聚乙烯醇纤维水泥稳定碎石基层抗裂性能研究.pdf

CONSTRUCTION MACHINERY 1232024/01总第575期聚乙烯醇纤维水泥稳定碎石基层抗裂性能研究吴光进，赵言飞（中交建筑集团有限公司，北京 100022）摘要文章研究了不同水泥掺量（3.0%4.0%）、不同纤维掺量（0.61.2kgm-3）和不同长度（1230mm）对水泥稳定碎石基层的力学强度和抗裂性能的影响。结果表明，水泥稳定碎石基层劈裂强度、动弹模量与水泥剂量呈正相关，且随着纤维掺量和长度的增大先增加后减少。当水泥掺量为4.0%时，0.9kgm-3纤维掺量及24mm长度下可最大程度提高30.9%的劈裂强度，而水泥掺量为3.5%时可最大程度提高16.9%的90d动弹模量。水泥稳定碎石的干缩能抗裂系数和温缩能系数随着纤维长度增加先增加后减少，且纤维长度为24mm和水泥剂量为3.5%时可最大程度提高109.2%的干缩和245.2%温缩能抗裂系数。关键词路面；水泥稳定碎石；聚乙烯醇纤维；抗裂性能中图分类号TU528 文献标识码A 文章编号1001-554X（2024）01-0123-06Study on the crack resistance of polyvinyl alcohol reinforced fiber cement stabilized gravel mixesWU Guang-jin，ZHAO Yan-fei半刚性基层沥青路面具有较好的服役性能和经济性1。然而，半刚性基层沥青经常出现裂缝，尤其是反射裂缝等病害，从而影响其早期服役性能，降低路面的服役寿命和服务等级2，3。目前已经开展大量研究提升半刚性基层沥青路面的力学性能和抗裂性能，以降低沥青路面的病害。张东省等发现废旧沥青混合料可通过提高水泥稳定碎石的温缩性能和干缩性能，有利于增强半刚性材料的抗裂性能4。曾梦澜等通过改善水泥稳定碎石的级配，分析了不同温湿度环境下的抗裂性能，发现骨架密实型材料能将极限降温幅度提高279%5。康爱红等分析了不同聚丙烯纤维掺量对半刚性材料的劈裂强度、弯拉强度和温缩性能的影响6。程培峰等发现0.06%玄武岩纤维可最大程度的提升水泥稳定碎石的温缩抗裂性能7。付春梅等从劈裂抗拉强度、抗压强度和回弹模量等方面确定了聚酯纤维的最佳掺量8。郭寅川等指出玻璃纤维可有效提升材料的韧度，并提高破坏时的能量消耗9。熊延华等发现聚乙烯醇纤维可改善水泥稳定碎石的疲劳性能10。因此，柔性纤维在改善材料的抗裂性能方面具有较好的效果，聚乙烯醇纤维由于具有较好的分散性，与水泥基材料粘结性能较好，其稳定性高于聚酯纤维等而广泛用于水泥基材料中11。谢磊等探究了聚乙烯醇纤维对水泥基复合材料的动态力学，并建立了聚乙烯醇纤维增强混凝土的动态压缩本构模 型12。此外，聚乙烯醇纤维在改善水泥砂浆等抗裂性能等方面具有较好的效果13，14。由此可见，纤维在改善水泥基材料的抗裂性能方面具有较好的效果。当前提高水泥稳定碎石的抗裂性主要侧重玄武岩纤维、玻璃纤维等方面，而聚乙烯醇纤维在水泥稳定碎石抗裂性能的研究还有待进一步开展。鉴于此，本文综合考虑水泥剂量、纤维物理参数开展水泥稳定碎石基层的力学和抗裂性能提升技术研究，为提高半刚性基层路面的服役性能提供理论及技术依据。1 原材料采用普通硅酸盐32.5水泥，相关技术指标见表1。采用的集料均为石灰岩，包含03mm、DOI:10.14189/ki.cm1981.2024.01.019收稿日期2023-08-08通讯地址吴光进，北京市朝阳区建国路91号专题研究SPECIAL RESEARCH124 建筑机械35mm、510mm、1020mm、2025mm、2530mm共6档粒径，相关技术指标见表2，均满足规范要求。