掺纤维水泥稳定砂砾材料路用性能研究_赵宁

1、1 纤维应用概况及作用机理1.1 纤维应用概况交通土建类工程较长时间使用的纤维复合材料是由纤维与基体两部分组成,与原有基体比较,复合材料的抗拉、抗压、抗挠曲、抗冲击、抗疲劳、抗冲刷强度都有所改善;此时施加在基体上的荷载,借助作用于界面上的粘着力传递到纤维上,如果纤维的弹性模量大于基体的弹性模量,基体开裂后,大部分荷载由纤维来承担,所以复合材料的强度往往与纤维体积的含量成正比。最早将纤维引入公路工程结构物的是美国人波特(Porter。1910年,他把薄钢片掺入混凝土中,以改善混凝土的抗拉强度及抗冲击性能,并于1914年获得专利权。1963年,Romuadi、Batson发表了混凝土开裂机理中钢纤

2、维间距影响的研究成果,引起了工程界的广泛重视。随着钢纤维混凝土的迅速推广,美国混凝土协会增设了纤维混凝土委员会,于1973年在加拿大渥太华举办了纤维混凝土国际会议;1975年由国际材料及结构实验联合会主办、在伦敦召开了纤维水泥及混凝土的国际讨论会。我国在上世纪70年代开始引进这一新技术,但是也主要用于水泥混凝土结构物,以提高此类结构的韧性。在公路建设中,钢纤维混凝土在桥梁、路面已开始部分使用,聚丙烯纤维增强水泥混凝土、玻璃纤维增强水泥混凝土,以及纤维沥青混凝土等也都在公路工程中有所应用。长安大学申爱琴、杨洪辉等对聚丙烯纤维增强三灰稳定砂砾、水泥稳定碎石基层抗裂性能进行了研究。研究结果显示,在半

3、刚性基层材料中掺入适量的纤维可以有效地提高其抗裂性能。1.2 纤维增强抗裂性的作用机理聚丙烯纤维提高混合料抗裂性可以从以下三方面理解,第一,减少水泥稳定砂砾早期干缩应变;第二,抑制温缩应变;第三,提高水泥稳定砂砾极限抗拉应变能,增大其极限收缩破坏应变能。1.2.1 抗塑性干缩开裂机理探讨在水泥稳定砂砾基层铺筑时和养生期,由于水和水泥稳定砂砾的亲润性,水分蒸发时,材料毛细管中便形成凹液面,而凹液面上表面张力的垂直分量形成了对管壁间材料的拉应力,此时水泥稳定砂砾处于塑性阶段,自身的塑性抗拉强度较低,若水泥稳定砂砾表层毛细管失水收缩掺纤维水泥稳定砂砾材料路用性能研究赵 宁1 孙洪德2(1. 青岛市公

4、路管理局 山东青岛 266101;2. 安徽省交通规划设计研究院 安徽合肥 230088摘 要:聚丙烯纤维的掺入可以有效提高半刚性基层材料的抗裂性能,在合理纤维掺量范围内,无侧限抗压强度不会下降太多,并可以有效提高水泥稳定砂砾的抗裂性能,其劈裂强度和抗弯拉强度有一定程度的提高。随着纤维掺量的增加,抗压回弹模量随之减小。纤维掺量越大,水泥稳定砂砾干缩、温缩系数越小。无论是干缩抗裂系数,还是温缩抗裂系数,存在一个最佳纤维掺量范围(0.02%0.04%,通过研究确定最佳的纤维掺量为0.04%。关键词:纤维;水泥稳定砂砾;路用性能收稿日期:2013-01-14产生的拉应变能大于其塑性抗拉应变能,则水泥

5、稳定砂砾出现开裂现象。掺入聚丙烯纤维后,使其失水面积有所减小,水分迁移较为困难,降低了失水收缩引起的毛细管张力。同时,依靠纤维材料与水泥基间界面吸附粘结力、机械啮合力,增加了材料抵抗开裂塑性抗拉应变能,降低了水泥稳定砂砾开裂状况。1.2.2 抗温缩开裂机理探讨聚丙烯纤维热收缩系数通常为水泥稳定砂砾材料温缩的1/10,因此纤维和水泥稳定砂砾逐渐结合成为一个整体;同时水泥稳定砂砾基层材料温缩主要发生在使用期内,此时水泥稳定砂砾强度已经较高,纤维和水泥稳定砂砾基体之间连接力很高。此时,如果温度变化,材料将会发生收缩或膨胀,由于纤维膨胀系数很小,从而抑制了水泥稳定砂砾基体的膨胀,表现出温缩系数的减小。

