聚乙烯醇纤维增强水泥稳定碎石材料性能研究

李彩霞

(陕西交通职业技术学院 公路与铁道工程学院，陕西 西安　710018)

目前，半刚性基层是中国高等级公路基层的最主要结构形式。其具有强度高、刚度大、抗冲刷能力强及成本低等优点，但抗裂性差的缺点也十分突出[1]，主要表现为：基层材料容易在含水量或温度发生变化时产生较明显的收缩变形，从而形成路面基层的收缩裂缝，进而引起沥青碎石面层的开裂。水泥稳定碎石基层的收缩裂缝是因为材料内部的收缩拉应力超出了材料的抗拉强度形成的，研究[2-3]表明：合适的纤维掺入可有效地抑制早期裂缝的产生和发展，有效改善水泥稳定碎石基层的抗裂性能，最常见的是掺加以钢纤维为代表的刚性纤维和以聚丙烯纤维为代表的柔性纤维。但钢纤维材料具有分散性差和对搅拌设备磨损严重等问题[4]；聚丙烯纤维其粘结性较差和抗拉强度低等问题[5]。本研究结合国内、外研究现状[3]，拟提出通过掺加柔性纤维聚乙烯醇纤维来增强水泥稳定碎石基层的力学性能和抗裂性能。

1　原材料性质及试验方法

1.1　原材料性质

1.1.1聚乙烯醇纤维

聚乙烯醇纤维(Polyvinyl Alcohol Fiber，简称为PVA纤维)具有较高的强度和模量、耐酸碱腐蚀性好、降解周期长及无毒害环保性能好等优点，在《国家鼓励的有毒有害原料(产品)替代品目录(2016年版)》中，建议使用高强度高模量PVA纤维代替毒性较大的石棉作为水泥制品增强材料。本研究使用的PVA纤维是重庆英筑建材生产的高强高模聚乙烯醇纤维，外观为银白色、丝状纤维束。其主要技术指标为：线密度2.0±0.25 dtex，纤维长度15 mm，纤维直径20 μm，熔点220 ℃，燃点600 ℃，拉伸强度1 400 MPa，断裂伸长率≥10%，杨氏模量35.5 GPa。

1.1.2水泥

采用陕西千阳海螺水泥厂的海螺牌32.5普通硅酸盐水泥，其技术性能为：细度4.0%，初凝时间362 min，终凝时间496 min，安定性合格，3 d抗压强度16.6 MPa，3 d抗折强度3.9 MPa，28 d抗压强度33.7 MPa，28 d抗折强度8.2 MPa。

1.1.3集料

采用陕西秦富石料厂生产石灰岩碎石，石质坚硬、清洁、不含风化颗粒，碎石的级配采用规范中值，见表1。

表1　碎石的级配Table 1　Gravel gradation

1.1.4其他

采用饮用水作为试验拌和、养护用水。

1.2　试验方法

1.2.1方案设计

为了有效探索不同PVA纤维掺量对水泥稳定碎石材料性能的影响，本研究以4.5%水泥用量的普通水泥稳定碎石为基准配合比，分别研究PVA纤维掺入量占水泥稳定碎石混合料质量的0‰,0.4‰,0.8‰和1.2‰时，水泥稳定碎石材料的强度、刚度和抗裂性的变化情况。试验选取无侧限抗压强度、劈裂抗拉强度表征试件强度、选取抗压回弹模量表征刚度、选取干缩性能和温缩性能表征抗裂性。

1.2.2试件制备

本试验试件成型、养护和试验严格遵照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程(JTG E51-2009)》[6]，其中：无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度试验试件采用标准圆柱形试件，试件规格为φ150 mm× 150 mm；干缩试验和温缩试验因成型条件限制，使用中梁试件代替，试件规格为 100 mm× 100 mm×400 mm。为保证PVA纤维均匀分散到水泥稳定碎石材料中，试验采用强制式混凝土搅拌机搅拌。

2　试验结果及分析

2.1　最佳含水率和最大干密度

制备试件前，采用重型击实方式，对比不同PVA纤维掺量的水泥稳定混合料的最佳含水率和最大干密度。采用多功能自控电动击实仪进行重型击实试验，其结果见表2。

表2　不同PVA纤维掺量下，水泥稳定碎石混合料标准击实结果Table 2　Test results of standard compaction by different contents of PVA fiber

