纤维级配碎石的开发及路用性能研究(建筑材料学报).doc

纤维级配碎石的开发及路用性能研究 
周卫峰1，李彦伟1，苗乾2李源渊2张连营1
(1.天津大学 管理与经济学部,天津 300073；2.天津市市政工程研究院，天津 300074；)

摘　要：为提高级配碎石的路用性能，提出了在级配碎石中掺加纤维的思路。采用振动成型方法，以劈裂强度为标准，优化了纤维的种类、掺量及长度。采用自行开发的级配碎石剪切仪系统研究了纤维级配碎石抗剪强度的影响因素。研究结果表明：围压50KPa下，纤维级配碎石抗剪强度最大可提高2.6倍；含水量、压实度及粒径对抗剪强度影响显著；含水量增大，级配碎石抗剪强度减小；压实度越大，纤维级配碎石抗剪强度增大；小粒径纤维级配碎石抗剪强度大。车辙实验结果表明纤维的掺入显著提高了级配碎石的抗车辙能力。施工检测结果表明，研发的纤维分散均匀，纤维级配碎石路表弯沉小于普通级配碎石的路表弯沉，同时表明纤维级配碎石柔性路面可用于重载交通。
关键词：道路工程；级配碎石；纤维；抗剪强度；抗车辙能力
Development Of Fiber-graded Gravel And Performance Research
ZHOU Wei-feng1，LI Yan-wei1，MIAO Qian2，LI Yuan-yuan2，ZHANG Lian-ying1
（1. College of Management and Economics, Tianjin University ,Tianjin 300073,China;
（2. Tianjin Municipal & Highway Engineering Research Institute, Tianjin 300074,China)
Abstract: To improving the graded gravel road performance, proposed a new idea that adding fiber in graded gravel. Using vibration molding method, splitting strength as the standard, optimize the type, dosage and length of fiber. Using the self-developed graded gravel shear apparatus，systematically studied the influence factors of the fiber-graded gravel’s shear strength. The results showed: when the confining pressure is 50KPa, the fiber-graded gravel maximum shear strength can be increased by 2.6 times; water content, compaction and particle size has significant effects on the shear strength; water content increases, the shear strength decreases ; greater the degree of compaction, shear strength increases; small particle size fiber-graded gravel has big shear strength. Rutting test results show that the adding of fibers significantly improves graded gravel’s rutting resistance. Construction detection results show that the fibers self-developed uniformly dispersed, fiber-graded gravel surface deflection less than ordinary graded gravel road surface deflection,also shows that fiber-graded gravel flexible road can for heavy duty transportation use.
Key words：road engineering; graded gravel; fiber; shear Strength; rutting resistance
0 引言
　　半刚性路面是我国高等级公路的典型路面结构，20多年高速公路的建设经验证明，半刚性基层材料虽然具有强度高、稳定性好、造价低等优点，但同时也具有反射裂缝无法避免、易产生水破坏及寿命普遍达不到设计要求的缺点。级配碎石作为柔性路面基层材料，具有渗水能力强，不产生反射裂缝，造价比半刚性材料更低的优点，但具有强度低、抗剪切能力小，用于道路基层易产生塑性变形，从而导致路面出现车辙的缺点。我国设计规范提出级配碎石基层适合于累计轴载小于500万次以下的道路使用，这显然限制了级配碎石在高等级公路中的应用[1-2]。目前的道路工程中，纤维的使用大多用于沥青混凝土及水泥混凝土。而纤维应用于散体材料的最早研究来自于法国的纤维土，资料表明[3-5]在沙土中掺加千分之一的纤维后，土的承载能力、抗冲刷能力及抗剪强度大大提高。为提高级配碎石的路用性能，本文提出了在级配碎石中掺加特定纤维的思路。近年来我国学者对级配碎石的研究主要集中在级配碎石的力学参数[6-9]及路面结构力学分析研究[10-14]上，如何从级配碎石材料设计的角度考虑提高其自身的路用性能的研究则相对较少。
本文采用振动成型设计级配碎石，同时研发了适用于级配碎石的专用纤维，克服级配碎石抗剪切能力差、塑性变形大的缺点，为进一步提高级配碎石性能，充分发挥级配碎石的优点，使级配碎石柔性基层应用于重载交通沥青路面具有积极的意义。
1 纤维的研发
目前用于道路建筑材料的纤维添加剂主要有聚酯纤维、聚丙烯纤维、木质素纤维、矿物纤维及玻璃纤维等。由于级配碎石是散体材料，纤维与集料密度相差悬殊，因此在选取纤维时，不仅要考虑级配碎石力学性能的提高，同时要考虑纤维的耐久性及与集料密度的匹配，以保证施工中纤维的分散性。
1.1纤维长度与掺量的选择
　　　首先采用振动成型法优化的连续嵌挤骨架密实级配[15]，见表1.实验采用振动成型试件。
表1 级配碎石骨架密实级配表
Tab.1 Graded gravel skeleton and dense gradation table
Sieve size（mm）
31.5
19
9.5
4.75
2.36
0.6
0.075
Pass rate（%）
100
78
51
34
21
10
5
其次采用劈裂强度（即级配碎石的抗拉强度）做为标准。因为不掺加纤维的振动成型级配碎石试件劈裂强度绝对值较小（本研究为12.3KPa），掺加纤维后劈裂强度的变化比较明显，易于判定。且劈裂强度实验相对简单，因此采用劈裂强度优化纤维掺量和长度。实验时采用的压实度为98%，每组用13个试件，要求变异系数小于20%。
选用常见的聚丙烯纤维，分别制成长度为0.5cm、1cm、2cm、3cm及4cm的试样，选用掺量为0.1%、0.2%、0.3%及0.4%的质量百分率进行实验。纤维及实验结果见图1、图2。

