玻璃纤维长度与掺量对水泥稳定碎石混合料路用性能的影响_黄汉彪.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202205044开放科学（资源服务）标识码（OSID）玻璃纤维长度与掺量对水泥稳定碎石混合料路用性能的影响黄汉彪，王永斌，钟雨奕（中国市政工程西南设计研究总院有限公司，成都610081）摘要：采用 6、12、18 mm 三种玻璃纤维长度与 0.05%、0.15%、0.25%三种玻璃纤维掺量进行正交组合设计，共对 10 组不同配合比方案下的水泥稳定碎石分别进行抗压强度、抗拉强度、抗冻性能、干缩性能试验分析。结果表明：玻璃纤维的掺入能够有效提升水泥稳定碎石路用性能，抗压强度和抗拉强度提升 30.00%以上，抗冻性能提升 24.00%，干缩性能整体提升约 47.00%。研究推荐适宜的玻璃纤维长度为 18 mm，纤维掺量为 0.15%。关键词：水泥稳定碎石混合料；玻璃纤维；纤维长度；纤维掺量；路用性能中图分类号：U414文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)03 0102 05 0 引言水泥稳定碎石作为典型的半刚性基层材料被广泛应用于高等级公路中，但随着重载交通的持续增长，传统水泥稳定碎石层易诱发基层反射裂缝，使沥青面层产生横向裂缝，极大影响道路结构承载力和使用寿命1-3。因此，提升水泥稳定碎石材料性能尤其是抗裂性能尤为重要4-5。近年来，相关学者采用添加改性材料等方式提升水泥稳定碎石材料性能，包括化学改性和物理改性两方面，材料为粉煤灰、水泥强化剂、玄武岩纤维、聚丙烯纤维、钢纤维等6-8。相关研究表明9-10：外掺材料可显著改善水泥稳定碎石的力学性能指标，但对稳定碎石层的收缩性能提升不明显11。相较于玄武岩纤维、聚丙烯纤维，玻璃纤维具有生产工艺简单、拉伸强度大，生产成本低的特点，但目前关于玻璃纤维改善水泥稳定碎石材料性能的研究较少12-14。本文主要控制玻璃纤维长度和掺量两个参数，重点研究水泥稳定碎石混合料的无侧限抗压强度、抗拉强度、抗冻性能、干缩性能。1 原材料与试验方案 1.1 原材料选用集料均为石灰岩矿料，表面粗糙、棱角性好，针片状含量低，根据粒径分档不同，将其分别筛分为 04.750、4.7509.500、9.50019.000、19.00031.500 mm四档，不同粒径范围集料的通过率。各档集料筛分结果，见表 1。表1各档集料筛分结果集料/mm不同孔径（mm）筛分通过质量百分率/%0.0750.30.61.182.364.759.516.019.026.531.504.755.213.541.254.273.898.51001001001001004.759.50.20.30.53.75.210.398.21001001001009.5190.10.10.10.10.12.18.590.699.51001001931.50.10.10.10.10.10.10.20.411.875.3100 选用强度等级为 42.5 MPa 的普通硅酸盐水泥。道路路面结构组合中，上下基层水泥稳定碎石中水泥掺量以试验确定，水泥掺量一般为 4.0%5.0%，根据道路工程路面半刚性基层水泥剂量常规配比，本文拟定稳定碎石材料中水泥掺量为 4.5%。水泥技术指标，见表 2。收稿日期：2022 09 22作者简介：黄汉彪（1985），男，江西吉安人。高级工程师，硕士，主要从事公路与城市道桥设计工作。E-mail：。路基工程 102 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）表2水泥技术指标技术指标初凝时间/min终凝时间/min细度/%28 d抗压强度/MPa28 d抗折强度/MPa检测值1322403.544.27.7规范值4560010.042.56.5 采用骨架密实级配理论进行水泥稳定碎石级配的组合设计，选用较多的粗骨料和较少的细骨料。四档集料的配比为 20381428，采用振动压实成型方法制备水泥稳定碎石试件，4.5%水泥剂量下普通水泥稳定碎石的含水率为 4.89%，干密度为 2.35 g/cm3。水泥稳定碎石 AC-25 矿料合成级配曲线，见图 1。02.364.759.5019.0031.50020406080100通过率/%级配下限级配上限设计级配0.60孔径/mm图1水泥稳定碎石 AC-25 矿料合成级配曲线 玻璃纤维是一种无机非金属材料，具有强度高、延展性好、耐久性强等特点，选用的玻璃纤维产自河南南阳，见图 2。纤维技术性能，见表 3。图2玻璃纤维 表3玻璃纤维技术性能检测项目密度/(gcm3)含水率/%抗拉强度/MPa断裂伸长率/%单丝直径/m技术要求0.151500检测结果2.720.1218002.3215 采用正交方法进行试验组合方案设计，以体积掺量为控制标准，体积掺量分别为 0.05%、0.15%、0.25%，纤维长度 6、12、18 mm 不等。1.2 试验方案主要探究玻璃纤维掺量和长度对水泥稳定基层碎石性能影响规律，考察材料的无侧限抗压强度、抗拉强度、抗冻性能、抗干缩性能。根据玻璃纤维掺量和长度共设计 10 组试验方案，见表 4。