摘要：為了提升水泥穩(wěn)定碎石基層的抗裂性能，實(shí)現(xiàn)路面服役長(zhǎng)壽命目標(biāo)，文章設(shè)計(jì)在水泥穩(wěn)定碎石基層中摻入不同摻量的玄武巖纖維，通過(guò)測(cè)試劈裂強(qiáng)度，確定最佳纖維摻量；設(shè)置最佳玄武巖纖維摻量與未添加玄武巖纖維摻量的水泥穩(wěn)定碎石基層兩組平行試件，測(cè)試玄武巖纖維的摻入對(duì)兩組試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗凍性能、干縮應(yīng)變、溫縮應(yīng)變、抗彎折強(qiáng)度以及抗裂性能的影響；利用掃描電鏡（SEM）從微觀角度對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)機(jī)理進(jìn)行闡述。研究表明：玄武巖纖維的摻入對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層的抗凍性能以及抗壓強(qiáng)度影響不大，但能減小其干縮以及溫縮應(yīng)變，并顯著提升水泥穩(wěn)定碎石基層的劈裂強(qiáng)度及抗彎拉強(qiáng)度，同時(shí)提升水泥穩(wěn)定碎石基層的抗裂性能。

關(guān)鍵詞：水泥穩(wěn)定碎石基層；長(zhǎng)壽命；抗裂；玄武巖纖維

中圖分類號(hào)：U416.1" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.016

文章編號(hào)：1673-4874（2024）11-0049-03

0引言

我國(guó)道路基層材料普遍采用水泥穩(wěn)定碎石。水泥穩(wěn)定碎石基層具有抗壓強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，能在高溫地區(qū)有效抵抗車轍的發(fā)生，為瀝青面層提供良好的承載力［1］。但是在重載交通與復(fù)雜環(huán)境的作用下，水泥穩(wěn)定碎石基層容易出現(xiàn)裂縫［2］，并且一旦出現(xiàn)裂縫將減弱其對(duì)路面的承載作用，嚴(yán)重時(shí)會(huì)形成反射裂縫，導(dǎo)致瀝青路面服役年限縮短，降低其耐久性［3］。

為了提升基層的抗裂性能以增強(qiáng)其耐久性，學(xué)者們進(jìn)行了深入研究［4］，包括摻入礦物摻和料、改善集料的級(jí)配等。摻入礦物摻和料能與水泥發(fā)生二次水化反應(yīng)，增強(qiáng)膠凝材料與集料之間的粘附。但是作為圬工結(jié)構(gòu)，水泥穩(wěn)定碎石基層抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度［5］，對(duì)于裂縫的發(fā)展影響不大。改善集料級(jí)配能形成集料之間的強(qiáng)嵌擠結(jié)構(gòu)［6］，能在一定程度上提升其抗壓強(qiáng)度以及抗疲勞性能，但是對(duì)于裂縫的抑制效果不明顯。目前亟須研究出一種有效方法來(lái)提升水泥穩(wěn)定碎石基層的抗裂性能。

玄武巖纖維作為一種增強(qiáng)材料，被廣泛運(yùn)用于土木工程。摻入的纖維能均勻分布于瀝青或混凝土中，通過(guò)自身的橋接作用，提升材料基體的抗拉強(qiáng)度以及抗裂性能［7］。本文通過(guò)試驗(yàn)，探究玄武巖纖維的加入對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層的抗壓強(qiáng)度、干縮性能、溫縮性能、抗凍性以及基層裂縫發(fā)展的影響。

1原材料及試件制備

1.1原材料

試驗(yàn)所用原材料包括水泥、水、玄武巖纖維、玄武巖骨料。水泥采用新疆烏魯木齊市某水泥廠采購(gòu)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水為普通自來(lái)水，玄武巖纖維購(gòu)于海寧安捷復(fù)合材料公司。材料基體信息如表1所示。

1.2試件制作

將玄武巖碎石、水泥與不同摻量的玄武巖纖維拌和，之后加入水，充分拌和均勻。圓柱體試件裝入直徑為150 mm的圓柱體模具并振動(dòng)壓實(shí)；棱柱體試件裝入內(nèi)徑為150 mm×150 mm×550 mm的立方體模具并靜壓壓實(shí)。之后將試件脫模放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，得到水泥穩(wěn)定碎石基層試件。將圓柱體試件進(jìn)行切割，制作成厚度為50 mm、直徑為150 mm的水泥穩(wěn)定碎石基層半圓試件。試驗(yàn)配合比如表2所示。