图1 实验用纤维及试件
Fig.1 Experiment with fiber and specimen
The percentage of fiber quality
Splitting strength (KPa)
Fiber length1cm
Fiber length2cm
Fiber length3cm
Fiber length4cm
Fiber length0.5cm

图2 纤维级配碎石劈裂强度实验结果
Fig.2 Fiber-graded gravel splitting strength results
由图2实验结果，无论纤维长度如何，掺加0.1%纤维的级配碎石劈裂强度均有不同程度的提高，但同时表明，从1cm开始，纤维长度越大，其劈裂强度增加愈小。从优化结果得出结论，纤维长度为1cm、掺加质量比为0.1%的级配碎石劈裂强度增加最大，为不掺加纤维的级配碎石的152%。
　　据此，以纤维长度1～2cm，掺量0.1%优化纤维种类。
1.2纤维种类的确定

图3 实验用纤维
Fig.3 Experiment with fiber
根据优化的纤维长度，选取5中满足要求的纤维，以掺量0.1%进行劈裂强度实验，纤维见图3，实验结果如表2。
表2 纤维种类优化结果表
Tab.2 Fiber types of optimization results table
Fiber number
Fiber type
Splitting strength（kPa）
Without fiber
—
12.3
NO.1
Polypropylene fibers
18.7
NO.2
Polyester
17.5
NO.3
Special polypropylene fibers
21.0
NO.4
Polyethylene fiber
16.3
NO.5
Lignin fiber
15.2
由表2实验结果，不同种类的纤维掺入级配碎石后，其劈裂强度均有不同程度的提高，而尤以3号专用聚丙烯纤维提高最为显著，其劈裂强度提高达70%以上。3号纤维为图3右边的纤维。
据此，选用3号聚丙烯纤维[16]作为最终优化结果。其直径1mm；长度0.8～1.5cm；相对密度0.91；拉伸强度＞300MPa；回弹模量3500MPa。
2 纤维级配碎石的抗剪强度及影响因素
　　级配碎石结构层在使用过程中，主要承受由面层传递来的车轮竖向荷载作用，当荷载作用超过各种粒径粒料之间相互嵌挤形成的抗变形能力时，导致塑性变形的产生，这种塑性变形的本质是粒料之间的剪切变形。因此抗剪切能力是衡量其力学能力的重要参数之一。
研制了测定级配碎石抗剪能力的专用仪器[17]对级配碎石的抗剪切强度及影响因素进行研究。用有限元法计算分析了级配碎石柔性路面中的级配碎石结构层在标准轴载BZZ-100 作用下的受力状况, 以级配碎石层中部靠近车轮内侧边缘的位置作为剪切破坏的最不利位置,对其围压进行计算，确定抗剪实验中采用50KPa的围压。试件采用振动成型，掺加质量比为0.1%聚丙烯纤维，每组试件为13个，变异系数小于20%，剪切速率为5mm/min。
2.1围压及纤维的影响
　　　围压及纤维对级配碎石抗剪强度的影响见表3，级配碎石剪切破坏见图4。
表3 围压及纤维对级配碎石抗剪强度影响表
Tab.3 Confining pressure and fiber effect on the graded gravel’s shear strength table
Item
抗剪强度（kPa）
No confining pressure, no fiber
373
No confining pressure,add fiber
432
No confining pressure, no fiber
767
No confining pressure, add fiber
991