表4不同玻璃纤维掺量和长度正交试验方案序号纤维掺量/%00.05 0.05 0.05 0.15 0.15 0.15 0.25 0.25 0.25纤维长度/mm0612186121861218 参照公路工程无机结合料稳定材料试验规程（JTG E512009），无侧限抗压强度、抗拉强度、抗冻性能、抗干缩性能试验方法，见表 5。在冬季寒冷地区，道路基层温度常低于10，低温条件下水泥稳定碎石会变得脆硬，亦会加剧材料的开裂。采用冻融循环试验研究稳定碎石的抗冻性能，将 28 天养护龄期下的水泥稳定碎石经水浴养生后置于10 冷冻室16 小时，再将试件置于20 水浴环境中解冻，按此步骤循环 3 次来模拟道路基层材料冬季抗冻环境，将 3 次冻融循环后的稳定碎石进行抗拉强度试验，分析冻融前后的抗拉强度得到抗冻系数，用于表征稳定碎石的抗冻性能。表5水泥稳定碎石性能试验方法试验类别试件尺寸/mm试验组数养护条件无侧限抗压强度100100100528 d，25 2，95%湿度抗拉强度1001004003抗冻性能3抗干缩性能3 2 试验结果及分析 2.1 无侧限抗压强度不同玻璃纤维掺量、长度水泥稳定碎石试件龄期 28 天的无侧限抗压强度，见图 3。00.05 0.10 0.15 0.20 0.25纤维掺量/%061218纤维长度/mm a 随纤维掺量变化 b 随纤维长度变化9.08.58.07.57.06.5无侧限抗压轻度/MPa9.08.58.07.57.06.5无侧限抗压轻度/MPa6 mm12 mm18 mm0.05%0.15%0.25%图3无侧限抗压强度随纤维掺量、纤维长度的变化 外掺玻璃纤维后水泥稳定碎石的无侧限抗压强度显著增加，随着掺量的增加，无侧限抗压强度呈快速增长到趋于平缓，说明掺量的增加能在一定程度上提升无侧限抗压强度。当掺量达 0.15%时，6、12、18 mm纤维水泥稳定碎石的无侧限抗压强度分别达到 7.35、8.05、8.75 MPa，相较于普通水泥稳定碎石无侧限抗压强度分别提升了 9.70%、20.15%、30.60%。但纤维掺量达到一定数量时，稳定碎石无侧限抗压强度的提升效果趋于平缓。纤黄汉彪，等：玻璃纤维长度与掺量对水泥稳定碎石混合料路用性能的影响 103 维掺量的过多会导致纤维在骨料中的分散均匀性下降，在一定程度上限制了稳定碎石无侧限抗压强度增长。水泥稳定碎石的无侧限抗压强度随纤维长度的增加逐渐增大，0.15%、0.25%掺量对无侧限抗压强度的提升效果较为接近，说明材料中纤维掺量并非越多越好，纤维作为外掺材料，能够有效增强水泥和骨料的界面接触，但掺量过多会使纤维堆积，导致水泥稳定碎石材料拌和不均匀，材料的无侧限强度增长不明显。2.2 抗拉强度不同玻璃纤维掺量、长度水泥稳定碎石试件龄期 28 天的抗拉强度，见图 4。00.05 0.10 0.15 0.20 0.251.71.81.92.02.12.22.32.42.5抗拉强度/MPa纤维掺量/%6 mm12 mm18 mm0612181.71.81.92.02.12.22.32.42.5抗拉强度/MPa纤维长度/mm0.05%0.15%0.25%a 随纤维掺量变化 b 随纤维长度变化图4抗拉强度随纤维掺量、纤维长度的变化 玻璃纤维的掺入能够显著提升水泥稳定碎石的抗拉强度。6、12 mm 玻璃纤维稳定碎石抗拉强度随掺量的增加呈先上升后下降趋势，18 mm 玻璃纤维稳定碎石抗拉强度始终呈增长趋势。纤维长度越长，抗拉强度越大，表明纤维长度对稳定碎石抗拉强度的影响较大，水泥稳定碎石是由水泥水化反应形成的脆性胶结复合物，材料内部的细微裂缝在外部荷载作用下易使稳定碎石材料产生断裂，即对材料的抗拉性能产生劣化影响；玻璃纤维具有一定的弹韧性能，有利于抑制水泥稳定碎石材料的裂缝发展，但纤维掺量达到一定临界值 0.15%时，会达到抗拉强度提升上限，6、12 mm纤维对抗拉强度的提升效果会削弱，18 mm 纤维稳定碎石的抗拉强度继续增大，但增长速率有所减缓。分析纤维长度的影响，0.05%掺量对抗拉强度的提升幅度最小，0.15%、0.25%掺量对抗拉强度的提升效果整体较为接近，说明纤维掺量并非越多越好，掺量过多会使纤维在稳定碎石中分散不均匀，导致纤维局部集聚，在一定程度上降低了抗拉强度提升。2.3 抗冻性能RDCRC100抗冻系数指水泥稳定碎石冻融试验后干试件平均抗压强度与冻融试验前干试件平均抗压强度的比值，BDR=，BDR 为抗冻系数，%；RDC为 n 次冻融循环后试件的抗压强度，MPa；RC为对比试件的抗压强度，MPa。抗冻系数随纤维掺量和长度的变化，见图 5。00.05 0.10 0.15 0.20 0.257580859095抗冻系数/%纤维掺量/%6 mm12 mm18 mm0612187580859095抗冻系数/%纤维长度/mm0.05%0.15%0.25%a 随纤维掺量变化 b 随纤维长度变化图5抗冻系数随纤维掺量、纤维长度的变化 随着玻璃纤维长度和掺量的增加，抗冻系数呈先快速增长到缓慢增长的趋势。长度 18 mm 和掺量 0.25%玻璃纤维水泥稳定碎石的抗冻系数提升效果最为明显，抗冻系数达到 93.72%，较普通水泥稳定碎石提升了 18.69%，表明玻璃纤维可以在一定程度上提升稳定碎石的抗冻性能。