玄武岩纤维对水泥碎石铣刨料的路用性能影响研究

常江峰

（新疆铁道勘察设计院有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011）

对旧水泥稳定碎石铣刨料回收再用于路面建设，既能够解决废弃材料处理难的问题，又能减少天然砂石原材料的消耗，还能节约道路建设成本。但铣刨料回收利用循环次数过多就有可能导致其水泥稳定料用于路面建设时出现干缩开裂，冻融循环寿命低的现象。因此提升水泥稳定铣刨料路用性能，合理将铣刨料用于公路建设是目前比较重要的一门研究课题。针对水泥稳定铣刨料路用性能提升问题，国内很多学者进行了一系列研究，如付鲁鑫等人尝试提前将铣刨料进行酸处理，以增加其性能，并设计试验证实了当水泥剂量为3%~7%时，采用酸处理铣刨料所制备的水泥稳定再生集料，其抗压强度，劈裂强度均能满足二级及二级以下公路基层强度要求，可以用作二级及二级以下公路基层集料；田源则从铣刨料掺量出发，证实水泥稳定再生料混合物路用性能与铣刨料掺量有很大关系，合理选择铣刨料掺量能够增加水泥再生料使用寿命。以上专家的研究在一定程度上提升了铣刨再生料的路用性能，但并未解决铣刨料干缩开裂，抗冻融寿命短的问题。基于此，本文尝试以玄武岩纤维为主要原料，对铣刨料的路用性能进行优化，为铣刨料道路建设提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

本试验所用主要材料为：水泥（河南昊耐建材有限公司，P.O42.5）；玄武岩纤维（山东浩森新材料有限公司，长度18 mm）；铣刨料（福州八方道路工程有限公司，规范）；普通砂（灵寿县盛飞矿产品加工厂，一级）。

本试验所用主要设备为：万能试验机（济南川佰仪器设备有限公司，WEW）；混凝土收缩仪（沧州亿轩试验仪器有限公司，HSP-355）；鼓风干燥箱（河北朵麦信息科技有限公司，101-2A）；快速冻融试验箱（献县天健仪器有限公司，TDR-1）。

1.2 配合比设计

配合比设计如表1所示。

表1 试验配合比设计Tab.1 Design of test match ratio

其中铣刨料掺量为铣刨细集料与天然粗集料掺配方式。FCRA代表玄武岩纤维水泥稳定铣刨料；CRA代表水泥稳定铣刨料（无纤维）；CNA代表普通水泥稳定碎石（无纤维、无铣刨料）。

1.3 实验方法

（1）按照配合比计算每种原材料的质量，然后进行称重；

（2）采取人工拌和的方式， 提前将粗集料和细集料混合均匀，干拌30 s后加入玄武岩纤维，继续搅拌2 min；

（3）在拌合物中加入水泥，继续干拌1 min，待拌合物搅拌均匀后，加入全部用水量，继续搅拌1 min，装入模具。搅拌流程如图1所示。

图1 水泥试件搅拌流程图Fig.1 Flow chart of cement sample mixing

（1）静压法圆柱形试件制备。

提前在模具内侧和垫片周围涂抹少量的液压油，将厚度为2 cm的垫片放入模具两边筒壁，分3次倒入搅拌均匀的拌合物。倒入一层后用捣棒由内而外捣实，然后用WEW型万能试验机对试件进行静压，加载速率为1 mm/min。待两个垫片完全压入石墨套筒后，稳定2 min后将试件从万能试验机取下。将试件移至干燥通风处放置5 h以上。将脱模试件置于标准养护室养护至指定龄期， 养护温度和相对湿度分别为20℃和98%。在养护龄期最后一天进行浸水养护，浸水温度为20℃，在浸水时要注意保证水面高于试件2.5 cm左右。

（2）振动击实成型梁形试件制备。

提前在模具内涂刷一层液压油，并铺垫一层塑料薄膜。分5次将混合物料进行填料，每次填料都需要震实后再次填料击实。试件成型后，干燥通风处放置6 h以上，试件养护与圆形试件养护一致。