图4 级配碎石剪切破坏图
Fig.4 Gaded gravel shear failure figure
表3实验结果表明，围压的施加及纤维的掺入对级配碎石抗剪强度的提高均有显著影响。无围压的情况下，掺加纤维后由于纤维的影响，级配碎石抗剪强度提高了1.2倍，有围压的情况下提高了1.3倍。不掺纤维的情况下，施加围压后，由于围压的影响，级配碎石抗剪强度提高了2.1倍，掺纤维后则提高了2.3倍。围压和纤维的共同作用，纤维级配碎石的抗剪强度更是提高了2.7倍。这说明，级配碎石在重载交通作用下，随着围压的增大，其抗剪能力有很大提高，同时也说明，重载作用下，纤维对级配碎石抗剪能力的提高的作用更加明显。
2.2含水量的影响
　　分别用最佳含水量-1%、最佳含水量、最佳含水量+1%的试件进行抗剪强度试验。实验时施加围压、掺加0.1%纤维。试验结果如表4所示。
表4 剪切强度随含水量变化
Tab.4 Shear strength change with moisture content
Water content
Optimum moisture content +1%
Optimum moisture content
Optimum moisture content -1%
Shear strength（kPa）
931
991
568
根据实验结果，含水量对级配碎石的剪切强度有很大影响。当级配碎石含水量小于最佳含水量时，其抗剪强度稍有降低，但当含水量大于最佳含水量时，其抗剪强度仅为最佳含水量时的57%。这说明在级配碎石柔性基层的运营过程中，一定要注意路面的防排水，使级配碎石处于干燥或最佳含水量状态。
2.3压实度的影响
采用振动成型，制作纤维掺量0.1%的压实度分别为94%、96%、98%及100%的试件，在50KPa的围压及5mm/min的条件下进行剪切实验，实验结果见图5。
Degree of compaction (%)
Shear strength (KPa)

图5 剪切强度随压实度变化图
Fig.5 Shear strength change with the degree of compaction
由图5，压实度对纤维级配碎石抗剪强度的影响可分为三个阶段。第一个阶段是当压实度由98%下降到96%时，其抗剪强度稍有降低，降低了17%。第二个阶段是当压实度由96%下降到94%时，抗剪强度急剧降低，仅达到96%及98%压实度时的49%和41%。第三个阶段是当压实度由98%提高到100%时，抗剪强度急剧增加，提高了1.5倍。这一方面是由于压实度的提高，级配碎石内摩擦力大大增加，另一方面，由于压实度的提高，集料排列更加紧密，纤维的加筋作用愈加显著。两者共同作用，使得高的压实度的级配碎石抗剪能力大大提高。
2.4级配的影响
对掺加0.1%纤维的、最大粒径为26.5mm的级配碎石进行了剪切实验，并与最大粒径为31.5mm的级配碎石进行对比。实验结果见表5。
表5 不同级配的纤维级配碎石抗剪强度
Tab.5 Different gradations of fiber-graded gravel’s shear strength

