0.   引言

水泥稳定碎石基层由于具有强度高、刚度大、整体性和水稳性好等优点, 长期以来一直是中国高等级公路中应用最广的基层形式, 然而该类基层致命的缺陷是容易产生裂缝, 从而导致路面其他病害, 这些裂缝主要是由水泥稳定碎石材料的干燥收缩和温度收缩引起的收缩裂缝^[1]。目前不少专家及专业人员针对水泥稳定碎石收缩裂缝的防治进行了不懈的研究, 如在水泥稳定碎石中掺加膨胀剂, 采用“预锯缝+土工布”防裂措施, 加铺土工格栅, 改善碎石级配等^[2-7]。以前的研究对水泥稳定碎石基层裂缝的防治起到了一定的效果, 然而在经济性、施工简易性以及根治裂缝方面仍存在着不足之处。杨红辉等的研究成果表明, 聚丙烯纤维掺入水泥稳定碎石可以提高基层的路用性能, 具有很好的应用前景^[8]。但目前关于聚丙烯纤维水泥稳定碎石收缩性能的研究资料比较缺乏, 很大程度上限制了聚丙烯纤维在水泥稳定碎石基层中的应用, 因此, 本文通过室内试验, 进行了聚丙烯纤维水泥稳定碎石干燥收缩和温度收缩试验, 探究了聚丙烯纤维水泥稳定碎石的收缩性能。

1.   试验原材料及方法

1.1   原材料

试验采用的水泥为河南鹤壁同力水泥厂生产的42.5^#普通硅酸盐水泥; 聚丙烯纤维采用江苏丹阳合成纤维厂生产的束状单丝聚丙烯短纤维丹强丝, 其是通过特殊的生产工艺, 将不同长度、不同截面的改性聚丙烯纤维按一定比例均匀地混合在一起的, 聚丙烯纤维的一些主要物理性能见表 1; 所采用的碎石由5种粒径范围骨料组成, 最大粒径为30.0 mm, 粒径小于2.5 mm的集料用河砂代替, 砂子的细度模数为2.73, 碎石的合成级配见表 2。

表  1  聚丙烯纤维物理性能

Table  1.  Physical properties of polypropylene fiber

密度/(g·cm-3)	线密度/dtex	长度/mm	抗拉强度/MPa	拉伸极限/%	弹性模量/MPa	熔点/℃
0.91	10~20	10~20	≥450	≤28	≥4 100	160~170

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表  2  碎石级配

Table  2.  Gradation of macadam

方筛孔尺寸/mm	31.5	19	9.5	4.75	2.36	0.6	0.075
通过质量百分率/%	100.00	94.30	67.64	41.96	26.90	9.68	0.26

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1.2   试验方法

1.2.1   试件成型

水泥稳定碎石梁式试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。根据无机结合料稳定材料圆柱型试件成型的原理^[9], 试验中设计加工了一套钢制试模, 根据击实试验得出的最大干密度及最佳含水量(表 3), 采用挤压成型的方法制备试件。试件的成型以及脱模均在压力试验机上进行, 成型后静置4~5 h后脱模, 将脱模后的试件用塑料薄膜覆盖, 放入标准养护室进行养护。为对比聚丙烯纤维的作用效果, 在成型4组聚丙烯纤维水泥稳定碎石试件的同时, 还成型了1组普通水泥稳定碎石试件。

表  3  击实试验结果

Table  3.  Result of compaction test

配比编号	纤维体积掺量/‰	最佳含水量/%	最大干密度/(g·cm-3)
S1	0.0	5.52	2.29
S2	0.4	5.62	2.31
S3	0.6	5.72	2.31
S4	0.8	5.61	2.29
S5	1.0	5.58	2.32

