摘要：根据大量试验结果，分析了外掺不同长度聚乙烯醇纤维对水泥稳定碎石干缩特性(平均干缩系数)和7天无侧向抗压强度的影响，得出了相应的影响规律。结果表明：聚乙烯醇纤维的掺加对水泥稳定碎石7天无侧向抗压强度有显著的提高;外掺不同长度纤维的水泥稳定碎石干缩明显减小;纤维的长度对干缩系数和7天抗压强度有一定的规律性影响。
关键词：聚乙烯醇纤维;水泥稳定碎石;干缩系数
Abstract: According to a large number of test results, analysis of the shrinkage characteristics of cement stabilized gravel, mixed with different lengths of polyvinyl alcohol fiber (average shrinkage coefficient) and 7 days without lateral compressive strength, impact, and obtained the corresponding effects of. The results showed that: the mixing of polyvinyl alcohol fibers have significantly improved for seven days without lateral compressive strength of cement stabilized macadam; cement stabilized gravel mixed with the different length of fiber shrinkage significantly reduced; the length of the fiber shrinkage coefficients and the 7 days compressive strength of a certain regularity effects.
Keywords: polyvinyl alcohol fibers; cement stabilized gravel; shrinkage factor
中图分类号:TQ342+.41文献标识码：A 文章编号：
0.引言
水泥稳定碎石基层作为半刚性基层的一种重要形式,具有良好的整体特性和稳定性,具有强度高、抗疲劳特性好的特点【1】。然而，该类基层形式弹性变形小、抗变形能力差，养生结束后在失水率逐渐增大时易产生干燥收缩裂缝等缺陷，一直是困扰着公路研究人员的一项难题【2】。
水泥稳定碎石材料具有抗压强度高，但抗弯拉能力较弱的特点，当干燥收缩引起的干缩应力大于其抗拉极限荷载时，基层表面就会开裂，产生横向裂缝，这些横向裂缝在上部行车荷载的作用下，很快就会反射到沥青面层上，加速路面使用性能的恶化。国内外学者通过对级配调整和在混合料中掺各种外加剂和特殊材料，这些措施对裂缝的产生、扩展取得一定的抑制作用。本文针对在低剂量水泥稳定碎石基层中外掺不同剂量的聚乙烯醇纤维材料进行强度和干缩试验，探讨纤维长度对水泥稳定碎石强度和干缩的影响规律。
1 原材料性质
1.1 原材料试验
本次试验采用巢湖散兵生产的四档石灰岩碎石,各档集料的技术性质见表1所列。
集料规格
/mm |
压碎值
/(%) |
含泥量
/(%) |
表观密度
/(g/cm-3) |
吸水率
/(%) |
|
19~37.5 |
18.2 |
0.35 |
2.741 |
0.18 |
|
9.5~19 |
0.96 |
2.734 |
0.21 |
|
4.75~9.5 |
1.12 |
2.746 |
0.45 |
|
0~4.75 |
13.7 |
2.730 |
2.47 |
表1 基层用集料技术性质
试验采用聚乙烯醇纤维，纤维长度有12mm、20mm、30 mm、50mm等四种规格。其技术参数参考见表2。
|
指标 |
抗拉强度
/（Mpa） |
比重
/（g/cm3） |
延伸度
/（%） |
吸湿性
/（%） |
|
结果 |
1500~1700 |
1.29~1.30 |
6~7 |
5 |
表2 聚乙烯醇纤维(PAV)技术性质
采用安徽海螺集团水泥厂生产的P.O325硅酸盐水泥,进行水泥的常规试验, 得到各指标值表3。经检验,试验所用水泥符合P.O32.5水泥技术要求。
|
项目 |
实测值 |
技术要求 |
|
初凝时间/(h) |
2.25h |
≥1.5h |
|
终凝时间/(h) |
6.7h |
≤10h |
|
细度/ ( 0.08 mm) 筛余量 |