此外，参考水泥稳定碎石基层的中值级配进行设计，集料的级配曲线见图1。表1 硅酸盐水泥基本特性比表面积/（m2kg-1）氯离子含量/%烧失量/%凝结时间/min抗折强度/MPa抗压强度/MPa初凝终凝3d28d3d28d3810.0101.49400 530 4.38.9 19.2 38.9表2 集料的基本特性碎石类型毛体积 密度/（kgm-3）表观密度/（kgm-3）含泥量/%压碎值/%针片状含量/%吸水率/%石灰岩269027600.7520.77.60.490.0750.62.364.759.51926.531.5020406080100通过率/%筛孔尺寸/mm 级配上限 合成级配 级配下限图1 级配曲线选用了深圳某材料公司生产的聚乙烯醇纤维，与水泥基材料具有很好的分散性能和粘结性能，同时有很好的抗腐蚀性，基本性能见表3。本研究分别采用了12mm、18mm、24mm、30mm共4种长度规格。表3 聚乙烯醇纤维的性能参数颜色纤维类型纤维长度/mm线密度/（g1000m-1）抗拉强度/MPa伸长率/%水中软化点/耐热水性能/弹性模量/GPa银白色柔性纤维12、18、24、302.00.2518007115100412 配合比设计及试验方法2.1 配合比设计为探究聚乙烯醇纤维对水泥稳定碎石材料抗裂性能的影响，并同时考虑水泥剂量的复合作用，共设计了如下5组试验，共39个配合比，以水泥胶凝体系为1，原材料组成及比例见表4。首先，采用重型击实试验确定水泥稳定碎石在不同水泥剂量下的最佳含水率和最大干密度，其中3.0%、3.5%、4.0%下最佳含水率分别为4.3%、5.0%、5.3%，最大干密度分别为2.251gcm-3、2.259gcm-3、2.261gcm-3。2.2 试验方案（1）劈裂强度。根据JTG E51-2009的规定，对上述各配比成型150mm150mm的圆柱体试件，每个配方成型6个平行试件，然后将其置于标准养生条件下进行养护，温度202，相对湿度为95%。在标准条件下测试并计算出其7d、28d、90d的劈裂强度，试验时加载速率控制在1mm/min。表4 原材料组成及比例编号水泥剂量/%纤维掺量/（kgm-3）纤维长度/mm13.0，3.5，4.00023.0，3.5，4.00.6，0.9，1.21233.0，3.5，4.00.6，0.9，1.21643.0，3.5，4.00.6，0.9，1.21853.0，3.5，4.00.6，0.9，1.224（2）动弹模量。根据JTG E51-2009的规定，对上述各配比成型150mm150mm的圆柱体试件，每个配方成型6个平行试件，在相同的标准条件下进行养护。在标准条件下测试并计算出其7d、28d、90d的动弹模量，试验时加载速率控制在1mm/min。（3）温缩和干缩试验。根据JTG E51-2009的规定，对上述各配比成CONSTRUCTION MACHINERY 1252024/01总第575期型150mm150mm550mm的大梁试件，在标准养生期记录不同配合比试件下的干缩应变，并记录不同龄期内的失水率。同时，按照相同的配比和试件尺寸测试了试件的温缩率，从2060设定了4个温度等级，每次降温10、恒温3h，降温速率为0.5/min。3 试验结果及分析3.1 劈裂强度图2展示了不同聚乙烯醇纤维特性在不同水泥掺量对水泥稳定碎石基层劈裂强度的影响。