聚酯纖維水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能試驗(yàn)研究

韋小碧，顧佩，柳志軍，姚昌海，王東權(quán)

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.鹽城市公路管理處，江蘇 鹽城 224005)

水泥穩(wěn)定碎石(cement-stabilized macadam，CSM)是目前我國(guó)最主要的道路半剛性基層材料，具有強(qiáng)度、剛度高，耐久性、水穩(wěn)性好等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。其最大缺陷是易受溫度、濕度變化影響產(chǎn)生收縮裂縫[3-4]，從而破壞結(jié)構(gòu)板體性，大大削弱路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，CSM抗裂、增強(qiáng)問(wèn)題一直是道路工程科技熱點(diǎn)。研究表明，摻加纖維可有效改善CSM基層抗裂及力學(xué)性能[5-11]。聚酯纖維(polyester fiber，PET)具有抗拉強(qiáng)度高、模量高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，是綜合性能最佳的軟纖維之一。文獻(xiàn)[12-19]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究PET的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)CSM干縮系數(shù)、溫縮系數(shù)等收縮性能及抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量等力學(xué)性能指標(biāo)的影響規(guī)律；文獻(xiàn)[20]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究PET形狀、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、長(zhǎng)度對(duì)CSM抗彎拉強(qiáng)度的影響規(guī)律。PET應(yīng)用于CSM中可以改善路用性能，但是對(duì)纖維分散性拌合工藝的研究以及PET特征對(duì)CSM力學(xué)性能的研究尚不完善。

本文基于優(yōu)選PET分散性拌合工藝，研究PET主要特征對(duì)CSM力學(xué)性能的影響規(guī)律，并分析其作用機(jī)理，為工程實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)?；旌狭现欣w維拌合均勻性影響試件性能的穩(wěn)定性，從而影響研究成果的可靠度，研究工作包括兩部分：第一部分是纖維分散均勻性試驗(yàn)分析，通過(guò)改變拌合過(guò)程中PETCSM各組成材料的投放次序，分析拌合效果，優(yōu)選纖維分散性較好的拌合方案進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)試件制作；第二部分是力學(xué)性能試驗(yàn)研究，通過(guò)測(cè)試PETCSM試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗壓回彈模量等力學(xué)性能指標(biāo)，分析PET主要特征(質(zhì)量分?jǐn)?shù)、直徑)對(duì)CSM力學(xué)性能的影響規(guī)律及作用機(jī)理。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)所用纖維為某公司生產(chǎn)的束狀單絲PET，斷面形式為圓形，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1；水泥選用P·O 42.5型普通硅酸鹽水泥，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2；集料均屬石灰?guī)r質(zhì)，其壓碎值為20.6，集料級(jí)配見(jiàn)表3。

表1 PET的主要技術(shù)指標(biāo)

表3 集料級(jí)配

1.2 配合比

試驗(yàn)混合料中水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%，PET長(zhǎng)度為5 cm[13]。通過(guò)重型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)獲得混合料的最佳水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(最佳含水量)為5.5%，最大干密度為2.33 g/cm3。為了研究纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)CSM力學(xué)性能的影響，纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別選取0.5‰、0.7 ‰、0.9 ‰、1.3 ‰ 4種。纖維直徑分別為20、35、70、105 μm 4種。

1.3 纖維分散均勻性試驗(yàn)

針對(duì)投料次序?qū)w維分散均勻性的影響，制定2種方案，見(jiàn)圖1。

圖1 拌合試驗(yàn)方案

拌合試驗(yàn)采用HJW-100小型混凝土攪拌機(jī)進(jìn)行。試驗(yàn)每份原材料的質(zhì)量按照制備2個(gè)圓柱形大試件(直徑×高=150 mm×150 mm)確定。每個(gè)方案進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，拌合后將混合料平鋪在試驗(yàn)臺(tái)上觀測(cè)纖維分散效果。

1.4 力學(xué)性能試驗(yàn)

基于優(yōu)選分散性好的拌合方案，依據(jù)文獻(xiàn)[21]規(guī)定，制備直徑×高=150 mm×150 mm的圓柱形試件。試件按照壓實(shí)度為98%的靜壓法成型，制備完畢進(jìn)行齡期28 d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生，使用CMT5305微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，位移控制1 mm/min進(jìn)行測(cè)試并計(jì)算無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗壓回彈模量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 纖維分散性

