玄武巖纖維對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料強(qiáng)度提升效果研究

劉妍宏

（山西路橋第二工程有限公司 臨汾市 041000）

水泥穩(wěn)定碎石混合料由于價(jià)格相對(duì)低廉、承載能力強(qiáng)、耐久性好，在我國(guó)得到了大面積的使用［1-2］。但在使用過(guò)程中，存在易產(chǎn)生收縮裂縫的嚴(yán)重缺陷，使道路的服務(wù)水平大幅度下滑，其裂縫分為干縮和溫縮兩種裂縫，干縮裂縫是水泥穩(wěn)定碎石攤鋪后養(yǎng)生過(guò)程中，水分蒸發(fā)及內(nèi)部水化反應(yīng)引起體積收縮產(chǎn)生的裂縫，溫縮裂縫是水穩(wěn)碎石基層隨外界氣候溫度變化引起收縮應(yīng)變及溫度疲勞而產(chǎn)生的收縮裂縫［3-4］。目前水穩(wěn)層反射裂縫的產(chǎn)生主要是溫縮裂縫導(dǎo)致，行車(chē)過(guò)程中雨水下滲，最終產(chǎn)生積漿等病害。美國(guó)Cory High［5］等研究人員對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)水泥混凝土強(qiáng)度方面做了大量的研究，表明添加玄武巖纖維對(duì)水泥混凝土的抗彎拉強(qiáng)度提升效果明顯。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)水泥穩(wěn)定碎石裂縫的產(chǎn)生機(jī)理及防治措施進(jìn)行了大量的研究，形成了部分成果，如水穩(wěn)碎石中添加聚酯纖維、鋼纖維等，但從價(jià)格方面均大幅度提高了工程造價(jià)。從水穩(wěn)層產(chǎn)生裂縫的發(fā)生、發(fā)展角度，研究了裂縫的產(chǎn)生機(jī)理，同時(shí)選用價(jià)格相對(duì)便宜、性能良好的玄武巖纖維，研究玄武巖纖維摻量、水泥劑量、養(yǎng)生齡期對(duì)水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的影響，提出合理的玄武巖纖維摻量。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

首先，在4%水泥穩(wěn)定碎石中添加不同摻量的玄武巖纖維，研究其對(duì)水穩(wěn)碎石7d、28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，計(jì)算玄武巖纖維的最佳摻量。其次，采用最佳玄武巖纖維摻量，在改變齡期、水泥摻量的情況下，研究齡期、水泥摻量對(duì)玄武巖纖維水穩(wěn)混合料強(qiáng)度的影響。本次試驗(yàn)分別選取玄武巖纖維用量為水泥穩(wěn)定碎石混合料質(zhì)量摻量的0‰、0.442‰、0.663‰、0.883‰、1.1‰；選用3% ～6%四種水泥劑量，間隔1%；選用7d、28d、90d三種養(yǎng)護(hù)齡期進(jìn)行試驗(yàn)。

2 原材料及混合料設(shè)計(jì)

水泥采用P.O 42.5普硅水泥，性能滿(mǎn)足P.O 42.5普硅水泥的技術(shù)要求。玄武巖纖維技術(shù)要求見(jiàn)表1。集料為石灰?guī)r碎石。

表1 玄武巖纖維基本技術(shù)性質(zhì)

表2 水穩(wěn)混合料級(jí)配組成設(shè)計(jì)

對(duì)未摻玄武巖纖維的4.0%水泥摻量水穩(wěn)碎石混合料擊實(shí)試驗(yàn)，得出最佳含水量為5.5%，最大干密度為2.445 g／cm3。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 纖維摻量的影響

不同摻量的玄武巖纖維水泥穩(wěn)定碎石混合料強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

隨纖維摻量的增加，水穩(wěn)混合料7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢(shì)，28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本呈單調(diào)上升的趨勢(shì)。當(dāng)纖維質(zhì)量摻量為0.559‰時(shí)，7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高，此時(shí)，7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相對(duì)未添加纖維時(shí)強(qiáng)度提升38.5%，28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相對(duì)未添加纖維時(shí)強(qiáng)度提升6.25%。