2試驗(yàn)方法

（1）對(duì)不同摻量玄武巖纖維的試件7 d以及28 d劈裂強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，選出最佳玄武巖纖維摻量。

（2）測(cè)試最佳玄武巖纖維摻量與未添加玄武巖纖維的水泥穩(wěn)定碎石基層兩組平行試件的抗凍性能、干縮應(yīng)變、溫縮應(yīng)變以及抗彎折強(qiáng)度，并對(duì)兩組試件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)試，得到其位移時(shí)間曲線。

（3）利用掃描電鏡（SEM）對(duì)玄武巖纖維混凝土界面進(jìn)行測(cè)試，從微觀角度分析玄武巖纖維對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層的增強(qiáng)機(jī)理。試驗(yàn)技術(shù)路線如圖1所示。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1劈裂強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果與分析

利用壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試不同玄武巖纖維摻量下7 d與28 d劈裂強(qiáng)度，設(shè)置加載速率為1 mm/min，每組試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)平行試件。結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，試件7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較低，當(dāng)試件養(yǎng)護(hù)至28 d時(shí)，其劈裂強(qiáng)度大幅度上升。養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)，試件的水泥水化反應(yīng)不充分，隨著試件的養(yǎng)護(hù)，至28 d時(shí)，試件的劈裂強(qiáng)度大幅度提升。另外，玄武巖纖維的摻量為0 kg/m3時(shí)，試件劈裂強(qiáng)度最低；隨著玄武巖纖維摻量從0 kg/m3上升至3.6 kg/m3，試件劈裂強(qiáng)度有小幅度上升；當(dāng)玄武巖纖維摻量超過(guò)3.6 kg/m3時(shí)，試件劈裂強(qiáng)度變化不明顯。綜合比較，確定玄武巖纖維最佳摻量為3.6 kg/m3。

3.2抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

利用壓力試驗(yàn)機(jī)以及UTM萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試摻入玄武巖纖維試件以及未摻入玄武巖纖維的試件的7 d、14 d與28 d抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度，加載速率為1 mm/min，每組設(shè)置5個(gè)平行試件。結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著養(yǎng)護(hù)齡期增長(zhǎng)，試件的抗壓強(qiáng)度以及抗彎折強(qiáng)度均有增長(zhǎng)?？傮w來(lái)說(shuō)，玄武巖纖維的加入對(duì)于抗壓強(qiáng)度影響不大，但對(duì)于抗彎拉強(qiáng)度有顯著的提升作用，并且隨著齡期的增長(zhǎng)提升效果更加明顯。分析認(rèn)為，纖維能發(fā)揮自身的抗拉強(qiáng)度，代替基體材料受拉［8］。隨著養(yǎng)護(hù)齡期增長(zhǎng)，水泥水化反應(yīng)越充分，自身力學(xué)性能有所提高，同時(shí)玄武巖纖維與水泥基材料的粘附作用更強(qiáng)，纖維增強(qiáng)效果更好。

3.3溫縮、干縮試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

將水泥穩(wěn)定碎石基層試件放于干縮儀后，放入干縮室，利用千分表測(cè)試水泥穩(wěn)定碎石基層干縮變形情況。每隔2 d讀數(shù)并記錄，直到第28 d，計(jì)算其干縮應(yīng)變。按照同樣的原理，將試件放入高低溫交變?cè)囼?yàn)箱，設(shè)定溫度為-10 ℃～50 ℃，每5 ℃為一個(gè)溫度區(qū)間，測(cè)試14個(gè)溫度區(qū)間試件的溫縮應(yīng)變。兩組試件干縮應(yīng)變結(jié)果如圖4（a）所示，溫縮應(yīng)變結(jié)果如圖4（b）所示。

由圖4（a）可知，隨著試件放置時(shí)間的延長(zhǎng)，干縮應(yīng)變逐漸上升。28 d后，未添加玄武巖纖維的水泥穩(wěn)定碎石基層試件累計(jì)干縮應(yīng)變由0上升至330×10-6左右；玄武巖纖維的摻入在一定程度上減少了其干縮應(yīng)變，28 d試件累計(jì)干縮應(yīng)變由0上升至230×10-6左右。觀察溫縮應(yīng)變可以看出，隨著溫度升高，試件應(yīng)變?cè)龃螅瑫r(shí)玄武巖纖維的摻入在一定程度上抑制了試件的溫縮。綜合分析可以認(rèn)為，玄武巖纖維的摻入能夠減緩自然條件下由混凝土收縮引起的裂縫。

