聚酯纤维水泥稳定碎石力学性能试验研究

韦小碧，顾佩，柳志军，姚昌海，王东权

(1.中国矿业大学 力学与土木工程学院，江苏 徐州 221116；2.盐城市公路管理处，江苏 盐城 224005)

水泥稳定碎石(cement-stabilized macadam，CSM)是目前我国最主要的道路半刚性基层材料，具有强度、刚度高，耐久性、水稳性好等优点[1-2]。其最大缺陷是易受温度、湿度变化影响产生收缩裂缝[3-4]，从而破坏结构板体性，大大削弱路面结构强度，CSM抗裂、增强问题一直是道路工程科技热点。研究表明，掺加纤维可有效改善CSM基层抗裂及力学性能[5-11]。聚酯纤维(polyester fiber，PET)具有抗拉强度高、模量高、稳定性好等特点，是综合性能最佳的软纤维之一。文献[12-19]通过室内试验研究PET的质量分数对CSM干缩系数、温缩系数等收缩性能及抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量等力学性能指标的影响规律；文献[20]通过室内试验研究PET形状、质量分数、长度对CSM抗弯拉强度的影响规律。PET应用于CSM中可以改善路用性能，但是对纤维分散性拌合工艺的研究以及PET特征对CSM力学性能的研究尚不完善。

本文基于优选PET分散性拌合工艺，研究PET主要特征对CSM力学性能的影响规律，并分析其作用机理，为工程实际应用奠定基础。混合料中纤维拌合均匀性影响试件性能的稳定性，从而影响研究成果的可靠度，研究工作包括两部分：第一部分是纤维分散均匀性试验分析，通过改变拌合过程中PETCSM各组成材料的投放次序，分析拌合效果，优选纤维分散性较好的拌合方案进行力学试验试件制作；第二部分是力学性能试验研究，通过测试PETCSM试件的无侧限抗压强度、抗压回弹模量等力学性能指标，分析PET主要特征(质量分数、直径)对CSM力学性能的影响规律及作用机理。

1 试验

1.1 原材料

试验所用纤维为某公司生产的束状单丝PET，断面形式为圆形，其主要技术指标见表1；水泥选用P·O 42.5型普通硅酸盐水泥，其主要技术指标见表2；集料均属石灰岩质，其压碎值为20.6，集料级配见表3。

表1 PET的主要技术指标

表3 集料级配

1.2 配合比

试验混合料中水泥的质量分数为4.5%，PET长度为5 cm[13]。通过重型标准击实试验获得混合料的最佳水的质量分数(最佳含水量)为5.5%，最大干密度为2.33 g/cm3。为了研究纤维的质量分数对CSM力学性能的影响，纤维的质量分数分别选取0.5‰、0.7 ‰、0.9 ‰、1.3 ‰ 4种。纤维直径分别为20、35、70、105 μm 4种。

1.3 纤维分散均匀性试验

针对投料次序对纤维分散均匀性的影响，制定2种方案，见图1。

图1 拌合试验方案

拌合试验采用HJW-100小型混凝土搅拌机进行。试验每份原材料的质量按照制备2个圆柱形大试件(直径×高=150 mm×150 mm)确定。每个方案进行3次平行试验，拌合后将混合料平铺在试验台上观测纤维分散效果。

1.4 力学性能试验

基于优选分散性好的拌合方案，依据文献[21]规定，制备直径×高=150 mm×150 mm的圆柱形试件。试件按照压实度为98%的静压法成型，制备完毕进行龄期28 d的标准养生，使用CMT5305微机控制电子万能试验机，位移控制1 mm/min进行测试并计算无侧限抗压强度、抗压回弹模量。

2 试验结果与分析

2.1 纤维分散性

按照方案一、二分别进行混合料拌合，效果见图2。

a)方案一 b)方案二图2 纤维分散效果

由图2a)可知，纤维在CSM基体中分散性整体较好，但存在小范围纤维结团现象。这是因为：纤维的密度很小(约1.3 g/cm3)，逐渐撒入运转的搅拌设备过程中，搅拌片转动产生的空气流动使纤维飘浮在集料表面并逐渐聚积结团，不能随干燥集料转动均匀分布在其中，而在洒入水后，纤维可以粘覆在集料表面并随集料一起转动，此前结团纤维逐渐被扯开并分散，但仍存在小范围结团现象。由图2b)可知，纤维呈丝状较均匀的分散在CSM基体中，这是因为水先放入搅拌均匀的集料中，形成水泥浆包裹在不同粒径的集料周围提高了对集料的润滑作用，从而增大集料在搅拌机中的滑动程度，在纤维落入集料表面的瞬间，由于水分子的吸附作用，纤维被粘覆在集料表面，并且在搅拌机转动下逐渐被不同粒径的集料包裹均匀分散在CSM基体中。因此，方案二纤维分散均匀性效果更好，采用该拌合方法制作力学性能试件。

