半刚性基层具有一定的抗疲劳强度、良好的水稳定特性以及造价较低等突出优点,在中国公路建设中得到了广泛的应用。但水泥稳定碎石柔韧性不足,易出现干燥裂缝和温度收缩裂缝,继而致使水泥稳定碎石基层沥青路面出现反射裂缝[1-3]。因此,改善半刚性基层的收缩、柔韧性能和其抗裂性能,对于防止半刚性基层沥青路面产生裂缝具有重要意义。
针对上述问题,国内外学者提出在水泥稳定类材料中掺入纤维来抑制基层开裂问题。Zhang等[4]、张鹏等[5]、Yang 等[6]和Lyu等[7]研究表明,向水泥稳定类材料中添加钢、聚丙烯和玄武岩等纤维可以改变水泥基材料力学强度以及韧性。玻璃纤维与钢纤维、玄武岩纤维等路用纤维相比,有取材方便、增韧效果强、耐腐蚀性好、经济性高等优点,更具有大规模推广应用的潜质[8]。掺入玻璃纤维可以有效改善路用材料的韧性、疲劳以及变形等性能。董苏波等[9]研究表明,14 d龄期时掺入适量的玻璃纤维可以使水泥稳定碎石抗压回弹模量降低27.5%,由此大幅度地减少其刚度,从而可有效地提升基层的韧性。白云[10]研究发现,当玻璃纤维掺量在0.15%以下时,随着玻璃纤维的掺入,水泥稳定碎石的抗压强度、耐冻系数提升效果比较明显,而且会显著降低其干燥收缩,增强基层的抗裂性能。Wu等[11]向水泥稳定碎石中掺入一定量的玻璃纤维,发现其无侧限抗压强度、劈裂强度、压缩模量等力学性能有了显著提升,确保了碎石承受较大的收缩变形而不受损,有效地提高了水泥稳定碎石的抗开裂性能。赵云飞[12]通过研究发现,由于玻璃纤维加入,使水泥稳定碎石的弯拉强度和试件破坏时跨中位移均有所增加,可以有效地抑制裂缝的扩展,显著地提高水泥稳定碎石抗裂能力。Zhang等[13]研究表明,纤维增强水泥稳定碎石的平均干缩系数随龄期的增加而明显降低,掺入玻璃纤维的水稳碎石比普通水泥稳定碎石干收缩系数减小约30%。然而,目前针对玻璃纤维在水泥稳定碎石基层中的应用主要集中于力学性能、抗冻性能和路用性能,对于玻璃纤维对水泥稳定碎石抗裂性能的研究也仅限于弯拉强度和干缩性能方向,对掺入玻璃纤维后水泥稳定碎石的早期温度收缩、干燥收缩以及受力后抵抗变形的能力少有全面研究成果。
鉴于此,本文将玻璃纤维掺入水泥稳定碎石中,采用干燥收缩试验、温度收缩试验、弯曲韧性试验和断裂韧性试验,深入探究不同掺量下玻璃纤维对水泥稳定碎石收缩性能、弯曲韧性、断裂性能及抗裂性能的影响规律,并系统地分析了玻璃纤维对水泥稳定碎石抗裂性能的增强效果,以期提升基层材料柔韧性能并为沥青路面反射裂缝的防治和在道路基层的应用提供一定的指导。
1 原材料与试验方法
1.1 原材料
本研究选用青岛即墨中联水泥有限公司生产的标号为32.5的复合硅酸盐水泥,各项指标检测结果如表1所示。集料为青岛即墨中联水泥有限公司生产的碎石,试验所用集料共分4档,粒径分别为19～31.5、9.5～19、4.75～9.5、0～4.75 mm。试验所用纤维为青岛黄海玻纤有限公司生产的无碱短切玻璃纤维,纤维直径为14～17 μm,长度为20～30 mm。玻璃纤维的技术指标如表2所示技术指标检测方法为GB/T 7690.1,检测结果为合格。
表1 水泥技术性能检测结果
Table 1 Cement technical performance test results
项目初凝时间/min终凝时间/min氧化镁/%三氧化硫/%安定性氯离子/%细度(45 μm)筛余28 d抗折强度/MPa28 d抗压强度/MPa标准值≥45≤600≤6.0≤3.5合格≤0.06≤30≥5.5≥32.5实测值2153004.222.11合格0.046.17.939.2
表2 玻璃纤维技术指标
Table 2 Glass fiber technical indicators
项目线密度/tex含水率/%可燃物含量/%硬挺度/mm检测平均值2 394.30.081.09119技术要求2 400±120≤0.151.20±0.15125±20
1.2 配合比设计
