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纤维加固水泥稳定碎石基层研究

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发布时间:2013-2-1

我国高等级公路使用调查表明,半刚性基层沥青路面裂缝问题日益突出,已成为该结构路面的主要缺陷[1]。目前我国90%以上高等级公路沥青路面的基层和底基层采用了半刚性材料,水泥稳定碎石是应用最广的半刚性基层材料。水泥稳定碎石基层的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。由于目前还没有针对半刚性材料断裂性能的测试方法,因此本文的试验仍按国际材料与结构试验室联合会混凝土断裂委员会推荐的三点弯曲法进行。断裂能是描述材料对裂缝扩展阻力大小的参数,它是指裂缝扩展单位面积所需要消耗的能量,与断裂过程密切相关,它的大小标志着材料裂纹扩展的难易程度。水泥稳定碎石和混凝土两者都是水泥基建筑材料,所采用的原材料一样,虽然拌和物工作性能相差很大,但硬化后材料的物理力学性能非常相似,都属于脆性材料。因此,对于水泥稳定碎石的断裂性能,同样可以采用断裂能来表征。
  1 强度增长规律
  水泥稳定碎石与掺纤维水泥稳定碎石不同龄期的抗压强度、劈裂强度试验结果表明:掺纤维水泥稳定碎石早期强度和没有外加剂水泥稳定碎石材料的比较接近,但后期强度有一定提高。因为在掺纤维水泥稳定碎石中,水泥与集料相互作用而生成的胶结物和晶体会随龄期的增长而增加,使得胶结物对纤维的粘结和固定作用增强。这样使纤维水泥稳定碎石形成一个坚强的整体,纤维可以在基体中发挥独特的性能,因而起到纤维增强效果,而且龄期愈长,增长效果愈明显,所以掺纤维水泥稳定碎石材料后其强度仍有较大提高。掺纤维水泥稳定碎石中纤维与水泥稳定碎石的连接方式除了粘着连接外,还存在着摩擦连接,当掺纤维水泥稳定碎石材料在载荷作用下开始变形时,纤维受力,在纤维和水泥稳定碎石中生成的团粒嵌固点上,产生摩擦力,从而使纤维和基体之间出现一种内聚力。
  2 抗冻性能分析
  水泥稳定碎石与掺纤维水泥稳定碎石不同龄期的冻融试验结果表明:掺纤维水泥稳定碎石的抗冻性能优于未加外加剂水泥稳定碎石材料的抗冻性能。掺纤维水泥稳定碎石抗冻系数较高,经分析有两方面原因:①基层材料为多孔隙材料,在受到冻融循环作用时,其内部孔隙水冻胀时体积膨胀9%产生的附加内应力将重复对材料的空隙壁产生挤压破坏作用,而纤维能够封闭一些水泥稳定碎石的缝隙,减少了液体膨胀压力;②基层材料中的溶液部分结冰时还会产生很大的渗透压力,引起基层的破坏开裂,而掺加聚丙烯纤维后,水泥稳定碎石抵抗内部液体膨胀压力的能力大大增强,减小了冻融导致材料内部结构的破坏。
  3 抗裂性能分析
  水泥稳定碎石与掺纤维水泥稳定碎石抗裂试验结果表明:无论干缩能抗裂系数还是温缩能抗裂系数都是掺纤维水泥稳定碎石远远大于水泥稳定碎石,可见纤维对水泥稳定碎石抗裂性提高很大,经分析有三方面原因:①聚丙烯纤维可以减少水泥稳定碎石早期干缩应变;在水泥稳定碎石中掺入聚丙烯纤维材料后,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,同时低弹模的有机纤维相对于塑性水泥稳定碎石也成为高弹模纤维材料,依靠纤维材料与水泥基之间的界面吸附粘结力、机械咬合力等,增加了材料抵抗开裂的塑性抗拉应变能,水泥稳定碎石的开裂状况得以减轻,甚至消失。②聚丙烯纤维能够抑制温缩应变;聚丙烯纤维的热胀缩系数很小,通常为水泥稳定碎石等半刚性材料温缩系数的1/10,当聚丙烯纤维加入水泥稳定碎石拌和成型,随着龄期的增加,纤维和水泥稳定碎石结合成为一个整体,如果温度变化,材料将会发生收缩或膨胀,由于纤维膨胀系数很小,它会抑制水泥稳定碎石基体的膨胀,从而表现出温缩系数减小。③聚丙烯纤维能够大大提高水泥稳定碎石的极限抗拉应变能,增大极限收缩破坏应变能;掺纤维水泥稳定碎石中布置的纤维有很多弯曲,当纤维受力时,在弯曲区产生摩擦力,继而引起一种抗力,并随纤维受力而增加,同时在纤维交叉处产生的力企图使纤维产生横向位移,则很快会遇到其他纤维阻止这种位移,受力后欲位移纤维上的力传到其他纤维,形成一个受力作用新区,从而产生纤维水泥稳定碎石的内聚力,提高水泥稳定碎石的抗拉能力。
  4 结论
  国内外关于水泥稳定碎石基层的研究主要集中在水泥稳定碎石基层的抗压强度、弯拉特性和疲劳特性等理论研究方面,而对水泥稳定碎石基层抗裂性能、抗冻融性能,特别是对纤维加固水泥稳定碎基层配合比优化设计、冻融环境下纤维加固水泥稳定碎石基层强度、纤维加固水泥稳定碎石基层的干缩温缩特性试验研究较少,尚未得出系统的研究结论。

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