纤维水泥稳定碎石混合料配合比设计

张泽川， 高 攀， 黄 欢

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

随着我国经济的发展，至2020年，全国公路总里程达到近500万km。我国公路中常用的基层类型主要包括石灰稳定类基层和水泥稳定类基层。水泥稳定碎石基层材料在整体性、耐水性、抗冻性等方面都优于石灰稳定类材料。水泥稳定类基层被广泛地应用于高等级公路基层、底基层结构。

本文在查阅相关研究文献的基础上，探究在水泥稳定碎石类基层材料中掺加不同种类的纤维，研究其对混合料力学性能的影响，探究纤维对提高水泥稳定碎石基层性能的最佳效果。在路用性能方面，关注的核心指标是提升其抗裂性能。本文的研究成果，对于提升水泥稳定碎石的抗裂性能，具有良好的借鉴作用。

国外有关 PVA 纤维增强混凝土的研究中，以日本研究人员居多。可乐丽公司的试验结果表明：PVA 纤维在水泥基体中具有较好的分散性，并且与水泥的黏结程度明显优于钢筋，增强效果显著[1]。国外对于水泥稳定类材料的研究较国内要早，美国波兰水泥协会在研究水泥稳定类材料强度与龄期的关系曲线后得出：在半对数坐标关系曲线上，水泥稳定类材料的抗压强度与养生时间呈直线关系[2]。格里默认为：水泥稳定类材料的抗压强度与最大干密度在普通直角坐标上呈曲线关系，在对数坐标上却呈直线关系。凯兹迪通过研究水泥稳定类材料的抗压强度和变形特性后得出：可以用直线来表示强度与硬化时间的对数函数[3]。

蒋应军[4]通过研究不同结构类型的水泥稳定碎石的路用性能试验得出：骨架密实结构在力学性能、抗裂性能以及抗冻性能方面明显优于悬浮结构和骨架空隙结构，能明显减小基层的收缩量、增大其抗裂系数50%左右。Dias等[5]对玄武岩纤维增强不同水泥基层材料的改善效果进行了研究，并将研究结果与普通硅酸盐水泥材料进行对比，结果发现玄武岩纤维能显著改善水泥混凝土的断裂性。2014年,中国海洋大学的李淑[6]率先提出对于玄武岩纤维增强水泥稳定碎石的配合比时应用均匀设计进行确定的试验研究，确定了特定情况下的玄武岩纤维的最优选择掺量，同时结果展示出水泥稳定碎石中掺加玄武岩纤维可在不降低基层强度的前提下提高抗冻性能和减少裂缝。

2016年重庆交通大学的贺亚飞[7]首次将聚乙烯醇纤维(PVA)应用到水泥稳定碎石中，并对其力学性能和抗裂性能进行深入研究，得出结论，PVA可使得水泥稳定碎石的抗压、抗劈裂和抗弯拉等方面的强度以及阻裂方面的性能改善且存在差异性，而对收缩性能影响不一。董苏波等[8]等通过将玻璃纤维添加到二灰稳定碎石中，并对其强度和刚度进行了试验研究，得出玻璃纤维可增加二灰碎石材料的强度，减少其刚度，且可有效改善基层的韧性，这对提高其抗裂性能是十分有利的，玻璃纤维的增强作用随着龄期的增加而显著增强。

早在20世纪初，美国的Porte[9]就已提出将钢纤维较为均匀地撒在混凝土中以强化材料性能的设想。Gao等[10]对钢纤维增强混凝土的弹性模量、泊松比、抗压强度等多方面性能进行了大量的实验研究。结果显示，掺加钢纤维的混凝土压折比(抗压强度与抗折强度之比)明显减小，而且混凝土的弹性模量和泊松比受到钢纤维影响较大，但混凝土抗压强度受影响较小。

1 原材料

碎石在水泥稳定碎石混合料中起着非常重要的骨架作用，水泥稳定碎石的宏观强度主要都是由其承担，所以在水泥稳定碎石的路用性能的研究中碎石的重要性不可忽视。它是由在自然中形成的岩石经过爆炸等方式被破碎而制成的，其有着外表面粗糙不平和形状不一等优点。水泥稳定碎石混合料的原材料有粗集料和细集料两种。

本文选择5种不同集料粒径的碎石，用震击式标准振筛机对石料进行筛分。本文所选用的材料按照直径分为5档：19～31.5 mm、9.5～19 mm、4.75～9.5 mm、2.75～4.75 mm、0～2.75 mm。原材料需要测定的指标有压碎值、针片状颗粒含量等。

对于水泥稳定碎石混合料，粗集料的最大粒径必须要进行限制，因为粒径越大，施工就越困难，施工困难就会造成项目的使用费用增加。同时，集料粒径过大也会造成混合料离析的现象，使基层的强度得不到满足，严重时可能会造成基层开裂的现象，减少道路的使用年限。我国对高速公路水泥稳定碎石混合料的最大粒径做出过规定，规定最大粒径在37.5 mm以内。然而集料的粒径越小，其生产难度也就会越大，会使项目成本增加，因此合理选择集料的粒径也是集料使用过程中的重要一环。

2 配合比设计

2.1 设计原则及要求

本文配合比设计原则主要考虑骨架的稳定、细集料的掺配比例和施工后期相关流程。骨架密实级配理论是将集料按照粒料直径、骨料填充形式和不同排列方式等因素进行合理分配，使得混合料具有孔隙率和比表面积都较小的优点。

