張新旺

(平頂山市公路管理局， 河南 平頂山 467000)

半剛性材料主要由水泥、石灰、粉煤灰和集料組合而成，常用的組合有水泥+集料和石灰+粉煤灰+集料，即水泥穩(wěn)定類和二灰穩(wěn)定類基層[1,2]。但是對(duì)于水泥+石灰+粉煤灰+集料組合成的水泥石灰粉煤灰穩(wěn)定類基層研究很少[3,4]。深入研究分析水泥石灰粉煤灰穩(wěn)定類與石灰粉煤灰穩(wěn)定類和水泥穩(wěn)定類的抗裂性能優(yōu)劣問題具有十分重要的意義[5,6]。

半剛性材料開裂的產(chǎn)生，不管是荷載型還是非荷載型裂縫，其主要原因是收縮應(yīng)力或荷載應(yīng)力超過(guò)材料最大的抗彎拉應(yīng)力，因此提高半剛性材料抗彎拉應(yīng)力也是提高抗裂性能的一個(gè)重要方法。而從理論上講，在半剛性材料中加筋(纖維)是提高其抗彎拉應(yīng)力的一種有效方法。

基于此，本研究在砂礫骨架級(jí)配確定的基礎(chǔ)上，主要進(jìn)行三灰砂礫細(xì)集料級(jí)配研究，深入分析細(xì)集料級(jí)配對(duì)三灰砂礫抗裂性能的影響；在級(jí)配研究的基礎(chǔ)上，選用抗裂性能好的級(jí)配，進(jìn)行常用的半剛性基層結(jié)合料最佳配合比研究，從而優(yōu)化石灰粉煤灰砂礫、水泥粉煤灰砂礫以及水泥石灰粉煤灰砂礫配合比；選用最佳抗裂性能的級(jí)配和配合比作為基體材料，通過(guò)添加不同性能的聚丙烯纖維，進(jìn)行半剛性復(fù)合材料抗裂性能研究。

1 試驗(yàn)配合比組成

石灰粉煤灰(簡(jiǎn)稱二灰)比例對(duì)混合料強(qiáng)度的影響很大。試驗(yàn)選擇了五種二灰比例，即石灰∶粉煤灰=1∶2，1∶2.5，1∶3，1∶3.5，1∶4(質(zhì)量比)，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并以強(qiáng)度最大值對(duì)應(yīng)的二灰比例作為最佳二灰配比。得到二灰比例在1∶2.3左右的7天抗壓強(qiáng)度最大，因此本研究采用石灰∶粉煤灰=1∶2.3(質(zhì)量比)，由內(nèi)插法得到其最大干密度為1.25 g/cm3，最佳含水量為27.8%。

按W.B富勒(Fuller)的最大干密度曲線公式，得到的初定級(jí)配見表1所示。

表1 砂礫初定級(jí)配

現(xiàn)以初定砂礫級(jí)配為基準(zhǔn)級(jí)配W-1，細(xì)集料采用逐級(jí)替代，得到六種砂礫級(jí)配見表2，旨在研究細(xì)集料級(jí)配對(duì)半剛性材料抗裂性能的影響。根據(jù)級(jí)配理論，針對(duì)平頂山地區(qū)原材料，可得二灰的合理填充量。

表2 六種集料級(jí)配匯總表(%)

為了研究不同結(jié)合料對(duì)半剛性基層材料性能的影響，進(jìn)行了不同結(jié)合料的半剛性材料力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)合料類型如表3所示。

通過(guò)摻加纖維可以提高半剛性材料的抗拉強(qiáng)度，為了分析纖維的摻量、截面形狀、界面粗糙度對(duì)三灰砂礫劈裂強(qiáng)度的影響，還進(jìn)行了摻加纖維帶和纖維網(wǎng)的試驗(yàn)，如表4所示。

表3 不同結(jié)合料穩(wěn)定砂礫的代號(hào)

表4 添加復(fù)合材料的三灰砂礫的代號(hào)

