添加PVA纤维的水泥稳定碎石混合料抗裂与耐久性能研究

2020-11-18李燕军

公路工程 2020年5期

李燕军

(山西交通职业技术学院，山西太原 030619)

0 引言

水泥稳定级配碎石材料具有稳定性好、抗冻性强、结构本身自成板体等优势，且材料来源广泛、施工工艺成熟，因而广泛用于各等级公路的基层和底基层，但以水泥稳定级配碎石为典型代表的半刚性基层在工程实践中也出现了因抗干缩、温缩、疲劳性能不足所致的开裂、抗水损害不足所致的唧泥等病害，半刚性基层病害频发并且破损后病害处治难度大，造成了不可估量的经济损失[1-4]。聚乙烯醇纤维(Polyvinyl Alcohol Fiber，简称 PVA 纤维)具有高强高模、耐磨性好以及与水泥等材料有较好的亲和力和结合性等优点，可有效地改善水泥基复合材料的变形和破坏特性。王永波[5]研究表明，掺加PVA纤维能有效解决混凝土的开裂问题。张鹏远[6]等研究表明，掺加PVA纤维能提高混凝土的抗冻和耐盐碱腐蚀性，同时显著提高混凝土的抗拉强度和抗冲击韧性。胡杰[7]等研究表明，掺加PVA纤维能够提高混凝土的极限应变，且PVA纤维混凝土性价比更高。国内东南大学、浙江大学等高校也相继开展了PVA纤维超高韧性水泥基复合材料的研究工作[5-9]。受此启发，国内也有学者将PVA纤维掺入水泥稳定碎石中，曹源文[10]等研究了PVA纤维水泥稳定碎石拌和均匀性检测技术；贺亚飞[11]研究了PVA纤维水泥基材料的力学性能；李彩霞[12]研究了PVA水泥稳定碎石基层的结构承载能力。曾梦澜[13]等研究了PVA-ECC稳定碎石混合料的自愈合性能。相关研究成果为水泥稳定级配碎石力学性能与抗裂性能改善技术在实体工程中推广应用奠定了良好的基础[14-15]。但是目前PVA纤维很少用在水泥稳定级配碎石基层中，已有研究成果主要集中在PVA纤维增强水泥混凝土复合材材料方面，有关PVA纤维水泥稳定级配碎石的力学性能、变形特性、抗疲劳性能、水稳定性能及实体工程应用效果评价等鲜见研究。本文研究PVA纤维掺量和纤维长度对水泥稳定级配碎石无侧限抗压强度、劈裂强度、弯拉强度的影响规律，分析PVA纤维对水泥稳定碎石变形特性、疲劳性能、水稳定性的影响，为改善水泥稳定碎石力学性能和抗裂性能提供新的技术选择，通过实体工程跟踪检测，为PVA纤维在水泥稳定碎石基层的推广应用提供参考。

1 试验

1.1 试验原材料

聚乙烯醇(PVA)纤维由山东青岛国立纤维公司生产，外观为淡黄色单丝条状，直径为6 mm，长度分别为8、12、16、20、24 mm，PVA纤维的具体参数见表1。选用奈曼宏基水泥厂生产的32.5级复合矿渣硅酸盐水泥，水泥技术指标见表2，满足通用硅酸盐水泥相关要求。根据实体工程应用情况，试验研究采用6档集料规格分别为0～3 mm、3～5 mm、5～10 mm、10～20 mm、20～25 mm、25～30 mm，细集料为石灰岩机制砂，粗细集料为石灰岩碎石，集料各项性能指标满足《公路路面基层施工技术细则》(JTG /T F20-2015)相关技术指标要求。水为饮用自来水。

表1 PVA纤维的主要性能指标Table 1 Main performance indicators of PVA fiber密度/(g·m-3)弹性模量/GPa抗拉强度/MPa伸长率/%水中软化点/℃耐热水性能/℃1.3421 8007115100

表2 水泥主要技术指标试验结果Table 2 Test results of main technical indicators of cement类别80μm筛余量/%凝结时间/min3 d强度/MPa28 d强度/MPa初凝终凝抗压抗折抗压抗折试验结果2.727035713.63.1736.36.7规范要求≤10≥10≤600≥10≥2.5≥32.5≥5.5

