劉 紀，黃麗平，李秀君，邵 晗

（1. 上海理工大學 環(huán)境與建筑學院，上海 200093；2. 河南交通技師學院，駐馬店 463000）

水泥穩(wěn)定就地冷再生基層技術具有投入低、消耗低、效率高、質量高及節(jié)能降耗等優(yōu)點，是一種就地對舊瀝青路面結合新集料修復、整合、翻新的新型施工工藝[1]。

高緯度寒冷地區(qū)具有冬季時間長、氣溫低及濕度低等氣候特點[2]，在持續(xù)低溫、凍融循環(huán)和低濕度的作用下，水泥穩(wěn)定冷再生基層易出現(xiàn)干縮裂縫、凍融破壞、強度下降及承載力降低等現(xiàn)象，最終導致再生路面出現(xiàn)各類早期病害[3-4]。針對低溫、低濕度養(yǎng)護條件下水泥穩(wěn)定冷再生類材料性能的研究較少。

目前添加外摻劑是提高水穩(wěn)材料性能的有效方法，主要包括粉狀類和纖維類外摻劑。常見的粉狀類外摻劑有橡膠粉、可再分散乳膠粉、羥丙基甲基纖維素醚等[5-7]，雖然粉狀類外摻劑可有效改善水穩(wěn)材料的抗干縮性能，但均會因降低混合料的密度而削弱其強度[8]。傳統(tǒng)的纖維類外摻劑如石棉、纖維等，因其添加方便、質地輕巧等優(yōu)點被廣泛用于增強水穩(wěn)材料性能，但石棉對環(huán)境和人體健康存在一定危害。近些年，高強高模、耐高溫、耐腐蝕的有機聚合物纖維如聚乙烯醇纖維（polyvinyl alcohol，簡稱為PVA）、聚丙烯纖維（polyproylene，簡稱為PP）等被逐步用于增強水泥混凝土的強度和抗裂性能[9-11]。彭興國等[12]研究了水泥摻量和PVA纖維摻量對水泥穩(wěn)定碎石力學性能和抗裂性能的影響。Fonseca等[13]評估了黃麻纖維和微/納米纖維（亞微米元素）在擠壓纖維-水泥復合材料中的增強性能。Dos Santos等[14]提出利用碳酸水加速碳酸化來修改膠凝基質的微觀結構，并得出碳酸水可改善纖維-水泥復合材料的水化性能，還可用于纖維-水泥復合材料中。徐建成[15]分析了揚州市政道路中摻入聚丙烯纖維水泥穩(wěn)定碎石材料的應用情況，研究結果證實了該方法具有很大的實際工程意義。白云[16]考慮到水泥穩(wěn)定碎石材料易產(chǎn)生裂縫病害等問題，通過在水泥穩(wěn)定碎石中摻纖維的方式改善水泥穩(wěn)定碎石的路用性能，改善其抗裂性。張虹[17]以不同纖維長度和摻量進行摻加聚丙烯纖維的水泥穩(wěn)定碎石正交試驗測試了水泥穩(wěn)定碎石的基本力學性能，這表明摻加聚丙烯纖維水泥穩(wěn)定碎石具有較好的柔性和良好的抗收縮能力，其應用前景良好。陳玉宏等[18]為了改善再生基層材料路用性能，選取不同水鎂石纖維，評價其對再生基層材料的路用性能影響，結果顯示水鎂石纖維可以顯著提高路用性能，降低收縮效應。綜上可以看出，對于纖維類外摻劑的研究主要集中在纖維增強理論、纖維對水泥穩(wěn)定碎石或水泥混凝土強度及抗裂性的改善研究方面，而針對水泥穩(wěn)定冷再生混合料的研究較少。