1.4 性能测定

参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》相关方法对试件无侧限抗压强度进行测定。具体步骤为：

（1）以静压法制备压实度为98%，尺寸为φ150 mm×150 mm的圆柱形试件每组13个。按照标准养护方法养护至指定龄期；

（2）将WEW型万能试验机设置为位移控制，控制速度为1 mm/min、目标值为300 kN；

（3）将试件放在WEW型万能试验机上，万能试验机上压片与试件接触。设置万能试验机为位移控制，调整试件位置后打开万能试验机，开始对试件施加荷载，速度和目标值为1 mm/min，300 kN。待试件破坏后，停止施加荷载，记录试件承受的最大荷载；

（4）抗压强度代表值以95%保证率进行计算，具体计算方式为：

式中：表示试件破坏时最大荷载；表示试件截面积，这里取17 662.5 mm；R表示试件无侧限抗压强度；R表示一组平均无侧限抗压强度；C表示变异系数；表示一组试件的标准差；R表示95%保证率的抗压强度代表值。

参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》测定试件干缩性能。具体步骤为：

（1）以振动击实成型的方法制备尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的梁形试件，每组6个。按照标准养护方法养护至指定龄期；

（2）擦拭试件，并称重。然后放在混凝土收缩仪上，并将千分表固定在试件上；

（3）将试件和收缩仪置于标准试验室内，室内温度和相对湿度分别20℃和65%。7 d前每天记录千分表读数和试件质量变化。7~30 d，隔两天记录千分表读数和试件质量变化；后期每10 d记录一次读数和质量变化；

（4）干缩观测结束后，将试件置于101-2A型鼓风干燥箱内烘干至恒重。

干缩性能表达式为：

式中：w表示第次失水率；表示第i次干缩应变；m表示第次标准试件称重质量；表示第次观测干缩量；ɑ表示第i次干缩系数；l表示标准试件长度；X 表示第次测试第个千分表读数；m表示标准试件烘干后质量。

参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中冻融试验方法进行冻融试验。具体步骤为：

（1）以静压法制备φ150 mm×150 mm，压实度98%，圆柱形试件。按照标准养护方法养护至指定龄期；

（2）将需要冻融的试件置于TDR-1型快速冻融试验机内进行低温冻结，冻结温度和时间分别为-18℃和16 h。在放置试件时，试件间间隙为20 mm；

（3）将冻融试件取出后立刻放入水中，水面离与试件顶距离为20 mm，融化时间为8 h，所有步骤结束后为一个循环，同样方式循环5次，完成试验；

（4）测定不冻融试件的饱水无侧限抗压强度。抗冻指标表达式为：

式中，表示冻融循环后，试件抗压强度损失；R表示不动容试件饱水无侧限抗压强度；R表示5次冻融循环试件的无侧限抗压强度。

2 结果与讨论

2.1 抗压强度测试结果

图2为不同龄期试件无侧限抗压强度试验结果。由图2可知，3种混合料试件抗压强度均随龄期的增加而增加。养护早期（28 d前），所有混合料试件抗压强度增长速度较快，且随养护时间增加，增长速率变缓。当养护龄期为60 d时，抗压强度达最终强度的95%。这是因为在养护早期，混凝土内部发生剧烈水化反应，生成硅酸钙胶凝材料，得到纤维板块晶体，使得混合料变成整体，使得抗压强度增加。养护龄期超过28 d后，水泥水化反应减弱，因此抗压强度逐渐趋于平缓。

图2 不同龄期混合料无侧限抗压强度Fig.2 Unconfined compressive strength of mixture at different ages

分别对比3种混合料强度变化可知，FCRA比CRA各龄期抗压强度均有所增强，但增强效果不是很明显，且随龄期的变化，两者变化趋势一致。在养护龄期60 d前，FCRA和CRA的抗压强度均明显高于CNA，当养护龄期达到60 d时，虽然FCRA和CRA抗压强度仍旧高于CNA，但3个混合料抗压强度值接近，且变化逐渐趋于一致。这就说明铣刨料对混合物早期抗压强度增强作用较为明显，纤维对混合物抗压强度有一定增强作用，但增强效果不大。