1.2 混合料配合比设计

根据6档集料的筛分试验结果，以《公路路面基层施工技术细则》(JTG /T F20-2015)骨架密实型、悬浮密实型矿料级配中值为目标级配，确定矿料级配见表3。试验时水泥稳定碎石混合料最佳水泥用量取5%，采用重型击实试验确定骨架密实型(GP2)、悬浮密实型(GP1)水泥稳定碎石混合料的最佳含水量分别为5.7%、5.1%，GP1、GP2最大干密度分别为2.272、2.367 g/cm3，根据文献[4-5]研究成果，PVA纤维的掺量对水泥稳定碎石混合料最佳含水量和最大干密度影响不大，故未进行不同纤维掺量及变化纤维长度条件下重型击实试验，下文中GP1、GP2的水泥用量均为5%，GP1、GP2最佳含水量分别取5.7%、5.1%。

表3 水泥稳定碎石混合料矿料级配Table 3 Cement stabilized macadam mixture mineral gradation级配类型通过下列方筛孔(mm)的质量百分率/%31.526.519 1613.29.5 4.75 2.36 1.180.60 0.39.150.075GP1100857760.558.54322.515.510.56.542.5GP21007869.357.349282116.213.59.24.41.4GP1规范限值10086～8279～7372～6562～5345～3531～2222～1315～810～57～35～2GP2规范限值10068～8638～5822～3216～28 8～150～3

1.3 试验方案

a.采用GP1、GP2水泥稳定碎石混合料，固定水泥掺量为5%，试验变化4组PVA纤维掺量为0.5、0.8、1.1、1.4 kg/m3，每组纤维掺量下变化纤维长度为8、12、16、20、24 mm，对PVA纤维水泥稳定碎石混合料分别进行标准养生龄期内的无侧限抗压强度试验、劈裂强度试验、弯拉强度试验，以综合评价PVA纤维水泥稳定碎石的强度特性与力学性能，基于此优化出适宜的PVA纤维掺配质量及最佳的纤维长度范围，为PVA纤维的选择提供依据。

b.采用干缩试验、温缩试验评价PVA纤维水泥稳定碎石混合料的变形性能，并与无纤维水泥稳定碎石混合料进行对比，定量评价PVA纤维水泥稳定碎石混合料的抗裂优势。

c.采用控制应力弯曲疲劳试验、冻融循环试验研究PVA纤维水泥稳定碎石混合料的抗疲劳耐久性与水稳定性。

d.基于SEM试验，观察PVA纤维在水泥稳定碎石混合料内部的分布形态，分析PVA纤维对水泥稳定碎石混合料性能的增强机理。

e.对试验路PVA纤维水泥稳定级配碎石使用性能进行跟踪检测，分析PVA纤维水泥稳定碎石基层的抗裂效果。

1.4 试验方法

PVA纤维水泥稳定碎石混合料的力学强度试验：①无侧限抗压强试验采用Φ100 mm×100 mm圆柱体试件，按照T0845-2009的标准养生方法养生7 d(浸水养生24 h)，试验控制加载速率为1 mm/min；②劈裂强度试验采用Φ150 mm×150 mm圆柱体试件，试件养生龄期为90 d。压条弧面半径75 mm、宽度18.75 mm，控制加载速率为1 mm/min；③弯拉强度试验采用150 mm×150 mm×550 mm大梁试件，标准养生龄期为90 d，试验采用三点分加载方式，控制变形加载速率为50 mm/min。以上3种力学强度试验均在CTM5504万能试验机上进行。

PVA纤维水泥稳定碎石混合料的变形特性试验：①干缩系数试验采用振动成型的15 cm×15 cm×550 cm大梁试件，养生7 d内间隔12 h测量1次试验数据(天平测试试件重量、千分表测试变形量)，养生7 d后间隔1～2 d记录1次试验数据，标准养生90 d后完成试验数据测试。标准养生期间，根据试验数据计算PVA水泥稳定碎石混合料试件在不同养生龄期内的失水率，建立PVA纤维水泥稳定碎石混合料的失水率与干缩系数之间的拟合关系，并评价PVA纤维水泥稳定碎石混合料的干缩性能；②温缩试验试件尺寸为150 mm×150 mm×550 mm，养生龄期为7 d(6 d标准养生+1 d浸水)，根据我国西北5省近10 a年极端高低温气候资料及JTG E51-2009温缩试验建议的试验温度范围，本文选择-25 ℃～-15 ℃、-15 ℃～-5 ℃、-5 ℃～5 ℃、5 ℃～15 ℃、15 ℃～25 ℃、25 ℃～35 ℃、35 ℃～45 ℃、45 ℃～55 ℃等8个温度区间，降温速率为0.5 ℃/min，进行下一个温度区间前应保温不小于3 h。