在相同的纤维掺量和纤维长度下，劈裂强度随着水泥剂量的增加而提高；且3.0%3.5%水泥剂量下对劈裂强度的增长速率高于3.5%4.0%，相对于普通水泥稳定基层，前者平均增速为13.6%，后者为10.8%；且相对普通水泥稳定碎石，最大程度可提高23.7%的劈裂强度。此外，在相同的水泥掺量下，根据纤维的特性，可知在相同纤维长度下，劈裂强度随纤维掺量的提高先增加后减少。与对照组相比，0.6%、0.9%、1.2%三种纤维掺量下对劈裂强度的改善程度分别为2.5%13.8%、2.7%16.9%、3.5%15.4%。故总体上，在0.6%或0.9%掺量下达到峰值，而0.6%掺量仅在高水泥剂量（4.0%）下达到。在相同的聚乙烯醇纤维掺量下，随着纤维长度的提高，劈裂强度先增加后减少。当纤维长度为24mm时达到峰值，最高可将劈裂强度提高30.9%。因此，综合考虑水泥剂量、纤维掺量和纤维长度，可知实现最大程度的劈裂强度改善率的组合为：纤维掺量为0.9%，纤维长度为24mm，水泥剂量为4.0%。0.00.20.40.60.81.01.20.650.700.750.800.850.900.95劈裂强度/MPa纤维掺量/%水泥剂量3%水泥剂量3.5%水泥剂量4%a 12mm0.00.20.40.60.81.01.20.600.650.700.750.800.850.900.951.00劈裂强度/MPa纤维掺量/%水泥剂量3%水泥剂量3.5%水泥剂量4%b 18mm0.00.20.40.60.81.01.20.650.700.750.800.850.900.95劈裂强度/MPa纤维掺量/%水泥剂量3%水泥剂量3.5%水泥剂量4%c 24mm0.00.20.40.60.81.01.20.650.700.750.800.850.90劈裂强度/MPa纤维掺量/%水泥剂量3%水泥剂量3.5%水泥剂量4%d 30mm图2 不同纤维及水泥掺量下的水泥稳定碎石劈裂强度3.2 弹性模量以纤维掺量为0.9%，计算了不同纤维长度在不同水泥掺量下各龄期的动弹模量，结果如图3所示。总体结果表明，提高水泥掺量有助于改善水泥稳定碎石的动弹模量，且不同场景对不同龄期的改善效果具有明显差别，主要可得出如下 专题研究SPECIAL RESEARCH126 建筑机械结果：（1）随着水泥掺量的增加，不同纤维掺量下的动弹模量差异性逐渐降低，且不同龄期下的弹性模量的差距也逐渐下降。具体而言，相对于7d的动弹模量，水泥剂量3.0%、3.5%和4.0%下的28d动弹模量平均提升率分别为6.5%、5.5%、2.2%，而90d的平均提升率分别为11.2%、12.7%、5.0%。这表明在高水泥剂量下，水泥稳定碎石的动弹模量受龄期和纤维长度的敏感性越来越小。01218243015001750200022502500动弹模量/MPa纤维长度/mm7d28d90da 水泥掺量：3.0%01218243015001750200022502500动弹模量/MPa纤维长度/mm7d28d90db 水泥掺量：3.5%01218243015001750200022502500动弹模量/MPa纤维长度/mm7d28d90dc 水泥掺量：4.0%图3 不同纤维长度和水泥掺量对水泥稳定碎石的 动弹模量影响（2）在相同的水泥掺量下，随着纤维掺量的增加，动弹模量先增大后减少，且三种水泥剂量为动弹模量均在24mm的纤维长度下达到峰值。此外，当水泥掺量为3.5%时，动弹模量达到最大值，为2396MPa，可提高16.9%的90d动弹模量。