本研究通过振动击实试验确定了3.5%、4.0%和4.5%水泥用量条件下水泥稳定碎石的最佳含水率分别为5.5%、5.2%和6.6%。养生7 d(其中最后一天饱水)后,测定其无侧限抗压强度,结果分别为5.91、6.91和7.03 MPa。3种水泥用量的水泥稳定碎石的7 d无侧限抗压强度均满足JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》 的要求,4.0%、4.5%强度差异不大,但是水泥剂量越高经济性越差,也越容易开裂,故综合考虑选用4%的水泥用量。最终得出不同纤维掺量下的4种水泥稳定碎石配合比14∶35∶24∶27,其中碎石粒径按“逐级填充试验”[14]确定4档集料之间的级配比例。
1.3 试验方法
1.3.1 干燥收缩试验
干燥收缩试验参照JTG E51—2009 《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》规定的方法来测定,所用试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的长方体试件,并按照式(1)计算总干缩系数评价其干缩性能。
(1)
式中:αd为总干缩系数,%;∑εi为总干缩应变;∑ωi为总失水率。
1.3.2 温度收缩试验
温度收缩试验试件尺寸同干燥收缩试验,并参照 JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》的方法测定7个温度级,每次降温10 ℃,降温速率0.5 ℃/min,恒温3 h,数据读取时间间隔为5 min。根据测得的数据对温度收缩系数进行计算整理,计算公式如(2)、(3)所示。
(2)
(3)
式中:li为第i次千分表读数,mm;ti为第i级温度,℃;L0为试件的初始长度,以试验开始时测定的试件长度代替,mm;εi为第i个温度条件下的温度收缩应变,%;αt为材料的温度收缩系数,表征单位温度变化条件下材料的收缩系数,%。
1.3.3 弯曲韧性试验
弯曲韧性试验仪器采用SANS CMT5105型电子式万能试验机,采用配套的4点弯曲夹具进行试验。夹具下部跨度为300 mm,上部跨度为100 mm,加载速率为0.1 mm/min。加载过程中通过万能试验机数据采集系统对荷载、时间、挠度等数据进行实时采集。数据采集后,利用荷载-挠度曲线计算不同纤维掺量下的弯曲韧性系数fe以及通过对曲线积分得出弯曲韧度即弯曲破坏过程中水稳碎石吸收的能量。fe计算公式为
(4)
式中:fe为弯曲韧性系数,MPa;Ω为从开始到挠度为L/150荷载-挠度曲线下面积,N·mm;L为两支座之间的跨度,mm;b为试件的宽度,mm;h为试件的高度,mm;δ为L/150,mm。
1.3.4 断裂能试验
试件尺寸如图1所示,尺寸为L×b×h=400 mm×100 mm×100 mm。试验开始前,在梁式试件下部预锯一条缝,相对切口深度为5 mm。其养生龄期为90 d。试验仪器采用SANS CMT5105型电子式万能试验机,加载速率控制在0.1 mm/min,最大力为100 kN,准确度等级为0.5级。本试验参照RILEM混凝土弯曲试验方法,对水泥稳定碎石材料的断裂能进行测试,计算公式为
(5)
式中:GF为断裂能,N/m;W0为荷载所做功,N·m;m为试件质量,kg;δmax为跨中最大挠度,m;g为重力加速度,取9.8 m/s2;Alig为韧带净面积,m2。
图1 断裂能试件示意图(mm)
Figure 1 Schematic diagram of fracture energy specimen(mm)
2 结果与讨论
2.1 干缩性能试验结果分析
按照式(1)计算不同玻璃纤维掺量下的总干缩系数,试验结果如图2所示(图中Fib-non、Fib-0.05%、Fib-0.10%、Fib-0.15%依次表示体积掺量为0、0.05%、0.10%、0.15%,下同)。
