聚酯纖維和振動(dòng)攪拌工藝對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的路用性能影響規(guī)律研究

房英鋒

(中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京市 100089)

公路水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層普遍存在收縮開(kāi)裂、均勻性差等問(wèn)題，是公路基層產(chǎn)生諸多病害的主要原因之一。一般認(rèn)為，通過(guò)工藝提升、外摻添加劑和設(shè)計(jì)優(yōu)化等技術(shù)手段能夠改善半剛性基層材料的強(qiáng)度、抗裂性能等，從而提高公路基層的路用性能和耐久性。目前相關(guān)研究認(rèn)為：纖維能夠?qū)λ喾€(wěn)定碎石具有增強(qiáng)和增韌效應(yīng)，摻加纖維是改善水泥穩(wěn)定碎石路用性能方法之一；另外振動(dòng)攪拌工藝可從宏觀和微觀層面上改善材料拌和過(guò)程中的均質(zhì)性，從而提高強(qiáng)度和各項(xiàng)使用性能。

聚酯纖維材料化學(xué)穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高，同時(shí)具有良好的耐酸性能和抵抗非極性溶劑侵蝕的能力，是綜合性能較好的纖維材料。目前中國(guó)多家單位研究基于靜壓成型方法分析了聚酯纖維對(duì)水泥穩(wěn)定碎石材料的強(qiáng)度和干縮性能的影響，但未對(duì)采用振動(dòng)成型工藝條件下聚酯纖維對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的各項(xiàng)路用性能影響規(guī)律進(jìn)行深入研究。

因此，該文首先對(duì)比振動(dòng)攪拌工藝和傳統(tǒng)靜壓成型方法對(duì)摻入聚酯纖維水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、均勻性、干縮性能和溫縮性能的影響規(guī)律，并在振動(dòng)攪拌成型工藝的基礎(chǔ)上，研究纖維摻量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石上述各項(xiàng)路用性能的影響，最終確定基于振動(dòng)攪拌成型工藝的聚酯纖維的最佳摻量范圍。

1 原材料

(1) 水泥。采用礦渣硅酸鹽水泥P-S-A32.5，具體技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

(2)聚酯纖維。采用普通聚酯纖維，具體指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)

表2 聚酯纖維技術(shù)指標(biāo)

(3) 集料與礦料級(jí)配。所用集料為石灰?guī)r，級(jí)配見(jiàn)表3。

表3 礦料級(jí)配

2 試驗(yàn)方案及方法

為了研究聚酯纖維在水泥穩(wěn)定碎石基層混合料中的應(yīng)用，該文通過(guò)分析研究聚酯纖維摻量對(duì)水穩(wěn)碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)、離散系數(shù)的影響規(guī)律，確定其最佳摻量。

2.1 試驗(yàn)方案

聚酯纖維摻量分別為0‰、0.4‰、0.6‰、0.8‰和1‰。采用600 t/h連續(xù)式試驗(yàn)室內(nèi)小型試驗(yàn)水泥穩(wěn)定碎石振動(dòng)攪拌設(shè)備，當(dāng)養(yǎng)生齡期為7、28 d時(shí)分別對(duì)其性能評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)及試驗(yàn)方法

水穩(wěn)碎石混合料路用性能指標(biāo)測(cè)定包括無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、干燥收縮、溫度收縮，通過(guò)試驗(yàn)研究分析聚酯纖維的摻量對(duì)其指標(biāo)的影響規(guī)律。

2.2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是水穩(wěn)碎石混合料的主要性能指標(biāo)，其大小直接決定路面基層承載力的大小，按照規(guī)范要求，抗壓強(qiáng)度的試件制作成φ150 mm×150 mm的圓柱體，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生齡期分別為7、28 d時(shí)對(duì)試件做加載試驗(yàn)，根據(jù)不同纖維摻量和不同齡期制作16組且每組平行試件5個(gè)，共有80個(gè)。

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：Rc、P、A分別為試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(MPa)、破壞時(shí)的最大壓力(kN)、截面面積(mm2)。

2.2.2 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)方法

抗拉強(qiáng)度是水穩(wěn)碎石混合料的另一個(gè)重要性能指標(biāo)，混合料的抗拉能力可以用劈裂強(qiáng)度大小反映，故水穩(wěn)碎石混合料的抗拉強(qiáng)度采用劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)。其試件配合比、尺寸和數(shù)量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)相同，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生齡期分別為7、28 d時(shí)對(duì)試件做加載試驗(yàn)。

劈裂強(qiáng)度計(jì)算公式為：

(2)

式中：Rl、P、d分別為試件劈裂強(qiáng)度(MPa)、破壞時(shí)的最大壓力、直徑(mm);h為浸水后試件的高度(mm);α為半壓條寬對(duì)應(yīng)的圓心角(°)；a為壓條的寬度(mm)。