PVA纤维水泥稳定碎石混合料的耐久性能试验：①采用三点弯曲疲劳试验评价PVA纤维水泥稳定碎石混合料的抗疲劳耐久性能。试验严格按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)的 T0856-2009方法进行，将150 mm×150 mm×550 mm大梁试件养生在标准养生条件下养生90 d(89 d标准养生+1 d饱水养生)，MTS landmark 370.10万能疲劳试验机上进行，施加频率为10 Hz的Havesive连续波，采用0.2、0.3、0.4、0.5共4个应力比；②采用冻融循环试验评价PVA纤维水泥稳定碎石混合料的抗水损害耐久性，试验时制备Φ150 mm×150 mm圆柱体试件，标准养生为180 d。低温箱的冻结温度为-18 ℃，冻结时间为16 h，冻结结束后取出试件，量高、称重量，然后立即放入20 ℃水浴中进行融化，融化8 h，此为1次冻融循环，总共经历15次冻融循环，冻融循环5、10、15次后进行抗压强度试验。

2 PVA纤维水泥稳定碎石混合料力学性能

2.1 无侧限抗压强度试验

PVA纤维水泥稳定碎石混合料的无侧限抗压强度试验结果见图1。由图1可见，在工程常用的5%水泥用量条件下，骨架密实型水泥稳定碎石7 d无侧限抗压强度达到了7.1 MPa，比悬浮密实型水泥稳定碎石混合料的无侧限抗压强度增大了29.1%，可见粗集料的骨架嵌挤作用对水泥稳定级配碎石强度贡献较为明显。掺入纤维后，PVA纤维水泥稳定级配碎石的无侧限抗压强度明显大于无纤维水泥稳定级配碎石， GP1、GP2两种PVA纤维水泥稳定碎石混合料的最大无侧限抗压强度可达到7.1、8.4 MPa，无侧限抗压强度值分别比相同级配的普通水泥稳定碎石混合料增大了29.3%、19.2%，可以发现，PVA纤维对悬浮密实型水泥稳定级配碎石无侧限抗压强度的增强效果优于骨架密实型级配，掺加PVA纤维是增强水泥稳定碎石无侧限抗压强度的有效措施。随着PVA纤维掺量和纤维长度的增大，GP1、GP2两种PVA纤维水泥稳定级配碎石的无侧限抗压强度均呈先显著增大后缓慢减小趋势，因此存在最佳纤维掺量和最优纤维长度问题，对于GP1、GP2，PVA纤维掺量为0.5 kg/m3时，随着纤维长度增大，水泥稳定级配碎石无侧限抗压强度呈先增大后减小趋势，水泥稳定级配碎石的无侧限抗压强度在纤维长度为16 mm时出现峰值，而在0.8～1.4 kg/m3PVA纤维掺量范围内，水泥稳定级配碎石的无侧限抗压强度在纤维长度为20 mm时出现峰值，两种级配的水泥稳定级配碎石，在PVA纤维掺量为1.1 kg/m3+纤维长度20 mm时，无侧限抗压强度出现峰值，分析以为，在PVA纤维掺量较少时，纤维长度越大，相同质量情况下PVA纤维的个体数量就越少，因此较难以形成空间三维乱向支撑体系，而随着纤维质量增大，在拌和过程中纤维的分散均匀难度增大，当PVA纤维掺量达到饱和状态以后，较多的纤维因分散不均匀而出现团聚、干扰问题，在水泥稳定级配碎石内部产生软弱界面，反而对强度不利。因此就无侧限抗压强度而言，PVA纤维掺量为0.8～1.1 kg/m3、纤维长度为16～22 mm较为适宜。

