■楊晨筱

（山西協(xié)力公路工程監(jiān)理有限公司，晉中 030600）

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)， 近年來95%以上的瀝青路面基層是采用水泥穩(wěn)定碎石基層，隨著國家對(duì)環(huán)保力度的不斷加強(qiáng)，石料開采量受到限制，市面上的碎石價(jià)格日益上漲，導(dǎo)致道路的建設(shè)費(fèi)用不斷加大[1-3]。 早年修建的道路大多已到了改擴(kuò)建或翻修階段，在此過程中產(chǎn)生大量的舊料堆砌或被填埋， 對(duì)環(huán)境造成了污染，同時(shí)也是對(duì)土地資源和石料資源的嚴(yán)重浪費(fèi)[4-5]。研究表明[6]，舊路經(jīng)銑刨產(chǎn)生的水泥穩(wěn)定碎石材料強(qiáng)度較低，經(jīng)過破碎、分級(jí)處理后用于新建道路的基層或底基層很容易發(fā)生收縮開裂，并逐漸反射到瀝青面層。 為了改善銑刨料的力學(xué)強(qiáng)度和抗裂性能，通常在銑刨料中加入一部分新集料或者添加劑。 許云龍[7]通過不同比例的銑刨料代替天然集料，加入一定比例聚酯纖維用于水泥穩(wěn)定碎石基層，研究了再生集料用量，結(jié)果表明再生集料用量為60%、纖維體積摻量為0.8%時(shí)的水穩(wěn)定再生集料力學(xué)強(qiáng)度和抗縮裂性能最好。 郭立成等[8]研究了聚酯纖維摻量對(duì)于水泥穩(wěn)定再生集料的強(qiáng)度、 抗沖刷和干縮性能，發(fā)現(xiàn)聚酯纖維對(duì)于水泥穩(wěn)定再生集料的抗壓和抗拉強(qiáng)度具有增強(qiáng)作用，并能明顯改善其抗沖刷和降低干縮變形的性能。 為提高水泥穩(wěn)定再生集料的路用性能，本文從玄武巖纖維用量方面進(jìn)一步研究了水泥穩(wěn)定再生集料的力學(xué)性能和抗裂性能。

1 原材料與配合比

1.1 原材料

水泥選用佛山海螺牌42.5R 普通硅酸鹽水泥，技術(shù)性能見表1。 纖維材料采用浙江某新材料有限公司提供的玄武巖纖維，平均長度為12 mm，呈褐色單絲束狀，直徑約在8.9 μm，抗拉強(qiáng)度為3000～4800 MPa，斷裂伸長率為1.6%～3.1%。 再生集料是選自武陟縣迎賓大道現(xiàn)狀水泥穩(wěn)定碎石基層，經(jīng)銑刨、 破碎和篩分得到4 檔集料， 粒徑分別為0～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～19 mm 和19～31.5 mm；天然粗集料選用石灰?guī)r碎石， 規(guī)格與再生集料一致；細(xì)集料采用0～5 mm 粒徑的石灰?guī)r石屑。 按照J(rèn)TG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》中的試驗(yàn)方法對(duì)各檔天然集料和再生集料的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測試，其結(jié)果見表2、3。

表1 普通硅酸鹽水泥指標(biāo)性質(zhì)

表2 粗集料技術(shù)性能

表3 細(xì)集料技術(shù)性能

1.2 配合比

采用JTG/T F20—2015 《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》并參考已有研究成果[4]確定本次試驗(yàn)混合料級(jí)配，其合成級(jí)配見表4。 結(jié)合工程實(shí)踐，水泥摻量一般在3.0%～6.0%，本次試驗(yàn)中水泥用量均采用4.5%，玄武巖纖維（BF）分別取0.6‰、0.9‰和1.2‰（占混合料總質(zhì)量的百分比）。

表4 混合料合成級(jí)配

2 路用性能分析

為了更好地研究玄武巖纖維摻量及其對(duì)再生集料混合料各方面路用性能的影響，本文將通過試驗(yàn)分別從抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗裂性和抗凍性等方面對(duì)摻玄武巖纖維的水泥再生集料性能進(jìn)行分析，試驗(yàn)將不摻纖維的天然集料作為對(duì)照組。

（1）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

室內(nèi)成型直徑和高度為150 mm 的圓柱體試件，并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至28 d，然后浸沒在水中24 h， 采用電液伺服萬能材料試驗(yàn)儀進(jìn)行測試，測試加載速率為1 mm/min，通過試驗(yàn)可直接得到試件破壞時(shí)最大荷載值，通過單位面積上的最大荷載換算為抗壓強(qiáng)度值，其結(jié)果如圖1 所示。

