纤维改良水泥混合料的抗裂性能研究.pdf

作 者 简 介：苏 诚（），男，江 西 宜 春 人，大 学 本 科，工 程 师，主 要 从 事 公 路、桥 梁、岩 土 设 计、施 工 工 作。纤维改良水泥混合料的抗裂性能研究苏诚（宜 春 市 公 路 事 业 发 展 中 心 铜 鼓 分 中 心，江 西 宜 春）摘要：文 章 研 究 柔 性 纤 维 对 水 泥 碎 石 混 合 料 的 抗 裂 性 能 和 延 性 的 改 善 效 果，采 用 理 论 分 析 和 试验 研 究 相 结 合 的 方 法，理 论 上 采 用 断 裂 力 学 分 析 了 柔 性 纤 维 对 混 合 料 裂 纹 受 力 的 影 响；通 过 试 件的 弯 曲 韧 性 试 验 和 断 裂 韧 度 试 验，对 比 分 析 不 同 工 况 下 的 试 验 结 果，明 确 了 柔 性 纤 维 对 试 件 抗 裂性 能 和 韧 性 性 能 的 提 升 效 果。关 键 词：柔 性 纤 维；反 射 裂 缝；半 刚 性 基 层；抗 裂前言半 刚 性 基 层 沥 青 混 凝 土 路 面 是 我 国 目 前 主 要使 用 的 路 面 结 构，相 对 于 混 凝 土 路 面，半 刚 性 基 层沥 青 混 凝 土 路 面 具 有 平 整 度 高、可 维 修 性 强 等特 点。在 长 时 间 外 界 环 境 和 行 车 作 用 下，热 稳 定 性 差且 易 老 化 的 半 刚 性 基 层 沥 青 混 凝 土 路 面 往 往 会 产生 各 种 病 害，其 中 最 易 发 生 的 就 是 反 射 裂 缝。反 射裂 缝 产 生 的 初 始 位 置 位 于 基 层，当 基 层 产 生 裂 缝后，在 外 界 温 度 变 化 和 行 车 荷 载 的 共 同 作 用 下，沥青 面 层 会 进 一 步 产 生 裂 缝，严 重 影 响 行 车 平 顺 性 和安 全 性，且 由 于 反 射 裂 缝 的 产 生，使 得 路 面 雨 水 更容 易 进 入 路 面 结 构 内 部，加 重 病 害 的 发 展 程 度。图为 反 射 裂 缝 形 成 过 程 的 示 意 图。沥青面层半刚性基层P图反 射 裂 缝 示 意 图针 对 半 刚 性 基 层 沥 青 混 凝 土 路 面 易 产 生 反 射裂 缝 病 害 的 现 状，国 内 外 学 者 对 此 已 进 行 了 大 量 的研 究。房 娜 仁 等针 对 半 刚 性 基 层 沥 青 混 凝 土 高速 公 路 路 面 结 构，为 了 确 定 不 同 时 期 反 射 裂 缝 下 路面 结 构 中 水 稳 碎 石 基 层 的 强 度，采 用 理 论 计 算 和 试验 研 究 相 结 合 的 方 法，结 合 西 尔 斯 和 不 里 恩 公 式 和灰 色 关 联 度 方 法 两 大 理 论 基 础，在 室 内 抗 压 强 度、抗 拉 强 度 和 现 场 压 实 试 验 的 验 证 下，确 定 了 水 稳 碎石 基 层 的 强 度 保 证 机 理，并 进 一 步 建 立 了 其 强 度 公式，公 式 中 包 含 压 实 度、含 水 量 和 温 度 这 三 个 参 数，以 此 为 基 础，形 成 了 道 路 施 工 期 的 反 射 裂 缝 控 制 办法。