按照方案一、二分別進(jìn)行混合料拌合，效果見(jiàn)圖2。

a)方案一 b)方案二圖2 纖維分散效果

由圖2a)可知，纖維在CSM基體中分散性整體較好，但存在小范圍纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。這是因?yàn)椋豪w維的密度很小(約1.3 g/cm3)，逐漸撒入運(yùn)轉(zhuǎn)的攪拌設(shè)備過(guò)程中，攪拌片轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的空氣流動(dòng)使纖維飄浮在集料表面并逐漸聚積結(jié)團(tuán)，不能隨干燥集料轉(zhuǎn)動(dòng)均勻分布在其中，而在灑入水后，纖維可以粘覆在集料表面并隨集料一起轉(zhuǎn)動(dòng)，此前結(jié)團(tuán)纖維逐漸被扯開(kāi)并分散，但仍存在小范圍結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。由圖2b)可知，纖維呈絲狀較均勻的分散在CSM基體中，這是因?yàn)樗确湃霐嚢杈鶆虻募现?，形成水泥漿包裹在不同粒徑的集料周?chē)岣吡藢?duì)集料的潤(rùn)滑作用，從而增大集料在攪拌機(jī)中的滑動(dòng)程度，在纖維落入集料表面的瞬間，由于水分子的吸附作用，纖維被粘覆在集料表面，并且在攪拌機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)下逐漸被不同粒徑的集料包裹均勻分散在CSM基體中。因此，方案二纖維分散均勻性效果更好，采用該拌合方法制作力學(xué)性能試件。

2.2 力學(xué)性能

表4 不同PET質(zhì)量分?jǐn)?shù)的混合料力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 PET的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)CSM力學(xué)性能影響

按照文獻(xiàn)[21]分別計(jì)算無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗壓回彈模量，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

圖3 試件破壞后裂縫

由表4可知，隨PET的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增加后減少，PET的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.7‰左右，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)峰值，表明摻加PET可以提高CSM基體的整體抗壓強(qiáng)度(與素CSM相比增加約9.95%)。這是因?yàn)椋篜ET在CSM基體中是三維亂向分布，水泥水化作用使PET、CSM形成堅(jiān)固的膠結(jié)整體共同承載荷載作用。圖3為進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試中試件受壓過(guò)程，試件中間產(chǎn)生無(wú)數(shù)橫縱裂縫，出現(xiàn)薄弱面，由于纖維起到阻裂作用，因此強(qiáng)度得到適當(dāng)提高；當(dāng)PET的質(zhì)量分?jǐn)?shù)量超過(guò)0.7‰時(shí)，較多的PET反而阻礙了水泥砂漿對(duì)不同粒徑集料的膠結(jié)作用，膠結(jié)體內(nèi)部空隙率增加，密實(shí)度降低，從而導(dǎo)致整體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低。

由表4可知，抗壓回彈模量隨PET的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，PET的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～0.9‰時(shí)，抗壓回彈模量變化幅度不大；PET的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9‰～1.3‰，抗壓回彈模量降幅較大。這是因?yàn)镻ET的彈性模量較大(約9 000 MPa)，CSM彈性模量較小(約1 300 MPa)，摻加PET改變了CSM基體的彈塑性，即隨著PET的摻加，增加了CSM基體的柔性，導(dǎo)致單位壓力作用下回彈變形量增大，抗壓回彈模量隨PET的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小。

綜合考慮無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量2個(gè)指標(biāo)，纖維的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.7‰。

2.2.2 PET直徑對(duì)CSM力學(xué)性能影響

按照文獻(xiàn)[21]分別計(jì)算無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗壓回彈模量，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，破壞后斷面的纖維狀態(tài)如圖4所示。

表5 不同PET直徑力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 破壞后斷面的纖維狀態(tài)

表5表明，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與PET直徑呈負(fù)相關(guān)。主要原因?yàn)椋涸谫|(zhì)量分?jǐn)?shù)和長(zhǎng)度相同的情況下，PET直徑越大，單根PET抗拉強(qiáng)度越大。由圖4可知，試件破壞后纖維并沒(méi)有拉斷，纖維的抗拉能力并未得到充分發(fā)揮，造成浪費(fèi)。直徑越大，纖維數(shù)量越少，纖維易分布不均勻，纖維分布較少出現(xiàn)橫縱裂縫，因此，隨著直徑增大，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐步降低。隨纖維直徑的增加，抗壓回彈模量變化規(guī)律并不明顯，因此纖維直徑對(duì)抗壓回彈模量影響不顯著。其原因?yàn)?，纖維彈性模量不受直徑影響，摻加質(zhì)量分?jǐn)?shù)、長(zhǎng)度相同，直徑不同的PET并沒(méi)有改變CSM基體的彈塑性狀態(tài)。綜合考慮無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量2個(gè)力學(xué)指標(biāo)，纖維最佳直徑為20 μm。

3 結(jié)論

1)拌合PETCSM混合料過(guò)程中，先將集料加水?dāng)嚢杈鶆?，而后加入纖維攪拌，可使纖維吸附在集料表面，在攪拌機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)下，更有利于纖維在CSM基體中的分散。

2)隨著PET的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，PETCSM的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律，抗壓回彈模量整體呈下降趨勢(shì)。

3)隨著PET直徑的增加，PETCSM的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，抗壓回彈模量沒(méi)有顯著變化。

4)相同質(zhì)量、長(zhǎng)度的PET，隨著直徑的增大，纖維不能在裂縫處更有效地起到阻裂作用，僅纖維直徑的變化并不能改變CSM基體的彈塑性狀態(tài)。

5)綜合考慮無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及抗壓回彈模量2個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)，PET的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.7‰，直徑為20 μm。

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