聚丙烯纤维改善水泥稳定建筑垃圾收缩抗裂性能研究

黄小芬

(广东省交通规划设计研究院股份有限公司 广州市 510507)

0 引言

将建筑垃圾应用于水稳碎石基层中，不但能减少建筑垃圾对环境的污染，还能降低天然石料资源的耗费，具有良好的社会经济效益。然而，建筑垃圾压碎值大、吸水率高，对水泥稳定建筑垃圾的路用性能造成不利的影响，进而限制了建筑垃圾的实际应用[1-3]。肖杰[4]、孙吉书[5]的研究表明：建筑垃圾吸水率大、压碎值高，随着建筑垃圾掺量的增大，水泥稳定建筑垃圾的路用性能逐渐降低；但其力学性能仍能满足现行规范的要求，而其抗裂性能、耐久性能限制了水泥稳定建筑垃圾基层的应用。马士宾[6]、杨明[7]等人发现水泥稳定碎石中掺加聚丙烯纤维可以较为经济、强效地改善其路用性能。

国内外研究现状表明：建筑垃圾的物理力学性能较低，导致水泥稳定建筑垃圾的路用性能较差，尤其是水泥稳定建筑垃圾的抗裂性能较差，导致水泥稳定建筑垃圾基层的使用寿命较短，容易出现开裂病害。因此，目前水泥稳定建筑垃圾多用于二级及以下道路的基层或高速公路、一级公路的底基层中，对建筑垃圾在高速公路基层中的应用研究还较少，建筑垃圾的掺量也较低[8-9]。通过7d抗压强度试验优选聚丙烯纤维的较佳掺量和长度，并通过干缩抗裂性能试验、温缩抗裂性能试验，研究掺加聚丙烯纤维对水泥稳定建筑垃圾收缩抗裂性的影响，为增大建筑垃圾的掺量、提高水泥稳定建筑垃圾基层的使用寿命、推广水泥稳定建筑垃圾在高等级公路基层中的广泛应用提供技术支撑。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

试验所用的水泥为42.5普通硅酸盐水泥，建筑垃圾的技术性质测试结果如表1所示。

表1 建筑垃圾和天然碎石的物理力学性能

建筑垃圾中的细集料含量较高，在进行水泥稳定建筑垃圾的级配设计时，应该将建筑垃圾重新筛分后再调整级配，水泥稳定建筑垃圾的级配如表2所示。

表2 碎石和建筑垃圾的级配

所用聚丙烯纤维弹性模量为2.9GPa，断裂延伸率为21%，具有无吸水性、耐腐蚀、成本低、与水稳碎石结合性好等特点。

1.2 试验方案

通过水泥稳定建筑垃圾的组成设计试验优选出聚丙烯纤维的掺量和长度，并通过干缩抗裂性能试验、温缩抗裂性能试验，研究纤维对水泥稳定建筑垃圾路用性能的影响。试验方法均参考《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)，其中，干缩抗裂性能试验龄期为28d，温缩性能试验龄期为7d，温缩试验采用平均温缩系数来评价，温度范围为30～-10℃。

2 水泥稳定建筑垃圾混合料组成设计

取建筑垃圾掺量为100%，水泥剂量为4.5%，聚丙烯纤维掺量为0.06%、0.09%、0.12%、0.15%，纤维长度为9mm、15mm、24mm，进行击实试验，并通过7d抗压强度优选出较佳的纤维掺量和长度。水泥稳定建筑垃圾的7d抗压强度结果如表3所示。

表3 水泥稳定建筑垃圾7d抗压强度(MPa)

由表3可知，随着纤维长度的增大，水泥稳定建筑垃圾的7d抗压强度先增大后减小，当纤维长度为15mm时，水泥稳定建筑垃圾的7d抗压强度最大。纤维长度较短时，纤维对不同的水泥水化产物不能充分地包裹连接，对水稳碎石的整体强度影响较小；纤维长度较大时，纤维的数量也变少，且较长的纤维难以拌和均匀，导致强度下降。随着纤维掺量的增大，水泥稳定建筑垃圾的抗压强度先增大后减小，纤维掺量为0.09%时，水泥稳定建筑垃圾的抗压强度最大。纤维掺量过小时，纤维无法在水稳碎石内部形成整体的乱向分布体系，无法起到连接固定的作用；纤维掺量过大时，纤维易结团、散布不均匀，且阻碍了水泥石的相互粘结，导致水稳碎石强度下降。

