聚酯纤维二灰砂砾半刚性基层力学性能研究

曹建青，冯晓海，张 斌，李 伟，易 宝，张 鹏

(1.新疆大学，新疆 乌鲁木齐 830047；2.塔城市建筑工程质量监督检测站，新疆 塔城 834300)

聚酯纤维二灰砂砾半刚性基层力学性能研究

曹建青1，冯晓海2，张 斌1，李 伟1，易 宝1，张 鹏1

(1.新疆大学，新疆 乌鲁木齐 830047；2.塔城市建筑工程质量监督检测站，新疆 塔城 834300)

分别在二灰砂砾中添加不同长度及不同掺量的聚酯纤维，进行弯拉强度力学性能试验。结果表明，添加聚酯纤维能明显提高二灰砂砾的抗弯拉强度和抗裂性能；并且在一定范围内，抗弯拉强度与抗裂性能随着聚酯纤维掺量的增加而增加。

半刚性基层；二灰砂砾；聚酯纤维；力学性能

1 材料选定与级配设计

1.1 试验原材料

试验选用的石灰满足Ⅱ级以上标准且已充分消解。粉煤灰满足总含量超过70%，烧失量小于20%，且0.3 mm筛孔通过量达90%以上，0.075 mm筛孔通过量达70%的要求。二灰砂砾混合料中的砾石集料来源于新疆乌鲁木齐乌拉白料场，共有0～0.5 cm、0～0.8 cm、和4.5～26.5 cm三档集料，严格将集料的含泥量控制在7%以下，选用合理的配合比进行试验。

1.2 配合比的确定

(1)二灰与砂砾的配合比确定

石灰与粉煤灰的配比1∶3～1∶4，且集料含量为80%～85%时，这种基层材料既可抗干缩又可抗温缩，并且减少了由基层反射裂缝而引起的沥青面层开裂问题。此研究选用的配合比为石灰∶粉煤灰∶砂砾=5∶15∶80。

(2)砂石集料的级配确定

采用三档集料配合设计满足级配上限、下限值，而且最接近中值的级配，如图1所示。

图1 配合比设计曲线

2 力学性能试验及分析

半刚性材料作为路面的基层材料，其主要要求就是能够承受较大的外力，并能够抵抗外力作用引起的变形且具有良好的抗裂性能。为了评价半刚性材料的这些性能，主要应该从抗压强度以及抗弯拉强度进行分析。经过多年研究已经证明二灰砂砾半刚性基层具有较强的抗压强度，虽具有一定的抗拉强度却满足不了抗裂性能的要求。

为研究聚酯纤维的加入对二灰砂砾混合料抗弯拉、抗裂性能的有益影响。在确定混合料级配的同时，通过击实试验确定混合料的最佳含水量和最大干密度。分别采用5 cm、10 cm、15 cm长度的聚酯纤维，选用0.5‰、1.0‰、1.5‰、2.0‰的掺量，进行抗弯拉及抗裂性能的试验并分析。

2.1 击实试验

采用锤重4.5 kg，锤击面直径5.0 cm,落高45 cm，试筒尺寸为内径(15.2 cm)、高(12.0 cm)、容积(2 177 cm3)的击实方法。得到含水量与干密度的关系图见图2。

从图中可以看出最佳含水量为9.76%到9.77%之间。

图2 含水量—干密度曲线图

2.2 弯拉强度试验及结果分析

根据材料粒径的大小可知：中梁(尺寸为100 mm×100 mm×400 mm)适用于中粒土(由于大梁试件的成型难度较大，在实验室不具备成型条件时，中梁试件的最大公称粒径可放宽到26.5 mm)。故制备中梁试件在标准养护条件下养护28 d，进行弯拉强度试验。