从表2中可以看出，在PVA纤维掺量较小时，水泥稳定碎石混合料的最佳含水率和最大干密度随着PVA纤维掺量的增加变动较小，其变化值低于《公路无机结合料稳定材料试验规程(JTGE51-2009)》中规定2次重复性试验最佳含水率的容许值。由此可知，当PVA纤维掺量较小时，不影响水泥稳定碎石材料的最佳含水率和最大干密度。

2.2　强度试验

强度是指材料试件在外在荷载作用下抵抗破坏的能力，是表征工程材料使用性能的重要指标。水泥稳定碎石无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度的计算公式分别为：

(1)

(2)

式中：Rc为无侧限抗压强度，MPa；Ri为劈裂抗拉强度，MPa；P为试件破坏时的最大压力，N；A为试件的截面积，mm2；D为试件直径，mm；h为试件浸水后的高度，mm。

水泥稳定碎石不同龄期的无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度试验结果见表3。

表3　水泥稳定碎石强度试验结果Table 3　Strength results of cement-stabilized macadam

从表3中可以看出，PVA纤维的掺入对水泥稳定碎石试件的抗压强度和劈裂抗拉强度的影响趋势相同，表现为掺入PVA纤维的水泥稳定碎石试件的7 d无侧限抗压强度较未掺纤维试件的小，且掺入量越多，强度变小趋势越明显。掺入PVA纤维的水泥稳定碎石试件的28 d和90 d无侧限抗压强度、劈裂抗拉强度均有明显的提高。在一定掺入范围内，试件强度随着PVA纤维掺量的增加而增加。当掺量超过一定范围后，试件强度增长趋势不明显，甚至出现下降的情况。在0.8‰掺配比例下，最高可将水泥稳定碎石试件的90 d无侧限抗压强度提高14.4%，将其90 d劈裂抗拉强度提高18.5%。

2.3　抗压回弹模量试验

材料的刚度是指材料变形对外在荷载的敏感程度，可以一定程度上反映半刚性材料的抗裂性，常用来表征水泥稳定碎石材料刚度的指标是抗压回弹模量。本试验采用顶面法，测定不同PVA纤维掺量下水泥稳定碎石试件的28 d和90 d抗压回弹模量，测试结果见表4。

表4　水泥稳定碎石抗压回弹模量试验结果Table 4　Compression modulus of resilience test results for cement-stabilized macadam

从表4中可以看出，掺入PVA纤维的水泥稳定碎石材料的抗压回弹模量的增长规律与其强度增长规律相似，表现为试件抗压回弹模量随着PVA纤维掺量的增加而逐步增加。当PVA纤维掺量超过一定比例后，试件抗压回弹模量增长的趋势不明显。在0.8‰掺配比例下，最高可将水泥稳定碎石试件的90 d抗压回弹模量提高8.9%。

2.4　收缩试验

为研究掺入PVA纤维对水泥稳定碎石材料的抗裂性能的影响，分别测定不同PVA纤维掺量下干缩系数和温缩系数，其结果见表5。

表5　水泥稳定碎石干缩和温缩试验结果Table 5　Test results of drying shrinkage and temperature shrinkage

注：本试验的温缩系数为试件在高温区段(10～50 ℃)的平 均值。

从表5中可以看出，掺入PVA纤维水泥稳定碎石的干缩系数和温缩系数均有明显的改善，且随着掺量的增加而减小。当PVA纤维掺量达到一定量后，其变化趋势变缓。在0.8‰掺配比例下，可将其干缩系数和温缩系数分别降低55%和58.7%。

3　PVA纤维作用机理研究

3.1　PVA纤维粘合和受力机理研究

水泥稳定碎石材料的强度主要由集料与集料之间的嵌挤作用、集料颗粒之间的粘结作用及水泥水化产物决定，掺入PVA纤维水泥稳定碎石的强度还受到纤维和水泥稳定碎石之间联结力的影响。研究结果表明：PVA纤维的粘合作用是其影响混合料力学性能的因素之一。拌和分散后的PVA纤维均匀分散在水泥稳定碎石材料中，并与水泥胶凝材料有效粘合。在外力作用时，只有将纤维从混合料中拔出或拉断时，才能破坏PVA纤维的粘合作用力。

