摻纖維水泥穩(wěn)定砂礫材料路用性能研究_趙寧

1、1 纖維應(yīng)用概況及作用機(jī)理1.1 纖維應(yīng)用概況交通土建類工程較長(zhǎng)時(shí)間使用的纖維復(fù)合材料是由纖維與基體兩部分組成,與原有基體比較,復(fù)合材料的抗拉、抗壓、抗撓曲、抗沖擊、抗疲勞、抗沖刷強(qiáng)度都有所改善;此時(shí)施加在基體上的荷載,借助作用于界面上的粘著力傳遞到纖維上,如果纖維的彈性模量大于基體的彈性模量,基體開裂后,大部分荷載由纖維來(lái)承擔(dān),所以復(fù)合材料的強(qiáng)度往往與纖維體積的含量成正比。最早將纖維引入公路工程結(jié)構(gòu)物的是美國(guó)人波特(Porter。1910年,他把薄鋼片摻入混凝土中,以改善混凝土的抗拉強(qiáng)度及抗沖擊性能,并于1914年獲得專利權(quán)。1963年,Romuadi、Batson發(fā)表了混凝土開裂機(jī)理中鋼纖

2、維間距影響的研究成果,引起了工程界的廣泛重視。隨著鋼纖維混凝土的迅速推廣,美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)增設(shè)了纖維混凝土委員會(huì),于1973年在加拿大渥太華舉辦了纖維混凝土國(guó)際會(huì)議;1975年由國(guó)際材料及結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)聯(lián)合會(huì)主辦、在倫敦召開了纖維水泥及混凝土的國(guó)際討論會(huì)。我國(guó)在上世紀(jì)70年代開始引進(jìn)這一新技術(shù),但是也主要用于水泥混凝土結(jié)構(gòu)物,以提高此類結(jié)構(gòu)的韌性。在公路建設(shè)中,鋼纖維混凝土在橋梁、路面已開始部分使用,聚丙烯纖維增強(qiáng)水泥混凝土、玻璃纖維增強(qiáng)水泥混凝土,以及纖維瀝青混凝土等也都在公路工程中有所應(yīng)用。長(zhǎng)安大學(xué)申愛琴、楊洪輝等對(duì)聚丙烯纖維增強(qiáng)三灰穩(wěn)定砂礫、水泥穩(wěn)定碎石基層抗裂性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果顯示,在半

3、剛性基層材料中摻入適量的纖維可以有效地提高其抗裂性能。1.2 纖維增強(qiáng)抗裂性的作用機(jī)理聚丙烯纖維提高混合料抗裂性可以從以下三方面理解,第一,減少水泥穩(wěn)定砂礫早期干縮應(yīng)變;第二,抑制溫縮應(yīng)變;第三,提高水泥穩(wěn)定砂礫極限抗拉應(yīng)變能,增大其極限收縮破壞應(yīng)變能。1.2.1 抗塑性干縮開裂機(jī)理探討在水泥穩(wěn)定砂礫基層鋪筑時(shí)和養(yǎng)生期,由于水和水泥穩(wěn)定砂礫的親潤(rùn)性,水分蒸發(fā)時(shí),材料毛細(xì)管中便形成凹液面,而凹液面上表面張力的垂直分量形成了對(duì)管壁間材料的拉應(yīng)力,此時(shí)水泥穩(wěn)定砂礫處于塑性階段,自身的塑性抗拉強(qiáng)度較低,若水泥穩(wěn)定砂礫表層毛細(xì)管失水收縮摻纖維水泥穩(wěn)定砂礫材料路用性能研究趙 寧1 孫洪德2(1. 青島市公

4、路管理局 山東青島 266101;2. 安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 安徽合肥 230088摘 要:聚丙烯纖維的摻入可以有效提高半剛性基層材料的抗裂性能,在合理纖維摻量范圍內(nèi),無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不會(huì)下降太多,并可以有效提高水泥穩(wěn)定砂礫的抗裂性能,其劈裂強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度有一定程度的提高。隨著纖維摻量的增加,抗壓回彈模量隨之減小。纖維摻量越大,水泥穩(wěn)定砂礫干縮、溫縮系數(shù)越小。無(wú)論是干縮抗裂系數(shù),還是溫縮抗裂系數(shù),存在一個(gè)最佳纖維摻量范圍(0.02%0.04%,通過(guò)研究確定最佳的纖維摻量為0.04%。關(guān)鍵詞:纖維;水泥穩(wěn)定砂礫;路用性能收稿日期:2013-01-14產(chǎn)生的拉應(yīng)變能大于其塑性抗拉應(yīng)變能,則水泥

