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        玄武巖纖維對水穩(wěn)建筑垃圾柔化抗裂性能的改善作用

        2021-04-23 08:34:28陳喬森翟超偉
        北方交通 2021年4期
        關(guān)鍵詞:玄武巖韌性碎石

        陳喬森,翟超偉

        (1.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司 廣州市 510507; 2.河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司 鄭州市 451464)

        0 引言

        建筑垃圾在水穩(wěn)碎石基層中的大規(guī)模應(yīng)用,可以節(jié)約石料資源和工程成本、減少對環(huán)境的破壞[1-2]。李萬舉等[3]認(rèn)為:磚混類建筑垃圾技術(shù)指標(biāo)較低,可用于二級以下公路底基層,其力學(xué)性能滿足二級及以下公路底基層指標(biāo)要求。王蒙[4]、孫吉書等[5]的研究表明:建筑垃圾吸水率大、壓碎值高,隨著建筑垃圾摻量的增大,水穩(wěn)建筑垃圾的干縮抗裂性能逐漸降低。研究現(xiàn)狀表明:水穩(wěn)建筑垃圾的路用性能較差,尤其是抗裂性能差,導(dǎo)致水穩(wěn)建筑垃圾基層易產(chǎn)生開裂破壞、使用壽命較低。目前僅能將建筑垃圾應(yīng)用于公路等級較低、交通量較小公路的基層中,且建筑垃圾摻量通常小于50%[6-8]。

        水穩(wěn)碎石開裂的最重要原因就是其抵抗變形的能力不足,在荷載作用或收縮變形的作用下,混合料內(nèi)部逐漸產(chǎn)生微裂縫,微裂縫造成的損傷逐步積累,擴展為宏觀裂縫,因此,增強水穩(wěn)碎石抵抗變形的能力可以有效地降低水穩(wěn)碎石的開裂破壞[9]。楊明[10]采用玄武巖纖維改善水穩(wěn)碎石的路用性能,發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維對水穩(wěn)碎石的路用性能有較強的改善作用,可以顯著提高水穩(wěn)碎石的抗彎拉強度、彎曲韌性以及抗收縮能力,能夠有效地提高水穩(wěn)碎石抵抗變形的能力。

        國內(nèi)外研究現(xiàn)狀表明:水穩(wěn)建筑垃圾的路用性能較差,尤其是抗裂性能不足,導(dǎo)致水穩(wěn)建筑垃圾基層使用壽命較短,進(jìn)而限制了水穩(wěn)建筑垃圾在高等級公路基層中的應(yīng)用,而玄武巖纖維能夠增強水穩(wěn)碎石的韌性,對水穩(wěn)碎石具有較好的柔化抗裂作用。通過7d抗壓強度試驗優(yōu)選出滿足重交通荷載等級高速公路基層使用要求的配合比,通過壓折比、抗彎拉韌性評價水穩(wěn)建筑垃圾抵抗變形開裂的能力。

        1 試驗方案

        以7d抗壓強度為指標(biāo),優(yōu)選出滿足重交通荷載等級下高速公路基層使用要求的水穩(wěn)建筑垃圾配合比,確定玄武巖纖維的較佳摻量,并通過水穩(wěn)建筑垃圾的壓折比、抗彎拉韌性,研究玄武巖纖維對水穩(wěn)建筑垃圾柔化抗裂性能的影響。試件的成型、養(yǎng)生、測試參考《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)的相關(guān)規(guī)定。

        1.1 壓折比

        壓折比可以在一定程度上反映水穩(wěn)碎石的韌性,壓折比越低,柔韌性能越好,抵抗荷載作用開裂的能力越強,其計算公式如式(1)所示。

        (1)