2.2 级配设计

本文设计2种级配，分别是适用于高速公路和一级公路的C-B-2级配和适用于二级及二级以下的公路基层的C-C-2级配。混合料级配分别见表1、表2。

表1 C-B-2级配

表2 C-C-2级配

混合料级配合成曲线如图1、图2所示。

图1 C-B-2级配曲线图

图2 C-C-2级配曲线图

3 无侧限抗压强度(7 d)

3.1 最佳含水量确定

含水量是影响水泥稳定碎石混合料路用性能的关键因素之一，因此确定最佳含水量是水泥稳定碎石混合料级配设计的关键一环。本文采用击实试验法进行测定。本试验含水量设计为4.5%～6.5%(以0.5%为一个等级梯度)，绘制水泥稳定碎石混合料的含水率-干密度曲线，以含水量为横坐标，干密度为纵坐标并对数据用二次曲线进行拟合,曲线的现峰值点对应的横纵坐标分别是最佳含水量和最大干密度。

混合料含水量-干密度曲线如图3、图4所示。

图3 C-B-2级配含水量-干密度曲线

图4 C-C-2级配含水量-干密度曲线

由实验数据分析画出的击实曲线可得知，在C-B-2级配中，不掺加纤维击实曲线峰值点对应的最佳含水量为5.5%，最大干密度为2.3 g/cm3，掺加玄武岩纤维击实曲线峰值点对应的最佳含水量为5.5%，最大干密度为2.32 g/cm3。

3.2 强度试验

本节实验主要是对比分析不掺加纤维水泥稳定碎石混合料和掺加玄武岩纤维、聚酯纤维、玻璃纤维粉、聚乙烯醇纤维、聚酯-聚乙烯醇混合纤维无侧限抗压强度(7 d、28 d)。实验中纤维统一选用的是6 mm纤维，掺量为0.05%。无侧限抗压强度是水泥稳定碎石混合料性能试验中非常重要的一环,其强度必须满足基层对载荷的要求,若强度不足,将会形成路面的结构性破坏。

本次无侧限抗压强度实验在最佳含水量和最大干密度的基础上做5组对比实验，分别是不掺加纤维、掺加玄武岩纤维、掺加聚酯纤维、掺加聚乙烯醇纤维、掺加玻璃纤维粉的水泥稳定碎石混合料，每组有3个试件。

在级配C-C-2 中7 d龄期纤维水泥稳定碎石混合料，掺加纤维比不掺加纤维强度都有所提升。与不掺加纤维水泥稳定碎石混合料相比，掺加玻璃纤维粉水泥稳定碎石的无侧限抗压强度提高最大，增加了0.8 MPa，提高了15.5%；其次是掺加玄武岩纤维水泥稳定碎石混合料，其无侧限抗压强度增加了0.76 MPa，提高了14.7%；再次是掺加聚乙烯醇纤维水泥稳定碎石，其无侧限抗压强度增加了0.46 MPa，提高了8.7%；最后是掺加聚酯纤维水泥稳定碎石混合料，其无侧限抗压强度增加最少，强度增加了0.32 MPa，提高了6.2%。

在级配C-B-2中 7 d龄期纤维水泥稳定碎石，与不掺加纤维水泥稳定碎石混合料相比，既有强度提高，也有强度降低。提高最大的是掺加聚酯-聚乙烯醇混合纤维水泥稳定碎石混合料，其强度增加了0.44 MPa，强度提高了8.3%；其次是掺加聚乙烯醇纤维水泥稳定碎石混合料，其强度增加了0.33 MPa，强度提高了6.2%。降低最多的是掺加聚酯纤维水泥稳定碎石混合料，其强度减小了0.69 MPa，降低了13%；其次是掺加玻璃纤维粉水泥稳定碎石混合料强度减小了0.33 MPa，降低了6.2%。

4 结 论

(1) 在级配C-C-2中，不掺加纤维的混合料的最佳含水量为5.30%，最大干密度为2.35 g/cm3；掺加玄武岩纤维的混合料的最佳含水量为5.40%，最大干密度为2.33 g/cm3。

(2) 在级配C-B-2中，不掺加纤维的水泥稳定碎石的最佳含水量为5.5%，最大干密度为2.3 g/cm3；掺加玄武岩纤维的水泥稳定碎石最佳含水量为5.5%，最大干密度为2.32 g/cm3。与不掺加纤维相比，掺加纤维后水泥稳定碎石含水量、最大干密度变化值都很小。

(3) 在级配C-C-2中，掺加不同纤维后，7 d无侧限抗压强度均明显提高，水泥用量4.5%时，可满足特重、重交通等级道路基层强度要求。掺加玻璃纤维粉的水泥稳定碎石的抗压强度提高最大，增加了0.8MPa，提高了15.5%。按强度由高到低排序，依次是：玻璃纤维粉、玄武岩纤维、聚乙烯醇纤维、聚酯纤维。

(4) 在级配C-B-2中，水泥用量4.5%时，可满足特重、重交通等级道路基层强度要求。掺加聚酯-聚乙烯醇混合纤维、聚乙烯醇纤维的水泥稳定碎石的强度提高，而掺加聚酯纤维、玻璃纤维粉的强度下降了。