验。

干缩试验在40 ℃恒温箱内进行，按照之前力学性能试验中所选取的配合比及纤维掺量设置对照实验组，每组试块选定为3个，其中2个采用千分表支架法测定试块的收缩变形，1个用于测定规定时间下的质量，以反映含水量变化。考虑到含水量早期变化程度较大，后期变化减缓，因此在最初的24 h内每隔2 h测定一次含水量和千分表读数，24 h后每隔4 h测定一次，直至连续3次所测得含水量变化值趋于零为止。

3.2 干缩试验结果

将经干缩试验测定的千分表读数分别进行记录，并按式（3）的干缩应变计算式进行结果统计，并分别将7 d、28 d龄期下最大干缩应变结果绘制为折线图（图2、图3）。

观察试验结果可以看出，7 d龄期下，外掺单丝聚丙烯纤维的试件和外掺聚丙烯粗纤维的试件其最大干缩形变抑制量相近，但至28 d龄期时，外掺聚丙烯粗纤维的试件干缩形变要明显低于前者;同时28 d龄期下，F2、T2掺量的平均干缩系数均达到最小。

在外掺纤维后，一方面由于纤维阻塞了毛细孔，使得水分迁移能力降低，另一方面纤维与基体材料中的骨料及水泥水化产物形成机械挤嵌作用，限制了材料内部骨料的相对滑移。此外由于纤维自身与基体材料较大的热膨胀差异，形成“导管”效应，使得外界应力相同条件下，更多的应力通过纤维进行传递和消散，从而降低材料的干缩应变[9]。随着两种纤维掺量的增加，干缩应变较基体材料均呈现出先降低后升高的趋势。

将配合比编号为W、F2、T2这3组试件的干燥收缩过程所获取的试验数据结果进行统计，并分别绘制累计干缩应变—累计失水量、平均干缩系数—累计失水量关系图，见图4、图5。

观察图4、图5可以看出，外掺纤维的2组试件累计干缩应变与平均干缩系数均较基准配合比试件组有明显提升，T2与F2在累计失水量小于3. 0%之前的累计干缩应变和平均干缩系数相近，但当累计失水量大于3. 0%后，T2的累计干缩应变增长速度要明显缓于F2，平均干缩系数降低值也较F2而言更低，降低基体材料对于水分的敏感程度更优异。

4 温缩性能试验

4.1 温缩试验方法

温缩性能试验采用应变片法对试件进行测定，试验在高低温环境箱中进行，结合路面基层冬夏季极限温度状况，将温度变化范围选定为-20～40 ℃，将环境箱温度初值设为40 ℃，降温速度0. 5 ℃/min，以每降低10 ℃为一阶段，到达指定温度后恒温4 h后记录应变值，重复上述实验步骤至最低实验温度为止。

试验选取各配合比实验组中试件为每组3个，选取无机硅酸盐材料作为温度补偿片。分别在各组养护7 d及28 d条件下进行试验，将实验所获取数据保存记录。

4.2 温缩试验结果

对试验后所采集的数据进行整理，将所获取不同养护条件下各实验组的最大温缩应变绘制成折线图（图6、图7）。

观察图6、图7可以看出，在7 d养护龄期下，随着2种纤维掺量的增加，试件最大温缩应变均呈现降低趋势，且掺入普通聚丙烯纤维的试验材料较掺入聚丙烯粗纤维的试验材料其温缩应变降低值更高;而在28 d养护龄期下则呈现与7 d龄期下恰好相反的实验结果。

将不同养护龄期下各实验组的平均温缩系数[αt]分别进行计算，结果见表9;将28 d养护龄期下、不同降温区间下配合比编号W、F2、T2的温缩系数分别计算，结果见表10。

观察表9可以看出，在同一纤维掺量下，28 d养护龄期所获取试验温缩系数均高于7 d龄期下结果;而外掺纤维后，复合材料的温缩系数均较基体材料有显著降低，且随着纤维掺量的增加，降低效果随之增强。

同时观察表10发现，在同一降温区间内，T2温缩系数较F2而言更低;随着温度区间的降低，尤其是从―10～10 ℃区间内，掺加纤维后的复合材料温缩系数较未掺加纤维的更低，说明纤维的加入对抑制水泥冷再生材料温度收缩具有一定效果。

5 结论

通过对外掺聚丙烯粗纤维（PPTF）和普通聚丙烯单丝纤维（PP-Fiber）的水泥稳定冷再生基层材料的强度、刚度及干缩性能的试验对比分析，得出如下几点结论。

1）聚丙烯纤维的加入会使得水泥稳定冷再生材料的早期强度降低，但后期强度会恢复至正常水平乃至更高，在评价外掺聚丙烯纤维对水泥稳定冷再生材料强度的影响作用时应当采用28 d龄期后趋于稳定的强度值。

2）2种聚丙烯纤维均能降低水泥稳定冷再生材料的刚度，提升材料的韧性。

3）2种聚丙烯纤维均能改善水泥冷再生材料的干缩特性及温缩特性，纤维的加入使得材料对水分和温度的敏感度降低，提升材料的应力扩散能力;且掺加聚丙烯粗纤维的水泥冷再生材料的抗缩性能要优于掺普通聚丙烯单丝纤维的水泥冷再生材料。

4）综合2种纤维对水泥冷再生基层材料的强度、刚度及干缩、温缩特性影响效果，认为在工程中选择掺加0.1%～0.15%的聚丙烯粗纤维效果具有更高改善效果;但从经济角度来看聚丙烯粗纤维的造价略高于普通聚丙烯单丝纤维，在工程中应用时应当根据实际需求进行选择。

参考文献：

[1]    赵洪键. 水泥冷再生基层材料组成设计与路用性能研究[D]. 重庆：重庆交通大学，2015.

[2]    付春梅，齐善忠. 掺纤维水泥稳定碎石抗裂性能研究分析[J]. 中外公路，2015，35（2）：198-202.

[3]    李远厂. 乳化沥青—柔性纤维改性水泥稳定碎石的路用性能研究[D]. 重庆：重庆交通大学，2015.

[4]    付春梅，齊善忠，贾春燕. 聚酯纤维水泥稳定碎石抗干缩性能研究[J]. 公路，2014（11）：188-193.

[5]    鲁攀，凡孝均. 聚酯纤维对水泥冷再生稳定碎石强度影响的试验研究[J]. 中外公路，2013，33（4）：321-324.

[6]    傅兴春. 基于振动成型的水泥冷再生基层力学及干缩性能研究[D]. 重庆：重庆大学，2013.

[7]    康爱红，肖鹏，徐建成. 掺聚丙烯纤维的水泥稳定碎石材料抗裂性能研究[J]. 施工技术，2012，41（24）：102-106.

[8]    徐建成. 掺聚丙烯纤维的水泥稳定碎石在市政道路中的应用研究[D]. 扬州：扬州大学，2012.

[9]    李艳春，李侠，吕瑞. 膨胀剂、聚丙烯纤维对水泥稳定碎石力学性能的影响[J]. 公路，2011（12）：143-146.

[责任编辑    杨    屹]