為了改善高寒地區(qū)水泥穩(wěn)定冷再生混合料性能抗凍、抗干縮性能、早期強度不足，以及高寒地區(qū)氣候惡劣所導致的冬季可施工時間短、工期長等問題。本文研究聚丙烯纖維水泥穩(wěn)定冷再生混合料性能，確保在惡劣環(huán)境下仍能滿足規(guī)范要求，從而延長冬季可施工時間，縮短工期，為聚丙烯纖維在高寒地區(qū)市政道路水泥穩(wěn)定冷再生工程中的應用提供經(jīng)驗。

1 試驗材料

1.1 礦料級配

礦料級配決定水泥穩(wěn)定冷再生混合料內部骨架顆粒結構的類型和強度，對混合料的力學性能起重要作用。現(xiàn)場采集的銑刨料級配不滿足規(guī)范要求，因此，通過試配使其滿足規(guī)范要求。最終按19.5～31.5 mm（粒徑）碎石∶4.75～19.5 cm（粒徑）碎石∶0～4.75 mm（粒徑）石屑∶銑刨料的質量比為15%∶15%∶2%∶68%確定冷再生混合料的礦料級配，再生集料的級配如表1所示。

表1 再生混合料的合成級配Tab.1 Composite gradation of recycled mixture

1.2 水泥

選擇標號為P·O42.5的普通硅酸鹽水泥作為原材料，根據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTG 3420-2020）[19]的要求，對該水泥的相關技術指標進行了檢驗，測定的結果如表2所示。

表2 水泥主要性能指標Tab.2 Main performance indexes of cement

1.3 聚丙烯纖維

選用河北石家莊某廠生產(chǎn)的聚丙烯單絲纖維，其外觀為白色單絲狀，如圖1所示。聚丙烯單絲纖維的性能參數(shù)如表3所示。

表3 聚丙烯單絲纖維主要技術指標Tab.3 Main technical indexes of polypropylene monofilament fiber

圖1 聚丙烯纖維Fig. 1 Polypropylene fiber

2 聚丙烯纖維對混合料性能的影響

2.1 試驗方案設計

現(xiàn)研究聚丙烯纖維摻量對水泥穩(wěn)定類混合料性能的影響，聚丙烯纖維摻量（纖維質量/混合料體積）分別為0.6，0.9，1.2，1.5，0 kg/m3，聚丙烯長度分別為6，9，12，15，18 mm。研究水泥穩(wěn)定冷再生混合料的低溫抗凍性、抗干縮開裂能力、抗拉強度、抗壓強度。參照《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51-2009）[20]要求，采用振動成型法成型制作Φ150 mm×150 mm水泥穩(wěn)定冷再生混合料圓柱體試件并標準養(yǎng)生7 d（溫度（20±2） ℃，濕度≥95%）來表征混合料抗壓性能；制作Φ150 mm×150 mm水泥穩(wěn)定冷再生混合料圓柱體試件并標準養(yǎng)生28 d，檢測試件劈裂強度用以表征混合料抗拉性能；采用振動成型法制作Φ150 mm×150 mm水泥穩(wěn)定冷再生混合料圓柱體試件并標準養(yǎng)生28 d進行凍融循環(huán)，檢測試件28 d凍融前、后無側限抗壓強度，選用凍融循環(huán)后試件抗壓強度殘余比（BDR）表征混合料的抗凍性能；采用振動成型法制作100 mm×100 mm×400 mm水泥穩(wěn)定冷再生混合料梁式試件并標準養(yǎng)生28 d，檢測試件干縮系數(shù)用以表征混合料的抗干縮開裂性能。綜合分析各項指標，得出纖維的最佳摻配方式。

