聚丙烯纤维对多孔水泥稳定碎石路用性能的影响

段志勇 周义生 刘东杰 彭凯 吴焘 谢礼群

（江西省交通供应链有限公司，江西 南昌 330000）

多孔水泥稳定碎石基层是消除路面雨水渗漏的解决方案之一[1，2]。多孔水泥稳定碎石作为一种透水材料，具有“储渗”功能，也适用于“海绵路”和“海绵城市”施工[3]。因此，多孔水泥稳定碎石的设计和研究引起了工程师们的注意。目前，多孔水泥稳定碎石的设计主要基于《公路排水设计规范》中的指导性规定或试验经验[4]，添加纤维以改善多孔水泥稳定骨料的性能也鲜有报道。为了解决多孔水泥稳定碎石的设计问题，提高多孔水泥稳定碎石的强度性能，本文提出了一种基于Bailey法和Taibal法的多孔水泥稳定碎石设计方法[5，6]。将该方法应用于多孔水泥稳定碎石的设计，并通过试验研究分析了聚丙烯纤维对多孔水泥稳定碎石性能的影响。

一、多孔水泥稳定碎石设计

根据Bailey法，多孔水泥稳定碎石分为粗骨料和细骨料。粗骨料形成骨架，细骨料填充骨架。粗骨料形成骨架间隙VCA采用下式：

本文使用的砾石来自京沪高速扩建项目，所有参数均符合规范要求。骨料的最大粒径为31.5mm，标称粒径（NMPS）为26.5mm。根据Bailey法，粗骨料和细骨料的边界筛为0.22NMPS和4.75mm。根据Taibal方法，每个筛子的通过率计算如下：

式中：D为骨料的最大粒径；d为筛径；m为级配指数。

根据设计中使用的骨料，根据Taibal计算混合料等级如表1所示。根据各级筛的筛分质量，控制混合料的混合。

根据表1中粗骨料的级配，混合粗骨料，粗骨料的实测体积密度为2.753g/cm3。振动用于成型。粗骨料的实测密度为1.887g/cm3，材料骨架间隙为31.5%。由于粗骨料形成骨架，当混合物的体积为V时，粗骨料量mc为：

表1 多孔水泥稳定碎石材料的级配

水泥水化需要将其自身质量的25%的水结合起来，以形成长效物质，其体积吸收75%的自由水体积（Czernin，W.，1991）。水泥与γce、水泥质量mce和水泥体积Vce的比值：

根据需要设置目标孔隙率n，Vce可通过公式（6）计算得到。

在试验中，试件直径为15cm，高度为15cm。根据公式（3），一个样本的粗骨料约为5kg。由于多孔水泥稳定碎石的设计，公路水泥混凝土路面设计的推荐水泥设计（JTG D40-2011）为9.5%～11%，水泥含量取10%。在试验中，为了达到最大孔隙率，采用细骨料的含量为0。则根据公式（6），混合物的理论孔隙率为27.9%；级配设计完全按照Taibo法，此时孔隙率最小。孔隙率为4.5%，粗骨料与细骨料的质量比为3.14，理论空隙率设置为20%。此时，粗骨料与细骨料的质量比为9.27。

二、试验方案

制作试验的水泥使用32.5普通硅酸盐水泥，并根据上述设计方法确定试验中的粗骨料、细骨料和水泥的用量。根据27.9%、20%和4.5%的理论孔隙率设计了孔隙型水泥稳定碎石试件，并记录为1号试件、2号试件和3号试件。为了分析纤维掺杂对混合物性能的影响，试验中掺加了聚丙烯纤维。聚丙烯纤维的参数如表2所示。在实验中，分析了纤维长度和纤维含量（体积含量）对混合物性能的影响。本文所采用的纤维长度分别为6mm、12mm和18mm。而纤维掺量则分比为1‰、1.5‰和2‰。试验方案如表3所示，由于纤维含量较小（1‰～2‰），故不计算纤维体积。

表2 纤维参数

本文采用振动法制备试件，根据半刚性材料的主要性能要求和发挥透水、蓄水和排水功能的需要，试验指标采用控制有效孔隙度（连通孔隙度）、无侧限抗压强度和劈裂力量孔隙率等指标制备多孔水泥稳定碎石。

三、试验结果及分析

试验样品用于测定有效孔隙度、7d无侧限抗压强度和28d劈裂强度。结果如表4所示。

表4 试验结果

从实验结果可以看出，使用该方法所设计的无纤维多孔水泥稳定碎石（1～3号试件）的有效孔隙率与理论孔隙率呈现正相关，3组试件的有效孔隙度与理论孔隙度之比分别为66.3%、56.5%和68.9%。其主要原因是，随着理论孔隙率的降低，混合料中的细集料增加，而连通孔隙则随之降低，可以认为在以理论孔隙率作为无纤维多孔水泥稳定碎石的设计指标时，其是可以满足多孔水泥稳定碎石对有效孔隙率的技术要求。