由此可见，结合3.1节的结论，从不同层面上分析水泥稳定碎石基层的力学性能，所得出的最佳材料组合参数并不完全相同，劈裂强度在一定程度上反映了材料的抗裂特性，动弹模量则反映了材料的应力应变特性。两种情况下均展示了24mm纤维长度是改善力学性能的最佳选择，而差异性仅在于水泥剂量，前者为4.0%，后者为3.5%。这表明聚乙烯醇纤维的掺入能够显著并同步提高水泥稳定碎石的抗裂性能和应力应变特性，但同时也需结合水泥剂量的使用。3.3 抗裂性能3.3.1 抗裂性能指标通常评价半刚性基层材料的抗裂性能可从干缩和温缩两个方面进行，评价指标包括干缩或温缩系数、抗裂系数、收缩能抗裂系数。先前研究表明，收缩能抗裂系数反映了材料抗裂性的相对能力，且与抗裂系数成显著的正相关。因此，本文选择了干缩能抗裂系数和收缩能抗裂系数评估水泥稳定碎石抗裂性能。根据基层材料不同龄期的收缩测试结果，可按如公式（1）、（2）计算上述两种收缩能系数2212max12ddiiiiidwlwwWWWE （1）2212max12ttiiiiittlttWTWE （2）式中 max是基层材料的极限抗拉强度；di、ti、Wi分别为第i次的干缩应变、温缩应变以及含水率；E为弹性模量；Wd为水泥稳定材料的干缩能抗裂系数；Tt为温缩能抗裂系数；Wl为基层材料的极限抗拉能，如公式（3）所示maxmax2max001dd2 lWEE （3）CONSTRUCTION MACHINERY 1272024/01总第575期3.3.2 抗裂性能评估不同纤维长度和水泥剂量下的28d干缩能抗裂系数和温缩能抗裂系数结果如图4所示。05101520253034567891011干缩能抗裂系数纤维长度/mm 水泥剂量3%水泥剂量3.5%水泥剂量4%a 干缩能抗裂系数0510152025302030405060708090100温缩能抗裂系数纤维长度/mm 水泥剂量3%水泥剂量3.5%水泥剂量4%b 温缩能抗裂系数图4 不同纤维长度和水泥剂量对水泥稳定碎石材料的 干缩和温缩能抗裂系数的影响结果表明，与普通水泥稳定碎石基层相比，纤维长度和水泥剂量均显著影响抗裂性能，故可得出如下结论：（1）在相同的水泥剂量下，随着纤维长度的增加，干缩能抗裂系数先呈现显著的线性增长，达到峰值后迅速下降；而温缩能系数则在开始阶段以缓慢的速率上升，再迅速的抵达峰值，随后迅速下降。其中，当纤维长度为24mm时，相对于无纤维掺入的水泥稳定基层，产生的干缩和收缩能抗裂系数提升率分别为109.2%121.9%和161.2%245.2%。（2）在相同的纤维长度下，随着水泥剂量的增加，干缩能抗裂系数和温缩能抗裂系数均逐渐下降。其中，以普通水泥稳定基层为基础，在纤维长度小于24mm，水泥剂量在4%时，能够将上述两种收缩能抗裂系数分别降低26.3%29.4%和21.0%36.6%；而在纤维长度为24mm时，水泥剂量对温缩能抗裂系数的降低率最高可达到52.1%；当纤维长度为30mm时，水泥剂量对干缩能抗裂系数的降低率最高可达到46.0%。由此可见，在改善抗裂性能方面，聚乙烯醇纤维能够显著的提高干缩和温缩能抗裂系数。此外，尽管发现水泥剂量对力学性能有一定提升效果，但综合考虑纤维和水泥剂量对抗裂性能的影响，建议水泥剂量为3.5%。此时，相对于普通水泥稳定基层，干缩和温缩能抗裂系数可分别提高109.2%和245.2%。3.3.3 抗裂机理分析由上述可知，影响水泥稳定碎石抗裂性能的关键因素包括水泥剂量和纤维。水泥稳定碎石材料在铺筑早期将出现很多毛细孔，水分蒸发时，内部的毛细管张力将增大，促使产生干燥收缩，且此时抵抗收缩的拉应力并未完全形成，从而使得基层材料产生微裂纹，在进一步环境变化的作用下得到扩展，从而产生收缩应变。