3.4凍融試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

利用混凝土凍融循環(huán)箱進(jìn)行凍融處理。設(shè)置一次凍融循環(huán)周期為：-10 ℃處理14 h，25 ℃處理10 h，每24 h為一個(gè)凍融循環(huán)周期。測(cè)試摻入3.6 kg/m3玄武巖纖維以及未摻入玄武巖纖維的水泥穩(wěn)定碎石基層試件的未凍融循環(huán)和凍融循環(huán)7次、14次、21次、28次無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，隨著試件凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水泥穩(wěn)定碎石基層無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低。分析認(rèn)為，在-10 ℃時(shí)，孔隙中的水結(jié)冰，體積增大，使試件孔隙增大。隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行，造成膠凝材料與集料的剝落，導(dǎo)致無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降。另外，還可以看出，玄武巖纖維的加入對(duì)于水泥穩(wěn)定碎石基層抗凍性能影響不大。在凍融循環(huán)28 d后，兩組試件的抗壓強(qiáng)度都下降至4MPa左右，側(cè)面證明了凍土地區(qū)水泥穩(wěn)定碎石基層的路用性能會(huì)受到很大影響，值得進(jìn)行后續(xù)研究。

3.5半圓試件加載結(jié)果

利用UTM萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，設(shè)置加載速率為1 mm/min，得到兩組試件位移曲線，如圖6所示。

由圖6可知，隨著UTM萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的加載，試件所承受的荷載先升高，再降低。摻入玄武巖纖維的試件峰值荷載為2.34 kN，高于未添加玄武巖纖維試件的2.29 kN。另外，纖維的摻入使峰值荷載對(duì)應(yīng)的位移得到延長(zhǎng)。

將試件破壞過(guò)程中裂縫的發(fā)展分為兩個(gè)階段，階段一隨著UTM試驗(yàn)機(jī)的加載，裂紋開(kāi)始在內(nèi)部萌生，此時(shí)試件能承受的荷載增大；階段二隨著加載的繼續(xù)，試件內(nèi)部的微裂紋逐漸連通貫穿，形成宏觀裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，此時(shí)試件能承受的荷載急劇降低。根據(jù)加載過(guò)程中的荷載位移曲線，得到加載過(guò)程的斷裂功wf，按式（1）計(jì)算：

wf=∫x2x1f（x）dx（1）

式中：x——位移（m）；

f（x）——位移為x時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載（N）。

試件破壞損傷過(guò)程及纖維橋接阻裂機(jī)理如圖7所示，各個(gè)階段對(duì)應(yīng)的斷裂功如圖8所示。

由圖8可知，玄武巖纖維的加入能提高破壞過(guò)程中的斷裂功，其中，階段一的斷裂功提升了32.8%，階段二的斷裂功提升了98.1%，全階段斷裂功提升了62.7%?？梢哉J(rèn)為玄武巖纖維的加入能抑制裂縫全過(guò)程發(fā)展，并且對(duì)宏觀裂縫的擴(kuò)展抑制效果更好。

3.6掃描電鏡試驗(yàn)結(jié)果

利用鎢燈絲掃描電鏡對(duì)纖維及纖維水泥基界面進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，玄武巖纖維能分散在水泥基材料中，纖維與水泥基材料界面結(jié)合良好。水泥穩(wěn)定碎石基層內(nèi)部含有大量缺陷，纖維的存在能起到橋接作用，既能阻止微觀裂縫的萌生，同時(shí)也能抑制宏觀裂縫的擴(kuò)展。

4結(jié)語(yǔ)

良好的基層質(zhì)量是道路工程實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命的基本前提。本文通過(guò)試驗(yàn)對(duì)玄武巖纖維的加入在水泥穩(wěn)定碎石基層性能的影響進(jìn)行了全方位探究，結(jié)論如下：

（1）玄武巖纖維的加入能提升水泥穩(wěn)定碎石基層的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。當(dāng)纖維的摻量為3.63.6 kg/m3時(shí)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最明顯。

（2）玄武巖纖維的摻入對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層抗凍性影響不大，但對(duì)其干縮以及溫縮性能有一定提升。

（3）玄武巖纖維的摻入能顯著提升水泥穩(wěn)定碎石基層抗彎拉性能。通過(guò)發(fā)揮自身的橋接作用，能有效防止裂縫的萌生與擴(kuò)展，增強(qiáng)構(gòu)件的耐久性。

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作者簡(jiǎn)介：陳三喜（1986—），工程師，主要從事道路工程建造研究方面的工作。

收稿日期：2024-05-16