2.2 試驗結果及分析

a. 無側限抗壓強度（抗壓性能）。

圖2為不同纖維長度和摻量下混合料無側限抗壓強度的試驗結果，由圖2可知，摻加聚丙烯纖維后，混合料無側限抗壓強度有不同程度的提高，均高于規(guī)范的要求，長度為12 mm、摻量為1.5 kg/m3時，無側限抗壓強度最大，比未摻加纖維時提高了23.6%。對于相同的纖維長度，聚丙烯纖維摻量低于0.9 kg/m3時，隨著摻量的增加，混合料抗壓性能均有明顯提高；聚丙烯纖維摻量高于0.9 kg/m3時，混合料抗壓性能逐漸趨于平穩(wěn)。對于同一纖維摻量，隨著聚丙烯纖維長度的增大，混合料抗壓性能均呈現(xiàn)先增大后減小，當纖維長度為12 mm時出現(xiàn)最大值。

圖2 不同摻加方式下無側限抗壓強度Fig.2 Unconfined compressive strength under different mixing methods

纖維長度為12 mm時，隨著摻量的增加，無側限抗壓強度逐漸上升，在摻量大于0.9 kg/m3時逐漸趨于平穩(wěn)。為了探究原因，通過掃描電子顯微鏡對纖維長度12 mm時不同摻量的聚丙烯纖維混合料的微觀形貌進行觀察?？梢钥闯觯诨旌狭现袚饺刖郾├w維后，增加了混合料中各組成材料的粘結性能，從而提高了無側限抗壓強度。由圖3可知，摻量過高時束狀纖維的均勻性和分散性差，從而影響了抗壓強度的提高。當纖維長度較短時，由于與基體的粘結長度較短，握裹力較小，纖維易被拔出；隨著纖維長度逐漸增大，纖維與基體的粘結面增多，握裹力也隨之增強；但當纖維長度過長時，握裹力大于纖維極限拉應力，混合料的破壞模式由纖維被拔出變成纖維被拉斷，混合料強度取決于纖維極限拉應力，與握裹面積的相關性小，且當纖維長度過長時，束狀單絲纖維會形成團狀結構，不能很好地在混合料內發(fā)揮聯(lián)結作用，影響了混合料的強度[21]。

圖3 不同摻量聚丙烯纖維混合料微觀圖Fig.3 Microstructure of polypropylene fiber mixture with different contents

b. 劈裂強度（抗拉性能）。

由圖4可知，摻加聚丙烯纖維后，混合料劈裂強度均有不同程度的提高，長度為12 mm、摻量為0.9 kg/m3時，劈裂強度最大，比未摻加纖維時提高了33.8%。對于相同的纖維長度，隨著纖維摻量的增大，混合料劈裂強度先大幅度增大后減小；除了18 mm的纖維外，當纖維摻量為0.9 kg/m3時，劈裂強度出現(xiàn)最大值。而18 mm的纖維，劈裂強度最大值出現(xiàn)在了更高的摻量，即1.2 kg/m3時。對于同一纖維摻量，當摻量小于0.9 kg/m3時，混合料劈裂強度隨著纖維長度的增大，先增大后減小，在纖維長度為12 mm時出現(xiàn)最大值；當摻量大于0.9 kg/m3時，劈裂強度隨著纖維長度的增大，先增大后減小之后有少許回升，最大值仍然出現(xiàn)在纖維長度為12 mm時。因為，聚丙烯纖維在混合料內部形成了一種亂向支撐體系[22]，在一定程度上遏制了混合料裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，有效地降低了裂縫處的應力集中程度，從而提高了混合料的劈裂強度。

圖4 不同摻加方式下劈裂強度Fig. 4 Splitting strength under different mixing methods

c. 抗凍性能。

選用凍融循環(huán)后試件抗壓強度殘余比BDR表征混合料的抗凍性能，試驗結果如圖5所示。摻加聚丙烯纖維后，混合料的BDR有不同程度的提高，長度為12 mm、摻量為0.9 kg/m3時，出現(xiàn)最大值，比未摻加纖維時提高了7.76%。對于相同的纖維長度，隨著摻量的增加，混合料抗凍性能增大后趨于平緩。對于同一纖維摻量，隨著聚丙烯纖維長度的增大，抗凍性能先增大后趨于平緩，在纖維長度為12 mm時出現(xiàn)最大值。說明聚丙烯纖維的加入可以堵住混合料的連接間隙，起到加筋作用，且隨著纖維長度的增加，聚丙烯纖維與混合料粘結面積增大，粘結強度得到增強，減少了凍融循環(huán)作用造成的破壞。