5、穩(wěn)定砂礫出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。摻入聚丙烯纖維后,使其失水面積有所減小,水分遷移較為困難,降低了失水收縮引起的毛細(xì)管張力。同時(shí),依靠纖維材料與水泥基間界面吸附粘結(jié)力、機(jī)械嚙合力,增加了材料抵抗開裂塑性抗拉應(yīng)變能,降低了水泥穩(wěn)定砂礫開裂狀況。1.2.2 抗溫縮開裂機(jī)理探討聚丙烯纖維熱收縮系數(shù)通常為水泥穩(wěn)定砂礫材料溫縮的1/10,因此纖維和水泥穩(wěn)定砂礫逐漸結(jié)合成為一個(gè)整體;同時(shí)水泥穩(wěn)定砂礫基層材料溫縮主要發(fā)生在使用期內(nèi),此時(shí)水泥穩(wěn)定砂礫強(qiáng)度已經(jīng)較高,纖維和水泥穩(wěn)定砂礫基體之間連接力很高。此時(shí),如果溫度變化,材料將會(huì)發(fā)生收縮或膨脹,由于纖維膨脹系數(shù)很小,從而抑制了水泥穩(wěn)定砂礫基體的膨脹,表現(xiàn)出溫縮系數(shù)的減小。

6、1.2.3 提高水泥穩(wěn)定砂礫抗拉應(yīng)變能纖維提高水泥穩(wěn)定砂礫抗拉應(yīng)變能主要是由于纖維和水泥穩(wěn)定砂礫基體共同受力、變形所致。關(guān)于纖維的彎曲,摻纖維水泥穩(wěn)定砂礫中布置的纖維有很多彎曲,當(dāng)纖維受力時(shí),在彎曲區(qū)產(chǎn)生摩擦力,繼而引起一種抗力,并隨纖維受力而增加。關(guān)于纖維交叉相聯(lián)系,如果在纖維交叉處產(chǎn)生的力企圖使纖維產(chǎn)生橫向位移,則很快會(huì)遇到其他纖維阻止這種位移。受力后欲位移纖維上的力傳到其他纖維,形成一個(gè)受力作用新區(qū),從而產(chǎn)生纖維土的內(nèi)聚力。水泥穩(wěn)定砂礫是脆性材料,抗壓強(qiáng)度高、彎拉強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較小;而聚丙烯纖維是一種抗拉強(qiáng)度較高的抗拉性材料,當(dāng)聚丙烯纖維和水泥穩(wěn)定砂礫拌和,達(dá)到一定齡期,它們成為一個(gè)整體

7、。這時(shí),摻纖維水泥穩(wěn)定砂礫脆性減小,柔性增大,當(dāng)其受拉時(shí),需要達(dá)到較大拉應(yīng)變能才可能破壞。因此,纖維增強(qiáng)半剛性基層的抗裂原理歸納如下:(1由于半剛性材料的膠結(jié)料對(duì)纖維的粘結(jié)和加固作用,當(dāng)受到外力作用時(shí),半剛性材料和纖維兩相因發(fā)生相對(duì)位移而產(chǎn)生摩擦,隨機(jī)取向的纖維發(fā)生彎曲及纖維交叉相聯(lián),提高了半剛性基層的抗彎拉強(qiáng)度;(2纖維對(duì)半剛性基層干縮和溫縮起到一定限制作用,使混合料的整體收縮量變小,抗裂性能提高。2 試驗(yàn)方案的確定2.1 纖維品種的選擇經(jīng)過(guò)多方比較,選用西安非亦特纖維網(wǎng)砼有限公司生產(chǎn)的聚丙烯網(wǎng)狀纖維,其技術(shù)參數(shù)見表1。2.2 試驗(yàn)方案集料級(jí)配采用推薦級(jí)配JP1,水泥劑量5%,纖維溶于水后使

8、用,纖維摻量依次為0%、0.02%、0.04%、0.06%,方案見表2。3 力學(xué)性能3.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為了研究不同纖維摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響,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(JTJ057-94中的試驗(yàn)方法,測(cè)試不同齡期的抗壓強(qiáng)度,結(jié)果見表3和圖1。表 1 纖維技術(shù)參數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值吸水率0熔點(diǎn)160170比重0.91g/cm3纖維長(zhǎng)度19mm20mm抗拉強(qiáng)度560MPa770MPa楊氏彈性模量 3500MPa表 2 試驗(yàn)方案方案代號(hào)集料級(jí)配水泥用量(%纖維摻量(%集料用量(% JP1-5-0JP150100JP1-5-02JP150.02100JP1-5-04JP150.04100JP