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1.2.2   干缩应变测试方法

干缩试验采用千分表支架法测量梁式试件在一定失水率下的干燥收缩变形, 试验在40 ℃恒温箱中进行, 每组3块试件, 其中2块用于测试收缩变形, 1块用来在规定的时间称取质量, 以反映含水量的变化。起初的24 h内, 每隔2 h测定一次含水量并记下千分表的读数, 24 h后, 每隔4 h测定一次含水量和变形值, 直到3次测定的含水量恒定为止。

1.2.3   温缩应变测试方法

目前半刚性基层材料的温缩试验方法比较多, 有机测法、支架法、振弦应变传感器测试法、应变片电测法等, 本试验采用应变片电测法, 试验在高低温试验箱中进行, 降温范围为-20 ℃~40 ℃。试验箱的初始温度设为40 ℃, 温度控制程序中, 设定以10 ℃的降温幅度进行降温, 降温速率为0.5 ℃·min^-1, 即降温时间为20 min, 到达所需温度后恒温4 h, 在恒温时间结束前的5 min内对该恒温段的应变值进行读取存储, 然后再往下一温度降温。

2.   试验结果分析

2.1   试验结果

2.1.1   干缩试验结果

干缩应变计算式为

$\epsilon {}_{\text{d}i}=(\Delta {}_{i-1}-\Delta {}_i)/L(1)$

式中: ε_di为试件的干缩应变(10^-6); Δ_i-1、Δ_i分别为相邻两测点千分表的读数(mm); L为梁式试件的长度(mm)。干燥收缩系数指每单位含水量变化时的应变值, 其计算式为

$\alpha {}_{\text{d}}=\frac{\epsilon {}_{\text{d}(i+1)}-\epsilon {}_{\text{d}i}}{\omega {}_{i+1}-\omega {}_i}(2)$

式中: α_d为纤维水泥稳定碎石材料平均干缩系数; ω_i、ω_i+1为相邻两测点测定的试件含水量(%); ε_di、ε_d(i+1)为相邻两测点试件的干缩应变(10^-6)。

配比S1和S3干燥收缩过程28 d试验数据见表 4, 表 4中, ω_a为平均含水量。不同养护龄期和纤维体积掺量(V_f)聚丙烯纤维水泥稳定碎石最大失水量(Δω)、最大干缩应变(ε_d)和平均干缩系数试验结果见表 5。

表  4  不同含水量下的干缩系数

Table  4.  Dry shrinkage coefficients under different water contents

配比编号	S1				S3
项目	ωi-ωi-1/%	ωa/%	Δω/%	αd	ωi-ωi-1/%	ωa/%	Δω/%	αd
项目值	4.71~4.01	4.36	0.70	56.7	4.790~4.150	4.47	0.64	34.58
	4.01~3.33	3.67	0.68	55.3	4.150~3.570	3.86	0.58	36.00
	3.33~2.85	3.09	0.48	59.1	3.570~3.060	3.32	0.51	37.56
	2.85~2.63	2.74	0.22	64.4	3.060~2.680	2.87	0.38	44.73
	2.63~2.33	2.48	0.30	66.6	2.680~2.280	2.48	0.40	20.00
	2.33~2.09	2.21	0.24	70.7	2.280~2.000	2.14	0.28	50.78
	2.09~1.73	1.91	0.36	56.5	2.000~1.615	1.81	0.38	46.26
	1.73~1.27	1.50	0.46	42.8	1.615~1.245	1.43	0.37	35.60
	1.27~0.75	1.01	0.52	27.1	1.245~0.845	1.05	0.40	18.90
	0.75~0.49	0.62	0.26	9.2	-0.845~0.455	0.65	0.39	8.70

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表  5  干燥收缩和温度收缩试验结果

Table  5.  Results of dry and thermal shrinkage tests

配比编号	Vf/‰	Δω/%		εd/10-6		εt/10-6		αd		αt
		7 d	28 d	7 d	28 d	14 d	28 d	7 d	28 d	14 d	28 d
S1	0.0	4.08	4.30	235	212	435	480	57.6	49.3	7.25	8.00
S2	0.4	4.20	4.35	197	179	417	465	46.9	41.1	6.95	7.75
S3	0.6	4.18	4.42	177	151	403	433	42.3	34.2	6.42	7.22
S4	0.8	4.14	4.32	156	132	350	404	37.3	30.6	5.83	6.73
S5	1.0	4.05	4.23	138	121	326	378	34.1	28.6	5.43	6.30

