玄武岩纤维对水稳建筑垃圾柔化抗裂性能的改善作用

陈乔森，翟超伟

(1.广东省交通规划设计研究院股份有限公司 广州市 510507； 2.河南省交通规划设计研究院股份有限公司 郑州市 451464)

0 引言

建筑垃圾在水稳碎石基层中的大规模应用，可以节约石料资源和工程成本、减少对环境的破坏[1-2]。李万举等[3]认为：砖混类建筑垃圾技术指标较低，可用于二级以下公路底基层，其力学性能满足二级及以下公路底基层指标要求。王蒙[4]、孙吉书等[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，水稳建筑垃圾的干缩抗裂性能逐渐降低。研究现状表明：水稳建筑垃圾的路用性能较差，尤其是抗裂性能差，导致水稳建筑垃圾基层易产生开裂破坏、使用寿命较低。目前仅能将建筑垃圾应用于公路等级较低、交通量较小公路的基层中，且建筑垃圾掺量通常小于50%[6-8]。

水稳碎石开裂的最重要原因就是其抵抗变形的能力不足，在荷载作用或收缩变形的作用下，混合料内部逐渐产生微裂缝，微裂缝造成的损伤逐步积累，扩展为宏观裂缝，因此，增强水稳碎石抵抗变形的能力可以有效地降低水稳碎石的开裂破坏[9]。杨明[10]采用玄武岩纤维改善水稳碎石的路用性能，发现玄武岩纤维对水稳碎石的路用性能有较强的改善作用，可以显著提高水稳碎石的抗弯拉强度、弯曲韧性以及抗收缩能力，能够有效地提高水稳碎石抵抗变形的能力。

国内外研究现状表明：水稳建筑垃圾的路用性能较差，尤其是抗裂性能不足，导致水稳建筑垃圾基层使用寿命较短，进而限制了水稳建筑垃圾在高等级公路基层中的应用，而玄武岩纤维能够增强水稳碎石的韧性，对水稳碎石具有较好的柔化抗裂作用。通过7d抗压强度试验优选出满足重交通荷载等级高速公路基层使用要求的配合比，通过压折比、抗弯拉韧性评价水稳建筑垃圾抵抗变形开裂的能力。

1 试验方案

以7d抗压强度为指标，优选出满足重交通荷载等级下高速公路基层使用要求的水稳建筑垃圾配合比，确定玄武岩纤维的较佳掺量，并通过水稳建筑垃圾的压折比、抗弯拉韧性，研究玄武岩纤维对水稳建筑垃圾柔化抗裂性能的影响。试件的成型、养生、测试参考《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)的相关规定。

1.1 压折比

压折比可以在一定程度上反映水稳碎石的韧性，压折比越低，柔韧性能越好，抵抗荷载作用开裂的能力越强，其计算公式如式(1)所示。

(1)

式中，抗压强度与抗弯拉强度的测试龄期均为90d，单位为MPa。

1.2 抗弯拉韧性

抗弯拉韧性是评价水稳碎石在弯拉应力下抵抗开裂能力的重要指标，表征从施加荷载开始到试件断裂为止水稳碎石混合料吸收的能量，能有效评价水稳碎石混合料的抗变形能力及在弯拉荷载作用下抗断裂的能力。参考JSCE(日本土木工程师学会)所推荐的等效弯拉强度来评价水稳碎石的抗弯拉韧性，等效抗弯拉强度越大，表明使得水稳碎石断裂所需要的能量越大，水稳碎石的抗弯拉韧性越好，抵抗变形的能力越强[16]。计算公式如式(2)所示。

(2)

式中：fe—等效弯拉强度(MPa)；

Ω—从开始到挠度为L/150荷载-挠度曲线下的面积(N·mm)；

L—两支座之间的跨度(mm)；

b—试件的宽和高(mm)；

h—试件的高度(mm)；

δ—L/150。

试验龄期为90d。

2 原材料及组成设计

2.1 原材料

水泥为42.5普通硅酸盐水泥，建筑垃圾来源于陕西建新环保科技发展有限公司，其物理力学性能测试结果如表1所示。

表1 建筑垃圾和天然碎石的物理力学性能

建筑垃圾混合料中细集料含量较高，在进行级配设计时要将建筑垃圾重新筛分后再调整级配，参考《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)所推荐的CB-3级配进行级配设计，如表2所示。

表2 碎石和建筑垃圾的设计级配

玄武岩纤维技术指标如表3所示。

表3 玄武岩纤维的技术指标

2.2 水稳建筑垃圾组成设计

取建筑垃圾掺量为0、100%，水泥剂量为3.5%、4.5%、5.5%，纤维掺量为0、0.03%、0.06%、0.09%、0.12%，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水泥剂量。水稳建筑垃圾的7d抗压强度试验结果如表4所示。