2.2 干缩试验结果

图3、图4分别表示混合料失水率和干缩系数随龄期变化情况。

图3 失水率变化Fig.3 Change of water loss rate

图4 干缩系数变化Fig.4 Variation of drying shrinkage coefficien

结合图3、图4可知，混合料失水率和干缩系数随龄期的增加，变化趋势几乎一致。以28 d为明显分界线，在28 d前，增长幅度较高，28 d后，基本趋于平缓。这是因为养护龄期28 d前，混合料强度未固定，同时受内外环境影响，因此失水率和干缩系数变化较为明显；养护龄期28 d后，混合料强度几乎已经固定，内部自由水基本消失，对干缩变形有一定约束，因此失水率和干缩系数逐渐趋于平缓。

对比3种混合料失水率和干缩系数变化可知，CRA和CNA 90 d干缩系数分别为（128.65×10）%和（110.4×10）%；CRA混合料干缩系数比CNA混合料干缩系数高16%左右，证明铣刨料对混合料干缩性能有一定影响，可能引起混合料干缩开裂。而FCRA 90 d干缩系数为（115.68×10）%，比CRA 90 d干缩系数降低12%左右，证实掺入纤维后，能够改善铣刨料带来的干缩开裂的问题，使得混合料的干缩系数与普通水泥稳定碎石接近。

2.3 冻融试验结果

图5为的3种混合料冻融循环前后无侧限抗压强度变化。

图5 冻融循环结果Fig.5 Results of freeze-thaw cycle

由图5可知，经冻融循环后，3种混合料的无侧限抗压强度都有所下降。这是因为在冻融循环过程中，在混合料内部空隙中有大量自由水滞留，在冻融结冰时，混合料内部自由水产生较大体积膨胀，出现挤压应力，对混合料整体结构与内部连接作用力产生一定破坏。5次循环后，对试件强度造成一定损失。

分别对比3种混合料冻融强度损失，CNA抗压强度损失为13.72%；CRA抗压强度损失为25.06%。出现此现象的原因为：铣刨料比天然集料空隙率较高且吸水率相对较大，因此在冻融循环过程中，水结冰产生膨胀应力较大，更容易破坏混合料内部结构，使铣刨混合料抗冻融性能较弱。而掺加纤维后，FCRA混合料的抗压强度损失仅为10.32%。这是因为纤维能够填充水泥和集料间的孔隙，进而减少混合料内部孔隙水的含量，使得内部水结冰形成的应力有所降低；另外，加入纤维后，纤维与集料间嵌挤和摩擦作用对胶体整体性和稳定性都有增强作用，进而增强了混合料的抗冻性能，弥补了铣刨料对抗冻融性能的不良影响。

3 结语

本文以掺加玄武岩纤维的方式对铣刨料水泥稳定路用性能进行优化。并考察了对其性能的影响因素。具体结论如下：

（1）随龄期的增加，3种混合料试件抗压强度均表现为上升趋势，满足半刚性基层材料的特点。早期刨铣料试件抗压强度明显高于天然集料试件，后期强度趋于一致，证实铣刨料对混合物早期抗压强度增强作用较为明显；

（2）铣刨料试件90 d干缩系数为（128.4×10）%，比天然集料试件干缩系数高约16%，可能造成干缩开裂现象。掺入纤维后，干缩系数降至（115.68×10）%。说明纤维能够有效改善铣刨料干缩开裂现象；

（3）铣刨料试件抗冻融试验后，无侧限抗压强度损失率高达25.06%；掺入玄武岩纤维后，强度损失降低至10.32%。不仅弥补了铣刨料对试件抗冻融性能的影响，还进一步增强了水泥稳定混合料的抗冻性能。

综上所述，在水泥稳定铣刨混合料中掺加一定质量的玄武岩纤维，能够有效提升混合料路用性能。增强其抗冻性能，改善其干缩开裂现象。