试验采用三分点加压的方法进行，加载时保持均匀、连续加载，且保持加载速率为50 mm/min,直至时间破坏。

(1)纤维掺量对弯拉强度的影响

通过对不同聚酯纤维掺量的二灰砂砾试件进行弯拉强度试验，可以得到不同聚酯纤维掺量的二灰砂砾试件的极限破坏荷载平均值P，见表1。

从表1中可以看出，聚酯纤维的长度一致，当聚酯纤维的掺量小于1.0‰时，试件的破坏极限荷载会随着聚酯纤维的增加而增加，而当聚酯纤维的掺量超过1.0‰时，破坏极限荷载反而会随着聚酯纤维掺量的增加而减小。

按公式(1)计算得出不同聚酯纤维掺量二灰砂砾材料的弯拉强度见表1。

(1)

其中：P为平均破坏极限荷载，N；L为两只点间的距离，mm；b为试件宽度，mm；h为试件高度，mm。

表1 不同纤维掺量二灰砂砾试件的破坏荷载及弯拉强度表

聚酯纤维的掺量对二灰砂砾试件的弯拉强度影响如图3所示。

图3 不同聚酯纤维掺量弯拉强度图

从图3中可以看出，聚酯纤维的加入可有效的增强二灰砂砾的弯拉强度，而弯拉强度与聚酯纤维掺量存在一个峰值，加入聚酯纤维的二灰砂砾试件弯拉强度随着聚酯纤维的掺量增加而增加，但当达到一定的值时，其弯拉强度就随着聚酯纤维的增加而减小，该峰值为1.0‰。

同时，在试件经过28 d的养护后，可以明显的观察到加入聚酯纤维的试件整体性比没有加入聚酯纤维的试件强，没有加入聚酯纤维的试件出现裂缝的可能性较高，由此可知，聚酯纤维的加入能增强二灰砂砾的抗裂性能。

(2)聚酯纤维的长度对弯拉强度的影响

聚酯纤维过短，则不能够贯穿在集料颗粒之间，故起不到加筋、增强弯拉强度的作用。聚酯纤维过长，容易使聚酯纤维团在一起，形成薄弱点，不但起不到加筋、增强弯拉强度的作用，反而会降低混合料的均匀性。所以，聚酯纤维不应过长也不应过短，此实验选用0.5 cm、1.0 cm、1.5 cm三个长度参量作为研究对象。

通过对标准养护28 d后的聚酯纤维二灰砂砾试件(聚酯纤维掺量均为2.0‰，长度分别为0.5 cm、1.0 cm、1.5 cm)进行弯拉试验，确定聚酯纤维的长度对弯拉强度的影响，实验结果见表2及图4。

根据公式(1)计算得出聚酯纤维长度不同对应试件的弯拉强度值，见表2。

表2 不同纤维长度的二灰砂砾试件弯拉强度表

根据表2绘得不同纤维长度对二灰砂砾弯拉强度的影响关系，见图4。

图4 不同聚酯纤维长度弯拉强度图

从图4中可以看出，聚酯纤维的长度也在一定程度上影响着弯拉强度，当聚酯纤维长度为0.5 cm和1.5 cm时与聚酯纤维长度为1.0 cm相比，弯拉强度降低了大约0.35 MPa。为能够有效利用聚酯纤维，减少不必要的浪费，认为应当采用长度适中的聚酯纤维。

3 结 论

经过实验研究可知，聚酯纤维的掺入在一定范围内能大大提高二灰砂砾的弯拉强度与抗裂性能。说明聚酯纤维二灰砂砾半刚性基层较普通二灰砂砾半刚性基层具有更强大的抗弯拉能力与抗裂能力。从而可以证明，聚酯纤维作为软纤维中最优的纤维可以成为改善二灰砂砾半刚性基层的一剂良药。

在未来的发展中，考虑到二灰砂砾的廉价与环保，二灰砂砾半刚性基层的诸多优点以及聚酯纤维的加入能很大程度的提高其抗弯拉强度与抗裂性能，聚酯纤维二灰砂砾半刚性材料将会成为值得推广并长期信赖的道路基层材料。

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2016-09-26

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