表4 7d抗压强度试验结果

由表4可知，随着水泥剂量的增大，水稳建筑垃圾的抗压强度逐渐增大；随着玄武岩纤维掺量的增大，水稳建筑垃圾的抗压强度先增大后减小，纤维掺量为0.06%时，7d抗压强度最大；水稳建筑垃圾的抗压强度显著低于普通水稳碎石，但仍具有较高的抗压强度。纤维掺量过小时，纤维无法在水稳建筑垃圾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，导致水稳建筑垃圾抗压强度下降。

参考《公路路面基层施工技术细则》JTG/T F20-2015表4.2.4可知，水稳碎石应用于重交通荷载等级下高速公路基层的7d抗压强度代表值为4.0～6.0MPa，公路等级较高时，推荐取上限强度标准。因此取配合比设计指标为6MPa，即水稳建筑垃圾的7d抗压强度大于6MPa时，认为水稳建筑垃圾能够满足重交通荷载等级下高速公路基层的使用要求。建筑垃圾掺量为100%、水泥剂量为4.5%、纤维掺量为0.06%时，水稳建筑垃圾的7d抗压强度能够满足重交通荷载等级下高速公路铺筑上层结构的要求。考虑到水泥剂量过大会导致水稳碎石收缩抗裂性能降低，在水稳建筑垃圾力学性能满足的情况下，应该尽量选取较低的水泥剂量，因此选取建筑垃圾掺量为0、100%，水泥剂量为4.5%，纤维掺量为0、0.03%、0.06%、0.09%，进行水稳建筑垃圾的柔化抗裂性能试验，以研究玄武岩纤维对水稳建筑垃圾柔化抗裂性能的影响。

3 试验结果及分析

3.1 压折比

90d抗压强度试验、90d抗弯拉强度试验结果如表5所示。

表5 压折比试验结果

由表5可知：随着纤维掺量的增大，90d抗压强度先增大后减小，90d抗弯拉强度一直增大，但增长幅度逐渐减缓。掺加玄武岩纤维后，水稳建筑垃圾的压折比大幅度减小，且随着纤维掺量的增大，压折比持续减小，纤维掺量为0.06%的水稳建筑垃圾的压折比较普通水稳碎石减小了6.7%，不掺加纤维的水稳建筑垃圾的压折比较普通水稳碎石增大了16.2%。这表明掺加玄武岩纤维可以有效地增强水稳建筑垃圾的韧性，改善其抵抗开裂的能力。

此外，《公路沥青路面设计规范》JTG D50-2017中规定，90d抗弯拉强度应该高于0.9MPa，可见掺加纤维后，水稳建筑垃圾的力学强度能够满足规范要求。纤维掺量为0.06%时，抗压强度、抗弯拉强度最大，力学性能最佳。

3.2 抗弯拉韧性

抗弯拉韧性试验结果如表6所示。

由表6可知，掺加纤维后，水稳建筑垃圾的等效弯拉强度大幅度提升，且随着纤维掺量的增大，等效弯拉强度逐渐增大，纤维掺量为0.06%的水稳建筑垃圾的等效弯拉强度较普通水稳碎石增大了3.9%，不掺加纤维的水稳建筑垃圾的等效弯拉强度较普通水稳碎石减小了29.4%。这表明掺加玄武岩纤维可以有效地改善水稳建筑垃圾抵抗开裂的能力。

表6 等效弯拉强度计算结果

加载初期，水稳碎石混合料作为一个整体受力，变形极小，玄武岩纤维基本不起作用；随着荷载的增大，混合料中逐渐生成微裂缝，纤维开始起到加筋桥接的作用，承担了部分弯拉应力；随着微裂缝的继续扩展，混合料中的薄弱面上开始出现宏观裂缝，纤维起到了主要的连接作用；随着继续加载，纤维的承载能力达到了极限，部分纤维被拉断，混合料的承载能力开始降低，裂缝继续扩展，直到纤维全部被拉断，形成贯通缝。

4 结论

(1)掺加玄武岩纤维后，水稳建筑垃圾的柔化抗裂性能得到了大幅度增强，纤维掺量为0.06%时，水稳建筑垃圾的压折比比不掺加纤维的水稳建筑垃圾减小了19.7%、等效弯拉强度增大了47.2%。

(2)随着玄武岩纤维掺量的增大，水稳建筑垃圾的柔化抗裂性能的增长幅度逐渐减小，纤维掺量为0.06%时，玄武岩纤维对水稳建筑垃圾的综合柔化抗裂性能最佳。

(3)玄武岩纤维掺量为0.06%时，水稳建筑垃圾的抗裂性能与普通水稳碎石比较接近，其力学性能、抗裂性能均能满足重交通荷载等级高速公路基层的使用要求。