Maximum particle size（mm）
26.5
31.5
Shear strength（kPa）
1387
991
由表5，小粒径纤维级配碎石的抗剪切能力是大粒径纤维级配碎石的1.4倍。这主要是由于小粒径级配碎石由于粒径小，一方面易得到较高的密实度，另一方面与纤维的接触面大大增加，纤维在级配碎石中的加筋作用发挥的更加显著，从而提高了小粒径纤维级配碎石的抗剪切能力。
3 纤维级配碎石的抗车辙能力
　　级配碎石柔性路面的主要破坏模式是路面永久变形，即在交通荷载作用下级配碎石由于剪切强度不足导致的塑性变形。基于此，安排了车辙实验方案，以抗车辙能力验证纤维级配碎石抗剪切能力的提高。
3.1级配碎石+沥青混凝土层方案
实验采用自制的10cm高的车辙试模，首先成型8cm厚的级配碎石（分别为掺加纤维及不掺加纤维），后于其上铺筑2cmAC-10改性沥青混凝土，在60℃下进行车辙实验，实验结果见表6。
表6级配碎石车辙实验结果
Tab.6 Graded gravel rut results
Specimen Types
60min Rut depth（0.1mm）
Dynamic Stability (times / mm)
Without fiber
21.65
2918
Polypropylene fibers mixed with 1 ‰
15.23
4617
由实验结果，掺加纤维的级配碎石的结构其抗车辙能力提高了58%。
3.2不同轮压下的级配碎石车辙方案
制作10cm厚掺加纤维和不掺加纤维的级配碎石的车辙试件，分别于轮压0.7MPa和1.0MPa、常温下直接在级配碎石上进行车辙实验，实验结果如表7、图6。
表7 不同轮压下车辙实验结果
Tab.7 Rutting results under different wheel pressure
Wheel pressure（MPa）
Specimen types
60min Rut depth（0.1mm）
Dynamic Stability (times / mm)
0.7
Without fiber
44.5
653
Polypropylene fibers mixed with 0.1%
27.3
1906
1.0
Without fiber
240（Manual measurement)
serious rut, unable to experiment
Polypropylene fibers mixed with 0.1%
31.1
1216

图6 级配碎石车辙实验
Fig.7 Graded gravel rut experiment
　　对于直接在级配碎石上进行的车辙实验，其车辙的产生主要是由于压密和剪切力产生的。0.7MPa的压力下，纤维级配碎石的动稳定度提高了2.9倍，60min车辙深度为不掺纤维的61%。因为级配碎石试件的压实度是相同的，因此车辙深度及动稳定度的差异主要是由抗剪强度的大小决定的，这就说明纤维的掺加使得级配碎石抗车辙能力大大提高。
　　为进一步认识重载作用下纤维级配碎石的抗车辙能力，将车辙实验轮压提高到1.0MPa，结果表明不掺纤维的级配碎石变形严重，仪器已无法采集数据，人工量测的车辙深度为2.4cm。而纤维级配碎石抗车辙能力则很强，与0.7MPa相比，车辙深度仅增加13%，动稳定度仅下降34%。这进一步说明重载作用下，纤维在级配碎石中对抗剪强度和抗车辙能力的提高作用更加显著。
4 纤维级配碎石机理分析
纤维级配碎石实质上是一种复合材料，纤维主要是通过机械加筋作用及与集料表面的微粘结作用改变级配碎石的力学性能。首先，纤维掺入级配碎石后，纤维在级配碎石基体中形成了三维的网状架构，构成一个连续的三维“加筋网”，对级配碎石各个方向的应变起到一定的限制，改变了复合材料的应力状况，有效地提高了复合材料的强度。其次，级配碎石没有抗拉能力，纤维掺入后，与集料表面紧密接触，在荷载作用下，集料与纤维的微粘结作用与摩擦力共同作用使得纤维的抗拉能力在复合材料中发挥作用，而且荷载作用越大，抗拉能力表现越显著，从而提高了纤维级配碎石的抗剪切能力，同时又克服了水泥胶结料带来的刚度大，易产生裂缝，易疲劳破坏等缺点。
5 实验工程
2013年10月于山西阳左高速公路的某特重交通连接线上（设计期内累计交通轴次大于7000万次）铺筑了1000m实验工程。实验工程路面结构为4cmAC-13改性沥青混凝土+6cmAC-20沥青混凝土+8cmAC-25沥青混凝土+54cm级配碎石（级配碎石分三层铺筑）。其中500m级配碎石基层材料均为纤维级配碎石，纤维掺量0.1%。其余500m不掺纤维。
5.1配合比设计
　　　级配碎石均采用振动成型法设计，采用重型击实法进行对比。设计结果见表8.其中剪切试验时采用围压50KPa。
表8 实验工程级配碎石配合比设计结果
Tab.8 Experimental Engineering graded gravel mix design results
Item
Heavy compaction
Vibration molding
Graded gravel
Fiber graded gravel
Graded gravel
Fiber graded gravel
Maximum dry density（g/cm3）
2.428
2.422
2.511
2.502
Optimum moisture content（%）
4.8
4.8
4.5
4.5
CBR（%）
175
202
258
325
Shear strength（KPa）
----
----
557
852
Splitting strength（KPa）
----
----
13.7
22.3
5.2纤维级配碎石的施工
级配碎石采用连续式拌和机生产，含水量按最佳含水量+0.5%控制，采用自行研发的专用纤维添加设备连续添加，见图7。摊铺机摊铺，自重22吨单钢轮振动压路机振动碾压6遍以，要求压实度达到振动成型最大干密度的98%以上。