        式中,抗壓強度與抗彎拉強度的測試齡期均為90d,單位為MPa。

        1.2 抗彎拉韌性

        抗彎拉韌性是評價水穩(wěn)碎石在彎拉應(yīng)力下抵抗開裂能力的重要指標(biāo),表征從施加荷載開始到試件斷裂為止水穩(wěn)碎石混合料吸收的能量,能有效評價水穩(wěn)碎石混合料的抗變形能力及在彎拉荷載作用下抗斷裂的能力。參考JSCE(日本土木工程師學(xué)會)所推薦的等效彎拉強度來評價水穩(wěn)碎石的抗彎拉韌性,等效抗彎拉強度越大,表明使得水穩(wěn)碎石斷裂所需要的能量越大,水穩(wěn)碎石的抗彎拉韌性越好,抵抗變形的能力越強[16]。計算公式如式(2)所示。

        (2)

        式中:fe—等效彎拉強度(MPa);

        Ω—從開始到撓度為L/150荷載-撓度曲線下的面積(N·mm);

        L—兩支座之間的跨度(mm);

        b—試件的寬和高(mm);

        h—試件的高度(mm);

        δ—L/150。

        試驗齡期為90d。

        2 原材料及組成設(shè)計

        2.1 原材料

        水泥為42.5普通硅酸鹽水泥,建筑垃圾來源于陜西建新環(huán)??萍及l(fā)展有限公司,其物理力學(xué)性能測試結(jié)果如表1所示。

        表1 建筑垃圾和天然碎石的物理力學(xué)性能

        建筑垃圾混合料中細(xì)集料含量較高,在進(jìn)行級配設(shè)計時要將建筑垃圾重新篩分后再調(diào)整級配,參考《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20-2015)所推薦的CB-3級配進(jìn)行級配設(shè)計,如表2所示。

        表2 碎石和建筑垃圾的設(shè)計級配

        玄武巖纖維技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

        表3 玄武巖纖維的技術(shù)指標(biāo)

        2.2 水穩(wěn)建筑垃圾組成設(shè)計

        取建筑垃圾摻量為0、100%,水泥劑量為3.5%、4.5%、5.5%,纖維摻量為0、0.03%、0.06%、0.09%、0.12%,進(jìn)行擊實試驗,并通過7d抗壓強度優(yōu)選出較佳的纖維摻量和水泥劑量。水穩(wěn)建筑垃圾的7d抗壓強度試驗結(jié)果如表4所示。

        表4 7d抗壓強度試驗結(jié)果

        由表4可知,隨著水泥劑量的增大,水穩(wěn)建筑垃圾的抗壓強度逐漸增大;隨著玄武巖纖維摻量的增大,水穩(wěn)建筑垃圾的抗壓強度先增大后減小,纖維摻量為0.06%時,7d抗壓強度最大;水穩(wěn)建筑垃圾的抗壓強度顯著低于普通水穩(wěn)碎石,但仍具有較高的抗壓強度。纖維摻量過小時,纖維無法在水穩(wěn)建筑垃圾內(nèi)部形成整體的亂向分布體系,無法起到連接固定的作用;纖維摻量過大時,纖維易結(jié)團(tuán)、散布不均勻,且阻礙了水泥石的相互粘結(jié),導(dǎo)致水穩(wěn)建筑垃圾抗壓強度下降。

        參考《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》JTG/T F20-2015表4.2.4可知,水穩(wěn)碎石應(yīng)用于重交通荷載等級下高速公路基層的7d抗壓強度代表值為4.0~6.0MPa,公路等級較高時,推薦取上限強度標(biāo)準(zhǔn)。因此取配合比設(shè)計指標(biāo)為6MPa,即水穩(wěn)建筑垃圾的7d抗壓強度大于6MPa時,認(rèn)為水穩(wěn)建筑垃圾能夠滿足重交通荷載等級下高速公路基層的使用要求。建筑垃圾摻量為100%、水泥劑量為4.5%、纖維摻量為0.06%時,水穩(wěn)建筑垃圾的7d抗壓強度能夠滿足重交通荷載等級下高速公路鋪筑上層結(jié)構(gòu)的要求??紤]到水泥劑量過大會導(dǎo)致水穩(wěn)碎石收縮抗裂性能降低,在水穩(wěn)建筑垃圾力學(xué)性能滿足的情況下,應(yīng)該盡量選取較低的水泥劑量,因此選取建筑垃圾摻量為0、100%,水泥劑量為4.5%,纖維摻量為0、0.03%、0.06%、0.09%,進(jìn)行水穩(wěn)建筑垃圾的柔化抗裂性能試驗,以研究玄武巖纖維對水穩(wěn)建筑垃圾柔化抗裂性能的影響。