谌 河 水 等针 对 发 生 在 旧 水 泥 混 凝 土 路 面 加铺 沥 青 层 内 的 反 射 裂 缝 这 一 病 害 形 式，为 了 研 究有、无 镀 锌 钢 丝 网 夹 层 对 路 面 结 构 整 体 强 度、整 体变 形 及 对 反 射 裂 缝 发 展 抑 制 的 影 响，采 用 有 限 元 的方 法 进 行 分 析，通 过 建 立 了 有、无 镀锌 钢 丝 网 夹 层 的 旧 水 泥 混 凝 土 路 面 结 构 的 有 限 元模 型，研 究 了 其 在 行 车 荷 载 作 用 下 的 变 形 和 应 力 分布 特 征，研 究 表 明，采 用 镀 锌 钢 丝 网 夹 层 后 可 有 效的 提 高 路 面 整 体 结 构 的 强 度，并 减 小 其 在 受 力 后 的变 形，抑 制 反 射 裂 缝 的 发 生 发 展。邬 家 春针 对 修建 于 上 世 纪 的 机 场 跑 道 多 采 用 沥 青 混 凝 土 加 盖 素混 凝 土 这 一 结 构，现 如 今 这 些 机 场 跑 道 多 已 发 生 反射 裂 缝 破 坏，以 刚 果（金）恩 吉 利 机 场 跑 道 为 例，分析 了 反 射 裂 缝 的 产 生 和 发 展 机 理，同 时 为 了 有 效 防止 或 抑 制 反 射 裂 缝 的 发 生 发 展，以 实 际 修 复 过 程 为基 础，提 出 了 三 条 有 效 的 防 止 措 施，为 沥 青 混 凝 土加 盖 素 混 凝 土 路 面 结 构 的 反 射 裂 缝 病 害 防 止 提 供了 一 定 的 参 考。本 文 研 究 柔 性 纤 维 掺 量 对 水 泥 稳 定 碎 石 混 合料 抗 裂 性 能 的 改 性 效 果，从 断 裂 力 学 入 手 进 行 理 论计 算，分 析 了 柔 性 纤 维 对 水 泥 稳 定 碎 石 混 合 料 抗 裂性 能 的 提 升 原 理，通 过 不 同 工 况 下 的 对 比 试 验 分析，明 确 了 柔 性 纤 维 对 试 件 弯 曲 韧 性 性 能 和 断 裂 韧度 性 能 的 提 升 效 果。抗 裂 理 论 基 础对 材 料 微 观 结 构 的 影 响在 掺 入 柔 性 纤 维 的 水 泥 稳 定 碎 石 混 合 料 内 部，柔 性 纤 维 为 均 匀 分 布，且 其 分 布 状 态 为 三 维 均 匀 分布，在 早 期 水 泥 发 生 水 化 反 应 时，柔 性 纤 维 具 有 很好 的 亲 水 性，其 纤 维 会 保 存 大 量 的 水 分，可 以 有 效抑 制 水 泥 稳 定 碎 石 混 合 料 内 部 水 分 的 损 失，进 而 保证 水 化 过 程 需 要 的 大 量 水 分，减 缓 由 于 水 化 反 应 而造 成 的 早 期 干 裂 裂 缝。同 时，随 着 水 化 反 应 的 不 断进 行，水 泥 稳 定 碎 石 混 合 料 内 部 的 空 隙 可 被 不 断 填充，其 中 的 柔 性 纤 维 可 以 有 效 的 和 水 泥 胶 浆 粘 结 和咬 合，使 二 者 牢 牢 的 形 成 一 个 整 体，在 之 后 的 外 界荷 载 作 用 下，结 构 整 体 的 受 力 更 加 均 匀，有 效 的 改善 了 结 构 发 生 局 部 应 力 集 中 现 象，进 而 减 缓 了 开 裂现 象 的 发 生 和 发 展。水 泥 稳 定 碎 石 混 合 料 在 掺 入 柔 性 纤 维 后，早 期可 有 效 的 保 存 水 分 和 水 化 反 应，后 期 可 提 高 结 构 整体 强 度，抑 制 裂 缝 的 发 生 发 展，提 高 结 构 整 体 的 抗裂 性。抗 裂 机 理由 于 水 化 反 应 等 原 因，水 泥 稳 定 碎 石 基 层 其 内部 在 早 期 就 产 生 了 很 多 微 裂 纹，在 之 后 的 外 界 环 境和 行 车 荷 载 作 用 下，这 些 微 裂 纹 不 断 的 发 展，经 历成 胚、孕 育、扩 展 和 贯 通 后 发 展 成 宏 观 裂 纹，从 而 降低 路 面 结 构 的 承 载 力，降 低 行 车 稳 定 性 和 安 全 性。