基于纤维增强的水稳基层抗裂性能提升技术研究

江 臣，郭赵元，金光来，吴德磊

（1.江苏省交通工程建设局,江苏 南京 212100；2.江苏中路工程技术研究院有限公司,江苏 南京 211800）

引 言

水泥稳定碎石作为高等级公路常用基层材料，具有良好的强度、耐水性及稳定性等优点［1］。但水稳材料在使用初期往往会产生收缩裂缝，导致路面形成反射裂缝，破坏了路面结构的整体性能，进而严重影响了路面的使用性能及寿命［2］。

孙兆辉［3］通过改善配合比的方法，提出了可供工程应用水稳材料合计方案。曾梦澜等［4］发现骨架密实型结构相较于悬浮密实型结构具有更好的抗裂性能。熊茂东等［5］结合实际工程，通过所提出的抗裂指数对水稳材料的设计级配进行了优化设计，结果表明采用综合抗裂指数评价水泥碎石基层的抗裂性能是一种很关键的指标。许志鸿等［6］分析了不同养生温度对水稳材料抗裂性能的影响，发现低温条件下养生、施工对水稳材料的抗裂性能有显著提升。

综上所述，现有研究大多从配合比角度出发，寻找此类问题的解决方法。但随着交通量的增长及工作环境日益复杂化，单一从结构角度研究水稳材料的抗裂性能无法满足实际需求。为此，本研究通过向水稳材料中添加玻璃纤维、聚酯纤维和聚丙烯腈纤维纤维，分别制备了三种纤维抗裂水稳材料，利用无侧限抗压强度试验及收缩性能试验，对添加纤维后的水稳材料抗裂性能进行评价。研究结果可为纤维在提升水稳材料抗裂性能方面的应用提供一定参考依据。

1 原材料与水泥稳定碎石混合料试件制备

1.1 原材料

根据纤维与混凝土弹性模量的关系，纤维混凝土又可以分为刚性纤维混凝土和柔性纤维混凝土两种［7］。其中刚性纤维主要包括钢纤维、碳纤维等，而柔性纤维主要指合成纤维（聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚酯纤维等）。和普通混凝土相比，刚性纤维混凝土主要具有强度高、抗变形能力强，耐久性良好等特点［8］。柔性纤维混凝土则主要在混凝土的弯曲韧性、断裂韧性、收缩及徐变变形、抗疲劳、抗冻融、抗冲击等方面有显著提升［9］。

水泥稳定碎石混合料中掺加纤维的目的主要是减少混合料的收缩裂缝，因此柔性纤维更适合用于水泥稳定碎石中。故初定玻璃纤维、聚酯纤维和聚丙烯腈纤维等三种柔性纤维，开展纤维稳定碎石混合料性能测试分析，三种纤维基本物理性能如表1所示。水泥为苏州天山水泥有限公司生产的P·O42.5水泥，具体指标如表2所示。

表1 几种纤维基本物理性能指标

表2 水泥基本性能指标

1.2 水泥稳定碎石混合料试件制备

考虑所掺纤维的重量相对于水泥稳定碎石材料自身重量而言可以忽略不计，且纤维增强水泥稳定碎石是物理作用而非化学作用，故而采用“外掺法”将体积掺量为0.06%，0.07%，0.09%的聚酯纤维、聚丙烯腈纤维和体积掺量为0.12%，0.15%，0.18%分别添加到水泥稳定碎石材料中制成试件，设置普通水泥稳定碎石混合料为对照组。

2 纤维种类优选

2.1 无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度试验依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）［10］，参考 T 0805-1994试验方法。试验结果如图1所示。

由图1可知，纤维的加入可有效地提升水泥稳定碎石混合料的无侧限抗压强度。三种纤维达到最大抗压强度时的掺量分别为0.07%，0.07%和0.15%，其中聚酯纤维和聚丙烯腈纤维在单位掺量下的提升效果明显优于玻璃纤维。

2.2 干缩试验

干缩试验采用100 mm×100 mm×400 mm的梁式试件，按混合料最大干密度和最佳含水量计算装模质量，拌和装入试模后进行压实。脱模后用塑料薄膜包裹并放入标准养护间养护2 d，然后取掉塑料薄膜，对试件两侧面中间贴应变片处用水泥浆涂抹，填补表面孔隙或坑槽，处理完后重新包上塑料薄膜，放回养护室养护再养生4 d，然后将试件再次取出，对贴应变片处的水泥浆涂层进行打磨，将打磨完成的试件放入水中浸水一昼夜。将浸水完成后的试件取出，对试件贴应变片处再次进行打磨处理，并吹去试件表面因打磨产生的浮尘，粘贴应变片。最后将试件重新用塑料薄膜包好放回养护室养生1 d。每组试验需要平行试件3个，其中3个贴应变片测干缩应变，3个用于称质量的变化。试验结果如图2所示。

由图2可知，相较于普通水稳材料，当聚酯纤维掺量为0.06%时，水泥稳定碎石混合料的干缩系数显著增大，7 d干缩系数增大了3.24倍。当掺量为0.07%和0.09%时，7 d以内水泥稳定碎石混合料的干缩系数显著减小，而超过7 d后，水泥稳定碎石混合料的干缩系数基本与普通水稳材料的一致，聚酯纤维最佳掺量为0.07%；当聚丙烯腈纤维掺量为0.06%时，水泥稳定碎石混合料7 d干缩系数增大了3倍，当掺量为0.07%时，水泥稳定碎石混合料的干缩系数显著减小。当掺量为0.09%时，7 d以内混合料干缩系数为负数，试件表现为膨胀状态，影响实际使用；玻璃纤维在三种掺量下干缩系数均为负值，因此在进行纤维选择时，不考虑玻璃纤维。