圖5 不同摻加方式下凍融強度殘余比BDRFig.5 Freeze thaw strength residual ratio BDR under different mixing methods

d. 抗干縮性能。

選用干縮系數(shù)表征混合料的抗干縮開裂性能，試驗結果如圖6所示。摻加聚丙烯纖維后，混合料抗干縮能力有不同程度的提高，長度為12 mm、摻量為1.5 kg/m3時，抗干縮性能最強，比未摻加纖維時提高了7.69%。相同的纖維長度時，隨著摻量的增加，混合料抗干縮性能明顯提高；相同纖維摻量時，隨著聚丙烯纖維長度的增加，抗干縮能力都呈現(xiàn)先增大后略有減小，在纖維長度為12 mm時出現(xiàn)最大值。加入聚丙烯纖維后，纖維與混料之間的粘結力抑制了干燥收縮，降低了干燥收縮系數(shù)。隨著纖維含量的增加，混合料中分布的纖維數(shù)量增加，纖維間距減小，聚丙烯纖維對混合料和粘合劑的結合力會逐漸增強。因此，隨著聚丙烯纖維含量的增加，混料的抗收縮能力逐漸增強。

圖6 不同摻加方式下干縮系數(shù)Fig. 6 Drying shrinkage coefficient under different mixing methods

綜合分析得出，摻加聚丙烯纖維后，在標注養(yǎng)護條件下振動成型法成型的水泥穩(wěn)定再生混合料的無側限抗壓強度均有不同程度的提高，高于規(guī)范要求3～5 MPa，且長度為12 mm、摻量為1.5 kg/m3時，無側限抗壓強度最大，比未摻加纖維時提高了23.6%。劈裂強度具有不同程度的提高，長度為12 mm、摻量為0.9 kg/m3時，劈裂強度最大，比未摻加纖維時提高了33.8%。BDR也隨著纖維的加入有相應的提高，長度為12 mm、摻量為0.9 kg/m3時，出現(xiàn)最大值，比未摻加纖維時提高了7.76%。抗干縮能力也有不同程度的提高，長度為12 mm、摻量為1.5 kg/m3時，抗干縮性能最大，比未摻加纖維時提高了7.69%。綜合經(jīng)濟性考慮，盡管在摻量為1.5 kg/m3時，無側限抗壓強度和抗干縮性能表現(xiàn)最優(yōu)，但在0.9 kg/m3時干縮系數(shù)、無側限抗壓強度與1.5 kg/m3相差不大，且抗拉與抗凍性能更優(yōu)。因此，綜合經(jīng)濟性考慮得出在標準養(yǎng)護條件下，振動成型法成型的水泥穩(wěn)定再生混合料聚丙烯纖維最佳摻配方式：聚丙烯纖維長度為12 mm、摻量為0.9 kg/m3。

3 水泥用量對聚丙烯纖維水穩(wěn)再生料性能影響

3.1 試驗方案設計

研究得出添加聚丙烯纖維可以有效地提高強度、抗凍性、抗干縮性能，為了進一步研究其對于高寒地區(qū)氣候條件的適應性，考慮更為苛刻的環(huán)境對其性能的影響。選用聚丙烯纖維最優(yōu)摻配方式來進行試驗方案設計。通過了解包頭全年氣溫變化，擬定3種混合料養(yǎng)護條件來表示惡劣環(huán)境、中等環(huán)境和良好環(huán)境：①號環(huán)境：溫度5 ℃，濕度55%；②號環(huán)境：溫度15 ℃，濕度75%；③號環(huán)境：溫度20 ℃，濕度95%，并結合水泥穩(wěn)定冷再生混合料在包頭等高寒地區(qū)生產(chǎn)的特點，采用水泥用量分別為4%，4.5%，5%的3組水泥用量的試驗設計，研究水泥穩(wěn)定冷再生混合料低溫抗凍性、抗干縮開裂能力、抗拉強度和抗壓強度（選用與前文相同的各種試驗方法表征各項指標）。