采用適量的玄武巖纖維與水泥穩(wěn)定碎石混合料拌和后，玄武巖纖維在混合料中可以較為均勻的分布，在水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)部形成三維加筋、限位的作用，而纖維摻量較少時(shí)，纖維散亂的分布于水穩(wěn)混合料中，加筋效果并不明顯。玄武巖纖維的亂向分布可削弱水穩(wěn)混合料的溫縮、干縮應(yīng)力，從而有效地增強(qiáng)水泥穩(wěn)定碎石混合料的韌性，減小水泥穩(wěn)定碎石因各種原因引起的裂紋。當(dāng)添加過(guò)量的玄武巖纖維時(shí)，由于纖維材料的“結(jié)團(tuán)”現(xiàn)象存在，過(guò)多的纖維將在水泥穩(wěn)定碎石中以“團(tuán)-網(wǎng)”的形態(tài)分布，其中的“團(tuán)”將會(huì)對(duì)水泥水化產(chǎn)物起到隔離、間斷的作用，同時(shí)“團(tuán)”中部分纖維絲并未與水泥膠漿產(chǎn)生握裹聯(lián)結(jié)作用，試件在加載時(shí)，將會(huì)在纖維“團(tuán)”處產(chǎn)生應(yīng)力集中，過(guò)早地出現(xiàn)早期破壞。

3.2 養(yǎng)護(hù)齡期的影響

不同齡期玄武巖纖維水泥穩(wěn)定碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

從圖2可看出，玄武巖纖維質(zhì)量摻量為0.559‰、水泥摻量為4%時(shí)，隨著水泥穩(wěn)定碎石養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，兩種水穩(wěn)混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，具體為先增長(zhǎng)較快，后增長(zhǎng)相對(duì)緩和。添加玄武巖纖維后，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均高于不添加的混合料，28d強(qiáng)度相對(duì)比較接近，但強(qiáng)度仍高出不添加纖維的混合料6.25%；90d強(qiáng)度高出不添加纖維的混合料16.7%。由此可知，玄武巖纖維的強(qiáng)度性能隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，表現(xiàn)更為明顯。

水泥穩(wěn)定碎石混合料拌和初期，水泥尚未發(fā)生水化反應(yīng)，自身尚未形成強(qiáng)度，隨著齡期的延長(zhǎng)，水泥逐漸水化，與纖維之間握裹力逐漸增強(qiáng)，并形成相互連接的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，最后水泥膠結(jié)料與纖維、碎石形成一個(gè)完整、連續(xù)的整體，進(jìn)而使纖維可以充分發(fā)揮其增強(qiáng)的作用。

3.3 水泥摻量的影響

改變水泥摻量，水穩(wěn)混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。玄武巖纖維質(zhì)量摻量為0.559‰時(shí)，隨水泥摻量的增加，水泥穩(wěn)定碎石的7d、28d強(qiáng)度均增加，在水泥劑量不超5%時(shí)，強(qiáng)度隨水泥劑量的增加上升相對(duì)較快，但當(dāng)摻量超過(guò)5%時(shí)，強(qiáng)度上升明顯變緩。

水泥摻量較小時(shí)，膠結(jié)物和晶體均相對(duì)較少，與玄武巖纖維不能形成有效的三維網(wǎng)狀膠結(jié)結(jié)構(gòu)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較低。當(dāng)水泥摻量增加后，膠結(jié)物和晶體不斷增加，縮短了水泥漿中固體顆粒的距離，使顆粒與顆粒、顆粒與纖維相互連接，形成骨架結(jié)構(gòu)，最終表現(xiàn)為強(qiáng)度繼續(xù)提高。當(dāng)繼續(xù)提高水泥摻量時(shí)，水化后的晶體和纖維、集料黏結(jié)更為緊密，此時(shí)，三維網(wǎng)狀的纖維強(qiáng)度發(fā)揮得更為明顯。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)玄武巖纖維質(zhì)量摻量為0.559‰時(shí)，7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高，此時(shí)，7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相對(duì)未添加纖維時(shí)強(qiáng)度提升38.5%，28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相對(duì)未添加纖維時(shí)強(qiáng)度提升6.25%。當(dāng)繼續(xù)增加纖維摻量時(shí)，7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有所下降，28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度并沒(méi)有明顯提高。表明纖維質(zhì)量摻量為0.559‰時(shí)，玄武巖纖維水泥穩(wěn)定碎石可獲得最高的強(qiáng)度性能。

（2）水泥摻量為4%，玄武巖纖維質(zhì)量摻量為0.559‰時(shí)，隨著水泥穩(wěn)定碎石養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，水穩(wěn)混合料7d、28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，且均高于不添加的水穩(wěn)混合料，隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，表現(xiàn)更為明顯。

（3）水泥穩(wěn)定碎石中玄武巖纖維質(zhì)量摻量為0.559‰時(shí)，隨水泥摻量的增加，玄武巖水泥穩(wěn)定碎石的7d、28d強(qiáng)度均增加，但水泥劑量超過(guò)5%時(shí)，強(qiáng)度上升變緩。