2 力學(xué)性能試驗(yàn)及分析

作為路面主要承重層的半剛性基層必須具備足夠的強(qiáng)度和剛度，才能夠承受外力，并具有抵抗外力作用下的變形能力。同時(shí)還須具備一定的抗拉強(qiáng)度，才能使材料具有一定的抗裂性能。因此，在室內(nèi)對(duì)各種方案的基層材料進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗壓回彈模量、抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)。

2.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1.1不同細(xì)集料級(jí)配三灰砂礫抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

不同細(xì)集料級(jí)配三灰砂礫的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖1所示。

由圖1可知：合理的細(xì)集料級(jí)配對(duì)粗集料骨架的形成起到重要的作用，細(xì)集料過(guò)細(xì)對(duì)骨架結(jié)構(gòu)存在干涉現(xiàn)象，致使內(nèi)摩擦角減小，細(xì)集料過(guò)粗則對(duì)粗集料的骨架起不到很好的填充作用，導(dǎo)致粘聚力減小。而合理的細(xì)集料級(jí)配不但使骨架結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，而且還能起到很好的填充作用，使整體強(qiáng)度提高，該級(jí)配為W-3。故后面的研究均以W-3作為骨料級(jí)配。

2.1.2不同結(jié)合料穩(wěn)定砂礫的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

半剛性基層材料要具備足夠的強(qiáng)度和剛度，在很大程度上取決于結(jié)合料的配比和用量，而在用量一定的情況下，配比尤為關(guān)鍵，因此進(jìn)行不同結(jié)合料穩(wěn)定砂礫抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖2、圖3所示。

圖3 不同水泥劑量穩(wěn)定砂礫抗壓強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)曲線

從圖2、圖3可知：各類半剛性基層的抗壓強(qiáng)度均隨齡期的增長(zhǎng)而增大；各類材料的早期(28天前)強(qiáng)度中，水泥粉煤灰砂礫最大，二灰砂礫最小，三灰砂礫居中，而且三灰砂礫的強(qiáng)度隨水泥替代石灰量的增加而增大；材料的強(qiáng)度增長(zhǎng)，90天前呈直線增長(zhǎng)，90天后水泥粉煤灰砂礫和二灰砂礫明顯變緩，即在90天處存在強(qiáng)度增長(zhǎng)拐點(diǎn)，而三灰砂礫90天后仍保持直線增長(zhǎng)；齡期為180天的各類材料強(qiáng)度中，三灰砂礫最大，水泥粉煤灰砂礫次之，二灰砂礫最小。

試驗(yàn)表明，三灰砂礫不但可以克服二灰砂礫的早期強(qiáng)度不足，而且后期強(qiáng)度比二灰砂礫和水泥粉煤灰砂礫高，由此說(shuō)明三灰砂礫強(qiáng)度增長(zhǎng)的優(yōu)越性，同時(shí)還可以通過(guò)調(diào)整三灰砂礫中的水泥用量來(lái)實(shí)現(xiàn)基層早期強(qiáng)度的要求。

2.1.3復(fù)合材料及規(guī)范級(jí)配三灰砂礫抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

三灰砂礫摻加纖維后的抗壓強(qiáng)度、規(guī)范級(jí)配與最佳級(jí)配三灰砂礫的抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖4所示(GF指規(guī)范級(jí)配)。

圖4 復(fù)合材料、規(guī)范級(jí)配等三灰砂礫的強(qiáng)度增長(zhǎng)曲線

由圖4可見：對(duì)于相同的結(jié)合料和結(jié)合料配比，砂礫的級(jí)配對(duì)于強(qiáng)度影響很大，如在三灰砂礫的原材料、配比一樣的情況下，本課題得到最佳級(jí)配的180天抗壓強(qiáng)度是規(guī)范級(jí)配的1.75倍；摻加纖維降低了三灰砂礫的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)纖維尺寸對(duì)三灰砂礫強(qiáng)度的形成有一定影響，如摻加纖維絲(J-2-3)使三灰砂礫180天抗壓強(qiáng)度降低了25%，摻加纖維帶(J-2-Ⅲ)使三灰砂礫的180天抗壓強(qiáng)度降低了62%，這是因?yàn)槔w維的加入影響了基層材料整體性的形成。