9、1-5-06JP150.06100試驗(yàn)結(jié)果顯示:(1纖維的摻入使水泥穩(wěn)定砂礫早期強(qiáng)度略有降低,且摻量越大,降低越多;(2纖維的摻入對(duì)水泥穩(wěn)定砂礫后期強(qiáng)度影響不大,齡期超過(guò)28d強(qiáng)度還略有增大,JP1-5-04方案180d強(qiáng)度增大最多為2.59%。究其原因,試件在養(yǎng)生初期,雖然水泥強(qiáng)度增長(zhǎng)快,但水化生成膠凝物質(zhì)有限,纖維增強(qiáng)效果并不明顯。到了后期,水泥水化基本結(jié)束,此時(shí),膠凝材料增多且將纖維固定,纖維增強(qiáng)效果有所提高,但是由于纖維本身模量低,因此對(duì)抗壓強(qiáng)度基本上沒(méi)有太大的貢獻(xiàn)。3.2 劈裂強(qiáng)度按公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程(JTJ057-94中的測(cè)試方法,測(cè)試不同纖維摻量各齡期的劈裂強(qiáng)度,

10、結(jié)果見表4和圖2。從圖2中看出,除7d強(qiáng)度受纖維影響不大外,其他各齡期劈裂強(qiáng)度有明顯提高,特別是28d劈裂強(qiáng)度,纖維摻量超過(guò)0.04%時(shí),劈裂強(qiáng)度可提高70%以上。且與纖維的摻量成正比,即纖維的摻量越大,劈裂強(qiáng)度提高越多,同時(shí)可以看出,當(dāng)纖維摻量在0.02%0.04%之間時(shí),經(jīng)濟(jì)性最佳。測(cè)試結(jié)果表明,纖維的摻入可以有效地提高半剛性基層材料的抗裂性能,具體表現(xiàn)在提高方案的劈裂強(qiáng)度上。3.3 抗彎拉強(qiáng)度按公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程(JTJ057-94中的測(cè)試方法,不同纖維摻量各齡期抗彎拉表 3 抗壓強(qiáng)度(MPa 72890180強(qiáng)度變化百分比72890180JP1-5-0 3.63 5.6

11、47.479.670000JP1-5-02 3.61 5.67.519.83-0.55-0.710.54 1.65JP1-5-04 3.51 5.657.639.92-3.310.18 2.14 2.59JP1-5-063.465.547.529.71-4.68-1.770.670.41齡期(d 方案代號(hào)表 4 劈裂強(qiáng)度(MPa 72890180強(qiáng)度變化百分率72890180JP1-5-00.270.390.640.870000JP1-5-020.280.530.680.90 3.7035.90 6.25 3.45JP1-5-040.260.680.81 1.00-3.7074.3626.56

12、14.94JP1-5-060.280.730.851.033.7087.1832.8118.39齡期(d 方案代號(hào)121086420抗壓強(qiáng)度(M P a 齡期(天JP1-5-0 JP1-5-02 JP1-5-04 JP1-5-067 2890 180圖 1 纖維摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響 1.210.80.60.40.2劈裂強(qiáng)度(M P a 齡期(天JP1-5 JP2-5 JP3-5 JPT-57 2890 180圖 2 纖維對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響 表 7 干縮系數(shù)00.020.040.06無(wú)齡期 28d 49.447.641.640.5干縮系數(shù)變化百分率-3.64-15.79-18.02纖維摻量(%齡期

13、(d 表 8 溫縮系數(shù)00.020.040.06908.48.27.87.5溫縮系數(shù)變化百分率-2.38-7.14-10.71纖維摻量(%齡期(d 514947454341393735干縮系數(shù)(×10-60.020.040.060.08纖維摻量(%圖 5 纖維對(duì)水泥砂礫材料無(wú)齡期干縮系數(shù)影響8.58.48.38.28.187.97.87.77.67.57.4溫縮系數(shù)(×10-60 0.020.04 0.06 0.08纖維摻量(%圖 6 纖維摻量對(duì)水泥穩(wěn)定砂礫材料90d溫縮系數(shù)影響表 5 抗彎拉強(qiáng)度(MPa 00.020.040.0690 28d 1.511 1.624 1.