4.7 |
≤10 |
|
安定性（雷氏法） |
合格 |
合格 |
|
抗压强度（Mpa） |
3d |
19.2 |
≥12 |
|
18d |
34.6 |
≥32.5 |
|
抗拉强度（Mpa） |
3d |
3.4 |
≥2.5 |
|
18d |
7.5 |
≥5.5h |
表3 水泥物理力学性能指标
本试验采用逐档筛孔合成级配，各档筛孔通过率见表4。
数值
筛孔（mm） |
筛孔通过率（%） |
|
实测 |
上限 |
下限 |
|
31.5 |
100 |
100 |
100 |
|
26.5 |
92 |
/ |
/ |
|
19 |
77 |
86 |
68 |
|
9.5 |
50 |
58 |
38 |
|
4.75 |
31 |
32 |
30 |
|
2.36 |
23 |
28 |
16 |
|
0.6 |
12 |
15 |
8 |
|
0.075 |
3 |
3 |
0 |
表4 水泥稳定碎石合成级配筛孔通率
2 试验结果与分析
2.1试验方案及试验方法
试验过程严格参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)，采用4种不同长度的纤维、水泥剂量为4.5%、含水量6.2%、纤维掺量为1.2kg/m3、固定级配下进行成型试件，进行无侧向抗压强度试验。
根据重型击实试验结果，采用静力压实法成型试件进行干缩试验。试件尺寸为100mm×100mm×400mm的中梁，将成型后试件包裹严密后放入恒温恒湿养护箱中养护7d龄期，养护箱温度调整为(20±2)℃，相对湿度为≥95%。
为了将试件在测试过程中的各项误差降到最低，本试验采用千分表支架法测量梁式试件在一定失水率下的干燥收缩变形。在测试水分损失的试件底部及测量干缩形变的试件底部均安放8根玻璃棒，起到不阻滞水分散失和减小试件干缩时与底板之间摩擦阻力的作用。由于水泥稳定碎石一小块玻璃片，这样可以有效地减小千分表读数时的误差。
2.2试验结果
外掺不同长度纤维的7天抗压强度结果如表5所示，15天干缩试验结果如表6所示。
表5 7天无侧向抗压强度汇总表
|
纤维长度 |
平均抗压强度 |
标准差 |
变异系数 |
|
|
0 |
4.23 |
0.07 |
1.58 |
4.32 |
|
12mm |
4.48 |
0.12 |
2.68 |
4.31 |
|
20mm |
4.58 |
0.11 |
2.40 |
4.43 |
|
30mm |
4.60 |
0.13 |
2.83 |
4.42 |
|
50mm |
4.49 |
0.15 |
3.27 |
4.37 |
表6 14天干缩试验结果汇
2.2不同纤维长度对无侧向抗压强度的影响
根据7天无侧向抗压强度测试值，汇出各不同纤维长度-抗压强度和不同纤维长度-变异系数直方图如图1、图2所示.
从图1、图2结果可以看出
(1)纤维的对水泥稳定碎石基层的力学性质有很重要的影响，总体来看，聚乙烯醇纤维(PAV)的掺入对增强水泥稳定碎石基层的抗压强度和抗拉强度是有一定效果的。
(2)当PAV纤维长度有12mm增加到30mm时，水泥稳定碎石材料的抗压强度呈增长趋势。但纤维增加到50mm时，抗压强度反而下降。致使强度趋势出现变点的原因主要有两方面，一方面是纤维长度较大，在搅拌过程中纤维不易分散、易结团成束(见图24)，故在水泥稳定碎石基层材料中并未起到应有的配筋和桥接作用;另一方面是随着
不同长度纤维的掺加，纤维良好的延展性和易与基体材料粘结的特性占主导，促使掺加纤维的水泥稳定碎石基层材料表现出优于普通基体材料的基本力学特性[3]。然而外掺纤维长度并非越长越好，因为纤维低模量的性质使纤维与基体材料受力变形时产生异步现象严重，纤维的握裹力和良好的变形能力不再发挥主要功能，基体材料的破坏此时取决于基体材料自身的性质。由此可见，PAV纤维对水泥稳定碎石基层基本力学特性的增强作用存在一个合理的长度范围。
2.3不同纤维长度水泥稳定碎石干缩的影响
不同纤维长度下失水率、干缩系数与时间关系如图3、图5所示，不同纤维长度和平均干缩系数关系如图4所示，干缩系数与失水率关系如图6所示。
对图3中曲线做回归分析，各回归多项式如下:
不掺纤维：y=0.0002x3−0.0077 x2+0.1126x
+0.022 R2=0.9922
掺12mm纤维：y=0.0002x3−0.0067 x2+0.1096x
+0.0062 R2=0.9899
掺20mm纤维：y=0.0003x3−0.0092x2+0.1228x
+0.045 R2=0.9955