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2.1.2   温缩试验结果

水泥稳定碎石平均温缩系数计算式为

$\alpha {}_{\text{t}}=\frac{\epsilon {}_{\text{t}(i+1)}-\epsilon {}_{\text{t}i}}{t{}_{i+1}-t{}_i}+\beta (3)$

式中: α_t为水泥稳定碎石的平均温缩系数; t_i、t_i+1为相邻2个恒温段的温度值(℃); ε_ti、ε_t(i+1)为温度t_i、t_i+1时试件的温缩应变(10^-6); β为温度补偿标准材料的温度收缩系数(10^-6·℃^-1)。

不同养护龄期和纤维体积掺量(V_f)聚丙烯纤维水泥稳定碎石最大温缩应变(ε_t)和平均温缩系数试验结果见表 5。配比S1和S3温度收缩过程28 d试验数据见表 6。

表  6  不同降温段的温缩系数

Table  6.  α_tof different temperature descending periods

降温段/℃	αt/(10-6·℃-1)
	配比S1	配比S3
30~40	8.7	7.5
20~30	8.0	7.6
10~20	8.1	7.4
0~10	7.4	6.9
-10~0	8.2	7.2
-20~-10	7.6	6.8

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2.2   聚丙烯纤维对水泥稳定碎石干缩性能的影响

图 1给出了不同纤维掺量聚丙烯纤维水泥稳定碎石与普通水泥稳定碎石平均干缩系数的比较结果。当水泥稳定碎石中掺入聚丙烯纤维后, 由于此时表层材料中存在纤维材料, 使得其失水面积有所减小, 水分迁移较为困难, 从而使毛细管失水收缩形成的毛细管张力有所减小, 同时由于纤维与基体之间界面的粘结力、机械啮合力等, 平均干缩系数有明显的减小。7 d龄期时, 由于水泥稳定碎石中毛细管张力、吸附水和分子间力、层间水的收缩力三者的综合作用较小, 因而平均干缩系数较之28 d龄期要大, 但无论是7 d还是28 d龄期, 平均干缩系数均随着纤维体积掺量的增加而逐渐减小。随着纤维掺量的增加, 在水泥稳定碎石混合料里面各个方向乱向分布的纤维根数增加, 根据纤维间距理论^[10-12], 相邻纤维间的间距减小, 纤维对混合料及胶结物的约束力随之增加, 对混合料干燥收缩的限制增强。

图  1  纤维体积掺量对平均干缩系数的影响

Figure  1.  Influence of fiber volume fraction on average dry shrinkage coefficient

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2.3   含水量变化与干缩系数的关系

图 2为28 d龄期两对配合比干缩系数与平均含水量的关系, 从图中可看出, 掺加纤维的和未掺加纤维水泥稳定碎石干缩系数随含水量的变化关系都是一条近似抛物线, 即起初随着试件平均含水量的减小, 干缩系数逐渐增大, 在平均含水量减小到2.0%~2.5%时, 干缩系数达到最大值, 随后干缩系数又逐渐减小。由图 2可知, 干缩系数达到最大值前的曲线较之最大值之后要陡, 即在干缩系数达到最大值前, 其变化速率明显要大于达到最大值之后的变化速率。在整个含水量减小的过程中, 由于聚丙烯纤维的掺入阻止了水泥稳定碎石的干燥收缩, 因而, 掺加聚丙烯纤维的水泥稳定碎石干缩系数始终都比未掺加纤维的干缩系数要小, 曲线变化也较平缓。

