不同玻璃纖維摻量及長度下的水泥碎石抗裂性能分析

穆莊莊　宋海濤　軒元偉

摘 要：玻璃纖維水泥碎石混料作為路基填料具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。文章研究了不同摻量及纖維長度的玻璃纖維對水泥混料抗裂性能的影響規(guī)律，通過溫縮、干縮試驗(yàn)分析其溫縮及干縮性能和不同纖維長度、摻量對水泥碎石混料抗裂性能的影響，并探討了其抗裂機(jī)理及原理。

關(guān)鍵詞：玻璃纖維；摻量；纖維長度；水泥碎石混料；抗裂性能

中圖分類號：U414 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）03-0067-02

Abstract： Glass fiber cement macadam mixture as roadbed filler has a strong application value. The influence of glass fiber with different content and fiber length on the crack resistance of cement mixture is studied in this paper. The effects of temperature shrinkage and dry shrinkage properties， fiber length and content on the crack resistance of cement macadam mixture were analyzed by temperature shrinkage and dry shrinkage tests， and the mechanism and principle of crack resistance were discussed.

Keywords： glass fiber； dosage； fiber length； cement macadam mixture； crack resistance

水泥穩(wěn)定碎石材料的抗變形能力不強(qiáng)，且彈性變形差，如果增大其失水率，則易導(dǎo)致收縮裂縫，若干縮盈利超出其抗拉極限荷載，就會導(dǎo)致路基層表面開裂[1]。同時(shí)，隨著季節(jié)及溫度變化，水泥穩(wěn)定碎石材料溫度也隨之變化，從而會造成溫度收縮開裂。在行車荷載作用下，裂縫會像瀝青層面反射，即出現(xiàn)反射裂縫，造成路面性能下降，縮短使用壽命。

有文獻(xiàn)資料[2]顯示，纖維能夠強(qiáng)化水泥穩(wěn)定碎石抗裂能力。本文應(yīng)用玻璃纖維碎石穩(wěn)定碎石進(jìn)行研究，分析在不同摻量及長度下，玻璃纖維-水泥碎石的抗裂性能，以期發(fā)現(xiàn)纖維長度及摻量對水泥混料抗裂性能強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法及材料

1.1 玻璃纖維

本文選用耐堿玻璃纖維作為試驗(yàn)用纖維，其技術(shù)參數(shù)分別為：硬挺度125±20mm；可燃物含量為1.2±0.15（%）；線密度為2400±120（tex）；斷裂伸長率2.45（%）；含水率≤0.15（%）；單絲直徑為15μm；密度2.7g/m3，抗拉強(qiáng)度1800MPa。設(shè)定摻量0.05%、0.15%和0.25%，纖維長度分別是6毫米、12毫米和18毫米。

1.2 集料

本試驗(yàn)所用水泥為中聯(lián)普通硅酸鹽水泥（PC32.5）。

1.3 玻璃纖維配合比

本文所選玻璃纖維長度及摻量配合比設(shè)計(jì)如下：G0：略；G1：纖維摻量（%）0.05、纖維長度（mm）6；G2：0.15%、6mm；G3：0.25%、6mm；G4：0.05%、12mm；G5：0.15%、12mm；G6：0.25%、12mm；G7：0.05%、18mm；G8：0.15%、18mm；G9：0.25%、18mm。

2 試驗(yàn)方案

2.1 干縮試驗(yàn)方案

依據(jù)公路工程結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)程及試驗(yàn)方法的操作標(biāo)準(zhǔn)，選擇齡期為7天的梁式試件實(shí)施干縮試驗(yàn)，試驗(yàn)濕度設(shè)定為50%，溫度設(shè)定為20℃，干縮變形測試采用平臥式支架法進(jìn)行。

2.2 溫度收縮試驗(yàn)方案

依據(jù)公路結(jié)合材料試驗(yàn)規(guī)范中溫縮試驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對梁式試件的7天和28天齡期進(jìn)行溫縮試驗(yàn)。溫縮試驗(yàn)溫度范圍為：-20℃至50℃，溫度級別測定總共7個(gè)，溫差10℃，降溫速率設(shè)定10℃/h，位移采集間隔時(shí)間為5分鐘，恒溫時(shí)間3小時(shí)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 干縮試驗(yàn)結(jié)果分析