6、1.2.3 提高水泥稳定砂砾抗拉应变能纤维提高水泥稳定砂砾抗拉应变能主要是由于纤维和水泥稳定砂砾基体共同受力、变形所致。关于纤维的弯曲,掺纤维水泥稳定砂砾中布置的纤维有很多弯曲,当纤维受力时,在弯曲区产生摩擦力,继而引起一种抗力,并随纤维受力而增加。关于纤维交叉相联系,如果在纤维交叉处产生的力企图使纤维产生横向位移,则很快会遇到其他纤维阻止这种位移。受力后欲位移纤维上的力传到其他纤维,形成一个受力作用新区,从而产生纤维土的内聚力。水泥稳定砂砾是脆性材料,抗压强度高、弯拉强度和抗拉强度较小;而聚丙烯纤维是一种抗拉强度较高的抗拉性材料,当聚丙烯纤维和水泥稳定砂砾拌和,达到一定龄期,它们成为一个整体

7、。这时,掺纤维水泥稳定砂砾脆性减小,柔性增大,当其受拉时,需要达到较大拉应变能才可能破坏。因此,纤维增强半刚性基层的抗裂原理归纳如下:(1由于半刚性材料的胶结料对纤维的粘结和加固作用,当受到外力作用时,半刚性材料和纤维两相因发生相对位移而产生摩擦,随机取向的纤维发生弯曲及纤维交叉相联,提高了半刚性基层的抗弯拉强度;(2纤维对半刚性基层干缩和温缩起到一定限制作用,使混合料的整体收缩量变小,抗裂性能提高。2 试验方案的确定2.1 纤维品种的选择经过多方比较,选用西安非亦特纤维网砼有限公司生产的聚丙烯网状纤维,其技术参数见表1。2.2 试验方案集料级配采用推荐级配JP1,水泥剂量5%,纤维溶于水后使

8、用,纤维掺量依次为0%、0.02%、0.04%、0.06%,方案见表2。3 力学性能3.1 无侧限抗压强度为了研究不同纤维掺量对抗压强度的影响,按照公路工程无机结合料稳定材料试验规程(JTJ057-94中的试验方法,测试不同龄期的抗压强度,结果见表3和图1。表 1 纤维技术参数评价指标数值吸水率0熔点160170比重0.91g/cm3纤维长度19mm20mm抗拉强度560MPa770MPa杨氏弹性模量 3500MPa表 2 试验方案方案代号集料级配水泥用量(%纤维掺量(%集料用量(% JP1-5-0JP150100JP1-5-02JP150.02100JP1-5-04JP150.04100JP

9、1-5-06JP150.06100试验结果显示:(1纤维的掺入使水泥稳定砂砾早期强度略有降低,且掺量越大,降低越多;(2纤维的掺入对水泥稳定砂砾后期强度影响不大,龄期超过28d强度还略有增大,JP1-5-04方案180d强度增大最多为2.59%。究其原因,试件在养生初期,虽然水泥强度增长快,但水化生成胶凝物质有限,纤维增强效果并不明显。到了后期,水泥水化基本结束,此时,胶凝材料增多且将纤维固定,纤维增强效果有所提高,但是由于纤维本身模量低,因此对抗压强度基本上没有太大的贡献。3.2 劈裂强度按公路工程无机结合料稳定材料试验规程(JTJ057-94中的测试方法,测试不同纤维掺量各龄期的劈裂强度,

10、结果见表4和图2。从图2中看出,除7d强度受纤维影响不大外,其他各龄期劈裂强度有明显提高,特别是28d劈裂强度,纤维掺量超过0.04%时,劈裂强度可提高70%以上。且与纤维的掺量成正比,即纤维的掺量越大,劈裂强度提高越多,同时可以看出,当纤维掺量在0.02%0.04%之间时,经济性最佳。测试结果表明,纤维的掺入可以有效地提高半刚性基层材料的抗裂性能,具体表现在提高方案的劈裂强度上。3.3 抗弯拉强度按公路工程无机结合料稳定材料试验规程(JTJ057-94中的测试方法,不同纤维掺量各龄期抗弯拉表 3 抗压强度(MPa 72890180强度变化百分比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龄期(d 方案代号表 4 劈裂强度(MPa 72890180强度变化百分率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龄期(d 方案代号121086420抗压强度(M P a 龄期(天JP1-5-0 JP1-5-02 JP1-5-04 JP1-5-067 2890 180图 1 纤维掺量对抗压强度的影响 1.210.80.60.40.2劈裂强度(M P a 龄期(天JP1-5 JP2-5 JP3-5 JPT-57 2890 180图 2 纤维对劈裂强度的影响 表 7 干缩系数00.020.040.06无龄期 28d 49.447.641.640.5干缩系数变化百分率-3.64-15.79-18.02纤维掺量(%龄期

