玄武岩纤维、膨胀剂及橡胶粉对水泥稳定碎石的路用性能影响

吴正生

摘 要：基于无侧限抗压强度试验、劈裂强度试验、抗压回弹模量试验及干缩试验，本文展开了掺玄武岩纤维、橡胶粉、膨胀剂及普通水泥稳定碎石混合料的无侧限抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量、干缩性能对比试验研究。试验结果表明：玄武岩纤维、膨胀剂、橡胶粉对混合料的干缩性能改善效果明显。掺玄武岩纤维和掺膨胀剂对混合料力学性能提升效果较好，其90d抗压强度分别较普通混合料增加了12.1%、10.3%。而掺橡胶粉则弱化了混合料的力学性能发展，其90d抗压强度较普通混合料减少了12.1%。

关键词：玄武岩纤维;橡胶粉;膨胀剂;力学性能;干缩性能

中图分类号：TB 文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.30.067

0 引言

水泥穩定碎石基层作为一种典型路面半刚性基层结构层，由于其具有强度大、刚度优、稳定性和耐久性好等特点，被广泛应用于高速公路建设，目前我国已建高速公路中半刚性基层利用率高达90%。然而水泥稳定碎石材料也存在抗变形能力较差的问题，易在温度及湿度作用下产生收缩开，导致承载力下降，从而进一步引起路面开裂等不良现象。通过掺适量的橡胶粉有利于提高水泥稳定材料的稳定性，掺膨胀剂、纤维对有利于改善水泥稳定材料的抗裂性能。因此，本文主要展开掺玄武岩纤维、膨胀剂、橡胶粉三种添加剂下对比无添加剂下的水泥稳定碎石混合料力学性能、干缩性能试验研究，分析不同添加剂下的路用性能变化规律，从而为后续的工程实践提供一定的参考。

1 原材料

试验所用水泥为南方水泥有限公司生产的42.5普通硅酸盐水泥;玄武岩纤维选用浙江石金玄武岩纤维有限公司生产的，型号为BFCS-17-264-20-W;膨胀剂选用长沙东科建材科技有限公司生产的WDN型粉剂;橡胶粉采用四川金摩尔环保材料有限公司生产的60目橡胶粉。

2 混合料试验方案

2.1 级配设计

试验用粗集料采用石灰岩碎石，细集料采用机制砂。水泥稳定碎石基层材料级配采用《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20-2015）规范推荐的水泥稳定级配碎石或砂砾（C-B-3）级配范围中值，见表1。

2.2 击实试验

试验采用质量分数为4%的水泥，以玄武岩纤维掺量为0.3‰、0.5‰和0.7‰，膨胀剂掺量为3%、5%和7%，橡胶粉掺量为3%、6%、9%进行设计，综合考虑路用及经济性能，对玄武岩掺量为0.5‰，膨胀剂掺量为5%，橡胶粉掺量为6%的混合料进行对比分析。混合料击实试验选用重型击实法来确定最大干密度和最佳含水量，三种掺加剂及普通混合料的击实结果见图1。

由图1可知，四种混合料最大干密度大小为普通<掺玄武岩纤维<掺橡胶粉<掺膨胀剂，其中普通类最大干密度为2.338g/cm3，掺膨胀剂的最大干密度为2.361g/cm3，最佳含水率大小为掺玄武岩纤维<普通<掺膨胀剂<掺橡胶粉，其中掺玄武岩纤维最佳含水率为5.0%，掺橡胶粉最佳含水率为6.3%。究其原因，玄武岩纤维的加入堵塞及覆盖了混合料的内部的毛细孔通道，延缓了水分的进入，因此其最大干密度较大，最佳含水量相对较小;由于橡胶粉具有一定的吸水持水能力，同时在其表面形成的水膜有利于颗粒间的移动，使得混合料密实状态相对较好，故其最大干密度和最佳含水量相对较大;而掺膨胀剂后则在混合料内部产生微膨胀作用，填充混合料内部孔隙的同时保留了部分水分，使得掺膨胀剂的混合料最大干密度和最佳含水量均相对较大。

3 混合料力学性能分析

将掺玄武岩纤维、橡胶粉、膨胀剂和普通类水泥稳定碎石混合料采用150mmSymboltB@150mm试模静压成型后，放入养生室养生7d、28d、60d、90d龄期后，分别进行无侧限抗压强度、劈裂强度及抗压回弹模量试验。