(a) GP1水泥稳定级配碎石

2.2 劈裂强度试验

PVA纤维水泥稳定碎石混合料的劈裂强度试验结果见图2。由图2可见，未掺PVA纤维，GP1、GP2两种水泥稳定级配碎石的劈裂强度相差不大。掺入PVA纤维后，GP1、GP2两种PVA纤维水泥稳定级配碎石劈裂强度比掺PVA前提高幅度为8%～57.6%、4.6%～46.5%。随着PVA纤维掺量增大和纤维长度增大，劈裂强度先显著增大后缓慢降低，当PVA纤维掺量为0.5 kg/m3时，纤维长度为12 mm，PVA纤维水泥稳定级配碎石劈裂强度峰值达到了0.611 MPa，在纤维掺量在0.8～1.1 kg/m3、纤维长度16～22 mm范围内劈裂强度出现峰值，随着PVA纤维掺量增大，峰值劈裂强度对应的纤维长度有增大趋势。以最大劈裂强度为原则，确定GP1适宜的纤维掺量为1.1 kg/m3、纤维长度为16 mm，GP2适宜的纤维掺量为1.1 kg/m3、最佳纤维长度为20 mm，可以认为水泥稳定级配碎石的最佳PVA纤维长度矿料级配有关，最佳PVA纤维长度随粗集料含量增大而增大。

(a) GP1水泥稳定级配碎石

2.3 弯拉强度试验

PVA纤维水泥稳定碎石混合料的弯拉强度试验结果见图3。不掺加PVA纤维，GP1、GP2水泥稳定级配碎石弯拉强度为1.57、1.66 MPa，满足JTG D50-2017水泥稳定类材料弯拉强度1.5～2.0 MPa取值要求。相较普通水泥稳定级配碎石，掺加0.5～1.4 kg/m3PVA纤维的水泥稳定级配碎石弯拉强度显著增大，GP1、GP2两种PVA纤维水泥稳定级配碎石的弯拉强度最大可提高27.6%、31.1%。相同纤维长度，随着PVA纤维掺量增大，PVA纤维水泥稳定级配碎石的弯拉强度先增大后减小，相同纤维掺量，随着PVA纤维长度增大，PVA纤维水泥稳定级配碎石的弯拉强度先增大后减小，弯拉强度随纤维掺量和纤维长度增大所呈现出的变化趋势与无侧限抗压强度和劈裂强度相似。以峰值弯拉强度确定GP1最佳纤维掺量为0.8 kg/m3、最佳纤维长度为20 mm，GP2最佳纤维掺量为1.1 kg/m3、最佳纤维长度为20 mm。分析以为，PVA纤维对水泥稳定级配碎石弯拉强度的增强作用与其分散均匀密切相关，PVA纤维所形成的三维乱向支撑体系达到饱和后，其对细密裂缝扩张的限制作用也达到峰值，进一步增大纤维掺量，纤维重叠、聚集而出现薄弱接触面反而削弱了PVA纤维的界面增强作用。

(a) GP1水泥稳定级配碎石

2.4 显著性分析

采用Origin Pro 8.5定量软件分析PVA纤维掺量、PVA纤维长度2个因素对无侧限抗压强度、劈裂强度、弯拉强度的显著性影响，结果汇总见表4。由表4可见，纤维掺量和纤维长度均对PVA纤维水泥稳定级配碎石的无侧限抗压强度、劈裂强度、弯拉强度有显著影响，PVA掺量对水泥稳定级配碎石力学强度的显著性影响P值小于PVA长度，表明纤维掺量对水泥稳定级配碎石力学性能的影响更加显著。

表4 双因素方差分析结果Table 4 Results of two-way variance analysis因素无侧限抗压强度F值显著性PPVA掺量35.749542.91089E-6PVA长度10.407067.1014E-4劈裂强度弯拉强度F值显著性PF值显著性PF值显著性P6.084490.0092725.877511.58877E-54.645840.0169511.018685.49006E-4注:显著性判别标准P<0.05。

综上可知，当PVA纤维的掺量为0.8～1.1 kg/m3、纤维长度为16～22 mm时，水泥稳定碎石的无侧限抗压强度、劈裂强度、弯拉强度3个力学试验指标达到了强度峰值，工程实践中添加0.8～1.1 kg/m3、长度为16～20 mm PVA纤维可提高水泥稳定级配碎石的力学性能。下文将开展掺加0.8 kg/m3+16 mm PVA纤维(方案I)、0.8 kg/m3+20 mm PVA纤维(方案II)、1.1 kg/m3+16 mm PVA纤维(方案III)、1.1 kg/m3+20 mm PVA纤维(方案IV)4种水泥稳定级配碎石的变形特性和耐久性能试验研究。

