玄武岩纤维增强水泥稳定碎石基层设计及性能评价

摘要：为了提升水泥稳定碎石基层的抗裂性能，实现路面服役长寿命目标，文章设计在水泥稳定碎石基层中掺入不同掺量的玄武岩纤维，通过测试劈裂强度，确定最佳纤维掺量；设置最佳玄武岩纤维掺量与未添加玄武岩纤维掺量的水泥稳定碎石基层两组平行试件，测试玄武岩纤维的掺入对两组试件无侧限抗压强度、抗冻性能、干缩应变、温缩应变、抗弯折强度以及抗裂性能的影响；利用扫描电镜（SEM）从微观角度对玄武岩纤维增强机理进行阐述。研究表明：玄武岩纤维的掺入对水泥稳定碎石基层的抗冻性能以及抗压强度影响不大，但能减小其干缩以及温缩应变，并显著提升水泥稳定碎石基层的劈裂强度及抗弯拉强度，同时提升水泥稳定碎石基层的抗裂性能。

关键词：水泥稳定碎石基层；长寿命；抗裂；玄武岩纤维

中图分类号：U416.1" " " " "文献标识码：A" " " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.016

文章编号：1673-4874（2024）11-0049-03

0引言

我国道路基层材料普遍采用水泥稳定碎石。水泥稳定碎石基层具有抗压强度高、稳定性好的特点，能在高温地区有效抵抗车辙的发生，为沥青面层提供良好的承载力［1］。但是在重载交通与复杂环境的作用下，水泥稳定碎石基层容易出现裂缝［2］，并且一旦出现裂缝将减弱其对路面的承载作用，严重时会形成反射裂缝，导致沥青路面服役年限缩短，降低其耐久性［3］。

为了提升基层的抗裂性能以增强其耐久性，学者们进行了深入研究［4］，包括掺入矿物掺和料、改善集料的级配等。掺入矿物掺和料能与水泥发生二次水化反应，增强胶凝材料与集料之间的粘附。但是作为圬工结构，水泥稳定碎石基层抗拉强度远小于抗压强度［5］，对于裂缝的发展影响不大。改善集料级配能形成集料之间的强嵌挤结构［6］，能在一定程度上提升其抗压强度以及抗疲劳性能，但是对于裂缝的抑制效果不明显。目前亟须研究出一种有效方法来提升水泥稳定碎石基层的抗裂性能。

玄武岩纤维作为一种增强材料，被广泛运用于土木工程。掺入的纤维能均匀分布于沥青或混凝土中，通过自身的桥接作用，提升材料基体的抗拉强度以及抗裂性能［7］。本文通过试验，探究玄武岩纤维的加入对水泥稳定碎石基层的抗压强度、干缩性能、温缩性能、抗冻性以及基层裂缝发展的影响。

1原材料及试件制备

1.1原材料

试验所用原材料包括水泥、水、玄武岩纤维、玄武岩骨料。水泥采用新疆乌鲁木齐市某水泥厂采购的P.O42.5普通硅酸盐水泥，水为普通自来水，玄武岩纤维购于海宁安捷复合材料公司。材料基体信息如表1所示。

1.2试件制作

将玄武岩碎石、水泥与不同掺量的玄武岩纤维拌和，之后加入水，充分拌和均匀。圆柱体试件装入直径为150 mm的圆柱体模具并振动压实；棱柱体试件装入内径为150 mm×150 mm×550 mm的立方体模具并静压压实。之后将试件脱模放入养护箱中养护，得到水泥稳定碎石基层试件。将圆柱体试件进行切割，制作成厚度为50 mm、直径为150 mm的水泥稳定碎石基层半圆试件。试验配合比如表2所示。

2试验方法

（1）对不同掺量玄武岩纤维的试件7 d以及28 d劈裂强度进行测试，选出最佳玄武岩纤维掺量。

（2）测试最佳玄武岩纤维掺量与未添加玄武岩纤维的水泥稳定碎石基层两组平行试件的抗冻性能、干缩应变、温缩应变以及抗弯折强度，并对两组试件进行三点弯曲试验测试，得到其位移时间曲线。