3.1 混合料抗压强度

四种混合料无侧限抗压强度关系见图2。

由图2可以看出，掺玄武岩纤维、膨胀剂、橡胶粉的水稳混合料7d无侧限抗压强度分别比普通水稳混合料增加了-2.2%、4.4%、-6.5%，28d无侧限抗压强度分别增加了5.8%、5.8%、-11.6%，60d无侧限抗压强度分别增加了10.7%、8.9%、-10.7%，90d无侧限抗压强度分别增加了12.1%、10.3%、-12.1%。

3.2 混合料劈裂强度

四种混合料劈裂强度关系见图3。

由图3可知，掺玄武岩纤维、膨胀剂、橡胶粉的水稳混合料7d劈裂强度分别比普通水稳混合料增加了12.2%、6%、9%，28d劈裂强度分别增加了10.9%、2.2%、-6.5%，60d劈裂强度分别增加了7.6%、1.9%、-3.9%，90d劈裂强度分别增加了14.6%、7.2%、1.8%。总体而言，三种不同添加剂的劈裂强度增长规律与无侧限抗压强度增长规律相似。掺玄武岩纤维混合料劈裂强度增长速度较大及对混合料中后期强度增长效果明显;而掺橡胶粉混合料的劈裂强度前期增长趋势小于普通混合料劈裂强度，但其90d劈裂强度与掺膨胀剂混合料及普通混合料的劈裂强度相差不大。

3.3 混合料抗压回弹模量

四种混合料抗压回弹模量关系见图4。

由图4可知，掺玄武岩纤维、膨胀剂、橡胶粉的水稳混合料7d抗压回弹模量分别比普通水稳混合料增加了9.4%、18.6%、-2.7%，28d抗压回弹模量分别增加了10.8%、16.7%、-6.6%，60d抗压回弹模量分别增加了12.4%、15.6%、-7.3%，90d抗压回弹模量分别增加了13.1%、17.8%、-8.2%。可以看出掺玄武岩纤维和膨胀剂在整个养护龄期内对混合料抗压回弹模量增强较好，均大于普通混合料。而掺橡胶粉的混合料整个龄期内抗压回弹模量均小于普通混合料，这可能是橡胶粉属于黏弹性材料，自身模量较低，在加入混合料后受外力作用下，产生的变形较大。

4 混合料的干缩性能试验分析

依据文献对四组混合料用千分表进行90d龄期试验，混合干缩试验结果见图5。

由图5可知，三种添加剂的混合料90d养生龄期内的干缩系数均小于无添加剂的普通混合料。说明三种添加剂对水稳混合料的干缩抗裂能力改善效果明显。掺玄武岩纤维的混合料在整个养生龄期内的毛细水通道被细微的纤维丝堵塞或覆盖，使得失水面积减小，水分流失缓慢，同时在纤维丝自身存在的抵抗變性能力及大量纤维丝形成的空间网状结构支撑体系的共同作用下有效约束了混合料内部胶凝体间的干缩变形，使得混合料变形量较小。掺膨胀剂的混合料在整个养生龄期内的变化可用微膨胀作用和致密作用来解释。在初期养生龄期内膨胀剂水化反应产生的钙矾石填充混合料内部的空隙，且其填充速度大于混合料初期的干缩速度，因此，混合料初期的微膨胀作用使得干缩系数呈现负值，而随着养生龄期的延长，随着膨胀剂水化反应产生的钙矾石数量增多，混合料内部结构愈加紧促密实，使得毛细孔数量减少和毛细管张力作用减弱，因此其干缩系数较小。而橡胶粉自身具有一定吸水持水能力，混合料内部的水泥水化反应的过程中会从橡胶粉内吸收部分水分用于恢复自身的变形，同时由于橡胶粉自身具有一定的黏弹性特性，使得干缩变形时毛细管水、层间水蒸发过程中分子间的作用力减小，从而减弱了混合料整个龄期过程中的干缩变形。

5 总结

（1）四种混合料击最大干密度大小为普通<掺玄武岩纤维<掺橡胶粉<掺膨胀剂，最佳含水率大小为掺玄武岩纤维<普通<掺膨胀剂<掺橡胶粉。

（2）掺玄武岩纤维和膨胀剂对混合料的力学性能效果提升效果明显，而掺橡胶粉则减弱了混合料整个龄期内的力学性能发展。

（3）掺玄武岩纤维、膨胀剂及橡胶粉对混合料的干缩性能改善效果明显，其中掺膨胀剂在整个龄期内对混合料的干缩性能改善效果最优。

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