纤维增强水泥稳定碎石基层材料性能试验研究

摘要：随着交通荷载的持续增长，原有路面结构易产生基层反射裂缝，因此，对基层材料的优化改善就显得尤为重要。文章通过将聚丙烯纤维外掺到水泥稳定碎石材料中进行性能测试，共设计了0 mm+0%、9 mm+0.15%、9 mm+0.20%、9 mm+0.25%、12 mm+0.15%、12 mm+0.20%和12 mm+0.25%七种纖维组合方案，分别考虑了水泥稳定碎石材料的抗压强度、干燥收缩、温度收缩及疲劳寿命。研究表明：9 mm+0.25%和12 mm+0.15%纤维组合方案对于水泥稳定碎石材料性能的提升效果显著，具有较强的应用推广价值。

关键词：聚丙烯纤维;水泥稳定碎石;性能测试;疲劳寿命

0 引言

水泥稳定碎石是道路基层典型的材料选择方案之一，其具有骨架稳定、造价低、适用性强等特点。然而，水泥稳定碎石基层材料在往复的交通荷载作用下面临着裂缝开展、内部损伤等问题，如何缓解重载交通对基层结构的损伤就显得十分重要[1-3]。相关研究表明：对于基层结构功能的优化改善，一般可以通过改变材料组成和结构厚度来实现[4-5]。其中，改变基层材料组成是常见方案，用铣刨料替代部分水泥稳定碎石、在水泥稳定碎石中添加外掺剂均能对水泥稳定碎石材料的性能进行提升[6-7]。然而，水泥稳定碎石基层病害产生的根源一般是收缩性能和抗疲劳性能不足[8]，本研究拟采用聚丙烯纤维外掺水泥稳定碎石基层材料来提升材料性能，对于改善道路基层结构性能具有一定借鉴作用。

1 原材料与试验方案

1.1 水泥

研究采用的水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥，初凝时间为60 min，终凝时间为180 min。28 d抗压强度达到48.6 MPa，抗折强度达到8.4 MPa。

1.2 集料

试验选用的集料为湖北产的石灰岩，石料干净无杂质，压碎值和磨耗值均满足《公路路面基层施工技术规范》的要求。

1.3 聚丙烯纤维

聚丙烯纤维是一种传统纤维制品，可以应用于工业、航天、道路等领域。本研究选用的纤维长度分别为9 mm和12 mm两种，纤维掺量分别为0.15%、0.20%、0.25%不等。

1.4 试验方案

研究采用纤维长度（9 mm、12 mm）与纤维掺量（0.15%、0.20%、0.25%）正交的方式，共涉及了7组不同组合的试验方案。制备水泥稳定碎石基层材料试件，进行抗压强度、干燥收缩、温度收缩、疲劳寿命等试验，综合分析和比选适宜的组合方案。不同组合方案下水泥稳定碎石材料的最佳含水量和最大干密度测试结果如表1所示。

2 水泥稳定碎石基层材料性能试验研究

2.1  抗压强度

水泥稳定碎石基层材料的抗压强度是表征水稳碎石材料性能的关键指标之一，抗压强度与材料承受集中荷载有关，抗压强度越好表明材料抵抗外部荷载作用变形能力越强。研究采用无侧限抗压强度试验进行水泥稳定碎石材料的测试，其7 d和28 d抗压强度试验结果分别如图1～2所示。

由图1～2可知，在水泥稳定碎石基层材料中加入聚丙烯纤维能够明显提升材料的抗压强度，不同组合方案对应的7 d抗压强度分别较普通水泥稳定碎石提升1.87%、5.61%、7.01%、4.21%、6.31%、3.50%;

28 d抗压强度分别较普通水泥稳定碎石提升1.40%、3.89%、4.51%、2.02%、4.20%、1.71%，说明聚丙烯纤维的掺入能够提升水泥稳定碎石的早期强度。其中，9 mm+0.20%与12 mm+0.15%的聚丙烯纤维组合方案对水泥稳定碎石基层材料性能的提升效果最为明显。

2.2 干燥收缩

干燥收缩是水泥稳定碎石基层材料在干燥环境下产生变形的表现，要求材料本身需要具备较好的干燥收缩能力，能够抵抗由于干燥原因而产生的变形、开裂问题。研究对不同龄期下的干燥收缩应变进行统计，绘制相关曲线如图3所示。