2.2 力学性能

表4 不同PET质量分数的混合料力学性能试验结果

2.2.1 PET的质量分数对CSM力学性能影响

按照文献[21]分别计算无侧限抗压强度、抗压回弹模量，统计试验结果见表4。

图3 试件破坏后裂缝

由表4可知，随PET的质量分数的增加，无侧限抗压强度先增加后减少，PET的质量分数约为0.7‰左右，无侧限抗压强度出现峰值，表明掺加PET可以提高CSM基体的整体抗压强度(与素CSM相比增加约9.95%)。这是因为：PET在CSM基体中是三维乱向分布，水泥水化作用使PET、CSM形成坚固的胶结整体共同承载荷载作用。图3为进行无侧限抗压强度试验测试中试件受压过程，试件中间产生无数横纵裂缝，出现薄弱面，由于纤维起到阻裂作用，因此强度得到适当提高；当PET的质量分数量超过0.7‰时，较多的PET反而阻碍了水泥砂浆对不同粒径集料的胶结作用，胶结体内部空隙率增加，密实度降低，从而导致整体无侧限抗压强度降低。

由表4可知，抗压回弹模量随PET的质量分数的增加呈现逐渐减小的趋势，PET的质量分数为0～0.9‰时，抗压回弹模量变化幅度不大；PET的质量分数为0.9‰～1.3‰，抗压回弹模量降幅较大。这是因为PET的弹性模量较大(约9 000 MPa)，CSM弹性模量较小(约1 300 MPa)，掺加PET改变了CSM基体的弹塑性，即随着PET的掺加，增加了CSM基体的柔性，导致单位压力作用下回弹变形量增大，抗压回弹模量随PET的质量分数的增加而减小。

综合考虑无侧限抗压强度和抗压回弹模量2个指标，纤维的最佳质量分数约为0.7‰。

2.2.2 PET直径对CSM力学性能影响

按照文献[21]分别计算无侧限抗压强度、抗压回弹模量，统计试验结果见表5，破坏后断面的纤维状态如图4所示。

表5 不同PET直径力学性能试验数据

图4 破坏后断面的纤维状态

表5表明，无侧限抗压强度与PET直径呈负相关。主要原因为：在质量分数和长度相同的情况下，PET直径越大，单根PET抗拉强度越大。由图4可知，试件破坏后纤维并没有拉断，纤维的抗拉能力并未得到充分发挥，造成浪费。直径越大，纤维数量越少，纤维易分布不均匀，纤维分布较少出现横纵裂缝，因此，随着直径增大，无侧限抗压强度逐步降低。随纤维直径的增加，抗压回弹模量变化规律并不明显，因此纤维直径对抗压回弹模量影响不显著。其原因为，纤维弹性模量不受直径影响，掺加质量分数、长度相同，直径不同的PET并没有改变CSM基体的弹塑性状态。综合考虑无侧限抗压强度和抗压回弹模量2个力学指标，纤维最佳直径为20 μm。

3 结论

1)拌合PETCSM混合料过程中，先将集料加水搅拌均匀，而后加入纤维搅拌，可使纤维吸附在集料表面，在搅拌机转动下，更有利于纤维在CSM基体中的分散。

2)随着PET的质量分数的增加，PETCSM的无侧限抗压强度呈现先增加后减小的规律，抗压回弹模量整体呈下降趋势。

3)随着PET直径的增加，PETCSM的无侧限抗压强度呈现递减趋势，抗压回弹模量没有显著变化。

4)相同质量、长度的PET，随着直径的增大，纤维不能在裂缝处更有效地起到阻裂作用，仅纤维直径的变化并不能改变CSM基体的弹塑性状态。

5)综合考虑无侧限抗压强度及抗压回弹模量2个力学性能指标，PET的最佳质量分数约为0.7‰，直径为20 μm。

[1]王艳, 倪富健, 李再新. 水泥稳定碎石基层收缩性能影响因素试验研究[J].公路交通科技, 2007, 24(10): 30-34,52.

WANG Yan, NI Fujian, LI Zaixin. Experimental study on influencing factors of shrinkage performance of cement stabilized macadam base[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2007,24(10): 30-34.

[2]汪水银. 水泥稳定碎石材料级配研究[J].公路工程, 2009, 34(5): 137-142.

WANG Shuiyin. Study on gradation of cement stabilized macadam material[J].Highway Engineering,2009,34(5): 137-142.

[3]杨红辉, 王建勋, 郝培文, 等. 纤维在水泥稳定碎石基层中的应用[J].长安大学学报(自然科学版), 2006, 26(3): 14-17.

YANG Honghui,WANG Jianxun,HAO Peiwen,et al. Application of fiber in cement stabilized macadam base[J].Journal of Chang′an University(Natural Science Edition) , 2006,26(3): 14-16.

[4]沙爱民. 半刚性基层的材料特性[J].中国公路学报, 2008, 21(1): 1-5.

SHA Aimin. Material characteristics of semi-rigid base course[J].China Journal of Highway and Transport,2008,21(1): 1-5.

[5]石凯. 聚丙烯纤维在市政道路水泥稳定碎石基层中的应用[J].山东交通科技, 2016 (3): 83-84.

SHI Kai.Application of polypropylene fiberin cement stabilized crushed stonebase of municipal road[J].Shandong Transportation Technology, 2016 (3): 83-84.

