閆偉

天津市地下鐵道集團(tuán)有限公司 天津 300300

摘要：通過(guò)將纖維材料添加到瀝青混合料中形成一種纖維柔性路基新型材料，與普通材料相比，具有較強(qiáng)的劈裂強(qiáng)度。試驗(yàn)表明，劈裂強(qiáng)度隨著添加纖維的長(zhǎng)細(xì)比增大而減小，合理的纖維摻量在1‰到2‰之間，聚丙烯纖維材料提高材料劈裂強(qiáng)度效果顯著。總之，纖維級(jí)配碎石材料增加路面整體抵抗層底拉應(yīng)力的能力，提高道路承載力抗車轍性能從而延長(zhǎng)道路使用壽命。

關(guān)鍵詞：纖維；級(jí)配碎石；劈裂強(qiáng)度

1.前言

我國(guó)公路建設(shè)正處在一個(gè)大規(guī)模建設(shè)高等級(jí)公路的發(fā)展時(shí)期，大交通量和重載車輛的日益增多，必然對(duì)公路路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性提出更高的要求。幾十年來(lái)公路建設(shè)一直采用的半剛性瀝青路面基層存在收縮開(kāi)裂、滲水性差、對(duì)重載車具有更大的軸載敏感性等缺點(diǎn)，這已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外研究人員的高度重視。

瀝青混合材料就是將纖維隨機(jī)地分布于混合料中所組成的一種纖維型與顆粒型的復(fù)合材料，它是一種非常有潛力的·路面材料。通過(guò)理論分析和試驗(yàn)對(duì)比，對(duì)纖維級(jí)配碎石的主要力學(xué)性能進(jìn)行了研究，表明纖維級(jí)配碎石柔性路面材料，同傳統(tǒng)半剛性基層相比，增加路面整體抵抗層底拉應(yīng)力的能力，可以較有效的防止反射裂縫的產(chǎn)生，提高道路承載力抗車轍性能從而延長(zhǎng)道路使用壽命。

2.瀝青混合材料力學(xué)性能分析

通過(guò)添加抗拉強(qiáng)度和彈性模量較高的纖維材料，纖維復(fù)合后的材料抗拉強(qiáng)度和承受動(dòng)荷載的能力都會(huì)得到不同程度的提高。影響纖維增強(qiáng)混合料性能的主要因素有：纖維的摻量、種類、長(zhǎng)徑比以及纖維在混凝土中是否均勻分布等。

2.1劈裂強(qiáng)度分析

良好的基層材料必須具備一定的抗拉強(qiáng)度，而劈裂強(qiáng)度就是衡量抗拉強(qiáng)度的指標(biāo)。試件采用振動(dòng)成型法成型成高和直徑均為150mm的圓柱形試件，劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)方法按照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）中的T0806—1994進(jìn)行。將試件放到路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀的升降臺(tái)上，使試件的形變以約1mm/min的等速率增加進(jìn)行劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)。試件的劈裂強(qiáng)度按下式計(jì)算：

（式1）

式中：——試件破壞時(shí)的最大壓力（kN）；

——試件高度（mm）。

2.1.1 纖維長(zhǎng)細(xì)比及摻量對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響

摻加纖維的拌和工藝流程為，混合料按照常規(guī)方法制備，在添加水之前，先將按比例摻配好的粗細(xì)集料混勻，然后加入定量的纖維干拌，直至纖維均勻分布再加水進(jìn)行濕拌。成型好的圓柱試件，不需要像水泥穩(wěn)定碎石那樣進(jìn)行養(yǎng)生，立即放在路面材料強(qiáng)度儀上進(jìn)行劈裂試驗(yàn)。根據(jù)劈裂強(qiáng)度的大小優(yōu)化纖維的尺寸和長(zhǎng)度以及摻量。

選擇的纖維種類為塑料繩纖維，直徑固定，長(zhǎng)度分別取1cm、3cm、5cm、7cm，纖維的摻量（質(zhì)量比）定為0‰、1‰、2‰、3‰、4‰，共計(jì)五種摻量。首先測(cè)定不加纖維的普通級(jí)配碎石的劈裂強(qiáng)度，以空白試件作為基準(zhǔn)，然后再進(jìn)行同一種級(jí)配，同一含水量下?lián)郊硬煌w維的級(jí)配碎石劈裂強(qiáng)度的平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1纖維級(jí)配碎石不同長(zhǎng)細(xì)比及摻量劈裂強(qiáng)度對(duì)比圖

通過(guò)圖1的比較，可以看出對(duì)于摻加纖維的級(jí)配碎石，纖維尺寸不變時(shí)，隨著纖維摻量的增加，劈裂強(qiáng)度隨之先增大后減小。添加纖維能夠提高級(jí)配碎石整體的抗變形能力，尤其是受拉破壞的抵抗能力可以明顯提高，摻量在千分之一到千分之二之間范圍內(nèi)較為合理。