        3 試驗結(jié)果及分析

        3.1 壓折比

        90d抗壓強度試驗、90d抗彎拉強度試驗結(jié)果如表5所示。

        表5 壓折比試驗結(jié)果

        由表5可知:隨著纖維摻量的增大,90d抗壓強度先增大后減小,90d抗彎拉強度一直增大,但增長幅度逐漸減緩。摻加玄武巖纖維后,水穩(wěn)建筑垃圾的壓折比大幅度減小,且隨著纖維摻量的增大,壓折比持續(xù)減小,纖維摻量為0.06%的水穩(wěn)建筑垃圾的壓折比較普通水穩(wěn)碎石減小了6.7%,不摻加纖維的水穩(wěn)建筑垃圾的壓折比較普通水穩(wěn)碎石增大了16.2%。這表明摻加玄武巖纖維可以有效地增強水穩(wěn)建筑垃圾的韌性,改善其抵抗開裂的能力。

        此外,《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》JTG D50-2017中規(guī)定,90d抗彎拉強度應(yīng)該高于0.9MPa,可見摻加纖維后,水穩(wěn)建筑垃圾的力學(xué)強度能夠滿足規(guī)范要求。纖維摻量為0.06%時,抗壓強度、抗彎拉強度最大,力學(xué)性能最佳。

        3.2 抗彎拉韌性

        抗彎拉韌性試驗結(jié)果如表6所示。

        由表6可知,摻加纖維后,水穩(wěn)建筑垃圾的等效彎拉強度大幅度提升,且隨著纖維摻量的增大,等效彎拉強度逐漸增大,纖維摻量為0.06%的水穩(wěn)建筑垃圾的等效彎拉強度較普通水穩(wěn)碎石增大了3.9%,不摻加纖維的水穩(wěn)建筑垃圾的等效彎拉強度較普通水穩(wěn)碎石減小了29.4%。這表明摻加玄武巖纖維可以有效地改善水穩(wěn)建筑垃圾抵抗開裂的能力。

        表6 等效彎拉強度計算結(jié)果

        加載初期,水穩(wěn)碎石混合料作為一個整體受力,變形極小,玄武巖纖維基本不起作用;隨著荷載的增大,混合料中逐漸生成微裂縫,纖維開始起到加筋橋接的作用,承擔(dān)了部分彎拉應(yīng)力;隨著微裂縫的繼續(xù)擴展,混合料中的薄弱面上開始出現(xiàn)宏觀裂縫,纖維起到了主要的連接作用;隨著繼續(xù)加載,纖維的承載能力達(dá)到了極限,部分纖維被拉斷,混合料的承載能力開始降低,裂縫繼續(xù)擴展,直到纖維全部被拉斷,形成貫通縫。

        4 結(jié)論

        (1)摻加玄武巖纖維后,水穩(wěn)建筑垃圾的柔化抗裂性能得到了大幅度增強,纖維摻量為0.06%時,水穩(wěn)建筑垃圾的壓折比比不摻加纖維的水穩(wěn)建筑垃圾減小了19.7%、等效彎拉強度增大了47.2%。

        (2)隨著玄武巖纖維摻量的增大,水穩(wěn)建筑垃圾的柔化抗裂性能的增長幅度逐漸減小,纖維摻量為0.06%時,玄武巖纖維對水穩(wěn)建筑垃圾的綜合柔化抗裂性能最佳。

        (3)玄武巖纖維摻量為0.06%時,水穩(wěn)建筑垃圾的抗裂性能與普通水穩(wěn)碎石比較接近,其力學(xué)性能、抗裂性能均能滿足重交通荷載等級高速公路基層的使用要求。

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