不同摻量玻璃纖維-水泥混合料的7Ian齡期失水量和干縮應(yīng)變的干縮系數(shù)分別為：G0～G9的最大干縮應(yīng)變（？滋？著）分別為：372、363、345、356、366、342、362、336、322、340；最大失水率（%）：2.77、2.57、2.42、2.37、2.34、2.25、2.19、1.90、1.53、1.40；干縮系數(shù)（？滋？著/%）：85.6、77.6、70.5、81.7、67.3、58.4、71.6、54.1、45.3、59.1。

結(jié)果顯示，如果長度及摻量增加，混料的最大失水率則下降，玻璃纖維長度越大、摻量越多，玻璃纖維-水泥混料的最大失水率也就越低。而其最大干縮應(yīng)變及干縮系數(shù)則同其摻量和長度的變化規(guī)律相同，具體分析如下：

（1）纖維長度方面

不同摻量下混合料的干縮系數(shù)同纖維長度呈反比，隨著纖維長度增加而下降[3]?？梢姡ＡЮw維長度越大，其抗干縮性能越強(qiáng)。如果摻量0.15%，纖維長度分別為0毫米、6毫米及12毫米的纖維長度混合料的干縮系數(shù)則會比纖維長度為18毫米的干縮系數(shù)多87.9%、55.3%和28.8%。這是因?yàn)椴ＡЮw維的抗拉能量較好，增加玻璃纖維長度，也會增加纖維同水泥混料間的接觸點(diǎn)，使其同基體連接的能力隨之增強(qiáng)，從而能夠有效改善水泥混合料抗拉強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，增強(qiáng)其抗干縮性能。

（2）纖維摻量與干縮系數(shù)變化間的關(guān)系

在纖維長度固定的情況下，在摻量≤0.15%范圍內(nèi)，混合料干縮系數(shù)同玻璃纖維摻量呈反比，隨著摻量的增加而下降。這是因?yàn)椴ＡЮw維混合料的表層纖維會降低混合料失水面積，使水分蒸發(fā)速度下降，進(jìn)而降低了因失水所致的毛細(xì)管張力[4]。同時(shí)，增加玻璃纖維摻量，玻璃纖維同水泥混合料基體間界面的機(jī)械齒合力、粘結(jié)力也會強(qiáng)化，進(jìn)而使混合料干縮系數(shù)顯著下降。如果玻璃纖維摻量超出0.15%，玻璃纖維-水泥混合料干縮系數(shù)則會變大。纖維摻量過高，使每根玻璃纖維表面水化膠結(jié)物含量下降，使混合料內(nèi)部極易產(chǎn)生微裂縫和空隙，進(jìn)而使玻璃纖維混合料抗拉強(qiáng)度下降。所以，如果玻璃纖維摻量多于0.15%，則玻璃纖維-水泥混合料的抗開裂干縮的能力則會下降。

3.2 溫縮試驗(yàn)結(jié)果分析

各組配合比試件7天、28天齡期的溫縮應(yīng)變結(jié)果（數(shù)

據(jù)略）。各齡期纖維長度、溫度和摻量對溫縮系數(shù)的影響情況分析如下：

（1）齡期對溫縮系數(shù)的影響

由圖1可知，增加養(yǎng)護(hù)齡期后，其溫縮系數(shù)也隨之增加，但纖維摻量及長度增加后，各齡期混合料溫縮系數(shù)間的差距變小。

在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，玻璃纖維混合料溫縮系數(shù)隨溫度下降而上升，且在0℃-10℃時(shí)達(dá)到最大化。增加玻璃纖維長度及摻量，各溫度區(qū)間的溫縮系數(shù)變化平緩，表明玻璃纖維對溫縮變形具有很好的抑制作用。

（2）纖維長度及摻量

各齡期纖維混合料溫縮系數(shù)同纖維長度呈反比，但其溫縮系數(shù)同摻量變化較為一致，呈正比關(guān)系。從上述分析可知，當(dāng)玻璃纖維長度為18毫米，摻量為0.15%時(shí)，其配合比為最佳配合比。