2.2 抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果及分析

依據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ 057-94)，采用頂面法，測(cè)試了各類半剛性材料的抗壓回彈模量，試驗(yàn)結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 不同結(jié)合料穩(wěn)定砂礫的抗壓回彈模量

圖6 復(fù)合材料及規(guī)范級(jí)配三灰砂礫的抗壓回彈模量

由圖5可知：抗壓回彈模量隨著齡期的增長(zhǎng)而增大。在水泥和石灰用量相同的條件下，水泥穩(wěn)定類的抗壓回彈模量大于二灰類的抗壓回彈模量，而且水泥穩(wěn)定類的抗壓回彈模量隨水泥用量的增大而增大，同時(shí)三灰砂礫的抗壓回彈模量隨水泥劑量的增大而增大。

由圖6可知：三灰砂礫的抗壓回彈模量隨其添加纖維而減小，而且劑量和纖維尺寸越大其抗壓回彈模量越小。

基層剛度越大結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的溫度應(yīng)力就越大，使結(jié)構(gòu)越容易產(chǎn)生溫度收縮裂縫，所以從抗裂角度出發(fā)，在滿足強(qiáng)度要求的前提下，剛度越小越好；但是從路面的結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō)，剛度越大則結(jié)構(gòu)層厚度就越薄，所以結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)要求剛度越大越好。當(dāng)然，若層間的剛度相差太大，將使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過(guò)大的拉應(yīng)力，特別是在干燥收縮和溫度收縮的綜合影響下，也使路面的抗裂性能降低，因此，合適的基層剛度不僅可提高抗裂性能，還可以優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。綜上所述，在強(qiáng)度滿足要求的前提下(J-1的7天強(qiáng)度為0.48 MPa，不滿足規(guī)范要求)，剛度越小抗裂性能越好，因此由強(qiáng)度、剛度得到J-2的抗裂性能最佳。

2.3 抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

作為路面的主要承重層，半剛性基層材料還必須具備一定的抗拉強(qiáng)度，以滿足行車荷載的需要。其中劈裂強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度就是目前用來(lái)衡量抗拉強(qiáng)度的兩個(gè)基本指標(biāo)。

2.3.1劈裂試驗(yàn)

通過(guò)摻加纖維可以提高半剛性材料的抗拉強(qiáng)度，所以本研究以纖維劑量和齡期為變量進(jìn)行材料的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，以期得到纖維的最佳摻量和測(cè)定該最佳摻量的最佳齡期。試驗(yàn)結(jié)果見圖7所示。

圖7 添加纖維絲三灰砂礫劈裂強(qiáng)度

從圖7可知：纖維的加入可提高三灰砂礫的劈裂強(qiáng)度；摻纖維三灰砂礫的劈裂強(qiáng)度與纖維摻量存在一個(gè)峰值，即存在一個(gè)峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的最佳纖維摻量。

摻加纖維與不加纖維的劈裂強(qiáng)度增加百分率，具體計(jì)算如下：

計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 添加纖維絲后三灰砂礫劈裂強(qiáng)度增長(zhǎng)百分率

由圖8可知：摻纖維三灰砂礫劈裂強(qiáng)度的增長(zhǎng)率隨纖維摻量大致呈拋物線變化，即劈裂強(qiáng)度增長(zhǎng)率隨著纖維摻量的增加而增加，當(dāng)達(dá)到某一峰值后，劈裂強(qiáng)度增長(zhǎng)率隨著纖維摻量的增加而減少，該峰值為0.15‰；與其它齡期相比，28天劈裂強(qiáng)度的增長(zhǎng)率最大，因此，以28天齡期作為測(cè)定最佳纖維用量的齡期，以此優(yōu)選纖維絲的最佳用量為0.15‰。