依 据 断 裂 力 学，当 裂 纹 尖 端 应 力 强 度 因 子大 于 结构 材 料 的 断 裂 韧 度时，裂 纹 会 继 续 扩 展，其 中是 结 构 材 料 的 固 有 属 性，参 考 应 力 强 度 因 子 叠 加法 掺 入 柔 性 纤 维 的 水 泥 稳 定 碎 石 中 裂 纹 尖 端 应 力强 度 因 子：（）式（）中：裂 纹 尖 端 应 力 强 度 因 子；水 泥 碎 石 应 力 强 度 因 子；柔 性 纤 维 应 力 强 度 因 子。掺 入 柔 性 纤 维 可 减 小 裂 纹 尖 端 应 力 强 度，柔性 纤 维 对 结 构 抗 裂 性 的 改 善 程 度 受决 定。当 微裂 纹 被 纤 维 穿 过 时，纤 维 对 裂 纹 两 侧 的 界 面 可 提 供多 个 集 中 力；当 微 裂 纹 未 被 纤 维 穿 过 时，纤 维 可 通过 锚 固 力 对 微 裂 纹 进 行 作 用，如 图所 示。（b）未穿过微裂纹（a）穿过微裂纹PP图纤 维 对 微 裂 纹 作 用试 验 研 究本 研 究 采 用 弯 曲 韧 性 试 验、断 裂 韧 性 试 验 对 比分 析 有 柔 性 纤 维 的 乳 化 沥 青 改 性 水 泥 稳 定 碎 石 混合 料（）、无 柔 性 纤 维 的 乳 化 沥 青 改 性 水 泥稳 定 碎 石 混 合 料（）的 结 果，选 用 的 柔 性 纤 维为 聚 丙 烯 单 丝 纤 维，其 长 度 为，掺 量 为，试 件 长、宽、高 尺 寸 分 别 为、；养 护 条 件 为 温 度 为、相 对 湿 度 大于。弯 拉 回 弹 模 量 试 验本 次 试 验 测 试 的 是 各 试 件弯 拉 回 弹 模 量，采 用 应 变 片 对 梁 式 试 件 的 梁 底 应 变 进 行 测 量，根 据下 式 计 算 弯 拉 回 弹 模 量。（）（）式（）和（）中：弯 拉 回 弹 模 量；梁 底 应 力；梁 底 应 变；压 力；跨 径；试 件 宽 度；试 件 高 度。在 贴 应 变 片 时 注 意 将 应 变 片 区 域 提 前 打 磨 抹平，并 用 酒 精 清 除 浮 尘。本 次 试 验 采 用 的 是 型 万 能 试 验 机 及型 高 速 静 态 应 变仪，实 现 对 试 件 的 荷 载 施 加 和 相 关 应 变 数 据 的 收集，试 验 施 加 的 应 力 水 平 范 围 为 ，每隔 施 加 一 级 荷 载。荷 载 加 载 过 程 如 图所 示。在 试 验 结 果 的 基 础 上，计 算 试 件 的 平 均 值 得 到每 组 试 件 的 弯 拉 回 弹 模 量，结 果 如 表和 图所 示。65432100100 200300400 500600700 800900时间/s荷载/kN图荷 载 加 载 过 程0.20.40.60.81.01.21.41.6应力/Mpa2.042.001.961.921.88弯曲回弹模量/104MPaCBTMPPCBTM图不 同 应 力 下 弯 拉 回 弹 模 量表弯 拉 回 弹 模 量 试 验 结 果指 标试 件 弯 拉 回 弹 模 量（）由 表和 图可 知，有、无 柔 性 纤 维 的 乳 化 沥 青水 泥 稳 定 碎 石 的 弯 拉 回 弹 模 量 随 着 应 力 水 平 的 不断 增 加，呈 现 先 增 大 再 减 小 的 趋 势，表 明 柔 性 纤 维的 掺 入 对 水 泥 混 合 料 的 弯 拉 回 弹 模 量 数 值 影 响 不大，掺 入 前 后 的 曲 线 变 化 规 律 基 本 一 致，但 掺 入 柔性 纤 维 后 混 合 料 的 弯 拉 回 弹 模 量 略 小 于 原 混 合 料。