28 天龄期的水泥稳定碎石是水泥水化反应后形成的胶凝物、各粒径碎石、玻璃纤维立体网络混合体，含较多粗骨料，内部存在较多连通孔隙，内部水分子凝聚后经冻融循环作用会导致连通孔隙内壁产生收缩、膨胀压力，混凝土中玻璃纤维具备增韧阻裂机理，纤维以加筋的形式增强连通孔隙的结构稳定，一定程度限制水泥稳定碎石收缩，增强了混凝土的整体黏聚。纤维长度越长，纤维与水泥稳定碎石的黏结面积越大，黏结效果越显著，从而降低水泥稳定碎石在低温环境下开裂损伤概率。2.4 抗干缩性能7 天养护龄期下稳定碎石最大失水率和最大干缩应变测试试验结果，见图 6。00.05 0.10 0.15 0.20 0.25405060708090干缩系数/106纤维掺量/%6 mm12 mm18 mm061218405060708090干缩系数/106纤维长度/mm0.05%0.15%0.25%a 随纤维掺量变化 b 随纤维长度变化图6干缩系数随纤维掺量、纤维长度的变化 干缩系数随纤维掺量的增加呈先下降后提升的趋势，干缩系数越小表明稳定碎石抵抗干缩收缩变形的能力越强，产生的开裂破坏概率越小。0.15%掺量下的干缩系数普遍最低，纤维长度 18 mm 的水泥稳定碎石，干缩系数 44.60%，较普通水泥稳定碎石提升约 47.00%。表明纤维在稳定碎石中的均匀分布具有临界值，这与级配设计有关，纤维掺量过多会使纤维不均匀分散，导致稳定碎石因局部路基工程 104 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）应力集中而产生干缩变形破坏。玻璃纤维长度越长，干缩系数越小，表明纤维长度越长对干缩性能提升效果越显著，是因为 18 mm 的玻璃纤维与稳定碎石材料内部骨料、水泥的接触黏结面积较大，有利于稳定材料内部结构。纤维长度的适宜范围与骨料的粒径直接相关，稳定碎石采用了较多粗骨料，骨料的粒径较大，因此，较长的玻璃纤维与骨料的黏结效果更显著。3 相关性分析不同玻璃纤维参数下水泥稳定碎石性能结果，见表 6。无侧限抗压强度、抗拉强度和抗冻系数越大，干缩系数越小，稳定碎石的性能就越趋于稳定，材料的耐久性越好。以性能最优为目标值进行稳定碎石性能结果的无纲量化参数分析，得到区间 01 之间的数据分布结果，数值越趋近于 1 表明稳定碎石性能越好，玫瑰分布图和堆积柱状图，见图 7、图 8。表6不同玻璃纤维参数下稳定碎石性能结果序号纤维掺量/%纤维长度/mm28 d无侧限抗压强度/MPa28 d抗拉强度/MPa抗冻系数/%干缩系数/106004.621.7475.0385.30.0564.881.8182.1477.20.05125.332.0289.2565.80.05185.892.2491.3753.80.1565.071.9786.7570.30.15125.552.1691.2457.40.15186.032.3092.8644.60.2565.051.9487.6280.60.25125.562.1291.5870.30.25185.952.4293.7258.5 0.40.50.60.70.80.91.01.1无侧限抗压强度抗拉强度抗冻性能干缩性能图7玫瑰分布图 掺量 0.15%+长度 18 mm 组合下水泥稳定碎石综合性能最优，其次为掺量 0.25%+长度 18 mm 组合。相较于纤维掺量而言，纤维长度对稳定碎石性能的影响波动更为显著。0.770.810.880.980.840.920.840.920.990.720.750.830.930.810.890.950.800.880.800.880.950.970.930.970.990.930.981.001.001.000.520.580.680.830.630.781.000.550.630.76 00.51.01.52.02.53.03.54.0无量纲化参数编号干缩性能抗冻性能抗拉强度抗压强度图8堆积柱状图 4 结语本文以玻璃纤维为外掺材料，研究其对水泥稳定碎石的性能影响。（1）水泥稳定碎石的无侧限抗压强度和抗拉强度随纤维掺量和长度的增加逐渐增长，但增长趋势逐渐放缓，掺量 0.15%和长度 18 mm 组合的无侧限抗压强度和抗拉强度较普通水泥稳定碎石提升幅度均达到 30.00%以上。（2）玻璃纤维的掺入能在一定程度上提升水泥稳定碎石的抗冻性能，抗冻系数随掺量和长度增加均呈快速增长到缓慢增长趋势，0.15%和长度18 mm 组合的抗冻性能提升约 24.00%。（3）水泥稳定碎石的干缩系数随掺量增加呈先下降后增长趋势，说明纤维掺量过多会导致干缩性能下降，干缩系数随长度增加逐渐下降。掺量0.15%和长度 18 mm 组合的干缩性能提升 47.00%。玻璃纤维的适宜掺量推荐 0.15%，纤维长度推荐 18 mm。参考文献(References)：1 王军伟.水泥稳定碎石基层沥青路面拱起开裂研究D.西安:长安大学,2017.WANG J W.Research on expansion cracking of asphalt pavement bycement stabilized macadam baseD.Xian:Changan University,2017.2 王文彬.