图  2  干缩系数与含水量的关系

Figure  2.  Relation between α_d and ω_a

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2.4   聚丙烯纤维对水泥稳定碎石温缩性能的影响

图 3给出了不同纤维掺量聚丙烯纤维水泥稳定碎石与普通水泥稳定碎石平均温缩系数的比较结果。掺聚丙烯纤维水泥稳定碎石材料是一种复合材料, 其温缩性能取决于水泥稳定碎石基体和纤维材料的综合作用, 水泥稳定碎石中掺入聚丙烯纤维后, 当该复合材料经受降温而发生体积收缩时, 由于聚丙烯纤维的温缩系数较小, 仅为水泥稳定碎石材料的1/10左右, 对温度不敏感, 且其在水泥稳定碎石中呈三维乱向分布, 因而, 聚丙烯纤维掺入水泥稳定碎石中对其平均温缩系数的减小效果很明显。起初, 温缩系数较大的各种胶结物和水化物在整体材料中占的比例较小, 随着混合料内部各种化学反应的进行, 胶结物所占的比例增大, 因而聚丙烯纤维水泥稳定碎石28 d龄期的平均温缩系数比14 d龄期的大。但无论是14 d还是28 d龄期, 在聚丙烯纤维体积掺量小于1‰的范围内, 随着纤维掺量的增加, 纤维抑制温度收缩的作用逐渐增强, 因而其平均温缩系数是逐渐减小的。

图  3  纤维体积掺量对平均温缩系数的影响

Figure  3.  Influence of fiber volume fraction on average thermal shrinkage coefficient

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2.5   温度变化与温缩系数的关系

图 4为28 d龄期两对配合比温缩系数与温度的关系。在降温过程中的高温区, 毛细管中弯曲液面表面张力和弯曲液面内外压力差均比较小, 因此, 随着温度的下降, 温缩系数逐渐变小。当温度降到0 ℃以下, 毛细管张力有可能大于颗粒的联结力, 使温缩系数很快增加, 而当温度降至-20 ℃~-10 ℃之间时, 可能是因为毛细管中水的冰点一般在-20 ℃~-10 ℃之间, 当温度降到该区间时, 大部分孔隙水结冰, 使整体体积发生膨胀, 从而表现为温缩系数在该温度区间内又开始减小^[13]。从图 4中可以看出, 两配合比的温缩系数变化的大致趋势相同, 都在0 ℃达到最小值, 平均温缩系数整体上呈波浪形起伏。由于聚丙烯纤维对收缩的抑制作用, 整个温度变化范围内, 掺加聚丙烯纤维的水泥稳定碎石平均温缩系数始终比未掺纤维的低, 随着温度的降低, 未掺聚丙烯纤维的水泥稳定碎石温缩系数的变化较明显, 而掺加聚丙烯纤维的水泥稳定碎石在该温度区间内随温度变化比较平缓。

图  4  温缩系数与温度的关系

Figure  4.  Relation between thermal shrinkage coefficient and temperature

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3.   结语

聚丙烯纤维能有效地提高水泥稳定碎石的抗干燥收缩和抗温度收缩能力, 使材料的平均干缩系数和平均温缩系数有明显的减小, 从而可以显著地提高水泥稳定碎石基层的抗裂性能, 在道路工程中具有良好的应用前景。聚丙烯纤维对水泥稳定碎石收缩性能的限制作用受纤维掺量和水泥掺量的影响较大, 因而在实际应用中应注意纤维和水泥的用量。水泥稳定碎石基层在实际环境中, 干燥收缩和温度收缩是同时发生的, 而本文由于受试验条件的限制, 在收缩试验中仅测得了这两种收缩单独作用时的收缩系数, 尽管这对水泥稳定碎石基层抗裂性能有一定程度的预估性, 但与实际情况仍有不少差距。因而, 在今后的试验研究中, 应当探索一种新的试验方法, 在更严格的试验条件下, 将干燥收缩和温度收缩结合起来测试半刚性材料的收缩性能。