掺30m纤维：y=0.0004x3−0.0117 x2+0.1484x
+0.0958 R2=0.9823
掺50mm纤维：y=0.0001x3−0.0054 x2+0.985x
+0.012 R2=0.9917
从图3、图4可以看出自然条件下，试验初期(7d左右)试件的失水率急剧增大，随着时间的不断延长，失水率曲线逐渐趋于平稳，到14d左右时，试件每天的失水量基本为趋于稳定。这从另一个侧面表明水泥稳定碎石碾压结束后养生7d的重要性。
由于PAV纤维具有一定的亲水性，PAV纤维水泥稳定碎石的失水率和干缩系数对不加纤维具有一定的滞后性。
外掺不同长度纤维的水泥稳定碎石失水率均在24天左右趋于稳定。根据回归公式可以看出失水率与时间呈三次多项式的关系，且有良好相关性。
从图5，可以看出从7天、和14天的平均干缩系数来看，在外掺30mm纤维后出现拐点，其主要原因在于，由于纤维长度增加后，拌合中纤维的分散性较差，整个复合材料(基体+纤维)各项受力异性，协调变形能力减弱。外掺纤维的抗裂性机理可以用断裂力学来解释。考虑到水泥稳定碎石基层属于弹塑性材料这一性质分析起来的复杂性，故将弹塑性材料问题简化为线弹性材料问题，采取K叠加法来进行分析[4]。K叠加法最早是由Ramualdi等人发展起来的，按照K叠加法的思想，外掺PAV水泥稳定碎石基层材料裂纹的应力强度因子K可用以下公式。
正是由于降低了裂纹应力强度因子K值，故可以很好的解释纤维在水泥稳定碎石基体材料中的阻裂作用。由于纤维材料表现出具有很高的强度和韧性，当外掺纤维水泥稳定碎石基层出现裂纹后，若裂纹位于纤维之间且未穿过纤维，根据纤维与基体的完全接触状态，纤维的铆固作用将阻止裂纹的进一步扩展。通过裂纹穿透纤维的时间历程概念知，当裂尖运动到无限接近于纤维，裂尖区域处产生的应力集中会使水泥稳定碎石基体材料与纤维沿接触面部分脱离，从而使裂纹穿过纤维。当裂尖穿过纤维的瞬间，与基体材料界面分离的纤维将产生应变的突变，阻止裂尖的扩展。
图6干缩系数与失水率关系图
从图6，可以看不同长度纤维的干缩系数变化都有拐点出现，在失水率为0.8%后干缩系数变化不是较稳定。但从曲线的变化趋势可以清晰地看出，不掺纤维的试件在试验初期，水分急剧散失，加上水泥的硬化反应和0.075mm以下的细料的干燥收缩，水泥稳定碎石干缩系数梯增较为明显。即随着纤维长度的增大，试件水分的散失过程是逐步趋缓的。尤其是长度为30mm的纤维是的干缩的敏感性降低，纤维长度为50mm时候干缩系数有所提高，其主要原因在于此时拌合的混合料中，纤维结团的较多，纤维难以很好的分散，干缩系数敏感性增大。
纤维的掺入，使一些毛细水散失通道被细微的纤维丝堵塞或覆盖住，失水面积有所减小，水分迁移较为困难，难以迅速蒸发，只能通过那些未被纤维丝堵塞住的通道逐步缓慢散失，同时由于纤维与基体之间产生的连接力、机械啮合力以及大量纤维丝乱向分布形成的网状支撑体系的共同作用，有效地约束了基体内混合料与胶凝物的干缩形变，进而形成了掺入纤维试件比普通水泥稳定碎石试件干缩系数和干缩应变均有较大幅度减小的现象。纤维在混合料中产生的作用效果主要表现在：1)闭塞及覆盖毛细孔，延缓并抑制水分散失速率作用;2)纤维单丝产生的抵抗变形拉力作用;3)大量纤维丝乱向分布形成空间网状支撑体系作用;4)纤维丝与水泥水化结晶物形成特殊啮合连接力作用。
3 结论
(1)聚乙烯醇纤维掺入到水泥稳定碎石中抗压强度和干缩有一定的提高。
(2)随着纤维长度的增大，泥稳定碎石试件失水率随着水时间的延长逐渐趋缓，纤维长度超过30mm后干缩系数和干缩应变呈现增大趋势。
(3)外掺不同长度纤维的水泥稳定碎石失水率均在24天左右趋于稳定。失水率与时间呈三次多项式的关系，且相关性良好。
(4)由于PAV纤维具有一定的亲水性，PAV纤维水泥稳定碎石的失水率和干缩系数对不加纤维具有一定的滞后性。
参考文献：
[1]沙庆林 高等级公路半刚性基层沥青路面[M] 北京:人民交通出版社,1999:78-114.
[2]张鹏,李清富 聚丙烯纤维水泥稳定碎石干缩特性试验研究[J]公路 2008.6.
[3]孙兆辉,许志鸿,陈兴伟,等.水泥稳定碎石基层材料干缩变形特性的试验研究[J].公路交通科技,2006,(4).
[4]杨红辉,王建勋,郝培文,等.纤维在水泥稳定碎石基层中的应用[J].长安大学学报(自然科学版),2006,26(3).
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外掺聚乙烯醇纤维水泥稳定碎石干缩特性试验研
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