聚酯纤维增强水泥稳定再生骨料性能试验研究

2021-03-17郭立成曾国东周敏黄红明万暑韩庆奎吴超凡

中外公路 2021年1期

郭立成，曾国东，，周敏，黄红明，万暑，韩庆奎，吴超凡*

(1.佛山市路桥建设有限公司，广东佛山 528313； 2.佛山市公路桥梁工程监测站有限公司；3.湖南云中再生科技股份有限公司)

近些年，中国交通行业快速发展，截至2019年，中国公路通车总里程为501.25万km，其中高速公路达到14.96万km。但由于矿石资源过渡开采，并且环境污染严重，许多矿山因未达到相关标准而被关闭,造成近期中国砂石骨料价格猛涨，并且原材料供不应求。若不改变现状，中国交通设施建设难以持续发展。另一方面，中国建筑固废物产生量逐年上升，据统计，2017年中国建筑固废产生量已达到24.9亿t。如此体量的建筑固废既需要大量土地进行堆积，又会引起严重环境污染问题。研究将建筑固废再利用于道路工程建设是解决上述问题的最有效途径。

水泥稳定碎石具有强度高、水稳定性和抗冻性好等优点，是各等级公路路面基层首选材料。将建筑固废破碎成再生骨料用于制备水泥稳定材料被认为是最快消纳建筑固废的途径。目前，国内外有部分相关研究，胡力群等对水泥稳定废黏土砖再生集料基层材料性能进行了研究，结果表明：随黏土砖再生集料掺量的增加，试验试件的力学性能、干缩应变和抗冻指数逐渐降低;徐驰等研究了含再生骨料的半刚性基层材料的抗裂性能，得出在满足强度要求下，应尽量减少细集料和水泥掺量，以达到水泥稳定再生骨料抗裂性能的要求；Sobhan等以质量分数为92%的再生集料、4%的水泥、4%粉煤灰制备了路面基层材料，其具有较好的疲劳性能。

从上述研究中可得出：水泥稳定再生骨料具有强度低、干缩大、抗裂性能低等缺点，严重妨碍了水泥稳定再生骨料在道路基层中的推广应用。因此，研究一种改善水泥稳定再生骨料性能方法至关重要。而根据以往研究，掺加纤维是提升水泥稳定碎石性能的有效途径。基于以上原因，研究纤维掺量对水泥稳定再生骨料性能影响具有十分重要的意义。

1 试验方法

1.1 原材料

水泥：采用PC32.5级水泥，密度为3.12 g/cm3，技术指标参数见表1。

聚酯纤维：由常州某工程材料有限公司提供，主要技术指标见表2。

再生骨料：骨料由拆违建筑垃圾破碎而成，包括0～4.75、4.75～9.5、9.5～19和19～26.5 mm4档。按照JTG E42-2005《公路工程集料试验规程》相关试验方法，测得集料性质指标如表3所示。

1.2 配比设计

(1) 再生骨料级配合成

混合料级配参考JTG/T F20-2015《公路路面基层施工技术细则》中水泥稳定级配碎石或砾石的推荐级配C-C-1，通过对再生骨料水洗筛分，进而合成混合料级配情况如表4所示。

表1 水泥技术指标

表2 聚酯纤维主要技术指标

表3 再生骨料技术指标

表4 级配合成

(2) 击实试验

试验中混合料水泥掺量为4.5%，聚酯纤维掺量为混合料质量的0‰、0.3‰、0.5‰、0.7‰、1.0‰，通过重型击实方法获得最大干密度和最佳含水率，为验证一定聚酯纤维掺量对混合料最大干密度和最佳含水率的影响，试验对不同聚酯纤维掺量的混合料进行击实试验，其结果如表5所示。

从表5可得：随着聚酯纤维掺量增加，水泥稳定再生骨料最大干密度和最佳含水率变化均较小，其变化值在JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》所规定两次重复试验容许误差之内，因此可认定，当聚酯纤维掺量在1.0‰以内时，聚酯纤维掺量对水泥稳定材料最大干密度和最佳含水率无影响。在以往的研究中也出现过类似的结论。后续研究中混合料最大干密度与最佳含水率统一为1.912 g/cm3与13.1%。

表5 击实试验结果

1.3 性能测试方法

试验主要研究聚酯纤维掺量对水泥稳定再生骨料力学、模量、耐久性能的影响，试件成型、养护和测试方法参考JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》。力学性能主要测试7、28和90 d无侧限抗压强度与劈裂抗拉强度，模量测试28 d抗压弹性模量，耐久性测试为试件28 d抗冲刷性能和90 d干缩系数，另采用28 d试件制片进行扫描电镜分析。

2 试验结果与分析

2.1 无侧限抗压强度

图1为水泥稳定再生骨料试件无侧限抗压强度随龄期的变化规律。

图1 无侧限抗压强度与龄期关系曲线

从图1可得：所有试件前7 d强度发展较快，7 d以后强度增长缓慢。聚酯纤维掺量为0.5‰的试件无侧限抗压强度最高，7 d强度接近5 MPa，而聚酯纤维掺量为1.0‰的试件无侧限抗压强度最低。当聚酯纤维掺量在0.5‰以内时，水泥稳定再生骨料试件强度随聚酯纤维掺量增加而增大，当纤维掺量超过0.5‰时，强度随纤维掺量增加而有一定幅度下降。已有研究结果表明：随纤维掺量增加，水泥稳定碎石抗压强度先增加后减少。一定的聚酯纤维掺量，能提高水泥稳定再生骨料试件整体性，在试件受压过程中，阻止微裂缝的发展，从而提高试件无侧限抗压强度，但随着纤维掺量继续增加，骨料与水泥水化产物凝胶接触面减少，更多的凝胶黏附在纤维上，所以基体整体强度下降。由此可知，对于水泥稳定再生骨料，由于再生骨料吸水率大，且含泥量大，通过直接增加水泥含量提高强度会使试件收缩变大，从而导致材料结构易开裂，因此通过掺配一定量的纤维改善其强度是较好的选择。