聚乙烯醇纤维具有较高的抗拉强度，以及柔性纤维的韧性，可提高水泥稳定碎石的整体模量，进一步增强散体材料的粘结强度。纤维的掺入，能够提高水泥稳定碎石的韧性，尤其是抵抗收缩开裂的拉应力，能够减少基层材料的早期疲劳开裂。因为早期因各种环境和荷载产生的疲劳应力能够被纤维吸收，以进一步减少半刚性基层材料的收缩应变，从而提高了水泥稳定碎石的抗裂性。因此纤维在一定程度上可承担早期的收缩应力，从而抑制收缩的进一步发展。另一方面，柔性纤维还能增大基层材料的比表面积，并适当填充孔隙，减少毛细管的张力。另外，水泥剂量的增加也将提高收缩应变，因此，纤维增强水泥稳定碎石的设计还应综合考虑强度以及抗裂性能，以权衡水泥用量和纤维掺量。4 结束语本文通过室内试验对聚乙烯醇纤维增强水泥专题研究SPECIAL RESEARCH128 建筑机械稳定碎石基层材料的力学性能和抗裂性能进行了研究，分析了不同水泥掺量、不同纤维掺量和不同长度对水泥稳定碎石基层的劈裂强度、弹性模量和抗裂性能的影响，得出如下主要结论：（1）水泥稳定碎石基层劈裂强度与水泥剂量呈正相关，最大程度可提高23.7%的劈裂强度；随着纤维掺量和长度的增加，劈裂强度先增加后减少，0.6%1.2%三种纤维掺量下对劈裂强度的改善程度为2.515.4%；当水泥掺量为4.0%时，0.9kgm-3纤维掺量及24mm长度下可最大程度提高30.9%的劈裂强度。（2）动弹模量随水泥剂量的增加而提高，高剂量的水泥掺量可促进早期强度的形成，且此时动弹模量受龄期和纤维长度的敏感性越来越小；随着纤维掺量的增加，动弹模量先增大后减少；当水泥掺量为3.5%，纤维长度为24mm时，可最大程度提高16.9%的90d动弹模量。（3）随着纤维长度的增加，干缩能抗裂系数和温缩能抗裂系数均先增加后减少，而水泥剂量的增加将显著降低这两种收缩能系数；当纤维长度为24mm，水泥剂量为3.5%时，干缩和温缩能抗裂系数可分别提高109.2%、245.2%。最后，建议纤维增强水泥稳定碎石的设计应综合考虑强度和抗裂性能，以权衡水泥用量、纤维长度及掺量。参考文献1沙爱民.半刚性基层的材料特性J.中国公路学报，2008（01）：1-5.2叶向前，邹晓翎，何虹霖，等.半刚性基层沥青路面低温开裂成因研究综述J.中外公路，2020，40（04）：62-67.3张阳，王傲鹏，张靖霖，等.水泥稳定碎石材料干燥收缩研究综述J.吉林大学学报（工学版），2023，53（02）：297-311.4张东省，王海朋.掺废旧沥青混合料细颗粒的水泥稳定碎石抗裂性能研究J.中外公路，2011，31（05）：221-225.5曾梦澜，罗迪，吴超凡，等.不同级配类型水泥稳定碎石路面基层材料的抗裂性能J.湖南大学学报（自然科学版），2013，40（10）：1-7.6康爱红，肖鹏，徐建成.掺聚丙烯纤维的水泥稳定碎石材料抗裂性能研究J.施工技术，2012，41（24）：102-106.7程培峰，于铭泽.掺玄武岩纤维水泥稳定碎石温缩抗裂性能试验研究J.中外公路，2013，33（06）：234-238.8付春梅，齐善忠，任永明.聚酯纤维水泥稳定碎石力学性能研究J.中外公路，2015，35（06）：291-296.9郭寅川，刘逸伟，申爱琴，等.玻璃纤维水泥稳定碎石收缩及柔化抗裂性能研究J/OL.郑州大学学报（工学版）：1-72023-04-18.10 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