2.2.3 干燥收縮試驗(yàn)方法

干燥收縮是因其內(nèi)部含水量的變化而引起整體宏觀體積收縮的現(xiàn)象。此次干縮試驗(yàn)是在室內(nèi)自然條件下進(jìn)行的，采用100 mm×100 mm×400 mm的水泥穩(wěn)定碎石混合料小梁試件，每組有5個(gè)平行試件，其養(yǎng)護(hù)齡期為7 d，測(cè)試時(shí)間間隔第1 d為6 h一次，第2～5 d為12 h一次，之后24 h一次，直到含水量基本不變?yōu)橹埂Ｆ骄煽s系數(shù)的計(jì)算公式為：

(3)

式中：εi、ε0為第i次及初始測(cè)得的試件干縮應(yīng)變(με)；wi、w0為第i次及初始測(cè)得的試件含水量(%)。

2.2.4 溫度收縮試驗(yàn)方法

溫縮是溫度下降時(shí)引起水穩(wěn)碎石混合料外部體積變化的現(xiàn)象。溫縮試驗(yàn)在高低溫交變環(huán)境箱中進(jìn)行，溫度從55 ℃降到-25 ℃，每次降溫10 ℃，降溫速率為1 ℃/min，每次降溫后恒溫2 h。試件的制備、數(shù)量與干縮試驗(yàn)相同，其養(yǎng)護(hù)齡期為7、28 d。

溫縮系數(shù)的計(jì)算公式為：

(4)

式中:αt、εi、ti分別為溫縮系數(shù)、溫縮應(yīng)變、溫度區(qū)間(℃)。

3 纖維摻量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石路用性能的影響

3.1 纖維摻量對(duì)強(qiáng)度的影響

由式(1)、(2)可得7、28 d兩個(gè)齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果分別如圖1、2所示。

圖1 聚酯纖維摻量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 聚酯纖維摻量對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響

由圖1、2可知：① 聚酯纖維對(duì)水穩(wěn)碎石混合料的早期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響較小，而對(duì)其后期抗壓強(qiáng)度具有一定的增強(qiáng)作用；② 摻入聚酯纖維對(duì)水穩(wěn)碎石混合料早期劈裂強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生不利影響；③ 養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，隨著聚酯纖維摻量的增加，水穩(wěn)碎石混合料的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度均先增大后減小，摻量為0.6‰～0.8‰時(shí)，混合料的抗壓強(qiáng)度提高了16%左右。

養(yǎng)護(hù)早期試件混合料中的水泥尚處于水化狀態(tài)，與摻入的聚酯纖維之間的聯(lián)結(jié)較弱，這樣使得聚酯纖維對(duì)其強(qiáng)度影響較小，甚至?xí)档蛷?qiáng)度值。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間不斷增加時(shí)，混合料中的水泥水化反應(yīng)逐漸完成，其水化產(chǎn)物提升了兩者之間的聯(lián)結(jié)，這時(shí)聚酯纖維的摻入對(duì)混合料會(huì)產(chǎn)生有利的影響。

3.2 纖維摻量對(duì)收縮系數(shù)的影響

(1) 由式(3)計(jì)算得養(yǎng)護(hù)齡期為7 d的試件的平均干縮系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 聚酯纖維摻量對(duì)干縮系數(shù)的影響

由圖3可知：① 在水穩(wěn)碎石混合料養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí)，隨著聚酯纖維的增加，其平均干縮系數(shù)逐漸減小，這是因?yàn)榫埘ダw維被分散到水穩(wěn)碎石混合料中的孔隙處，從而阻止了自由水分的散失，當(dāng)聚酯纖維增加到一定量時(shí)混合料會(huì)出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，這可能是由聚酯纖維的模量引起的，隨著摻量的不斷增加，其模量的彈性性能會(huì)造成試件體積的擴(kuò)張；② 當(dāng)聚酯纖維摻量為0.4‰～0.6‰時(shí)，會(huì)大幅度降低平均干縮系數(shù)，而在0.6‰～0.8‰之間有一個(gè)最佳聚酯纖維摻量會(huì)消除干縮現(xiàn)象。

(2) 由式(4)可計(jì)算得養(yǎng)護(hù)齡期為7、28 d的試件的溫縮系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 聚酯纖維摻量對(duì)溫縮系數(shù)的影響

由圖4可知:① 隨著水穩(wěn)碎石混合料養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，溫縮系數(shù)呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，這是由水泥水化反應(yīng)形成的膠結(jié)物和晶體引起的；② 隨著摻入聚酯纖維，兩個(gè)不同齡期的溫縮系數(shù)均逐漸減小，這是因?yàn)榫埘ダw維的線性溫縮系數(shù)低于混合料的線性溫縮系數(shù)，從而對(duì)膠結(jié)物起到了抑制作用；③ 當(dāng)聚酯纖維摻量達(dá)到一定值時(shí)，溫縮系數(shù)減小幅度逐漸下降；④ 摻量為0.6‰～0.8‰時(shí)，其溫縮系數(shù)降低了14%左右。