不同纤维增强水泥稳定碎石混合料路用性能与耐久性研究 J.新型建筑材料,2021,48（3）:57 62.DOI:10.3969/j.issn.1001-702X.2021.03.014.WANG W B.Study on road performance and durability of different fiberreinforced cement stabilized crushed stone mixture J.New BuildingMaterials,2021,48（3）:57 62.DOI:10.3969/j.issn.1001-702X.2021.03.014.3 王佐洲.掺入聚丙烯纤维水泥稳定碎石材料性能试验研究 J.市政技术,2021,39（3）:139 142,152.WANG Z Z.Experimental study on material performance of cementstabilized macadam with polypropylene fiber J.Municipal Technology,2021,39（3）:139 142,152.4 阳兰,严红,汤东.聚丙烯纤维增强再生水泥稳定碎石基层材料性能研究 J.路基工程,2021（3）:110 114.YANG L,YAN H,TANG D.Study on properties of polypropylene fiber黄汉彪，等：玻璃纤维长度与掺量对水泥稳定碎石混合料路用性能的影响 105 reinforced recycled cement stabilized macadam base material J.Sub-grade Engineering,2021（3）:110 114.5 韦远思.纤维增强水泥稳定碎石基层材料性能试验研究 J.西部交通科技,2020（2）:88 91.WEI Y S.Experimental study on the performance of fiber-reinforcedcement stabilized crushed stone base material J.Western China Com-munications Science&Technology,2020（2）:88 91.6 李清富,张鹏,沈捷.聚丙烯纤维水泥稳定碎石抗裂性能研究 J.建筑材料学报,2008,11（3）:368 374.DOI:10.3969/j.issn.1007-9629.2008.03.022.LI Q F,ZHANG P,SHEN J.Research on crack resistance of cementstabilized macadam reinforced with polypropylene fiber J.Journal ofBuilding Materials,2008,11（3）:368 374.DOI:10.3969/j.issn.1007-9629.2008.03.022.7 许鹏,卢明智,王楹.纤维增强水泥稳定碎石路用性能研究 J.公路交通科技(应用技术版),2017,13（9）:106 108.XU P,LU M Z,WANG Y.Research on the road performance of fiberreinforced cement stabilized gravel J.Highway and TransportationScience and Technology(Applied Technology),2017,13（9）:106 108.8 张鹏,李清富,安玉喜.聚丙烯纤维水泥稳定碎石温缩性能试验研究 J.公路,2010（4）:148 151.ZHANG P,LI Q F,AN Y X.Experiment and study on thermal shrinkageproperties of cement stabilized macadam reinforced with polypropylenefiber J.Highway,2010（4）:148 151.9 胡艳民.不同玻璃纤维长度和掺量下的水泥稳定碎石强度特性研究 J.公路交通科技(应用技术版),2015,11（6）:182 183.HU Y M.Research on the strength characteristics of cement stabilizedcrushed stone under different glass fiber length and content J.Highwayand Transportation Science and Technology(Applied Technology),2015,11（6）:182 183.10 付春梅,齐善忠.聚酯纤维和聚丙烯纤维水泥稳定碎石力学性能研究 J.公路,2015,60（1）:37 42.FU C M,QI S Z.Research on the mechanical properties of polyesterfiber and polypropylene fiber cement stabilized crushed stone J.Highway,2015,60（1）:37 42.11 任海洋.