由图2可知,随着龄期的增长,水泥稳定碎石总干缩系数逐渐增加,当龄期相同时,总干缩系数随纤维掺量的增加逐渐降低,由此可以说明纤维的加入可以显著改善水泥稳定碎石的干缩性能。以30 d龄期的水泥稳定碎石总干缩系数为例分析:与普通水泥稳定碎石相比,玻璃纤维掺量由0增大到0.15%,水泥稳定碎石干燥收缩分别降低6%、13%、16%,每增大0.05%,干燥收缩分别降低6%、7%、3%。由0.05%增大到0.10%时玻璃纤维对水泥稳定碎石干燥收缩的抑制效果最优,故掺量为0.05%～0.10%为抑制干缩的最佳掺量。
图2 不同龄期、不同纤维掺量水泥稳定碎石总干缩系数
Figure 2 Total dry shrinkage coefficient of cement stabilised aggregates at different ages and different fibre doses
分析机理可知,水泥稳定碎石中玻璃纤维的间距会直接影响其对干燥收缩的抑制效果,在其他条件都相同的情况下,随着掺量的增加,玻璃纤维之间的间距不断降低。纤维间距较小可以更好地分散和降低水泥稳定碎石内部的收缩应力,但当纤维的用量超过一定限度后,玻璃纤维在水泥稳定碎石中的均匀分布将会难以实现,进而出现纤维结团的现象,在水泥稳定碎石中形成薄弱区,不但使得水泥稳定碎石的抗收缩能力降低,甚至使得水泥稳定碎石的强度达不到要求。故掺入适当的玻璃纤维可以有效地降低水泥稳定碎石的干燥收缩。
2.2 温度收缩试验结果分析
测定不同纤维掺量下水泥稳定碎石试件在温度变化条件下的变形量,并对水泥稳定碎石的温度收缩应变、温缩系数进行了计算,结果如图3所示。
图3 平均温缩系数随纤维掺量变化趋势
Figure 3 Variation trend of average temperature shrinkage coefficient with fiber content
分析图3可知,水泥稳定碎石的温度收缩系数在整个测试温度周期内先随着温度的降低而升高,在10～-10 ℃内达到最大,然后开始下降。材料的温度收缩系数在10～-10 ℃内达到最大值。主要是由于水泥稳定碎石材料内部自由水的冰点在10～-10 ℃内,水分开始结冰膨胀,由此产生的体积变形抵消了部分温度收缩引起的变形,最终体现为温度收缩系数有所减小。由图3可知,3种纤维掺量的混合料温度收缩系数较不掺玻璃纤维的对照组分别下降了5.5%、14.5%、18.2%。由0.05%增大到0.10%时,玻璃纤维对水泥稳定碎石温度收缩的抑制效果最优,同时经计算其平均温缩系数,玻璃纤维从0.10%增加到0.15%,水泥稳定碎石的温缩系数仅降低了0.27×10-6/℃,约为纤维掺量从0.05%增加到0.10%温缩系数降低值的1/3。故掺量为0.05%～0.10%为抑制温缩的最佳掺量。
玻璃纤维提升水泥稳定碎石材料的温度收缩性能主要通过抑制材料的温度收缩变形和增加材料的阻裂能力两方面来实现。首先,短切玻璃纤维经过拌和后在混合料中呈乱向分布,在击实作用及水泥的水化作用下,与水泥稳定碎石材料相互联结,初期强度构成主要为嵌挤、摩擦力。随着水泥水化的不断进行,水泥材料的裹覆力逐渐增大,并最终占据主导地位。在两种力的作用下最终使混合料形成一个立体网状结构,增强了材料的整体性。其次,玻璃纤维长径比极大的特性保证了其能够与水泥稳定碎石具有足够的接触面积,进而具有足够的黏结力来限制试件内部出现裂缝以及抑制裂缝的发展,在一定程度上提高了水泥稳定碎石基层材料的抗裂能力。
2.3 弯曲韧性试验结果分析
在水泥稳定碎石材料进行韧性测试的过程中,裂缝不断扩展,扩展过程如图4所示。
图4 韧性试验裂缝扩展过程
Figure 4 Toughness test crack propagation process
在加载初期,水泥稳定碎石试件作为一个整体受力,随着微裂缝的逐渐产生,玻璃纤维开始承担由于荷载作用产生的拉应力,裂缝继续扩展为宏观裂缝,材料出现薄弱面,此时,连接裂缝的玻璃纤维并没有失去承载能力,直到纤维开始被拉断,纤维的承载能力开始降低。随着荷载继续增大,玻璃纤维不断被拉断,裂缝继续扩展,直至形成贯通缝,试件破坏。根据万能试验机采集到的数据选取代表性的样本绘制4种纤维掺量的水泥稳定碎石荷载-挠度曲线,如图5所示。