3.2 試驗結果及分析

a. 無側限抗壓強度（抗壓性能）。

通過不同養(yǎng)護環(huán)境下混合料的無側限抗壓強度來考慮更惡劣環(huán)境對混合料性能的影響。試驗結果如圖7所示。在②號、③號養(yǎng)護環(huán)境下未摻加纖維混合料的無側限抗壓強度曲線與①號、②號養(yǎng)護環(huán)境下?lián)郊永w維混合料的無側限抗壓強度曲線基本重合，表明纖維的加入使水泥穩(wěn)定冷再生混合料可以在惡劣環(huán)境、中等環(huán)境下達到中等環(huán)境、良好環(huán)境下水泥穩(wěn)定冷再生混合料的無側限抗壓強度。

同時由圖7可知，與未摻加纖維相比，加入纖維的水泥穩(wěn)定冷再生混合料的無側限抗壓強度有較大提升。在確?；旌狭蠠o側限抗壓強度條件下，水泥穩(wěn)定冷再生混合料加入纖維可減少0.5%的水泥用量。

圖7 不同水泥用量下無側限抗壓強度Fig. 7 Unconfined compressive strength under different cement dosage

b. 劈裂強度（抗拉性能）。

不同水泥摻量及不同養(yǎng)護環(huán)境下，劈裂強度試驗結果如圖8所示。摻加纖維的水泥穩(wěn)定冷再生混合料的間接抗拉性能遠優(yōu)于未摻加纖維的水泥穩(wěn)定冷再生混合料，隨著水泥用量的增大，摻加纖維的水泥穩(wěn)定冷再生混合料的間接抗拉性能提升顯著。

圖8 不同水泥用量下劈裂強度Fig.8 Splitting strength under different cement dosage

當水泥用量不變時，摻加纖維的混合料較未摻加纖維的混合料的劈裂強度提升幅度為34.2%～94.1%，表明纖維的加筋作用在混合料間接抗拉性能中發(fā)揮重要作用，從抗拉性能角度看，纖維的添加可以減少1%的水泥用量。

c. 抗凍性能。

凍融強度殘余比表征水泥摻量和養(yǎng)護條件對混合料抗凍性能影響，由圖9可知，隨著水泥用量的增加，水泥穩(wěn)定冷再生基層的抗凍融性能逐漸增強。當水泥用量不變時，水泥穩(wěn)定冷再生基層的抗凍融性能隨著養(yǎng)護環(huán)境的優(yōu)化有明顯提高。環(huán)境的優(yōu)化，促進了水泥穩(wěn)定再生基層材料中C-S-H凝膠、C-A-H結晶的形成[23]，使水泥穩(wěn)定再生基層材料的強度提升。

圖9 不同水泥用量下凍融強度殘余比BDRFig. 9 Freeze thaw strength residual ratio BDR under different cement dosage

在相同養(yǎng)護環(huán)境下，纖維的加入可有效地提高水泥基材料的粘結性能，提升水泥基材料的抗凍融性能。同時可以發(fā)現(xiàn)，在保證混合料強度不削弱的情況下，加入纖維可以有效地減少水泥的用量。

d. 抗干縮性能。

在不同水泥摻量及不同養(yǎng)護環(huán)境下，試件的干縮系數(shù)如圖10所示。在相同環(huán)境下，摻加纖維的水泥穩(wěn)定冷再生混合料的干縮系數(shù)相較于未摻加纖維的水泥穩(wěn)定冷再生混合料的干縮系數(shù)低5×10-6。在水泥用量不變的情況下，隨著環(huán)境的惡化，混合料的干縮系數(shù)升高。因為，環(huán)境的惡化，混合料內部失水加劇，產(chǎn)生毛細管張力、自由水、分子間力以及碳化脫水作用，導致嚴重的干縮效應[18]。