劈裂強(qiáng)度隨纖維摻量呈現(xiàn)拋物線變化的原因是：從理論上講，增加纖維摻量，其劈裂強(qiáng)度會(huì)提高，但摻量大于某一定值時(shí)，摻纖維三灰砂礫的劈裂強(qiáng)度不僅不隨纖維摻量的增加而提高，反而有下降的趨勢(shì)。這是由于纖維摻量太大時(shí)，工藝上不能保證基體與纖維的均勻分布，以致有的纖維周圍沒有基體，形成缺陷(如空隙、微裂紋等)，導(dǎo)致劈裂強(qiáng)度下降。所以三灰砂礫中纖維摻量不能太大，應(yīng)有一個(gè)最佳值。

為了分析纖維的截面形狀、界面粗糙度對(duì)三灰砂礫劈裂強(qiáng)度的影響，還進(jìn)行了摻加纖維網(wǎng)、纖維帶三灰砂礫28天的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，并與其它種類纖維對(duì)三灰砂礫的增加效果進(jìn)行了橫向?qū)Ρ?。試?yàn)結(jié)果見圖9所示。

圖9 摻加不同纖維三灰砂礫的28天劈裂強(qiáng)度

從圖9可知：不同種類纖維的加入均提高了三灰砂礫的28天劈裂強(qiáng)度，其中添加纖維帶的劈裂強(qiáng)度提高48.7%(J-2-Ⅲ，摻量0.3‰)，添加纖維絲的劈裂強(qiáng)度提高61.3%(J-2-3，摻量0.15‰)，添加纖維網(wǎng)的劈裂強(qiáng)度提高80%(J-2-a，摻量0.15‰)。由此可知：相同添加劑量、尺寸一樣的纖維，界面粗糙的纖維對(duì)劈裂強(qiáng)度的提高更大，這是因?yàn)槔w維網(wǎng)與半剛性材料的界面粘結(jié)比纖維絲牢固。而纖維帶的摻加劑量是纖維絲的兩倍，但對(duì)三灰砂礫劈裂強(qiáng)度的提高卻比纖維絲小，這說(shuō)明纖維的截面尺寸對(duì)劈裂強(qiáng)度也有很大的影響，因?yàn)槔w維截面尺寸越小，它與半剛性基體材料越能形成整體，缺陷越少。

由此可見，摻加纖維三灰砂礫劈裂強(qiáng)度的大小不但與纖維的劑量有關(guān)，而且與纖維的斷面尺寸、界面粗糙狀況等有關(guān)。因此，摻加纖維三灰砂礫的纖維斷面尺寸越小、界面越粗糙，提高其抗彎拉能力就越大。

2.3.2抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

抗折強(qiáng)度試驗(yàn)的試驗(yàn)方法參照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ 057-94)，試件尺寸為10 cm的中梁，90天齡期的試驗(yàn)結(jié)果見圖10～圖12所示。

由圖10可見，三灰砂礫的90天抗折強(qiáng)度隨細(xì)集料級(jí)配的變粗出現(xiàn)一個(gè)峰值，即抗折強(qiáng)度隨細(xì)集料變粗而變大，然后隨細(xì)集料變粗而減小。該峰值抗折強(qiáng)度的級(jí)配為W-3。

圖10 不同細(xì)集料級(jí)配三灰砂礫的90天抗折強(qiáng)度

圖11 不同結(jié)合料穩(wěn)定砂礫的90天抗折強(qiáng)度

圖12 添加纖維及規(guī)范級(jí)配三灰砂礫的90天抗折強(qiáng)度

由圖11、圖12可見，合理的砂礫級(jí)配明顯地提高了三灰砂礫的抗折強(qiáng)度，如本研究設(shè)計(jì)的最佳級(jí)配三灰砂礫(J-2)，其抗折強(qiáng)度是規(guī)范級(jí)配三灰砂礫(GF)的1.42倍。另外，添加纖維使三灰砂礫的抗折強(qiáng)度得到明顯的提高，如添加纖維帶(J-2-Ⅲ)的抗折強(qiáng)度是不加纖維三灰砂礫(J-2)的1.32倍，添加纖維絲(J-2-3)則為1.42倍。

抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，有三種提高抗折強(qiáng)度的方法，一是通過(guò)試驗(yàn)研究改善砂礫的級(jí)配；二是添加纖維；三是提高材料的抗壓強(qiáng)度。三種方法相比而言，級(jí)配的控制不易進(jìn)行，通過(guò)提高抗壓強(qiáng)度也不會(huì)有好的效果，而通過(guò)摻加纖維提高半剛性材料抗裂性能，既利于實(shí)際操作又有很好的提高抗裂效果。

3 結(jié) 論

(1) 半剛性材料在90天前，其抗壓強(qiáng)度隨齡期呈直線增長(zhǎng)，90天后水泥粉煤灰砂礫(J-5、J-6)和二灰砂礫(J-1)明顯變緩，即在90天處存在強(qiáng)度增長(zhǎng)拐點(diǎn)，而三灰砂礫(J-2、J-3、J-4)90天后的強(qiáng)度仍隨齡期保持直線增長(zhǎng)。

(2) 通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，合理的細(xì)集料級(jí)配使粗集料骨架結(jié)構(gòu)不受干涉，而且還能起到很好的填充作用，使其整體抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度提高，該合理級(jí)配為W-3。

(3) 摻加纖維降低了三灰砂礫的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)纖維尺寸對(duì)三灰砂礫強(qiáng)度的形成有一定的影響，這是因?yàn)槔w維的加入影響了基層材料整體性的形成。

(4) 半剛性材料抗壓回彈模量隨著齡期的增長(zhǎng)而增大。在水泥和石灰用量相同的條件下，水泥穩(wěn)定類的抗壓回彈模量大于二灰穩(wěn)定類的抗壓回彈模量，而且水泥穩(wěn)定類的抗壓回彈模量隨水泥用量的增大而增大，同時(shí)三灰砂礫的抗壓回彈模量隨水泥劑量的增大而增大。

(5) 三灰砂礫的抗壓回彈模量隨其添加纖維而減小，而且劑量和纖維尺寸越大其抗壓回彈模量越??；

(6) 摻加纖維三灰砂礫可提高半剛性材料的劈裂強(qiáng)度，而且存在一個(gè)峰值劈裂強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的最佳纖維摻量和測(cè)試該最佳摻量的最佳齡期，該齡期為28天；其次，纖維的斷面尺寸、界面粗糙度對(duì)該最佳用量有很大影響；

(7) 在三灰砂礫中添加相同劑量、相同尺寸的纖維，界面粗糙的纖維對(duì)劈裂強(qiáng)度的提高更大，這是因?yàn)槔w維網(wǎng)與半剛性材料的界面粘結(jié)比纖維絲牢固。

[1]郝培文, 胡長(zhǎng)順, 張炳乾, 等. 半剛性基層材料抗沖刷性能的研究[J]. 西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2000, 20(2): 9-11.

[2]劉振清, 黃 衛(wèi). 優(yōu)化二灰穩(wěn)定尾礦料用作基層材料的研究[J]. 粉煤灰綜合利用, 2002, (5): 6-9.

[3]許學(xué)民, 朱浮聲. 六盤山地區(qū)水泥石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石基層路用性能研究[J]. 公路交通科技, 2009, 26(6): 59-63.

[4]平樹江, 李漢江, 劉好成. 粉煤灰在公路路面底基層中的應(yīng)用研究[J]. 粉煤灰綜合利用, 2004, (5): 12-14.

[5]汪海年, 郝培文, 龐立果, 等. 基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的粗集料級(jí)配特征[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2007, 35(11): 54-59.

[6]嵇志榮, 王 杰, 夏桂英. 長(zhǎng)白山機(jī)場(chǎng)抗凍混凝土配合比設(shè)計(jì)[J]. 江西建材, 2009, (2): 7-13.