圖1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從圖1 看出，不摻纖維的水泥穩(wěn)定再生集料的抗壓強(qiáng)度相比天然集料小1.13 MPa，天然集料相對(duì)高了22.1%，在加入纖維后再生集料抗壓強(qiáng)度有一定幅度增加，且在纖維摻量為1.2‰時(shí)的抗壓強(qiáng)度最大，但此時(shí)相對(duì)不摻纖維的再生集料抗壓強(qiáng)度僅提高了6%。 說明水泥穩(wěn)定再生集料的強(qiáng)度相對(duì)天然集料較低，且摻入纖維雖然有一定改善作用，但作用不明顯。 水泥再生集料抗壓強(qiáng)度較低的原因主要在于銑刨料自身強(qiáng)度低于天然集料，從前文原材料表2、3 中吸水率、壓碎值、針片狀含量和堅(jiān)固性等指標(biāo)值即可看出。 而且再生集料經(jīng)破碎、篩分后集料表面依然存在少量的水泥砂漿， 對(duì)于水泥漿—再生集料界面粘結(jié)性有一定影響。 加入纖維后可改善混合料的孔隙結(jié)構(gòu)和密實(shí)度，提高水泥漿—再生集料界面粘結(jié)性，因此加入纖維后抗壓強(qiáng)度有略微提升。 此外試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)不摻纖維的天然集料或再生集料在加載時(shí)試件破壞時(shí)間很短，顯示出一定的脆性破壞，而加入纖維后的再生集料試件破壞時(shí)間略長，表現(xiàn)出一定的塑性。

（2）劈裂強(qiáng)度

采用電液伺服萬能材料試驗(yàn)儀對(duì)不同纖維摻量的水泥再生穩(wěn)定碎石進(jìn)行試驗(yàn)，試件規(guī)格為Φ150 mm×h150 mm，養(yǎng)生時(shí)間為28 d，測試加載速率為1 mm/min，通過試驗(yàn)得到的最大壓力值可間接換算為劈裂強(qiáng)度，結(jié)果見圖2。

圖2 劈裂試驗(yàn)結(jié)果

從圖2 可以發(fā)現(xiàn)，不摻纖維時(shí)再生集料與天然集料劈裂強(qiáng)度相差61%，隨著玄武巖纖維的加入，混合料劈裂強(qiáng)度先增大后減小，在纖維摻量為0.9‰時(shí)劈裂強(qiáng)度為0.71，已基本接近天然集料的劈裂強(qiáng)度0.74，說明適量的玄武巖纖維可以提高水泥穩(wěn)定再生集料的劈裂強(qiáng)度。 一方面是由于玄武巖纖維的加入填充了再生集料的空隙， 增加了混合料密實(shí)度，改善了水泥漿—再生集料界面粘結(jié)性能；另一方面是由于玄武巖纖維自身較高的抗拉強(qiáng)度和抗變形韌性承擔(dān)了一部分拉應(yīng)力， 增強(qiáng)了混合料的抗裂性。但當(dāng)纖維用量超過一定限度時(shí)由于纖維很容易發(fā)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，并且沒有足夠的水泥漿包裹，一定程度上降低了水泥漿與再生集料的粘結(jié)性， 因此，水泥漿—再生集料界面處很容易產(chǎn)生破壞。

（3）抗裂性

按照J(rèn)TG E51—2009 《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》中T0854-2009 和T0855-2009 試驗(yàn)方法，采用儀表法分別對(duì)混合料試件進(jìn)行干縮和溫縮試驗(yàn)，室內(nèi)成型100 mm×100 mm×400 mm 的梁式試件，并置于（20±2）℃及濕度不小于95%的環(huán)境箱中養(yǎng)護(hù)7 d， 其中第7 d 浸水養(yǎng)護(hù)， 然后按照T0854-2009 和T0855-2009 試驗(yàn)步驟進(jìn)行測試，本文中干縮試驗(yàn)采用失水率和干縮系數(shù)指標(biāo)評(píng)價(jià)，溫縮試驗(yàn)采用平均溫縮系數(shù)評(píng)價(jià)，其結(jié)果分別見圖3～5。

圖3 各混合料失水率隨齡期變化規(guī)律

從圖3 和圖4 可以看出， 隨著齡期的增加，混合料試件的失水率和干縮系數(shù)在逐步增大，且在齡期28 d 前的變化率較大， 齡期超過28 d 后逐漸變得較為平緩。 在同一齡期下，天然集料對(duì)應(yīng)的混合料試件的干縮系數(shù)和失水率最低，而不摻纖維的水泥穩(wěn)定再生集料相對(duì)最大，加入纖維后隨著纖維用量的增加，其失水率和干縮系數(shù)逐漸減小。 說明單純的水泥穩(wěn)定再生集料產(chǎn)生干縮開裂的可能性較大，但加入玄武巖纖維后可以有效抑制或是降低混合料試件因濕度變化過大或水分蒸發(fā)過快引起的干縮開裂。 一方面由于再生集料的孔隙率比較大，其自身的吸水性也就較高， 相對(duì)應(yīng)的失水率也越大；另一方面纖維加入后降低了再生集料混合料的孔隙率，部分毛細(xì)水消散的通路被擋住，而且無定向分布的纖維絲與水泥漿形成的空間網(wǎng)絡(luò)交織體系對(duì)于混合料的干縮形變也有一定的制約作用。