3.3 纖維摻量對(duì)均勻性的影響

當(dāng)聚酯纖維摻量為0.8‰、0.6‰養(yǎng)護(hù)齡期為7、28 d時(shí)，每組平行5個(gè)試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

由表4可知：隨著聚酯纖維摻量的增加，會(huì)降低水穩(wěn)碎石混合料的均勻性，但降低幅度不大。

4 成型拌和工藝對(duì)水泥穩(wěn)定碎石路用性能的影響

除混合料配合比設(shè)計(jì)外，拌和工藝對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層路面的使用性能也有一定的影響?；诖?，在聚酯纖維摻入量為0‰、0.6‰和0.8‰時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比振動(dòng)拌和與傳統(tǒng)拌和工藝分別對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、干燥收縮以及溫度收縮性能的影響，結(jié)果如圖5～8所示。

圖5 拌和工藝及聚酯纖維摻量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的

圖6 拌和工藝及聚酯纖維摻量對(duì)劈裂強(qiáng)度的

圖7 拌和工藝及聚酯纖維摻量對(duì)干縮的

圖8 拌和工藝及聚酯纖維摻量對(duì)溫縮的

由圖5、6可知：在試件養(yǎng)護(hù)齡期為28 d，不摻聚酯纖維時(shí)，振動(dòng)拌和的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度與傳統(tǒng)拌和的相比分別提高了21.6%、21.2%，這是因?yàn)檎駝?dòng)作用提高了混合料中水泥水化反應(yīng)的比例，使得水化產(chǎn)物也相應(yīng)增多。隨著聚酯纖維的摻入，其抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步提高。故振動(dòng)拌和技術(shù)以及聚酯纖維可以有效提高水穩(wěn)碎石混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

由圖7可知：在試件養(yǎng)護(hù)齡期為7 d，不摻聚酯纖維時(shí)，振動(dòng)拌和的平均干縮系數(shù)與傳統(tǒng)拌和的相比降低了23.4%，隨著聚酯纖維的摻入，其平均干縮系數(shù)進(jìn)一步降低。故振動(dòng)拌和技術(shù)以及聚酯纖維可以有效降低水穩(wěn)碎石混合料的平均干縮系數(shù)。

由圖8可知：在試件養(yǎng)護(hù)齡期為28 d，不摻聚酯纖維時(shí)，振動(dòng)拌和的溫縮系數(shù)與傳統(tǒng)拌和的相比降低了21.3%，隨著聚酯纖維的摻入，其溫縮系數(shù)進(jìn)一步降低。故振動(dòng)拌和技術(shù)以及聚酯纖維可以有效降低水穩(wěn)碎石混合料的溫縮系數(shù)。

當(dāng)聚酯纖維摻量為0.8‰、養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，振動(dòng)攪拌和傳統(tǒng)攪拌每組平行5個(gè)試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 聚酯纖維摻量為0.8‰時(shí)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(28 d期齡)

由表5可知：振動(dòng)拌和與傳統(tǒng)拌和抗壓強(qiáng)度的離散系數(shù)分別為0.68%、8.31%，故振動(dòng)拌和較傳統(tǒng)拌和能更好地打散水泥結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，使其均勻地分布在混合料的周?chē)岣咚€(wěn)碎石混合料的黏結(jié)性，改善基層的路用性能。

5 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)分析聚酯纖維和振動(dòng)拌和技術(shù)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石性能的影響，得到以下結(jié)論：

(1) 聚酯纖維的摻入對(duì)水穩(wěn)碎石混合料養(yǎng)護(hù)早期強(qiáng)度影響較??；但當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，隨著聚酯纖維摻量的增加，混合料的強(qiáng)度先增大后減小，聚酯纖維的最佳摻量為0.6‰～0.8‰，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度均提高16%左右。

(2) 當(dāng)混合料養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí)，聚酯纖維的摻入會(huì)降低其平均干縮系數(shù)，其最佳摻量為0.6‰～0.8‰時(shí)會(huì)消除干縮現(xiàn)象；當(dāng)混合料養(yǎng)護(hù)齡期為7、28 d時(shí)，聚酯纖維的摻入會(huì)降低溫縮系數(shù)，聚酯纖維的最佳摻量為0.6‰～0.8‰會(huì)降低溫縮系數(shù)14%左右。

(3) 隨著聚酯纖維摻量的增加離散系數(shù)會(huì)逐漸變大，表明聚酯纖維會(huì)降低水穩(wěn)碎石混合料的均勻性，但幅度不大。

(4) 通過(guò)對(duì)比混合料振動(dòng)拌和與傳統(tǒng)拌和技術(shù)可知，振動(dòng)拌和技術(shù)可以有效提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度21.6%、劈裂強(qiáng)度21.2%；降低水泥穩(wěn)定碎石混合料的平均干縮系數(shù)23.4%、溫縮系數(shù)21.3%。