（3）利用扫描电镜（SEM）对玄武岩纤维混凝土界面进行测试，从微观角度分析玄武岩纤维对水泥稳定碎石基层的增强机理。试验技术路线如图1所示。

3试验结果与分析

3.1劈裂强度测试结果与分析

利用压力试验机测试不同玄武岩纤维掺量下7 d与28 d劈裂强度，设置加载速率为1 mm/min，每组试验设置5个平行试件。结果如图2所示。

由图2可知，试件7 d无侧限抗压强度较低，当试件养护至28 d时，其劈裂强度大幅度上升。养护7 d时，试件的水泥水化反应不充分，随着试件的养护，至28 d时，试件的劈裂强度大幅度提升。另外，玄武岩纤维的掺量为0 kg/m3时，试件劈裂强度最低；随着玄武岩纤维掺量从0 kg/m3上升至3.6 kg/m3，试件劈裂强度有小幅度上升；当玄武岩纤维掺量超过3.6 kg/m3时，试件劈裂强度变化不明显。综合比较，确定玄武岩纤维最佳掺量为3.6 kg/m3。

3.2抗压强度及抗折强度测试结果

利用压力试验机以及UTM万能试验机测试掺入玄武岩纤维试件以及未掺入玄武岩纤维的试件的7 d、14 d与28 d抗压强度及抗折强度，加载速率为1 mm/min，每组设置5个平行试件。结果如图3所示。

由图3可知，随着养护龄期增长，试件的抗压强度以及抗弯折强度均有增长。总体来说，玄武岩纤维的加入对于抗压强度影响不大，但对于抗弯拉强度有显著的提升作用，并且随着龄期的增长提升效果更加明显。分析认为，纤维能发挥自身的抗拉强度，代替基体材料受拉［8］。随着养护龄期增长，水泥水化反应越充分，自身力学性能有所提高，同时玄武岩纤维与水泥基材料的粘附作用更强，纤维增强效果更好。

3.3温缩、干缩试验测试结果

将水泥稳定碎石基层试件放于干缩仪后，放入干缩室，利用千分表测试水泥稳定碎石基层干缩变形情况。每隔2 d读数并记录，直到第28 d，计算其干缩应变。按照同样的原理，将试件放入高低温交变试验箱，设定温度为-10 ℃～50 ℃，每5 ℃为一个温度区间，测试14个温度区间试件的温缩应变。两组试件干缩应变结果如图4（a）所示，温缩应变结果如图4（b）所示。

由图4（a）可知，随着试件放置时间的延长，干缩应变逐渐上升。28 d后，未添加玄武岩纤维的水泥稳定碎石基层试件累计干缩应变由0上升至330×10-6左右；玄武岩纤维的掺入在一定程度上减少了其干缩应变，28 d试件累计干缩应变由0上升至230×10-6左右。观察温缩应变可以看出，随着温度升高，试件应变增大，同时玄武岩纤维的掺入在一定程度上抑制了试件的温缩。综合分析可以认为，玄武岩纤维的掺入能够减缓自然条件下由混凝土收缩引起的裂缝。

3.4冻融试验测试结果

利用混凝土冻融循环箱进行冻融处理。设置一次冻融循环周期为：-10 ℃处理14 h，25 ℃处理10 h，每24 h为一个冻融循环周期。测试掺入3.6 kg/m3玄武岩纤维以及未掺入玄武岩纤维的水泥稳定碎石基层试件的未冻融循环和冻融循环7次、14次、21次、28次无侧限抗压强度。结果如图5所示。

由图5可知，随着试件冻融循环次数的增加，水泥稳定碎石基层无侧限抗压强度降低。分析认为，在-10 ℃时，孔隙中的水结冰，体积增大，使试件孔隙增大。随着冻融循环的进行，造成胶凝材料与集料的剥落，导致无侧限抗压强度下降。另外，还可以看出，玄武岩纤维的加入对于水泥稳定碎石基层抗冻性能影响不大。在冻融循环28 d后，两组试件的抗压强度都下降至4MPa左右，侧面证明了冻土地区水泥稳定碎石基层的路用性能会受到很大影响，值得进行后续研究。