13、(d 表 8 温缩系数00.020.040.06908.48.27.87.5温缩系数变化百分率-2.38-7.14-10.71纤维掺量(%龄期(d 514947454341393735干缩系数(×10-60.020.040.060.08纤维掺量(%图 5 纤维对水泥砂砾材料无龄期干缩系数影响8.58.48.38.28.187.97.87.77.67.57.4温缩系数(×10-60 0.020.04 0.06 0.08纤维掺量(%图 6 纤维掺量对水泥稳定砂砾材料90d温缩系数影响表 5 抗弯拉强度(MPa 00.020.040.0690 28d 1.511 1.624 1.

14、865 1.987180 28d1.654 1.735 1.9542.054强度变化百分率907.4823.4331.501804.9018.1424.18纤维掺量(%龄期(d 表 6 90d龄期抗压回弹模量(MPa 00.020.040.060.0890 28d 1524897698765603模量变化百分率-41.14-54.20-49.80-32.77纤维掺量(%龄期(d 2.221.81.61.41.21抗弯拉强度(M P a 0.020.040.060.08180d90d纤维掺量(%图 3 抗弯拉强度与纤维掺量关系1600140012001000800600抗压回弹模量(M P a

15、0.02 0.04 0.06 0.08 0.1纤维掺量(%图 4 抗压回弹模量与纤维掺量关系强度测试结果见表5和图3。从图3中看出,除7d强度受纤维影响不大外,其他各龄期的抗弯拉强度有明显提高,且与纤维的掺量成正比,即纤维的掺量越大,抗弯拉强度提高越多。同时可以看出,当纤维掺量在0.02%0.04%之间时,具有较高的性价比。可以看出,纤维的掺入有效地提高了方案JP1-5的劈裂强度和抗弯拉强度,也就是说有效地提高了方案的抗裂性能,劈裂强度和抗弯拉强度均与纤维掺量成正比,且存在经济掺量0.02%0.04%。3.4 抗压回弹模量纤维掺量对水泥稳定砂砾抗压回弹模量的影响见表6和图4。抗压回弹模量与纤维

16、掺量成反比,随纤维掺量的增加,抗压回弹模量呈下降趋势。掺量0.04%时,模量降低了54.2%,表明掺入纤维后有效提高了半刚性基层材料的韧性。对于水泥稳定砂砾这种半刚性材料而言,降低材料的刚性,增加其柔韧性,且不降低其抗折强度,是我们追求的路用品质之一。掺纤维提高了抗折强度,降低了抗压弹性模量,而抗压回弹模量的降低,使得在荷载、干湿、温度等引起的翘曲变形一定时,基层内产生的弯曲疲劳应力水平低,翘曲循环破坏机率小,利于保持各种因素作用下路面的完好率。当荷载应力一定时,抗折弹性模量小,弯拉应变大,基层的柔韧性好,有利于降低材料脆性和提高道路的耐久性。4 收缩性能4.1 干缩变形采用干缩试验方法,对上

17、述方案的干缩性能进行测试。测试结果见表7。可以看出,掺纤维水泥稳定砂砾材料的干缩系数随纤维掺量的增加而减小,纤维掺量在0.02%0.04%之间时,干缩系数随纤维掺量的增加急剧减小,在纤维掺量超过0.04%时趋于平缓。4.2 温度收缩采用温缩试验方法,对上述方案的温缩性能进行了测试。测试结果见表8。可以看出,掺纤维水泥稳定砂砾材料的温缩系数随纤维掺量的增加而减小,与干缩系数的变化规律基本相同。结论本文通过对掺纤维水泥稳定天然砂砾材料的室内试验,得出以下结论:(1在合理纤维掺量范围内(本文试验范围是0.02%0.06%,无侧限抗压强度不会下降太多,而且可以有效提高水泥稳定砂砾的抗裂性能。其劈裂强度和抗弯拉强度有一定程度的提高。(2随着纤维掺量的增加,抗压回弹模量随之减小。(3纤维掺量越大,水泥稳定砂砾干缩、温缩系数越小。(4无论是干缩抗裂系数,还是温缩抗裂系数,存在一个最佳纤维掺量范围(0.02%0.04%。(5在水泥稳定砂砾混合料中掺加一定量的聚丙烯纤维可以有效提高其抗裂性能,