將圖1中相同的摻量下，不同纖維尺寸級(jí)配碎石的劈裂強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，可以看出尺寸越小，劈裂強(qiáng)度越大，纖維尺寸越小，其在混合材料中分布越趨于均勻，和易性越好，能較好的發(fā)揮其抗拉能力，從而提高材料的整體抗變形能力。

2.1.2不同種類纖維的對(duì)比

目前通常國(guó)內(nèi)外通常采用的纖維材質(zhì)主要有聚丙烯纖維、聚酯纖維、木質(zhì)素纖維，在纖維摻量在1‰條件下進(jìn)行劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果在表2中。

表1 摻加纖維后的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

編號(hào) 不加纖維 纖維1號(hào) 纖維2號(hào) 纖維3號(hào) 纖維4號(hào) 纖維5號(hào)

纖維類型 - 聚丙烯纖維 聚酯纖維 聚丙烯纖維 常見(jiàn)普通纖維 木質(zhì)素纖維

劈裂強(qiáng)度平均值（kPa） 14.2 18.4 17.2 21.3 16.5 14.8

通過(guò)多次反復(fù)試驗(yàn)求得的劈裂強(qiáng)度平均值，從表1中可以看出，相同級(jí)配相同混合料相同成型方式，同一時(shí)間條件下，無(wú)論是哪種纖維，摻加1‰的纖維的級(jí)配碎石混合料的劈裂強(qiáng)度均大于不摻加纖維的劈裂強(qiáng)度。相同摻量下，對(duì)于改善級(jí)配碎石力學(xué)性能來(lái)說(shuō)，摻加聚丙烯纖維材料劈裂強(qiáng)度能提高50%。當(dāng)微裂縫向細(xì)裂縫發(fā)展的過(guò)程中，必然碰到多條不同向的微纖維，由于纖維的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于級(jí)配碎石基體的強(qiáng)度，以及纖維與級(jí)配碎石較好的粘結(jié)力，所以在裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展過(guò)程中，由于纖維與級(jí)配碎石的相對(duì)位移消耗了能量，降低了應(yīng)力水平，使得裂縫擴(kuò)展收到了限制，進(jìn)而使得纖維級(jí)配碎石的抗拉強(qiáng)度有明顯的提高。

3.結(jié)論

（1）纖維級(jí)配碎石作為一種新型路基材料，與半剛性基層相比有明顯的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)理論分析和試驗(yàn)對(duì)比，對(duì)纖維級(jí)配碎石的主要力學(xué)性能進(jìn)行了研究，表明纖維級(jí)配碎石柔性路面材料，具有較強(qiáng)的劈裂強(qiáng)度和抗剪切性能，同傳統(tǒng)半剛性基層相比，增加路面整體抵抗層底拉應(yīng)力的能力，可以較有效的防止反射裂縫的產(chǎn)生，提高道路承載力抗車轍性能從而延長(zhǎng)道路使用壽命。

（2）對(duì)于摻加纖維的級(jí)配碎石，纖維尺寸、摻量和種類都對(duì)其劈裂強(qiáng)度有一定影響。纖維尺寸不變時(shí)，隨著纖維摻量的增加，劈裂強(qiáng)度隨之先增大后減小，纖維的摻量在千分之一到千分之二之間范圍內(nèi)較為合理；相同的摻量下，纖維尺寸尺寸越小，劈裂強(qiáng)度越大，也就是說(shuō)較小尺寸的纖維對(duì)于改善級(jí)配碎石抗拉性能效果最為顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王樹(shù)森.級(jí)配碎石基層材料組成設(shè)計(jì)與工藝控制的研究[J].公路，2001，（2）：75-79.

[2] Smith Robert Brian：Durability assessment of crush rock road base.Bulletin of the International Association of Engineering Geology[J].June 1984，Volume 29，Issue 1，pp 443-446.

[3] 楊德恒.級(jí)配纖維碎石封層的力學(xué)性能及施工工藝[J].交通世界：工程技術(shù)，2014，（10）.

[4] P.Paige-Green：Durability testing of basic crystalline rocks and specification for use as road base aggregate.Bulletin of Engineering Geology and the Environment，November 2007，Volume 66，Issue 4，pp 431-440.

[5] Xianhong Meng and Yupu Song：Residual tensile strength of plain concrete under tensile fatigue loading.Journal of Wuhan University of Technology - Mater.Sci.Ed.，September 2007，Volume 22，Issue 3，pp 564-568.

[6] 李晶晶，程昌鈞.Differential quadrature method for bending problem of plates with transverse shear effects[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)：英文版，2003，7（3）：228-233.