3 机理分析

提取弯拉试验试件破坏界面处的PVA水泥砂浆进行SEM试验，由图4(a)、(b)可见，PVA纤维表面有裹附大量的水泥胶凝材料，分析以为PVA纤维表面含有大量的羟基，使得PVA纤维与水泥胶凝材料黏附状况良好，纤维的吸附稳定作用和界面增强作用，确保了PVA纤维与水泥胶凝材料有较好的亲和力和结合性，这对受荷时PVA协同受力、传递荷载和弥补水泥砂浆内部界面黏附缺陷有重要意义。观察图4(c)破坏界面处PVA纤维状态，发现在PVA纤维断裂点处存在明显的“颈缩”现象，断口有拉断痕迹，而不仅仅不是拔出，纤维根部的水泥胶凝材料随纤维受拉而发生形变，这表明PVA纤维均参加了受力，破坏界面在开始产生裂缝时，锚固在水泥胶凝材料中的PVA出现轻微滑动，同时产生摩擦阻力，克服水泥砂浆颗粒之间的错位与滑移，起到了很好传力、消散力、协调变形的作用，使混合料中的集中应力分布扩散得更均匀。由图4(c)可见，均匀分散的PVA纤维相互桥接，在水泥稳定碎石中形成了空间网状支撑体系，PVA纤维的加筋作用，一方面对网孔范围内的水泥胶凝材料可以起到一种“箍锁”作用，另一方面把受损区域进行隔离，横跨裂缝两端的PVA纤维使裂纹的变形受到约束，阻碍了裂纹的继续发展，起到了一种隔离功能，这可以很大程度减少应力集中，延缓甚至阻止了破坏裂纹的产生和发展。

(a) PVA纤维表面水泥胶凝材料裹附状况

4 PVA纤维水泥稳定碎石混合料变形特性

4.1 干缩性能试验

按照上述确定的纤维掺量和纤维长度，采用GP1进行干缩性能试验研究，对照组采用普通水泥稳定级配碎石(未添加PVA纤维)，试验结果见图5。

图5 PVA纤维水泥稳定级配碎石温缩试验结果Figure 5 PVA fiber cement stabilized macadam temperature shrinkage test results

由图5试验结果可知，随着养生时间延长，5种水泥稳定级配碎石的干缩系数先显著增大后趋于平缓，在养生7 d内干缩系数增大最为显著，7～28 d内干缩系数保持缓慢增长，60 d以后干缩系数趋于稳定，这主要与试件失水速率有关。掺加PVA纤维后，PVA纤维水泥稳定级配碎石在养生3 d内的干缩系数与普通水泥稳定级配碎石相差不大，养生7 d内，4种PVA纤维水泥稳定级配碎石的温缩系数相差不大，但明显小于未掺纤维的水泥稳定碎石，分析以为，养生3 d内，失水率大，水泥水化尚未完成，界面黏结、黏附强度仍在继续增长，PVA纤维与水泥胶凝物的机械咬合力以及PVA纤维的界面增强作用尚未完全形成，在养生3～7 d内，失水收缩产生的干缩应变大于PVA纤维对干缩应变的抑制作用，PVA纤维的加筋锚固作用仍在增长，但也起到了抑制干缩变形的作用。

养生90 d后，0.8 kg/m3+16 mm PVA纤维(方案I)、0.8 kg/m3+20 mm PVA纤维(方案II)、1.1 kg/m3+16 mm PVA纤维(方案III)、1.1 kg/m3+20 mm PVA纤维(方案IV)4种水泥稳定级配碎石的干缩应变比普通水泥稳定级配碎石降低了34.9%、29.4%、40.6%、52.3%，尤其是掺加1.1 kg/m3+20 mm PVA纤维(方案IV)对减少水泥稳定级配碎石干缩变形效果最明显。PVA纤维在水泥稳定级配碎石中的抑制干缩变形效果主要表现在：PVA纤维空间网状支撑体系所起到的界面增强作用能弥补水泥稳定级配碎石的界面黏结缺陷，提高了水泥砂浆与集料之间的界面黏附强度和机械啮合连接力，再者，PVA纤维的锚固作用，提高了水泥稳定级配碎石承受荷载时的整体性与一致性，从而有效抑制了干缩变形。温缩变形是半刚性基层沥青路面反射裂缝的主要诱因之一，掺加PVA纤维可使水泥稳定级配碎石温缩变形量降低34.9%～52.3%，可见加入PVA纤维能够显著减少沥青路面发生反射裂缝病害。