对于掺加纤维的多孔水泥稳定碎石（4号～8号试件），其有效孔隙度与理论孔隙度的比值分别为54.5%、56.9%、55.2%、54.5%和58.2%，且该比值通常低于未掺加纤维的多孔水泥稳定碎石试件（1号～3号试件）的比值。这说明着随着纤维的加入，多孔水泥稳定碎石材料内部的连通孔隙率降低。但从试验结果可以看出，纤维长度和纤维含量对有效孔隙率则并没有显著影响，这是因为纤维含量相对较小（1‰～2‰）的缘故。因此，在小掺量纤维的多孔水泥稳定碎石混合料的设计方法也适用。

随着有效孔隙率的增加，多孔水泥稳定碎石材料的无侧限抗压强度和劈裂强度降低。当试件的有效孔隙度从3.1%增加到19.7%时，其无侧限抗压强度试验值降低了75.9%，而其劈裂强度试验值则降低了69.0%。可以看出，抗压强度和抗拉强度与孔隙率密切相关，孔隙率大，细骨料含量小，骨料之间的接触面积就小，导致水泥的稳定性受到了限制，进而导致其强度有所降低。

另一方面，当试件的有效孔隙率从3.1%增加到11.3%时，有效孔隙度增加了约264.5%，其无侧限抗压强度试验值降低了25.6%，其劈裂强度试验值却仅降低了6.0%。当有效孔隙率从11.3%增加到19.7%时，孔隙率增加了约74.3%，无侧限抗压强度降低了67.6%，劈裂强度下降了67.0%。可以看出，多孔水泥稳定碎石的强度随着细骨料比重的增加而增加，但随着细骨料的增加，细骨料对强度的影响也逐渐减弱。

而聚丙烯纤维的加入则可以有效地提高多孔水泥稳定碎石材料的无侧限抗压强度和劈裂强度。在试验中，掺加纤维的试样表现出明显的塑性破坏特征，即其无侧限抗压强度试验后的试样仍保持良好的完整性，无明显开裂；而劈裂强度试件在断裂时，裂纹两侧通过纤维连接，表明其仍具有一定的抗拉强度。

分析纤维含量时可以发现，当纤维含量从0增加到1‰时，试件的无侧限抗压强度试验值增加了90.8%，劈裂强度试验值增加了144.0%；而当纤维含量从1‰增加到1.5‰时，无侧限抗压强度试验值仅增加了6.1%，劈裂强度试验值也仅仅增加了8.2%。当纤维含量从1.5‰增加到2‰时，无侧限抗压强度试验值增加了1.1%，劈裂强度试验值增加了2.8%。这是由于添加了纤维可以增强多孔水泥稳定碎石试件的完整性，即随机分散的纤维具有较高的拉伸强度，对骨架具有一定的约束作用，可以分担部分载荷；但当纤维含量超过1.5‰时，增加纤维含量对多孔水泥稳定碎石试件强度的影响将不再显著。

多孔水泥稳定碎石试件

当纤维长度从6mm增加到12mm时，无侧限抗压强度试验值增加了0.1%，劈裂强度试验值增加了22.8%；而当纤维长度从12mm增加到18mm时，无侧限抗压强度试验值增加了1.3%，劈裂强度试验值增加了6.8%。从试验结果可以看出，纤维长度对无侧限抗压强度的影响相对较小，而其对劈裂强度的影响则较大。原因在于，劈裂强度更依赖于纤维所能施加的拉伸强度，纤维施加的拉伸强度取决于纤维和矿物之间的连接及纤维本身的拉伸强度。由于聚丙烯纤维的高拉伸强度，纤维和矿物材料之间的联结力成为限制纤维拉伸强度的因素。纤维长度越长，纤维与矿物材料之间的连接力越大。

四、结语

本文所提出的多孔水泥稳定碎石的设计方法可用于无纤维多孔水泥稳定碎石的设计和纤维填充多孔水泥稳定碎石的设计。无论水泥稳定碎石材料中有无纤维，理论孔隙度与有效孔隙率之间都存在明显的正相关关系；孔隙率对无纤维水泥稳定碎石的无侧限抗压强度和劈裂强度影响很大，随着理论孔隙率的增加，无侧限抗压强度和劈裂强度显著降低；聚丙烯纤维可以显著提高多孔水泥稳定集料的无侧限抗压强度和劈裂强度，本文建议纤维含量取1.5‰；纤维长度越长，劈裂强度越大，在纤维量相同的情况下，纤维越长，纤维数量越少，本文纤维长度应取18mm。