[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.

LI Qingfu, ZHANG Peng, SHEN Jie. Research on crack resistance of cement stabilized macadam reinforced with polypropylene fiber[J].Journal of Building Materials, 2008, 11(3): 368-374.

[7]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( 6):182-183.

HU Yanmin.Characteristic research under different dosage of glass fiber length and strength of the cement stabilized macadam[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2015(6): 182-183.

[8]张晓天, 刘占江, 杨明成. 废旧沥青砼纤维水泥稳定碎石的力学性能试验[J].桂林理工大学学报, 2014, 34(1): 58-62.

ZHANG Xiaotian,LIU Zhanjiang,YANG Mingcheng. Experiment on mechanical properties of RAP fiber cement stabilized macadam[J].Journal of Guilin University of Technology, 2014, 34(1): 58-62.

[9]杨明, 程培峰. 掺玄武岩纤维水泥稳定碎石强度试验研究[J].中外公路, 2011, 31(5): 246-249.

YANG Ming,CHENG Peifeng. Experimental study on strength of basalt fiber cement stabilized crushed stone[J].Journal of China & Foreign Highway, 2011, 31(5): 246-249.

[10]焦双健, 李淑, 陈玉娇. 玄武岩纤维水泥稳定碎石配合比试验研究[J].混凝土与水泥制品, 2014 (3): 49-53.

JIAO Shuangjian, LI Shu,CHEN Yujiao.Experimental study on the mix proportion of basalt fiber cement stabilized macadam[J].China Concrete and Cement Products, 2014 (3): 49-53.

[11]郑传峰, 赵大军, 邱洲, 等. 橡胶纤维水泥稳定碎石路用性能研究[J].公路, 2012 (8): 191-194.

ZHENG Chuanfeng,ZHAO Dajun,QIU Zhou,et al. Research on road performance of rubber fiber-based cement stabilized manadam[J].Highway, 2012(8): 191-194.

[12]柳志军, 卞正富, 刘春荣, 等. 聚酯纤维对水泥碎石干缩开裂影响的试验研究[J].中国矿业大学学报, 2009, 38(2): 155-158.

LIU Zhijun,BIAN Zhengfu,LIU Chunrong,et al. Experimental study on influence of polyester fiber on dry shrinkage cracking of cement mortar[J].Journal of China University of Mining & Technology, 2009,38(2): 155-158.

[13]柳志军, 吕成. 聚酯纤维对水泥碎石抗裂性影响的试验研究[J].建筑技术, 2009, 40(5): 449-451.

LIU Zhijun,LYU Cheng. Experimental study on influence of polyester fiber on crack resistance of cement mortar[J].Architecture Technology, 2009,40(5): 449-451.

[14]LIU Zhijun. Experimental research on the engineering characteristics of polyester fiber-reinforced cement-stabilized macadam[J].Journal of Materials in Civil Engineering, 2015, 7(10): 04015004.

[15]付春梅, 齐善忠, 贾春燕. 聚酯纤维水泥稳定碎石抗干缩性能研究[J].公路, 2014 (11): 188-193.

FU Chunmei, QI Shanzhong, JIA Chunyan. Study on dry shrinkage resistance of polyester fiber cement stabilized macadam[J].Highway, 2014 (11): 188-193.

[16]付春梅, 齐善忠, 任永明. 聚酯纤维水泥稳定碎石力学性能研究[J].中外公路, 2015, 35(6): 291-296.

FU Chunmei, QI Shanzhong, REN Yongming. Study on mechanical properties of polyester fiber cement stabilized macadam[J].Journal of China & Foreign Highway, 2015, 35(6): 291-396.

[17]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 Chunmei, QI Shanzhong. Study on mechanical properties of polyester fiber andpolypropylene fiber cement stabilized macadam[J].Highway, 2015, 60(1): 37-42.

[18]赵文姣, 薛金顺, 于远征. 聚酯纤维对水泥稳定碎石回弹模量影响[J].公路交通科技 (应用技术版), 2014 (5):89-91.

ZHAO Wenjiao, XUE Jinshun, YU Yuanzheng. Effect of polyester fiber-reinforced on the rebound modulus of cement-stabilized macadam[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2014(5):89-91.

[19]尚志刚, 魏宏. 聚酯纤维对水泥稳定碎石的强度影响规律研究[J].中外公路, 2012, 32(2): 253-256.

SHANG Zhigang, WEI Hong. Influence of polyester fiber on the strength of cement stabilized crushed stone[J].Journal of China & Foreign Highway, 2012, 32(2): 253-256.

[20]徐秀维. 聚酯纤维对水泥稳定碎石抗弯拉性能影响的试验研究[J].中外公路, 2012, 32(6): 297-300.

XU Xiuwei. Experimental study on influence of polyester fiber on flexural tensile properties of cement stabilized macadam[J].Journal of China & Foreign Highway, 2012, 32(6): 297-300.

[21]交通部公路科学研究院. 公路工程无机结合料稳定材料试验规程:JTG E51—2009[S].北京：人民交通出版社, 2009.