4.2 温缩性能试验

不同温度区间的温缩系数试验结果见图6。由图6试验结果可知，相同温度区间内，PVA纤维水泥稳定级配碎石的温缩系数明显小于未掺加纤维水泥稳定碎石混合料，4种PVA纤维水泥稳定碎石在-25 ℃～-15 ℃、-15 ℃～-5 ℃、-5 ℃～5 ℃、5 ℃～15 ℃、15 ℃～25 ℃、25 ℃～35 ℃、35 ℃～45 ℃、45 ℃～55 ℃等8个温度区间内的温缩系数比普通水泥稳定级配碎石减小了23.1%～32.4%、21.5%～34.9%、26.8%～37.1%、26.9%～43.9%、30.5%～47.1%、23.9%～35.5%、39.8%～50.3%、45.9%～53.3%，掺加1.1 kg/m3+20 mm PVA纤维(方案IV)具有更优越的抗温缩变形特性。从平均温缩系数来看，在-25 ℃～-15 ℃、-15 ℃～-5 ℃、-5 ℃～5 ℃、5 ℃～15 ℃、15 ℃～25 ℃、25 ℃～35 ℃、35 ℃～45 ℃、45 ℃～55 ℃等8个温度区间内，4种PVA纤维水泥稳定级配碎石各温度区间内的温缩系数平均值比普通水泥稳定碎石降低了26.1%、25.9%、32.8%、33.9%、35.1%、28.6%、50.2%、52.3%。

图6 不同温度区间平均温缩系数Figure 6 Average temperature coefficient of different temperature intervals

5 PVA纤维水泥稳定碎石混合料耐久性

5.1 疲劳试验

疲劳试验结果见表5，采用JTG E51-2009试验规程推荐的应力强度比-疲劳寿命对数拟合方程对疲劳试验数据进行分析，结果见图7。

表5 PVA纤维水泥稳定级配碎石疲劳试验结果Table 5 Fatigue test results of PVA fiber cement stabilized macadam纤维类型以下应力强度比的疲劳寿命/次0.20.30.40.5未掺加纤维50 66123 8948 7684 0130.8 kg/m3+16 mm PVA纤维(方案I)66 85734 97316 2868 0410.8 kg/m3+20 mm PVA纤维(方案II)63 30931 01915 3897 3141.1 kg/m3+16 mm PVA纤维(方案III)83 89143 88723 11111 9531.1 kg/m3+20 mm PVA纤维(方案IV)74 96438 15819 5879 988

图7 疲劳试验拟合曲线Figure 7 Fatigue test fitting curve

由表5疲劳试验结果可知，在0.2、0.3、0.4、0.5的4个应力比条件下，PVA纤维水泥稳定级配碎石的疲劳寿命比普通水泥稳定级配碎石增大了24.9%～47.9%、29.8%～83.7%、75.5%～123.4%、82.3%～148.9%，应力水平越高，PVA纤维对水泥稳定级配碎石疲劳性能的改善作用越明显。相同应变水平，4种PVA纤维水泥稳定级配碎石的疲劳寿命大小排序为：方案Ⅳ>方案Ⅲ>方案Ⅱ>方案Ⅰ，就疲劳寿命而言，存在最佳的纤维掺量和纤维长度，纤维掺量1.1 kg/m3、纤维长度20 mm时，PVA纤维水泥稳定级配碎石的疲劳寿命达到最大。拟合方程斜率绝对值越大，疲劳寿命对应力水平变化越敏感，截距越大，疲劳曲线线位越高，疲劳寿命越大，截距大、斜率小，相应的抗疲劳耐久性能越好。

由图7拟合曲线可以发现，掺加PVA纤维后，方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ拟合截距比未掺加纤维的水泥稳定级配碎石提高了18.1%、5.1%、21.8%、37%，拟合方程斜率绝对值降低了9.3%、18.1%、14.8%、22%，分析以为，均匀分散在水泥稳定级配碎石中的PVA纤维锚固在水泥砂浆内部，由于PVA纤维与水泥砂浆有较好的亲和力和结合性，PVA纤维的“界面增强作用”和“加筋阻裂作用”，提高了水泥砂浆的黏结强度及水泥砂浆与集料之间的界面黏附强度，从而有效阻止水泥砂浆内部产生裂纹，延缓了水泥砂浆与集料之间的黏附失效而产生的微裂纹和结构破坏，随着荷载作用次数增多，微裂纹逐渐扩大，PVA纤维桥接在裂缝的两端，有效阻止裂缝的发展或者延长裂纹的扩展路径，并减小尖端应力集中，宏观表现为PVA纤维水泥稳定碎石的疲劳寿命增大。