圖4 各混合料干縮系數(shù)隨齡期變化規(guī)律

從圖5 可以看出，隨著齡期的增加，混合料試件的溫縮系數(shù)逐漸增大，且在齡期28 d 前的變化速率較大，之后趨于平緩。 相對(duì)于天然集料，不摻纖維的水泥穩(wěn)定再生集料的溫縮系數(shù)相對(duì)較大，加入纖維后溫縮系數(shù)明顯降低，且隨著纖維用量的增加而逐漸降低。 說明水泥穩(wěn)定再生集料受溫度變化的影響較大，路面很容易會(huì)發(fā)生溫縮開裂，纖維可以降低混合料對(duì)于溫度變化的敏感性，對(duì)于抑制溫縮開裂有一定的效果。

圖5 各混合料溫縮系數(shù)隨齡期變化規(guī)律

（4）抗凍性

本文采用凍融前后的抗壓強(qiáng)度損失和劈裂強(qiáng)度損失進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，試件尺寸為Φ150 mm×h150 mm，養(yǎng)生時(shí)間為28 d，凍融循環(huán)次數(shù)為5 次，每次凍融均是在-18℃的低溫箱中放置16 h， 然后取出置于20℃水中8 h，之后進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 凍融試驗(yàn)結(jié)果

從圖6 看出，無論是抗壓強(qiáng)度損失或是劈裂強(qiáng)度損失，整體變化規(guī)律是一致的，不摻纖維的水泥穩(wěn)定再生集料抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度分別損失了21.41%、25.37%。隨著玄武巖纖維的加入，抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度損失指標(biāo)逐漸提升，當(dāng)抗壓強(qiáng)度損失指標(biāo)在纖維摻量為0.9‰、劈裂強(qiáng)度損失指標(biāo)在纖維摻量為1.2‰時(shí)已趨近于天然集料指標(biāo)值，而且在當(dāng)纖維用量大于0.9‰之后，纖維用量對(duì)于抗凍性指標(biāo)值已影響不大，甚至劈裂強(qiáng)度損失指標(biāo)有略微降低趨勢(shì)。 說明玄武巖纖維在一定用量范圍內(nèi)能夠顯著改善水泥穩(wěn)定再生集料的抗凍性能，但摻量宜控制在0.9‰。 這是由于再生集料的孔隙率和吸水率較大，導(dǎo)致水泥穩(wěn)定再生集料的整體抗凍性低于天然集料，當(dāng)加入纖維后，纖維能夠與水泥漿形成交織網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，一定程度地填充了混合料的孔隙，降低了混合料內(nèi)部孔隙水因凍脹而產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力，增強(qiáng)了混合料的整體穩(wěn)定性，所以抗凍性明顯提高，但過多的纖維產(chǎn)生結(jié)團(tuán)后影響了水泥漿—再生集料的界面粘結(jié)強(qiáng)度，在內(nèi)部孔隙水凍脹作用下反而不利。

3 結(jié)論

（1）水泥穩(wěn)定再生集料的抗壓強(qiáng)度整體上相對(duì)天然集料較低，玄武巖纖維的加入雖然具有一定改善作用，但作用效果有限，纖維加入后再生集料表現(xiàn)出一定的塑性。 （2）隨著纖維用量增加，混合料試件劈裂強(qiáng)度先增大后減小，在纖維摻量為0.9‰時(shí)劈裂強(qiáng)度為0.71，已基本接近天然集料的劈裂強(qiáng)度0.74， 適量的玄武巖纖維可以提高水泥穩(wěn)定再生集料的劈裂強(qiáng)度。 （3）在同一齡期下，天然集料對(duì)應(yīng)混合料試件的干縮系數(shù)和失水率、 溫縮系數(shù)最低，而不摻纖維的水泥穩(wěn)定再生集料相對(duì)最大，隨著纖維用量的不斷加入，其失水率和干縮系數(shù)、溫縮系數(shù)逐漸減小，玄武巖纖維后可以有效抑制或是降低混合料試件因濕度或溫度變化過快引起的干縮或溫縮開裂。 （4）玄武巖纖維加入后，抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度損失指標(biāo)不斷提高， 當(dāng)纖維用量分別為0.9‰或1.2‰時(shí)對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度損失和劈裂強(qiáng)度損失指標(biāo)值已趨近于天然集料，而且在當(dāng)纖維用量大于0.9‰之后， 纖維用量對(duì)于抗凍性指標(biāo)值已影響不大，甚至劈裂強(qiáng)度損失指標(biāo)有略微降低趨勢(shì)。