3.3 玻璃纖維提升混合料抗裂性能的機(jī)理

玻璃纖維-水泥混合料的粘結(jié)方式主要有摩擦和粘著兩種方式，外力作用使其發(fā)生變形，玻璃纖維及水泥混料會一起承受外力，且在嵌固點(diǎn)因并行增加而產(chǎn)生摩擦力，與基體間會生成一種內(nèi)聚力，進(jìn)而可以抵抗變形繼續(xù)發(fā)生。若摩擦力難抵抗外力而發(fā)生變形，粘著連接則會起作用，直到極限應(yīng)變?yōu)橹埂?/p>

玻璃纖維在混合料中形成網(wǎng)狀支撐體，能夠約束和包裹骨料顆粒，使其形成堅(jiān)實(shí)整體，增加纖維摻量，混料中纖維根數(shù)也增加，其對膠結(jié)物及混合料的約束力也提高，進(jìn)而限制混料變形收縮力增加。同時(shí)，玻璃纖維連接強(qiáng)度高，能提高混合料抗裂性能。

4 路用性能測試

取100米路段，分3個(gè)試驗(yàn)區(qū)，玻璃纖維摻量分別為0.05%、0.15%、025%，玻璃纖維長度分別取6毫米、12毫米和18毫米。玻璃纖維-水泥混料均用于道路路基層，試驗(yàn)基層分為2區(qū)，每區(qū)4層填筑，每層填筑及碾壓成型厚度20厘米，因篇幅限制，本文僅取1層給出測試結(jié)果。依據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，本路用性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)均依據(jù)原設(shè)計(jì)進(jìn)行。路用性能測試主要有承載力、回彈彎沉值及壓實(shí)度等，本文限于篇幅僅給出承載力檢測結(jié)果，試驗(yàn)方法為加州承載比法進(jìn)行，操作依據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范進(jìn)行。

各試驗(yàn)區(qū)設(shè)置觀察點(diǎn)8個(gè)，為方便比較，均去其平均值進(jìn)行分析，各齡期內(nèi)承載力測試結(jié)果7天齡期各試驗(yàn)區(qū)無太大差距，但纖維長度6毫米、12毫米的承載力低于纖維長度18毫米的承載力；在7天、28天齡期內(nèi)，各種摻量的承載力較為一致，但齡期越長，其承載力越大，在摻量固定時(shí)，纖維長度越長，承載力也越長，纖維長度超出18毫米時(shí)，卻無明顯變化。當(dāng)摻量超出0.15%時(shí)，其承載力變化不明顯，也就是說，在道路實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)將玻璃纖維摻量控制在合適的范圍內(nèi)，以減少經(jīng)濟(jì)投入。

總之，玻璃纖維長度及摻量增加，混合料最大失水率顯著降低，干縮系數(shù)同纖維長度成反比，抗干縮性能增強(qiáng)。摻量≤0.15%時(shí)，干縮系數(shù)與摻量成反比，摻量>0.15%，干縮系數(shù)則與摻量成正比。纖維長度增加，其溫縮系數(shù)下降，在充分考慮玻璃纖維-水泥混料抗溫縮開裂及抗干縮開裂性能時(shí)，玻璃纖維最佳長度應(yīng)為18毫米，最佳摻量應(yīng)為0.15%。經(jīng)過路用性能試驗(yàn)驗(yàn)證，上述結(jié)果均可靠。

參考文獻(xiàn)：

[1]柴琦龍.玻璃纖維混凝土在隧道薄壁中隔墻中的應(yīng)用研究[J].建筑技術(shù)，2017，48（11）：1179-1182.

[2]吳潛，孫小巍，王瑾.纖維復(fù)摻對泡沫混凝土性能影響的研究[J].混凝土，2017（03）：157-160.

[3]王小鳳，徐磊磊，王進(jìn)璽.玻璃纖維超粘薄磨耗層路用性能試驗(yàn)研究[J].高科技纖維與應(yīng)用，2017，42（01）：31-36+47.

[4]亓松彬.耐堿玻璃纖維在水泥混凝土砂漿中的應(yīng)用研究[J].混凝土世界，2016（10）：80-85.