5.2 冻融试验

经历5、10、15次冻融循环后的水泥稳定级配碎石混合料残留抗压强度及质量损失率试验结果见表6。

表6冻融循环试验结果表明，随着冻融循环次数增加，5种水泥稳定级配碎石混合料的残留无侧限抗压强度减小，而质量损失率不断增大，冻融循环劣化作用显著降低了水泥稳定级配碎石混合料的无侧限抗压强度。在经历5、10、15次冻融循环后，普通水泥稳定级配碎石的残留强度衰减至89.7%、85.4%、76.9%，质量损失率为3.2%、5.9%、9.9%，掺加PVA纤维的水泥稳定级配碎石在经历10次冻融循环后残留强度仍大于90%，15次冻融循环后残留强度大于85%，可见经历相同冻融循环作用次数，PVA纤维水泥稳定级配碎石比普通水泥冷再生混合料有更大的残留强度和更小的质量损失率，经历冻融循环次数越多，普通水泥稳定级配碎石混合料与PVA纤维稳定级配碎石混合料水稳定性差距越大，PVA纤维水泥稳定级配碎石表现出了更优异的水稳定性，这对减少服役期间水泥稳定碎石基层翻浆等水损害有利。

表6 PVA纤维水泥稳定级配碎石冻融循环试验结果Table 6 Test results of freeze-thaw cycle of PVA fiber cement stabilized macadam%纤维类型冻融循环5次冻融循环10次冻融循环15次残留强度质量损失残留强度质量损失残留强度质量损失未掺加纤维89.73.285.45.976.99.9方案I96.72.494.54.489.55.3方案II94.62.592.44.886.56.4方案III98.41.695.63.991.24.9方案IV98.61.496.63.493.54.4

6 实体工程应用

根据室内研究成果，将PVA纤维水泥稳定级配碎石应用于乌海绕城高速公路路面基层及底基层，试验段长度500 m，经过近3 a跟踪检测，分析实体工程应用效果。试验段采用20 mm长PVA纤维，掺量为1.1 kg/m3，采用JTG/T F20-2015推荐的C-B-1型矿料级配，混合料生产过程中增加PVA纤维与集料干拌45 s，基层水泥剂量采用5%，底基层水泥剂量为3.5%。实体工程中，普通水泥稳定碎石造价为414.57元/t，20 mm长PVA纤维单价为35 000元/t，1 t水泥稳定碎石掺加PVA纤维为0.468 kg，考虑增加干拌时间后PVA纤维水泥稳定碎石的单价为435.62元/t，PVA纤维水泥稳定碎石比普通水泥稳定碎石每吨造价提高了5.08%。钻芯实测PVA纤维水泥稳定级配碎石基层、底基层的7 d无侧限抗压强度为8.1、5.6 MPa，远大于JTG/T F20-2015高速公路基层、底基层7 d无侧限抗压强度4～6、2.5～4.5 MPa的要求。PVA水泥稳定级配碎石7 d无侧限抗压强度比临近路段相同配比的普通水泥稳定碎石芯样高25%以上。路面结构经历了3个冬天及1个夏天的冰冻、春融(极端最低温度-27 ℃，极端最高气温37 ℃)和行车荷载综合作用下，服役3 a后PVA水泥稳定级配碎石基层沥青路面的开裂病害进行了详细调查，试验段500 m范围内仅产生了4条小于0.6 mm裂缝，裂缝平均间距125 m，钻芯发现裂缝主要是基层施工离析或路基不均匀沉降所致，而临近路段半刚性基层沥青路面横向裂缝平均间距为34 m，钻芯发现开裂是半刚性基层反射裂缝所致。由此可以初步判断，掺加PVA纤维可以提高水泥稳定碎石基层的力学强度，延缓甚至阻止半刚性基层产生反射裂缝，延缓半刚性基层产生疲劳破坏，试验段使用效果基本达到了研究目的。相比普通水泥稳定碎石，PVA纤维水泥碎石造价提高了5.08%，但是实体工程中PVA纤维水泥稳定碎石比普通水泥稳定碎石7 d无侧限抗压强度提高了46.2%，因此可通过降低水泥稳定碎石中水泥剂量，来降低PVA纤维水泥稳定碎石混合料的综合造价，PVA纤维水泥稳定碎石混合料具有更好的性价比。