图7 纤维添加设备图
Fig.7 Adding fiber equipment figure
5.3工程检测结果
压实度大小对级配碎石路用性能极其重要。灌沙法检测的59个压实度数据表明压实度为振动成型最大干密度的97.1%-101.8%，平均99.2%，压实度代表值98.4%。
纤维的分散程度是研究成果是否能够应用于实际工程的核心。对纤维级配碎石灌砂法的26个样品中的纤维含量进行检测，纤维质量百分率为0.07%-0.14%，平均0.11%，变异系数23%。检测结果表明，纤维分散较均匀，能够满足工程要求。
路表弯沉检测结果见表9。
表9实验工程弯沉检测结果
Tab.9 Experimental works deflection test results
Sections
Measuring points (quantity)
Deflection mean (0.01mm)
Deflection representative value (0.01mm)
Graded gravel
50
13.3
18.1
Fiber graded gravel
50
15.4
21.4
Semi-rigid pavement
200
8.5
10.8
由弯沉检测结果可知，级配碎石柔性路面弯沉值大于半刚性路面。而纤维级配碎石柔性路面路表弯沉小于级配碎石柔性路面路表弯沉。这说明纤维的掺加提高了整体路面的结构强度，从而提高了路面寿命。
6 结论
（1）纤维以长度1cm、掺量0.1%、级配碎石达到最佳含水量时性能最优。
（2）纤维掺入级配碎石后可提高级配碎石的劈裂强度最大可提高70%，50KPa围压下，抗剪强度最大可提高2.6倍。
（3）含水量、压实度及粒径对纤维级配碎石抗剪强度影响显著。含水量增大，级配碎石抗剪强度减小。压实度越大，纤维级配碎石抗剪强度增大。小粒径纤维级配碎石抗剪强度大。
（4）纤维的掺入显著提高了级配碎石的抗车辙能力。
（5）施工结果表明，研发的纤维在级配碎石中分散均匀，纤维级配碎石路表弯沉小于普通级配碎石的路表弯沉，因此纤维级配碎石柔性路面寿命更长，同时表明纤维级配碎石柔性路面可用于重载交通。
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基金项目：项目名称（编号）新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET-10-0277)
作者简介：周卫峰（1971--），男，陕西韩城人，正高级工程师，天津大学博士后，研究方向为工程项目管理与道路结构和材料。.E-mail: zhouweifeng0000@