PVA纤维通过改善混合料的内部结构和改变混合料的应力场来增强水泥稳定碎石混合料的宏观力学性能。内部结构方面，随机分散的PVA纤维容易与水泥稳定碎石混合料均匀混合，并且由于较大的比表面积，在混合料中形成无数多个三维多向支撑体系，有效分散了水泥稳定碎石早期发生的干缩或温缩应力，一定程度上抑制了细密裂缝的产生和发展，提高了水泥稳定碎石材料的介质完整性。改善混合料的应力场方面，掺入水泥稳定碎石材料中的PVA纤维具有强度高、模量大，在材料受外力发生破裂、产生裂纹并扩展时，由于PVA纤维与水泥稳定碎石之间存在着粘结力，并会产生较大的变形，使之吸收了外力的能量，约束了裂缝的继续扩展，提高了混合体的韧性和抗裂性。

3.2　PVA纤维增强混合料性能试验结果分析

在试件成型早期(如：7 d)，由于水泥稳定碎石中的水泥还在水化，PVA纤维与水泥胶凝材料之间的结合较弱，同时纤维阻隔了水泥网状晶体的形成[7]，造成掺入纤维的试件早期强度偏低，其中，纤维掺量越大越明显。在试件养护超过一段时间后(如：28 d后)，水泥稳定碎石材料的无侧限抗压强度、劈裂抗拉强度、抗压回弹模量、干缩性能及温缩性能会随着掺入PVA纤维掺入量的增加而发生明显改善，其原因是掺入纤维与混合料的粘结和固定作用增强，逐渐形成了统一的受力体，改变了混合料的内部结构和应力场。随着纤维掺量的不断增加，水泥胶凝材料不能完全包裹掺入的纤维，过多的纤维未能有效地形成受力体，反而在一定程度上成为混合料内部的“杂质”，造成混合料力学性能改善不明显，甚至下降。

4　结论

经试验和分析掺入聚乙烯醇(PVA)纤维对水泥稳定碎石材料力学性能的影响，得到的结论为：

1) PVA纤维在水泥稳定碎石混合料中掺量较小时(如：小于1.2‰)，对拌和物的最佳含水率和最大干密度无明显影响。

2) PVA纤维的掺入能有效改善水泥稳定碎石材料的内部结构和应力场，进而改善水泥稳定碎石材料的力学性能和抗裂性能。

3) 在成型早期，PVA纤维改善水泥稳定碎石材料性能表现不明显。随着养护龄期的增加，材料性能发生明显改善。

4) PVA纤维在水泥稳定碎石中掺量比例过高，不能继续改善水泥稳定碎石材料的性能。考虑工程经济性原则，建议PVA纤维在水泥稳定碎石混合料的最佳掺量为0.8‰。

参考文献(References)：

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[3]徐涛智,杨医博,梁颖华,等.聚乙烯醇纤维增韧水泥基复合材料研究发展[J].混凝土与水泥制品, 2011(6):39-44.(XU Tao-zhi,YANG Yi-bo,LIANG Ying-hua,et al.The research and development of PVA fiber toughening cement-based composite materials[J].China Concrete and Cement Products,2011(6):39-44.(in Chinese))

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[6]中华人民共和国交通运输部.JTG E51-2009,公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S].北京:人民交通出版社,2009.(Ministry of Transport of the People’s Republic of China.JTG E51-2009,Material test methods of materials stabilized with inorganic highway engineering[S].Beijing:China Communications Press,2009.(in Chinese))

[7]高淑玲.PVA 纤维增强水泥基复合材料假应变硬化及断裂特性研究[D].大连:大连理工大学,2006.(GAO Shu-lin.Study on pseudo strain-hardening and fracture characteristics of polyvinyl alcohol fiber reinforced cementitious composites[D].Dalian:Dalian University of Technology,2006.(in Chinese))