综合前述三种纤维的强度和干缩性能试验结果与材料经济性，确定采用聚丙烯腈纤维作为改善水稳碎石抗裂性能的纤维品种，且聚丙烯腈纤维的最佳掺量为0.07%。

3 纤维抗裂水稳材料配合比设计

3.1 水泥稳定碎石混合料设计级配

考虑水泥稳定碎石材料中集料嵌挤和粘结需求，结合前人已有研究结果［11-12］，确定以骨架密实型结构设计纤维水泥稳定碎石混合料，根据《江苏省高速公路抗裂型水泥稳定碎石基层施工指导意见（试行）（苏高技（2006）219号）》（后文简称《意见》）要求进行级配设计，具体设计级配如表3所示。

表3 水泥稳定碎石混合料级配

3.2 最佳水泥用量确定

水泥剂量按3.0%，3.5%，4.0%，4.5%，5.0%五种比例制备试件，分别采用重型击实法和振动成型法确定各组水泥稳定碎石混合料的最佳含水量和最大干密度，试验结果如表4所示。

表4 水泥稳定碎石击实试验结果

由表4可知，振动成型法与重型击实法得到的最大干密度之间存在一定相关性，根据上述多组水泥剂量对比试验，对于该种级配水泥稳定碎石混合料，建议两者之间的比值取1.029。

根据试验确定的最佳含水量和最大干密度，采用静压法和振动压实法成型无侧限抗压强度试件。成型混合料试件在20℃±2℃，相对湿度≥95%的条件下养护6 d，浸水1 d后取出，进行无侧限抗压强度试验。静压法成型与振动压实法成型试件无侧限抗压强度试验结果如表5所示。

表5 水泥稳定碎石混合料7d无侧限抗压强度试验结果

根据《意见》中关于水泥稳定碎石基层静压法无侧限抗压强度代表值应不小于3.0 MPa，考虑到水泥稳定碎石混合料现场施工存在一定程度的变异性，同时尽量限制水泥的用量以保证基层的抗裂能力，并结合施工经验，最佳水泥用量取3.5%。

4 纤维抗裂水稳材料性能评价

4.1 无侧限抗压强度试验

结合前述纤维抗裂水泥稳定碎石配合比设计结果，成型试件并对其7 d无侧限抗压强度进行评价，结果如图3所示。

由图3可知，与普通水稳材料相比，纤维抗裂水稳材料无侧限抗压强度显著提升，增加了14.3%，即聚丙烯腈纤维可以有效改善水稳碎石基层强度。

4.2 干缩试验

结合前述纤维抗裂水泥稳定碎石配合比设计结果，成型试件并对其干缩性能进行评价，结果如图4所示。

由4图可知，与普通水稳材料相比，所设计得到的纤维抗裂水稳材料干缩性能显著提升，7 d干缩系数降低了73%左右，即聚丙烯腈纤维可以有效改善水稳碎石基层的温缩性能。

4.3 温缩试验

温缩试验在高低温交变环境箱中进行，温度从60℃降到-15℃，温度间隔为15℃，相邻温度间隔之间温度降低时间为10 min，保持时间为2 h，降温时间曲线如图5所示。温度变化由仪器温控程序全自动控制，数据采集由应变仪自动采集，采集时间为温度降低前10 min。试验结果如表6所示。

表6 温缩试验结果

由表6可知，与普通水泥稳定碎石相比，掺加0.07%聚丙烯腈纤维的水泥稳定碎石平均温缩系数降低了52%；同时，分析不同温度区间的平均温缩系数可以得到，掺加一定量的聚丙烯腈纤维后，水泥稳定碎石在45～60℃温度范围内的平均温缩系数最小；聚丙烯腈纤维可以有效改善水稳碎石基层的温缩性能。

5 结 论

（1）掺加纤维能够提升水泥稳定碎石的强度，三种纤维达到最大强度时的体积掺量分别为聚酯纤维0.07%，聚丙烯腈纤维0.07%，玻璃纤维0.15%，综合成本考虑，单位掺量提升效果最显著为聚丙烯腈纤维，7 d无侧限抗压强度提升了14.3%。

（2）一定量掺量的聚酯纤维、聚丙烯腈纤维可以有效降提升水稳材料的干缩性能，最佳体积掺量分别为：聚酯纤维0.07%，聚丙烯腈纤维0.07%；相较于普通水稳碎石，掺加0.07%聚丙烯腈纤维水稳碎石混合料干缩系数降低了73%（7 d），表明聚丙烯腈纤维可以有效改善水稳碎石基层的干缩性能；

（3）综合考虑材料经济性，确定采用聚丙烯腈纤维作为改善水稳碎石抗裂性能的纤维品种；通过水泥稳定碎石室内配合比设计，得到水泥最佳剂量为3.5%，在此水泥用量下，建议聚丙烯腈纤维掺量为0.07%；

（4）与普通水稳碎石相比，掺加0.07%聚丙烯腈纤维的水稳碎石的温缩系数降低了52%，表明聚丙烯腈纤维可以有效改善水稳碎石基层的温缩性能。