如图3所示，随着养护龄期的增长，水泥稳定碎石基层材料的干缩应变也在不断增长，呈现先快后慢的趋势。其中，在前28 d环境下材料的干缩应变增长较快，主要原因是前28 d水泥的水化反应较为明显，材料内部会因为水分的蒸发而产生一定的收缩变形。从掺加不同长度和掺量的聚丙烯纤维水泥稳定碎石基层材料来看，掺9 mm+0.25%聚丙烯纤维的水泥稳定碎石材料干缩应变较小，掺12 mm+0.15%聚丙烯纤维的水泥稳定碎石基层材料干缩应变与普通水泥稳定碎石基层材料较为一致。水泥稳定碎石基层材料的干缩应变越小，则材料抵抗干燥收缩变形的能力越强。研究表明，聚丙烯纤维的掺入对于水泥稳定碎石材料的干燥收缩性能影响较大，因此，纤维长度及掺量的选择尤为关键。

2.3 温度收缩

相比于干燥收缩，水泥稳定碎石基层材料也会面临着服役环境温度变化对其的变形影响。研究将水泥稳定碎石基层材料试件置于控温箱中进行温度收缩试验，温度水平为6档，每隔10 ℃为一档。试验结果如图4所示。

如图4所示，随着温度范围的下降，水泥稳定碎石基层材料的温缩系数呈先下降后上升的趋势，温缩系数越小，则材料抵抗温度变形的能力越强。试件在0 ℃～10 ℃下温缩系数最小，其原因主要是此时温度环境更贴近材料本身属性，碎石材料内部骨料、水泥等均处于稳定状态，而温度的上升会导致材料内部产生膨胀变形，温度过低也会使材料产生冷缩开裂。综合来看，9 mm+0.25%和12 mm+0.15%聚丙烯纤维对于水泥稳定碎石材料的温度干缩改善最为明显。

2.4 疲劳寿命

水泥稳定碎石作为基层典型材料，需要承受上面层传递的荷载作用，而基层往往易产生开裂反射裂缝等问题，因此，水泥稳定碎石基层材料需要具备一定的疲劳寿命优势。研究将不同组合方案的聚丙烯纤维掺入水泥稳定碎石基层材料中，研究其在不同应变水平（0.65 με、0.7 με、0.75 με、0.80 με下的疲劳寿命。试验结果如表2所示。

将不同应变水平下不同组合方案水泥稳定碎石基层材料的疲劳寿命数据绘制成图，如图5～8所示。由图可知，不同组合方案下水泥稳定碎石基层材料对应的疲勞寿命有较大差异，其中，9 mm+0.25%和12 mm +0.15%对应的水泥稳定碎石基层材料疲劳寿命较高。当应变水平为0.65 με时，其对应的疲劳寿命较普通水泥稳定碎石基层材料疲劳寿命分别增长55.73%和23.39%;当应变水平为0.70 με时，其对应的疲劳寿命较普通水泥稳定碎石基层材料疲劳寿命分别增长38.68%和23.65%。总的来看，聚丙烯纤维的掺入在一定程度上是能够提升材料疲劳寿命及其他性能的，但需要严格对外掺聚丙烯纤维的长度和掺量进行研究和控制。通过对其抗压强度、干燥收缩、温度收缩及疲劳寿命测试结果来看，9 mm+0.25%和12 mm+0.15%纤维组合方案对材料性能的提升是有益的。

3 结语

本研究将不同长度及掺量下的聚丙烯纤维外掺到水泥稳定碎石基层材料中，研究其对抗压强度、干燥收缩、温度收缩、疲劳寿命的影响。研究表明：9 mm+0.25%和12 mm+0.15%的聚丙烯纤维组合方案对于水泥稳定碎石基层材料性能的提升具有较大影响。研究可以为水泥稳定碎石基层材料性能综合提升提供借鉴参考价值。

参考文献：

[1]王其升.公路水泥稳定碎石基层沥青路面裂缝成因及防渗措施[J].公路交通科技（应用技术版），2019，15（6）：126-128.

[2]付自鹏.水泥稳定碎石基层施工的技术要点和质量控制[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2019（6）：163-164.

[3]甘云伟.对道路公路工程中水泥稳定碎石基层施工技术的探讨[J].智能城市，2019，5（10）：144-145.

[4]张立亭.振动搅拌水泥稳定碎石施工技术探讨[J].西部交通科技，2019（5）：26-28.

[5]胡海波.玄武岩纤维带加筋水泥稳定碎石基层抗裂性能试验研究[D].西安：长安大学，2019.

[6]顾 万，肖 鹏，杨宇轩，等.再生水泥稳定碎石基层材料收缩及疲劳性能试验研究[J].混凝土与水泥制品，2018（12）：95-100.

[7]马满生.水泥稳定碎石基层施工技术在公路工程中的应用[J].工程建设与设计，2019（4）：213-214.

[8]周志刚，刘智仁，张 军.低剂量水泥改性级配碎石强度控制指标研究[J].西部交通科技，2019（3）：1-4，32.

作者简介：韦远思（1979—），工程师，研究方向：公路工程。