图5 不同纤维掺量水泥稳定碎石荷载-挠度曲线
Figure 5 Load-deflection curves of cement stabilized macadam with different fiber content
分析图5可知,首先,加入玻璃纤维可以大幅提高水泥稳定碎石材料的极限破坏荷载,0.10%纤维掺量和0.15%纤维掺量的水泥稳定碎石极限破坏荷载相对于普通水泥稳定碎石分别提高了20.6%和46.9%;其次,随着玻璃纤维掺量的增加,水泥稳定碎石材料峰值荷载所对应的挠度也相应增大,表明玻璃纤维的加入在提高材料极限破坏荷载的同时还能增大水泥稳定碎石材料的变形能力;最后,加入玻璃纤维后,水泥稳定碎石完全破坏时的挠度较普通水泥稳定碎石显著增加,3种纤维掺量分别使得材料破坏时的挠度增大了52.9%、53.2%、147.1%。普通水泥稳定碎石材料的承载能力在达到极限荷载后迅速下降,试件在短时间内被完全破坏。加入玻璃纤维后,虽然在达到极限荷载之后的初始阶段承载能力下降依然相对较快,但是下降一段时间之后,荷载的变化趋势逐渐趋于缓和。说明在裂缝扩展的后期,玻璃纤维作用更加显著,使水泥稳定碎石材料能够在荷载作用下拥有更强的变形能力以及剩余弯拉强度。
为了分析整个加载周期内的能量消耗,本研究还计算了不同纤维掺量下水泥稳定碎石材料的极限荷载下对应的弯曲韧性和弯韧度系数,计算结果如表3所示。由表3可知,随着玻璃纤维掺量的增加,水泥稳定碎石的弯曲韧度也随之升高,3种不同纤维掺量的水泥稳定碎石弯曲韧度分别提高了25.9%、48.1%、150.0%。当纤维掺量超过0.05%时,弯曲韧性系数显著增大,玻璃纤维掺量为0.10%及0.15%时,其等弯曲韧性系数较普通水泥稳定碎石材料分别提高了41.6%及80.3%。这与弯曲韧度变化规律保持一致。综上,加入玻璃纤维之后可以显著提升水泥稳定碎石材料的抗弯拉韧性,能够在很大程度上改善水泥稳定碎石材料柔韧性能不足的缺陷,进而大大提升水泥稳定碎石基层沥青路面的使用寿命,提高行车舒适性。但是纤维的掺量应该在路用性能与经济性之间进行平衡,在保证水泥稳定碎石具有较高抗裂性能的前提下,应尽可能地降低材料的造价,增强其经济性。且0.10%玻璃纤维掺量的水泥稳定碎石破坏时的挠度较普通水泥稳定碎石提高了52.9%,韧度提升幅度41.6%。综合考虑前2节试验结果分析,当掺量为0.05%～0.10%时可以较好地满足要求,故此掺量为最佳掺量。
表3 不同水泥稳定碎石弯曲韧度和弯曲韧性系数
Table 3 Bending toughness and bending toughness coefficient of different cement-stabilized crushed stone
试件编号弯曲韧度/(N·mm)韧度增幅/%弯曲韧性系数/MPaFib-non1 919.50.285Fib-0.05%2 416.425.90.297Fib-0.10%2 842.748.10.402Fib-0.15%4 797.4150.00.514
为了探究掺入玻璃纤维后水泥稳定碎石弯拉韧性随着挠度增加的变化规律,本研究还计算了从开始加载至试件破坏为止的累积能量吸收值,用以分析玻璃纤维对水泥稳定碎石弯拉韧性的影响。不同纤维掺量的水泥稳定碎石材料累积能量吸收值随挠度变化如图6所示。
图6 累积能量吸收值随挠度变化
Figure 6 Cumulative energy absorption value with increasing deflection
