玄武岩纤维对水泥稳定碎石混合料强度提升效果研究

刘妍宏

（山西路桥第二工程有限公司 临汾市 041000）

水泥稳定碎石混合料由于价格相对低廉、承载能力强、耐久性好，在我国得到了大面积的使用［1-2］。但在使用过程中，存在易产生收缩裂缝的严重缺陷，使道路的服务水平大幅度下滑，其裂缝分为干缩和温缩两种裂缝，干缩裂缝是水泥稳定碎石摊铺后养生过程中，水分蒸发及内部水化反应引起体积收缩产生的裂缝，温缩裂缝是水稳碎石基层随外界气候温度变化引起收缩应变及温度疲劳而产生的收缩裂缝［3-4］。目前水稳层反射裂缝的产生主要是温缩裂缝导致，行车过程中雨水下渗，最终产生积浆等病害。美国Cory High［5］等研究人员对玄武岩纤维增强水泥混凝土强度方面做了大量的研究，表明添加玄武岩纤维对水泥混凝土的抗弯拉强度提升效果明显。国内外研究人员对水泥稳定碎石裂缝的产生机理及防治措施进行了大量的研究，形成了部分成果，如水稳碎石中添加聚酯纤维、钢纤维等，但从价格方面均大幅度提高了工程造价。从水稳层产生裂缝的发生、发展角度，研究了裂缝的产生机理，同时选用价格相对便宜、性能良好的玄武岩纤维，研究玄武岩纤维掺量、水泥剂量、养生龄期对水泥稳定碎石强度的影响，提出合理的玄武岩纤维掺量。

1 评价指标

首先，在4%水泥稳定碎石中添加不同掺量的玄武岩纤维，研究其对水稳碎石7d、28d无侧限抗压强度的影响，计算玄武岩纤维的最佳掺量。其次，采用最佳玄武岩纤维掺量，在改变龄期、水泥掺量的情况下，研究龄期、水泥掺量对玄武岩纤维水稳混合料强度的影响。本次试验分别选取玄武岩纤维用量为水泥稳定碎石混合料质量掺量的0‰、0.442‰、0.663‰、0.883‰、1.1‰；选用3% ～6%四种水泥剂量，间隔1%；选用7d、28d、90d三种养护龄期进行试验。

2 原材料及混合料设计

水泥采用P.O 42.5普硅水泥，性能满足P.O 42.5普硅水泥的技术要求。玄武岩纤维技术要求见表1。集料为石灰岩碎石。

表1 玄武岩纤维基本技术性质

表2 水稳混合料级配组成设计

对未掺玄武岩纤维的4.0%水泥掺量水稳碎石混合料击实试验，得出最佳含水量为5.5%，最大干密度为2.445 g／cm3。

3 试验结果及分析

3.1 纤维掺量的影响

不同掺量的玄武岩纤维水泥稳定碎石混合料强度试验结果见图1。

随纤维掺量的增加，水稳混合料7d无侧限抗压强度呈先上升后下降的趋势，28d无侧限抗压强度基本呈单调上升的趋势。当纤维质量掺量为0.559‰时，7d无侧限抗压强度最高，此时，7d无侧限抗压强度相对未添加纤维时强度提升38.5%，28d无侧限抗压强度相对未添加纤维时强度提升6.25%。

采用适量的玄武岩纤维与水泥稳定碎石混合料拌和后，玄武岩纤维在混合料中可以较为均匀的分布，在水泥稳定碎石内部形成三维加筋、限位的作用，而纤维掺量较少时，纤维散乱的分布于水稳混合料中，加筋效果并不明显。玄武岩纤维的乱向分布可削弱水稳混合料的温缩、干缩应力，从而有效地增强水泥稳定碎石混合料的韧性，减小水泥稳定碎石因各种原因引起的裂纹。当添加过量的玄武岩纤维时，由于纤维材料的“结团”现象存在，过多的纤维将在水泥稳定碎石中以“团-网”的形态分布，其中的“团”将会对水泥水化产物起到隔离、间断的作用，同时“团”中部分纤维丝并未与水泥胶浆产生握裹联结作用，试件在加载时，将会在纤维“团”处产生应力集中，过早地出现早期破坏。

3.2 养护龄期的影响

不同龄期玄武岩纤维水泥稳定碎石无侧限抗压强度试验结果见图2。

从图2可看出，玄武岩纤维质量掺量为0.559‰、水泥掺量为4%时，随着水泥稳定碎石养护龄期的延长，两种水稳混合料的无侧限抗压强度均呈现增长趋势，具体为先增长较快，后增长相对缓和。添加玄武岩纤维后，无侧限抗压强度均高于不添加的混合料，28d强度相对比较接近，但强度仍高出不添加纤维的混合料6.25%；90d强度高出不添加纤维的混合料16.7%。由此可知，玄武岩纤维的强度性能随养护龄期的延长，表现更为明显。

水泥稳定碎石混合料拌和初期，水泥尚未发生水化反应，自身尚未形成强度，随着龄期的延长，水泥逐渐水化，与纤维之间握裹力逐渐增强，并形成相互连接的网状结构，最后水泥胶结料与纤维、碎石形成一个完整、连续的整体，进而使纤维可以充分发挥其增强的作用。

3.3 水泥掺量的影响

改变水泥掺量，水稳混合料无侧限抗压强度试验结果见图3。玄武岩纤维质量掺量为0.559‰时，随水泥掺量的增加，水泥稳定碎石的7d、28d强度均增加，在水泥剂量不超5%时，强度随水泥剂量的增加上升相对较快，但当掺量超过5%时，强度上升明显变缓。

水泥掺量较小时，胶结物和晶体均相对较少，与玄武岩纤维不能形成有效的三维网状胶结结构，无侧限抗压强度较低。当水泥掺量增加后，胶结物和晶体不断增加，缩短了水泥浆中固体颗粒的距离，使颗粒与颗粒、颗粒与纤维相互连接，形成骨架结构，最终表现为强度继续提高。当继续提高水泥掺量时，水化后的晶体和纤维、集料黏结更为紧密，此时，三维网状的纤维强度发挥得更为明显。

4 结论

（1）当玄武岩纤维质量掺量为0.559‰时，7d无侧限抗压强度最高，此时，7d无侧限抗压强度相对未添加纤维时强度提升38.5%，28d无侧限抗压强度相对未添加纤维时强度提升6.25%。当继续增加纤维掺量时，7d无侧限抗压强度有所下降，28d无侧限抗压强度并没有明显提高。表明纤维质量掺量为0.559‰时，玄武岩纤维水泥稳定碎石可获得最高的强度性能。

（2）水泥掺量为4%，玄武岩纤维质量掺量为0.559‰时，随着水泥稳定碎石养护龄期的延长，水稳混合料7d、28d无侧限抗压强度均呈增长趋势，且均高于不添加的水稳混合料，随养护龄期的延长，表现更为明显。

（3）水泥稳定碎石中玄武岩纤维质量掺量为0.559‰时，随水泥掺量的增加，玄武岩水泥稳定碎石的7d、28d强度均增加，但水泥剂量超过5%时，强度上升变缓。