圖10 不同水泥用量下干縮系數(shù)Fig.10 Drying shrinkage coefficient under different cement dosage

對比不同水泥摻量下?lián)郊永w維與未摻加纖維的干縮系數(shù)，得出在混合料強度滿足要求的情況下，纖維的添加可以減少約0.6%的水泥用量，且大幅度降低了混合料的干縮系數(shù)。因此，聚丙烯纖維的摻入，在一定程度上可以有效地提高混合料抗干縮性能，同時可減少水泥用量，降低了高寒地區(qū)水泥穩(wěn)定冷再生基層產(chǎn)生干縮裂縫的可能性。

綜合分析可知，水泥用量的增加，可以提升混合料的抗壓、抗拉和抗凍性能，但會降低抗干縮性能；在相同的水泥用量情況下，養(yǎng)護環(huán)境的提升可以提升混合料的抗壓、抗拉、抗凍和抗干縮性能。對比①號養(yǎng)護環(huán)境下?lián)郊永w維與未摻加纖維的各項性能指標可知，纖維的加入，增強了低溫、低濕度條件下混合料的抗壓、抗拉、抗凍和抗干縮性能。同時考慮經(jīng)濟效益，纖維的加入可同比減少0.5%的水泥用量，從而達到相近力學性能和工程性質，且聚丙烯纖維的加入使得水泥穩(wěn)定冷再生混合料在惡劣養(yǎng)護條件下達到較高性能，從而增強了水泥穩(wěn)定冷再生混合料對惡劣養(yǎng)護環(huán)境的適應性，實現(xiàn)了低溫、低濕度的可養(yǎng)護，大幅度提高了冬季的可施工時間。有效地解決了高寒地區(qū)低溫、低濕度和晝夜溫差大導致施工條件差以及水泥穩(wěn)定冷再生基層的強度不足和開裂等病害，有效地提高了水泥穩(wěn)定就地冷再生技術在高寒地區(qū)市政道路中的應用效果。

4 結 論

a. 聚丙烯纖維可有效提升混合料的無側限抗壓強度、劈裂強度、BDR強度和抗干縮能力。在標準養(yǎng)護條件下，振動成型法成型的水泥穩(wěn)定再生混合料聚丙烯纖維的最佳摻配方式為：聚丙烯纖維長度為12 mm、摻量為0.9 kg/m3。

b. 聚丙烯纖維在水泥穩(wěn)定冷再生混合料中起到加筋作用，極大地改善了低溫、低濕度養(yǎng)護條件下水泥穩(wěn)定再生混合料的強度、劈裂、抗干溫縮性能和抗凍融性能，有效地提高了聚丙烯纖維水泥穩(wěn)定冷再生技術在高寒地區(qū)市政道路的應用效果。

c. 在確定的最優(yōu)纖維摻加方式下，確?；旌狭峡箟簭姸?、抗拉強度、抗凍性滿足相應要求，聚丙烯纖維的加入可以同比減少0.5%的水泥用量，使抗干縮性能大幅提高，工程經(jīng)濟效益大幅度提高。

d. 在確定的最優(yōu)纖維摻加方式下，加入聚丙烯纖維，可有效地解決高寒地區(qū)養(yǎng)護條件難以滿足的情況，降低了養(yǎng)護溫度及養(yǎng)護濕度，實現(xiàn)了低溫、低濕度的可養(yǎng)護，大幅度提高了冬季的可施工時間，有效地提高了水泥穩(wěn)定就地冷再生技術在高寒地區(qū)市政道路中的應用效果。