3.5半圆试件加载结果

利用UTM万能试验机进行加载，设置加载速率为1 mm/min，得到两组试件位移曲线，如图6所示。

由图6可知，随着UTM万能试验机的加载，试件所承受的荷载先升高，再降低。掺入玄武岩纤维的试件峰值荷载为2.34 kN，高于未添加玄武岩纤维试件的2.29 kN。另外，纤维的掺入使峰值荷载对应的位移得到延长。

将试件破坏过程中裂缝的发展分为两个阶段，阶段一随着UTM试验机的加载，裂纹开始在内部萌生，此时试件能承受的荷载增大；阶段二随着加载的继续，试件内部的微裂纹逐渐连通贯穿，形成宏观裂纹继续扩展，此时试件能承受的荷载急剧降低。根据加载过程中的荷载位移曲线，得到加载过程的断裂功wf，按式（1）计算：

wf=∫x2x1f（x）dx（1）

式中：x——位移（m）；

f（x）——位移为x时对应的荷载（N）。

试件破坏损伤过程及纤维桥接阻裂机理如图7所示，各个阶段对应的断裂功如图8所示。

由图8可知，玄武岩纤维的加入能提高破坏过程中的断裂功，其中，阶段一的断裂功提升了32.8%，阶段二的断裂功提升了98.1%，全阶段断裂功提升了62.7%。可以认为玄武岩纤维的加入能抑制裂缝全过程发展，并且对宏观裂缝的扩展抑制效果更好。

3.6扫描电镜试验结果

利用钨灯丝扫描电镜对纤维及纤维水泥基界面进行观察，结果如图9所示。

由图9可知，玄武岩纤维能分散在水泥基材料中，纤维与水泥基材料界面结合良好。水泥稳定碎石基层内部含有大量缺陷，纤维的存在能起到桥接作用，既能阻止微观裂缝的萌生，同时也能抑制宏观裂缝的扩展。

4结语

良好的基层质量是道路工程实现长寿命的基本前提。本文通过试验对玄武岩纤维的加入在水泥稳定碎石基层性能的影响进行了全方位探究，结论如下：

（1）玄武岩纤维的加入能提升水泥稳定碎石基层的无侧限抗压强度。当纤维的掺量为3.63.6 kg/m3时对水泥稳定碎石基层无侧限抗压强度最明显。

（2）玄武岩纤维的掺入对水泥稳定碎石基层抗冻性影响不大，但对其干缩以及温缩性能有一定提升。

（3）玄武岩纤维的掺入能显著提升水泥稳定碎石基层抗弯拉性能。通过发挥自身的桥接作用，能有效防止裂缝的萌生与扩展，增强构件的耐久性。

参考文献：

［1］赵劲松.浅谈水泥稳定碎石基层裂缝成因及防治措施［J］.公路，2008（8）：177-179.

［2］祝争艳，周文，刘海婷，等.半刚性基层裂缝注浆材料性能及其机理研究［J］.公路工程，2020，45（6）：185-189，237.

［3］张业兴，胡占红，吴禹，等.沥青面层和层间处治措施对再生水泥稳定碎石基层路面反射裂缝的影响分析［J］.中外公路，2020，40（1）：26-30.

［4］赵劲松.浅谈水泥稳定碎石基层裂缝成因及防治措施［J］.公路，2008（8）：177-179.

［5］庞小勇.公路基层水泥稳定碎石试验检测技术分析与应用［J］.运输经理世界，2022（31）：10-12.

［6］郑志国.抗裂型水稳碎石基层配合比设计及实例应用分析［J］.科技资讯，2022，20（3）：68-70.

［7］苑艳飞.掺玄武岩纤维水稳基层在公路工程中的应用［J］.工程建设与设计，2022（1）：92-94.

［8］戴勇.玄武岩纤维对混凝土抗压和劈裂抗拉强度的影响［J］.合成纤维，2023，52（10）：75-78.

作者简介：陈三喜（1986—），工程师，主要从事道路工程建造研究方面的工作。

收稿日期：2024-05-16