分析图5及图6可知,随着玻璃纤维掺量的增加,水泥稳定碎石材料的荷载峰值相应增大,韧度较普通水泥稳定碎石也显著增大;随着纤维掺量的增加,荷载-挠度曲线的走势也更为平缓,表明加入玻璃纤维后材料的弯拉韧性更为优良。在玻璃纤维水泥稳定碎石材料达到其承载能力的极限值后,裂缝失稳扩展,处于底部的玻璃纤维开始出现被拉断的现象,材料的承载能力开始下降,随着玻璃纤维不断被拉断或者拔出,试件不断消耗能量,因此与普通水泥稳定碎石材料相比,玻璃纤维水泥稳定碎石的荷载-挠度曲线呈现缓慢下降的趋势,能量吸收值仍持续增长,表现出优异的弯拉韧性,进而延缓裂缝的产生和发展。
2.4 断裂能试验结果分析
根据仪器自动记录的数据,选取代表性数据绘制荷载-挠度测试曲线如图7所示。
图7 荷载-挠度测试曲线
Figure 7 Load-deflection test curve
对试验所得曲线分析可知,2种水泥稳定碎石曲线变化的总趋势是一致的,即在荷载增大的初期,荷载缓慢增长,增长一段时间后荷载增加速度加快,达到荷载峰值后有一段快速下降段,然后荷载下降速度逐渐变慢,直至最后基本变成一条水平线。对比2条曲线可知,在曲线增长阶段,两者均为快速增长,但玻璃纤维水泥稳定碎石荷载峰值及其对应的挠度均有一定增加,同时,在荷载下降阶段,由于玻璃纤维可以在试件开裂后提供一定的荷载承受能力,改性后的水泥稳定碎石与普通水泥稳定碎石相比会更早开始缓慢下降,其吸收的能量与普通水泥稳定碎石相比也有一定的增长。由于10%玻璃纤维掺量时水泥稳定碎石的抗干缩、抗温缩性能最佳,故选取代表性掺量,根据式(4)对2种试件的断裂能进行计算,结果如表4所示。
表4 水泥稳定碎石材料断裂能
Table 4 Fracture energy of cement stabilized macadam material
纤维掺量/%断裂能/(N·m-1)增益比0420.5100.10514.9371.225
由表4可知,玻璃纤维的加入可以显著提高水泥稳定碎石材料的断裂能,玻璃纤维改性后的水泥稳定碎石断裂能与未改性相比,断裂能提高了22.5%。这意味着在其他条件完全相同的情况下,掺入玻璃纤维的水泥稳定碎石与普通水泥稳定碎石相比消耗的能量高出了22.5%,表明玻璃纤维改性后水泥稳定碎石破坏时消耗的能量远远大于普通水泥稳定碎石,进而增加了水泥稳定碎石基层的使用寿命。从式(4)可以明显看出,对断裂能产生比较大影响的是测试过程中荷载所做功以及跨中最大挠度这2个变量,随着荷载所做功和跨中挠度逐渐增大,断裂能也随之逐渐增大。从图7可以看出,玻璃纤维改性后的水泥稳定碎石较未改性的材料而言,荷载所做功和跨中挠度均有不同程度的增大,这可以在一定程度上对玻璃纤维改性后水泥稳定碎石材料断裂能的增加进行解释。同时,与水泥稳定碎石弯拉韧性对比发现,两者的变化趋势是一致的。
3 结论
(1)玻璃纤维在水泥稳定碎石材料中呈乱向分布以抵消部分干缩收缩产生的内应力,可以显著地降低水泥稳定碎石的干燥收缩,且在相同龄期下水泥稳定碎石干燥收缩系数随着玻璃纤维掺量的增加而降低,以30 d龄期为例,其中0.05%～0.10%掺量时降低幅度最大,达到7%。
(2)玻璃纤维在材料内部逐渐形成立体网状结构,能够在很大程度上抵消温度变化带来的内应力,进而提高水稳碎石温度收缩性能。3种纤维掺量下水泥稳定碎石平均温缩系数分别下降了6%、16%、19%,尤以掺量为0.05%～0.10%时下降幅度最大。
(3)抗拉强度较高的玻璃纤维加入到混合料内部后,可以很好地承受内应力,形成了良好的加筋作用,限制了裂缝的产生,极大地增强水稳碎石的韧性,表现出了优异的抗裂性能。在加入0.05%、0.10%、0.15%的玻璃纤维后,水泥稳定碎石的弯曲韧度分别增加了25.9%、48.1%、150.0%,最终延缓裂缝的产生、发展,提高水稳碎石基层沥青路面使用寿命。
(4)加入0.10%玻璃纤维改性后的水泥稳定碎石断裂能增益比达到了1.225,表明玻璃纤维改性后水泥稳定碎石破坏时消耗的能量远远大于普通水泥稳定碎石,进而增加了水泥稳定碎石基层的使用寿命。故综合考虑各项试验指标,建议玻璃纤维掺量为0.05%～0.10%。
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