弯 曲 韧 性 试 验本 次 试 验 采 用 的 是 量 程 为的电 子万 能 试 验 机，其 可 自 动 收 集 试 件 的 受 力 和 变 形 情况，且 设 置 当 试 件 的 变 形 大 于 其倍 的 初 始 开 裂挠 度 时 试 验 结 束，导 出 受 力 和 变 形 数 据。针 对 弯 曲韧 性 的 评 价 方 法 和 评 价 指 标，国 内 外 有 众 多 评 价 体系，本 文 采 用 美 国 材 料 与 试 验 协 会 标 准方 法，其 主 要 是 对 试 件 的 荷 载 挠 度 曲 线 进 行 计 算求 解，确 定 其韧 性 指 数，分 别 计 算 不 同 区 域 的面 积 可 得、。（）（）（）荷载S1S2S3S4啄3啄5.5啄10.5啄挠度图 韧 性 指 数 为 了 防 止 养 护 龄 期 对 结 果 的 影 响，考 虑 了、的 养 护 龄 期，共 设 置组 不 同 的 工 况 进 行对 比 分 析。分 别 收 集 乳 化 沥 青 水 泥 稳 定 碎 石（）和 掺 入 柔 性 纤 维 的 乳 化 沥 青 水 泥 稳 定 碎 石（）在 不 同 养 护 龄 期 时 的 试 验 数 据，结 果 如表所 示，韧 性 指 数 如 图所 示。表弯 曲 韧 性 结 果韧 性 指 数 CBTMPPCBTMI5I10I202.01.91.81.71.61.51.41.3韧性指数图 龄 期 弯 曲 韧 性 结 果由 表和 图可 知，在 水 泥 稳 定 碎 石 混 合 料 中掺 入 柔 性 纤 维 后，试 件 的 弯 曲 韧 性 指 标 得 到 了 明 显的 增 加，当 龄 期 为时，柔 性 纤 维 对 试 件 的 韧 性指 标、分 别 提 高 了、，同 时 分 析 试 件 的 荷 载 挠 度 曲 线 可 知，柔 性 纤 维 的掺 入 可 使 混 合 料 的 强 度 下 降 得 更 平 缓，表 示 裂 缝 需要 更 多 的 能 量 才 能 持 续 发 展，混 合 料 试 件 得 延 性 得到 了 明 显 得 提 升。因 此，掺 入 柔 性 纤 维 后，水 泥 稳定 碎 石 混 合 料 的 裂 纹 发 展 得 到 了 延 缓，韧 性 得 到 了很 大 的 提 高，说 明 柔 性 纤 维 可 有 效 的 抗 裂 增 韧。断 裂 韧 性 试 验由 于 针 对 水 泥 稳 定 碎 石 材 料 的 断 裂 韧 性 试 验研 究 较 少，尚 未 有 相 关 的 试 验 标 准，因 此 本 文 采 用混 凝 土 三 点 弯 曲 断 裂 韧 性 的 试 验 方 法 对 水 泥 稳 定碎 石 材 料 试 件 进 行 断 裂 韧 性 试 验。参 考 试 验 标 准中 的 梁 式 试 件 制 作 方 法 进 行 试 验 试 件 的 制 作，每 种工 况 下 制 作 一 件 试 件，共个 试 件，养 生 龄 期为。