14、865 1.987180 28d1.654 1.735 1.9542.054強(qiáng)度變化百分率907.4823.4331.501804.9018.1424.18纖維摻量(%齡期(d 表 6 90d齡期抗壓回彈模量(MPa 00.020.040.060.0890 28d 1524897698765603模量變化百分率-41.14-54.20-49.80-32.77纖維摻量(%齡期(d 2.221.81.61.41.21抗彎拉強(qiáng)度(M P a 0.020.040.060.08180d90d纖維摻量(%圖 3 抗彎拉強(qiáng)度與纖維摻量關(guān)系1600140012001000800600抗壓回彈模量(M P a

15、0.02 0.04 0.06 0.08 0.1纖維摻量(%圖 4 抗壓回彈模量與纖維摻量關(guān)系強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見表5和圖3。從圖3中看出,除7d強(qiáng)度受纖維影響不大外,其他各齡期的抗彎拉強(qiáng)度有明顯提高,且與纖維的摻量成正比,即纖維的摻量越大,抗彎拉強(qiáng)度提高越多。同時(shí)可以看出,當(dāng)纖維摻量在0.02%0.04%之間時(shí),具有較高的性價(jià)比?？梢钥闯?纖維的摻入有效地提高了方案JP1-5的劈裂強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度,也就是說(shuō)有效地提高了方案的抗裂性能,劈裂強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度均與纖維摻量成正比,且存在經(jīng)濟(jì)摻量0.02%0.04%。3.4 抗壓回彈模量纖維摻量對(duì)水泥穩(wěn)定砂礫抗壓回彈模量的影響見表6和圖4?？箟夯貜椖Ａ颗c纖維

16、摻量成反比,隨纖維摻量的增加,抗壓回彈模量呈下降趨勢(shì)。摻量0.04%時(shí),模量降低了54.2%,表明摻入纖維后有效提高了半剛性基層材料的韌性。對(duì)于水泥穩(wěn)定砂礫這種半剛性材料而言,降低材料的剛性,增加其柔韌性,且不降低其抗折強(qiáng)度,是我們追求的路用品質(zhì)之一。摻纖維提高了抗折強(qiáng)度,降低了抗壓彈性模量,而抗壓回彈模量的降低,使得在荷載、干濕、溫度等引起的翹曲變形一定時(shí),基層內(nèi)產(chǎn)生的彎曲疲勞應(yīng)力水平低,翹曲循環(huán)破壞機(jī)率小,利于保持各種因素作用下路面的完好率。當(dāng)荷載應(yīng)力一定時(shí),抗折彈性模量小,彎拉應(yīng)變大,基層的柔韌性好,有利于降低材料脆性和提高道路的耐久性。4 收縮性能4.1 干縮變形采用干縮試驗(yàn)方法,對(duì)上

17、述方案的干縮性能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見表7?？梢钥闯?摻纖維水泥穩(wěn)定砂礫材料的干縮系數(shù)隨纖維摻量的增加而減小,纖維摻量在0.02%0.04%之間時(shí),干縮系數(shù)隨纖維摻量的增加急劇減小,在纖維摻量超過(guò)0.04%時(shí)趨于平緩。4.2 溫度收縮采用溫縮試驗(yàn)方法,對(duì)上述方案的溫縮性能進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見表8。可以看出,摻纖維水泥穩(wěn)定砂礫材料的溫縮系數(shù)隨纖維摻量的增加而減小,與干縮系數(shù)的變化規(guī)律基本相同。結(jié)論本文通過(guò)對(duì)摻纖維水泥穩(wěn)定天然砂礫材料的室內(nèi)試驗(yàn),得出以下結(jié)論:(1在合理纖維摻量范圍內(nèi)(本文試驗(yàn)范圍是0.02%0.06%,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不會(huì)下降太多,而且可以有效提高水泥穩(wěn)定砂礫的抗裂性能。其劈裂強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度有一定程度的提高。(2隨著纖維摻量的增加,抗壓回彈模量隨之減小。(3纖維摻量越大,水泥穩(wěn)定砂礫干縮、溫縮系數(shù)越小。(4無(wú)論是干縮抗裂系數(shù),還是溫縮抗裂系數(shù),存在一個(gè)最佳纖維摻量范圍(0.02%0.04%。(5在水泥穩(wěn)定砂礫混合料中摻加一定量的聚丙烯纖維可以有效提高其抗裂性能,