基于以上研究，选取建筑垃圾掺量为0、25%、50%、75%、100%，水泥剂量为4.5%，纤维长度为15mm，纤维掺量为0、0.09%，进行水泥稳定建筑垃圾的抗裂性能试验研究。

3 收缩抗裂性能试验

3.1 干缩抗裂性能试验

干缩抗裂试验结果如表4、图1所示。

表4 水泥稳定建筑垃圾的干缩抗裂性能试验结果

由表4、图1可知，随着建筑垃圾掺量的增大，水泥稳定建筑垃圾的28d干缩系数逐渐增大。不掺加纤维时，100%建筑垃圾掺量水泥稳定建筑垃圾的28d干缩系数比普通水稳碎石增大了36.1%。建筑垃圾的吸水率远高于普通碎石，导致水泥稳定建筑垃圾的早期失水率偏大，对水泥稳定建筑垃圾的干缩抗裂性能造成了不利的影响。因此，在实际应用时，应重视水泥稳定建筑垃圾混合料的早期养生，以控制混合料的干缩变形。掺加纤维后，不同建筑垃圾掺量水泥稳定建筑垃圾的28d干缩系数均降低，建筑垃圾掺量为100%时，掺纤维水泥稳定建筑垃圾的28d干缩系数比不掺纤维的水泥稳定建筑垃圾降低了19.4%。掺加纤维后，水稳碎石的空隙率降低，水分散失速度降低，进而降低了水泥稳定建筑垃圾的失水收缩变形；此外，聚丙烯纤维出色的抗变形能力也降低了水泥稳定建筑垃圾的收缩变形，进而大幅度改善了水稳碎石的干缩抗裂性能。

3.2 温缩抗裂性能试验

温缩抗裂试验结果如表5、图2所示。

表5 水泥稳定建筑垃圾的温缩抗裂性能试验结果

由表5、图2可知：随着建筑垃圾掺量的增大，水泥稳定建筑垃圾的平均温缩系数逐渐增大。不掺加纤维时，100%建筑垃圾掺量水泥稳定建筑垃圾的平均温缩系数比普通水稳碎石增大了31%。建筑垃圾中含有大量水泥砂浆、砖块等，这些物质的温度膨胀系数远大于碎石，导致水泥稳定建筑垃圾的温缩性能较差。掺加纤维后，不同建筑垃圾掺量水泥稳定建筑垃圾的平均温缩系数均降低，建筑垃圾掺量为100%时，掺纤维水泥稳定建筑垃圾的平均温缩系数比不掺纤维的水泥稳定建筑垃圾降低了7.3%。掺加纤维后，聚丙烯纤维出色的抗变形能力也降低了水泥稳定建筑垃圾的收缩变形，进而改善了水泥稳定建筑垃圾的温抗裂性能。

4 结论

(1)掺加聚丙烯纤维后，水泥稳定建筑垃圾的抗压强度增大，纤维掺量为0.09%、长度为15mm时，水泥稳定建筑垃圾的7d抗压强度最高。

(2)掺加聚丙烯纤维后，水泥稳定建筑垃圾的收缩抗裂性能均有不同程度的提高。建筑垃圾掺量为100%时，掺纤维水泥稳定建筑垃圾的28d干缩系数、7d温缩系数分别比不掺加纤维的水泥稳定建筑垃圾降低了19.4%、7.3%。

(3)随着建筑垃圾掺量的增大，水泥稳定建筑垃圾的收缩抗裂性能逐渐降低。不掺加纤维时，100%建筑垃圾掺量的水泥稳定建筑垃圾的28d干缩系数、7d温缩系数分别比普通水稳碎石增大了36.1%、31%。