在 评 价 试 件 的 断 裂 韧 性 时，参 照 线 弹 性 断 裂 力学 中 断 裂 韧 度 指 标，其 是 表 示 裂 纹 是 否 会 继 续发 展 的 重 要 指 标，反 映 了 试 件 抵 抗 裂 纹 发 展 的 能力，需 要 将 试 验 获 得 的 试 件 最 大 荷 载和 相 关 试 件截 面 尺 寸 参 数 带 入 公 式 计 算 得 到，断 裂 能表 示试 件 发 生 单 位 面 积 裂 缝 所 需 要 消 耗 的 能 量：()（）()槡 槡()槡 槡()槡 槡()槡 槡()槡（）()()（）表断 裂 韧 度 试 验 计 算 结 果试 件最 大 荷 载（）初 裂 跨 中 挠 度（）临 界 裂 纹 位 移（）断 裂 韧 度（）断 裂 能（）由 表可 知，对 比 试 件 试 验 的 最 大 荷 载 和 初 裂 跨中 挠 度，掺 入 柔 性 纤 维 后 最 大 荷 载 增 加 了，初裂 的 跨 中 挠 度 增 加 了，在 掺 入 柔 性 纤 维 后 试件 受 到 更 大 的 外 荷 载 才 能 达 到 破 坏，且 破 坏 时 其 变形 更 大，说 明 掺 入 柔 性 纤 维 可 有 效 的 提 高 试 件 的 强度 和 变 形 能 力；对 比 试 件 试 验 的 裂 缝 嘴 张 口 位 移 可知，掺 入 柔 性 纤 维 后，其 数 值 由 增 大 到，增 大 了，说 明 掺 入 柔 性 纤 维 可 有 效提 高 混 合 料 的 断 裂 性 能；对 比 试 件 试 验 的 断 裂 韧 度 可知，掺 入 柔 性 纤 维 后，其 数 值 由 增 大 到 ，增 长 了，对 比 试 件 试 验 的 断 裂 能可 知，掺 入 柔 性 纤 维 后，其 数 值 由 增 大 到，增 长 了，说 明 掺 入 柔 性 纤 维 可 有 效 提高 混 合 料 的 抗 裂 性 能、改 善 混 合 料 的 断 裂 性 能。结语本 文 研 究 掺 入 柔 性 纤 维 对 水 泥 稳 定 碎 石 混 合料 的 抗 裂 性 能 的 影 响，采 用 理 论 计 算 和 试 验 研 究 相结 合 的 方 法 进 行 分 析，从 断 裂 力 学 入 手，分 析 了 柔性 纤 维 对 水 泥 稳 定 碎 石 混 合 料 抗 裂 性 能 的 提 升；通过 不 同 工 况 下 的 对 比 试 验 分 析，明 确 了 柔 性 纤 维 对试 件 弯 曲 韧 性 性 能 和 断 裂 韧 度 性 能 的 提 升。主 要结 论 如 下：（下 转 第页）到 了，远 远 高 于改 性 沥 青、聚 氨 酯 和硅 酮 灌 缝 材 料，使 得 环 氧 树 脂 灌 缝 材 料 产 生 粘 附 失效 的 可 能 性 远 远 低 于 其 他 三 类 灌 缝 材 料，这 表 明 自制 环 氧 树 脂 灌 缝 材 料 在 兼 具 适 宜 低 温 变 形 能 力 的同 时，又 拥 有 足 够 的 界 面 粘 结 能 力，保 证 灌 缝 材 料不 轻 易 从 裂 缝 界 面 处 产 生 开 裂。结语本 研 究 采 用 氢 化 双 酚型 环 氧 树 脂 作 为 灌 缝 材料 主 剂，端 异 氰 酸 酯 聚 醚 型 聚 氨 酯 预 聚 体 作 为 增 韧剂、聚 乙 二 醇 二 缩 水 甘 油 醚 作 为 稀 释 剂、聚 硫 醇 作 为固 化 剂、自 制 叔 胺 材 料 作 为 促 进 剂，制 备 了 一 种 性 能优 异 的 环 氧 树 脂 灌 缝 材 料。通 过“因 素水 平”正交 实 验 确 定 灌 缝 材 料 配 比，并 测 试 了 灌 缝 材 料 的 耐 高温 和 耐 紫 外 老 化 的 性 能，主 要 研 究 结 论 如 下：（）采 用“因 素水 平”正 交 试 验，在 综 合 考 虑灌 缝 材 料 粘 度、断 裂 伸 长 率 和 界 面 粘 结 强 度 的 基 础上，确 定 了 环 氧 树 脂增 韧 剂稀 释 剂固 化 剂促 进 剂的 灌 缝 材 料 配 比 为 最 佳 配 比；（）通 过 与 沥 青 路 面 裂 缝 灌 缝 常 用 的 三 种 市 售灌 缝 材 料 进 行 对 比，灌 缝 材 料 在 粘 度 和 界 面 粘 结 性能 上，远 远 高 于改 性 沥 青、聚 氨 酯 和 硅 酮 灌 缝材 料。