玻璃-聚酯混掺纤维水泥稳定碎石收缩性能研究 J.公路交通科技(应用技术版),2018,14（11）:90 93.REN H Y.Research on shrinkage performance of glass-polyesterblended fiber cement stabilized crushed stone J.Highway and Trans-portation Science and Technology(Applied Technology),2018,14（11）:90 93.12 彭逸飞.玄武岩-玻璃混杂纤维水泥稳定碎石无侧限抗压强度研究 J.土工基础,2020,34（1）:73 75.PENG Y F.Unconfined compressive strength of basalt-glass hybrid fibercement stabilized crushed stone samples J.Soil Engineering andFoundation,2020,34（1）:73 75.13 穆庄庄,宋海涛,朱光耀,等.玻璃纤维在水泥稳定碎石混料中的应用研究 J.工程技术研究,2019,4（3）:115 116.DOI:10.3969/j.issn.1671-3818.2019.03.054.MU Z Z,SONG H T,ZHU G Y,et al.Application research of glassfiber in cement stabilized crushed stone mixture J.Engineering Tech-nology Research,2019,4（3）:115 116.DOI:10.3969/j.issn.1671-3818.2019.03.054.14 康晶.玻纤-钢纤维对混凝土抗裂和冻融性能的影响D.大连:大连理工大学,2006.KANG J.Influence of glass fiber-steel fiber on the shrinkage resistanceand freeze-thaw behaviour of concreteD.Dalian:Dalian University ofTechnology,2006.InfluenceofGlassFiberLengthandContentonRoadPerformanceofCementStabilizedCrushedStoneMixtureHUANG Hanbiao，WANG Yongbin，ZHONG Yuyi（China Municipal Engineering Southwest Design and Research Institute Co.,Ltd.,Chengdu 610081,China）Abstract:The study used three glass fiber lengths of 6,12,18 mm and three glass fiber contents of 0.05%,0.15%,0.25%for orthogonal combination design.A total of 10 groups of cement stabilized crushed stone withdifferent mix ratios were tested and analyzed for compressive strength,tensile strength,frost resistance and dryshrinkage performance.The results show that the addition of glass fiber can effectively improve the roadperformance of cement stabilized crushed stone,where the compressive strength and tensile strength are improvedby more than 30.00%,the frost resistance is improved by 24.00%,and the drying shrinkage performance isimproved by about 47.00%.The research recommends that the suitable glass fiber length is 18 mm,and the fibercontent is 0.15%.Keywords:cement stabilized crushed stone base；glass fiber；fiber length；fiber content；road performance路基工程 106 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）