2.2 劈裂抗拉强度

图2为水泥稳定再生骨料试件劈裂抗拉强度随龄期的变化规律。

图2 劈裂抗拉强度与龄期关系曲线

从图2可知：无聚酯纤维的水泥稳定再生骨料试件劈裂抗拉强度最低，掺有聚酯纤维的试件劈裂抗拉强度都有提高，且聚酯纤维掺量为1.0‰的试件劈裂抗拉强度最大。随纤维量增加，试件劈裂抗拉强度变化规律与无侧限抗压强度变化规律不同，试件劈裂强度随纤维量增加而变大。已有研究表明：水泥稳定天然碎石材料劈裂抗拉强度主要影响因素是骨料与水泥的黏结性能。但由于再生骨料强度比天然碎石低，所以水泥稳定再生骨料试件劈裂破裂面上，有较多再生骨料裂成两部分，所以骨料与水泥黏结性并不是影响试件劈裂强度的主要因素。掺加聚酯纤维能在水泥稳定再生骨料体系形成无序的网状结构，延缓试件劈裂试验中裂缝的发展，因而在此次试验聚酯纤维掺量条件下，聚酯纤维掺量越高，试件劈裂抗拉强度越大。

2.3 抗压弹性模量

图3为水泥稳定再生骨料抗压弹性模量随聚酯纤维掺量的变化情况，图3中无聚酯纤维试件抗压弹性模量相对最小，而聚酯纤维掺量为0.5‰的试件抗压弹性模量最大，试件抗压弹性模量随聚酯纤维掺量增加而先变大后变小，这与图1中无侧限抗压强度随聚酯纤维掺量增加变化规律相似。

2.4 冲刷试验

图4为水泥稳定再生骨料试件养护28 d后进行冲刷试验所得的质量损失率与冲刷时间关系曲线。

图3 抗压弹性模量与纤维掺量关系曲线

图4 水泥稳定再生骨料试件冲刷质量损失率与冲刷时间关系曲线

从图4可得：未掺聚酯纤维的P0试件经过一定时间的冲刷后质量损失率最大，聚酯纤维掺量为0.5‰的P5试件和掺量为0.7‰的P7试件在同等冲刷条件下质量损失率相对较小。以上结果说明聚酯纤维能有效提高水泥稳定再生骨料抗冲刷性能，但以0.5‰左右掺量效果最佳。类似研究表明：纤维能提高水泥稳定碎石基层材料的抗冲刷性能，主要原因是在试件进行冲刷的过程中，试件外部产生许多微裂缝，纤维的掺入能增加水泥稳定基层材料抗裂能力，阻止微裂缝的进一步发展，减少试件由冲刷造成的质量损失。

2.5 干缩试验

图5为水泥稳定再生骨料干缩系数与聚酯纤维掺量的关系曲线。

图5 干缩系数与聚酯纤维掺量关系曲线

从图5可知：聚酯纤维掺入能有效降低试件干缩系数。随聚酯纤维掺量增加，试件干缩系数不断下降。纤维掺量为1.0‰的试件干缩系数比无纤维试件干缩系数降低35%左右。由于聚酯纤维在水泥稳定再生骨料基体中呈无序网状分布，所以能有效约束试件由失水造成的收缩形变。由上述分析可得，再生骨料吸水率大、含泥量高，因而水泥稳定再生骨料试件干缩较大，如直接用于道路基层会出现较多收缩裂缝。通过掺加聚酯纤维能有效抑制水泥稳定再生骨料干缩，减少材料用于道路结构层时收缩裂缝的产生。

2.6 扫描电镜

图6为不同聚酯纤维掺量条件下水泥稳定再生集料扫描电镜照片。

从图6(a)可知：再生集料与水泥水化产物的界面处存在多条裂缝。从图6(b)、(c)可得：随着聚酯纤维的掺入，再生集料、聚酯纤维和水泥水化产物结合较为紧密，较少发现裂缝。而从图6(d)可得，随着聚酯纤维掺量的增加，再生集料、聚酯纤维和水泥水化产物结合之处逐渐出现较多裂缝。

上述现象较好地解释了水泥稳定再生集料随聚酯纤维掺量增加强度先变大后变小，当无聚酯纤维掺入时，水泥水化后所形成的胶结产物与再生集料的界面处存在较多裂缝，在试件承受外界荷载时，界面处的裂缝逐渐变大，最终使试件整体破坏的规律。随着聚酯纤维的掺入，使结合处的裂缝减少，且聚酯纤维无序的网状分布，能在试件受力时抑制结合处的微裂缝进一步发展。但当聚酯纤维掺量进一步增大时，水泥水化所形成的胶结产物过多与聚酯纤维黏结，所以再生集料、聚酯纤维和水泥水化产物结合之处出现较多微裂缝，试件的整体强度下降。

2.7 经济性分析

聚酯纤维市场售价约为20元/kg，由于水泥稳定再生集料中所需的聚酯纤维掺量较少，仅为0.3‰～0.5‰，所以每吨水泥稳定再生集料成本增加不多，相比普通水泥稳定天然集料，聚酯纤维水泥稳定再生集料整体成本较低。而且聚酯纤维的掺入可以显著提高道路的使用性能，节约大量路面使用过程中的维修费用，延长了道路的使用寿命，因此聚酯纤维水泥稳定再生集料应用于路面基层具有较好的经济效益。