这 表 明 自 制 环 氧 树 脂 灌 缝 材 料 在 兼 具 适 宜低 温 变 形 能 力 的 同 时，又 拥 有 足 够 的 界 面 粘 结 能力，保 证 环 氧 树 脂 灌 缝 材 料 不 轻 易 从 裂 缝 界 面 处 产生 开 裂；（）基 于 现 有 沥 青 路 面 灌 缝 材 料 在 低 温 条 件 下频 繁 失 效，自 制 的 环 氧 树 脂 灌 缝 材 料 有 着 良 好 的 施工 性 能，低 温 变 形 性 能 和 界 面 粘 结 性 能，可 以 较 好地 解 决 沥 青 路 面 裂 缝 开 裂 修 补 的 恶 性 循 环。参 考 文 献：（），：，付 栋 梁，胡 大 林，钱 振 东钢 桥 面 铺 装 填 缝 材 料 性 能 指 标研 究 与 材 料 开 发 公 路，（）：李 峰，石 小 培，黄 颂 昌沥 青 路 面 灌 缝 体 系 的 低 温 失 效 模式 长 安 大 学 学 报（自 然 科 学 版），（）：，刘 海 霞，王 晖，庄 彩 虹，等 灌 浆 材 料 的 制 备 及性 能 中 南 大 学 学 报：自 然 科 学 版，（）：李 会 录，李 涛，祁 向 花，等聚 氨 酯 增 韧 改 性 环 氧 树 脂 的 制备 及 性 能 表 征 高 分 子 材 料 科 学 与 工 程，：，高 楠沥 青 混 凝 土 路 面 裂 缝 灌 浆 材 料 性 能 与 工 艺 研 究 中 南 大 学，（上 接 第页）（）水 泥 稳 定 碎 石 混 合 料 在 掺 入 柔 性 纤 维 后，早 期 可 有 效 的 保 存 水 分 和 参 与 水 化 反 应，后 期 可 提高 结 构 整 体 强 度，抑 制 裂 缝 的 发 生 发 展，提 高 结 构整 体 的 抗 裂 性。（）柔 性 纤 维 在 有、无 穿 过 微 裂 纹 的 情 况 下，均可 对 微 裂 纹 的 两 侧 截 面 施 加 作 用，有 效 抑 制 混 合 料内 微 裂 纹 的 发 展。（）掺 入 柔 性 纤 维 后，水 泥 稳 定 碎 石 混 合 料 的裂 纹 发 展 得 到 了 延 缓，韧 性 得 到 了 很 大 的 提 高，说明 柔 性 纤 维 可 有 效 的 抗 裂 增 韧。（）掺 入 柔 性 纤 维 可 有 效 提 高 混 合 料 的 抗 裂 性能、改 善 混 合 料 的 断 裂 性 能。参 考 文 献：肖 丽 霞旧 水 泥 混 凝 土 路 面 沥 青 加 铺 层 反 射 裂 缝 破 坏 机 理与 防 治 措 施 分 析 工 程 技 术 研 究，（）：房 娜 仁，胡 士 清，李 琪 琪，王 选 仓，王 钱，张 春 安基 于 半刚 性 基 层 强 度 控 制 的 反 射 裂 缝 防 治 对 策 研 究 公 路，（）：谌 河 水，伍 昕 茹旧 水 泥 路 面 加 铺 沥 青 面 层 反 射 裂 缝 防 治分 析 中 国 水 运，（）：邬 家 春沥 青 混 凝 土 加 盖 对 反 射 裂 缝 的 分 析 与 防 治 中文 科 技 期 刊 数 据 库（全 文 版）工 程 技 术，（）：张 鹏，刘 晨 辉，李 清 富聚 丙 烯 纤 维 水 泥 稳 定 碎 石 抗 弯 拉 弹性 模 量 试 验 研 究 公 路，（）：，（）：