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纖維加固水泥穩定碎石基層研究

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發布時間:2013-2-1

我國高等級公路使用調查表明,半剛性基層瀝青路面裂縫問題日益突出,已成為該結構路面的主要缺陷[1]。目前我國90%以上高等級公路瀝青路面的基層和底基層采用了半剛性材料,水泥穩定碎石是應用最廣的半剛性基層材料。水泥穩定碎石基層的裂縫主要是由水泥穩定碎石材料的干燥收縮和溫度收縮引起的收縮裂縫。由于目前還沒有針對半剛性材料斷裂性能的測試方法,因此本文的試驗仍按國際材料與結構試驗室聯合會混凝土斷裂委員會推薦的三點彎曲法進行。斷裂能是描述材料對裂縫擴展阻力大小的參數,它是指裂縫擴展單位面積所需要消耗的能量,與斷裂過程密切相關,它的大小標志著材料裂紋擴展的難易程度。水泥穩定碎石和混凝土兩者都是水泥基建筑材料,所采用的原材料一樣,雖然拌和物工作性能相差很大,但硬化后材料的物理力學性能非常相似,都屬于脆性材料。因此,對于水泥穩定碎石的斷裂性能,同樣可以采用斷裂能來表征。
  1 強度增長規律
  水泥穩定碎石與摻纖維水泥穩定碎石不同齡期的抗壓強度、劈裂強度試驗結果表明:摻纖維水泥穩定碎石早期強度和沒有外加劑水泥穩定碎石材料的比較接近,但后期強度有一定提高。因為在摻纖維水泥穩定碎石中,水泥與集料相互作用而生成的膠結物和晶體會隨齡期的增長而增加,使得膠結物對纖維的粘結和固定作用增強。這樣使纖維水泥穩定碎石形成一個堅強的整體,纖維可以在基體中發揮獨特的性能,因而起到纖維增強效果,而且齡期愈長,增長效果愈明顯,所以摻纖維水泥穩定碎石材料后其強度仍有較大提高。摻纖維水泥穩定碎石中纖維與水泥穩定碎石的連接方式除了粘著連接外,還存在著摩擦連接,當摻纖維水泥穩定碎石材料在載荷作用下開始變形時,纖維受力,在纖維和水泥穩定碎石中生成的團粒嵌固點上,產生摩擦力,從而使纖維和基體之間出現一種內聚力。
  2 抗凍性能分析
  水泥穩定碎石與摻纖維水泥穩定碎石不同齡期的凍融試驗結果表明:摻纖維水泥穩定碎石的抗凍性能優于未加外加劑水泥穩定碎石材料的抗凍性能。摻纖維水泥穩定碎石抗凍系數較高,經分析有兩方面原因:①基層材料為多孔隙材料,在受到凍融循環作用時,其內部孔隙水凍脹時體積膨脹9%產生的附加內應力將重復對材料的空隙壁產生擠壓破壞作用,而纖維能夠封閉一些水泥穩定碎石的縫隙,減少了液體膨脹壓力;②基層材料中的溶液部分結冰時還會產生很大的滲透壓力,引起基層的破壞開裂,而摻加聚丙烯纖維后,水泥穩定碎石抵抗內部液體膨脹壓力的能力大大增強,減小了凍融導致材料內部結構的破壞。
  3 抗裂性能分析
  水泥穩定碎石與摻纖維水泥穩定碎石抗裂試驗結果表明:無論干縮能抗裂系數還是溫縮能抗裂系數都是摻纖維水泥穩定碎石遠遠大于水泥穩定碎石,可見纖維對水泥穩定碎石抗裂性提高很大,經分析有三方面原因:①聚丙烯纖維可以減少水泥穩定碎石早期干縮應變;在水泥穩定碎石中摻入聚丙烯纖維材料后,使得其失水面積有所減小,水分遷移較為困難,從而使毛細管失水收縮形成的毛細管張力有所減小,同時低彈模的有機纖維相對于塑性水泥穩定碎石也成為高彈模纖維材料,依靠纖維材料與水泥基之間的界面吸附粘結力、機械咬合力等,增加了材料抵抗開裂的塑性抗拉應變能,水泥穩定碎石的開裂狀況得以減輕,甚至消失。②聚丙烯纖維能夠抑制溫縮應變;聚丙烯纖維的熱脹縮系數很小,通常為水泥穩定碎石等半剛性材料溫縮系數的1/10,當聚丙烯纖維加入水泥穩定碎石拌和成型,隨著齡期的增加,纖維和水泥穩定碎石結合成為一個整體,如果溫度變化,材料將會發生收縮或膨脹,由于纖維膨脹系數很小,它會抑制水泥穩定碎石基體的膨脹,從而表現出溫縮系數減小。③聚丙烯纖維能夠大大提高水泥穩定碎石的極限抗拉應變能,增大極限收縮破壞應變能;摻纖維水泥穩定碎石中布置的纖維有很多彎曲,當纖維受力時,在彎曲區產生摩擦力,繼而引起一種抗力,并隨纖維受力而增加,同時在纖維交叉處產生的力企圖使纖維產生橫向位移,則很快會遇到其他纖維阻止這種位移,受力后欲位移纖維上的力傳到其他纖維,形成一個受力作用新區,從而產生纖維水泥穩定碎石的內聚力,提高水泥穩定碎石的抗拉能力。
  4 結論
  國內外關于水泥穩定碎石基層的研究主要集中在水泥穩定碎石基層的抗壓強度、彎拉特性和疲勞特性等理論研究方面,而對水泥穩定碎石基層抗裂性能、抗凍融性能,特別是對纖維加固水泥穩定碎基層配合比優化設計、凍融環境下纖維加固水泥穩定碎石基層強度、纖維加固水泥穩定碎石基層的干縮溫縮特性試驗研究較少,尚未得出系統的研究結論。

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