纤维增强水泥稳定碎石的研究现状及展望

2018-01-23暴英波

天津建设科技 2018年4期

□文 /暴英波

水泥稳定碎石凭借自身优越的性能成为道路施工中首选基层材料；但随着该材料被广泛应用，其自身存在的缺陷亦逐步显露出来，如收缩裂缝等。纤维增强水泥稳定碎石，成为改善其缺陷的一种有效方式。

1 国外对纤维增强水泥基材料的研究

20世纪初，就有美国学者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[1]。20世纪中叶，随着工业合成材料的发展，多位国外专家[2]对混凝土中按体积比掺加0.5%聚丙烯纤维后的性能进行的试验研究，提出了使用加入聚丙烯纤维的混凝土建造美国工兵部队的防爆设施的建议。随后，Filho等[3]又对聚丙烯增强水泥砂浆的性能进行了研究，结果显示在一定程度上聚丙烯减少了砂浆的收缩，对其具有改善作用。Dias等[4]对玄武岩纤维增强混凝土的破坏特征进行了全面的试验研究后发现，玄武岩纤维混凝土中纤维的掺量变化对混凝土的破坏表现出明显的延性特征且使得混凝土的挠度和断裂韧性具有所提高。2015年，美国学者Cory High等[5]对短切玄武岩纤维增强混凝土的结构性能进行了对比试验，研究分析后发现，短切玄武岩纤维对混凝土材料的抗压强度影响较小，但能有效提高混凝土梁的弯曲回弹模量值。2016年，Mehmet Emin Arslan[6]对混凝土分别掺加不同含量的玄武岩纤维和玻璃纤维，研究纤维增强混凝土的断裂行为；结果显示，玄武岩纤维增强混凝土和玻璃纤维增强混凝土试验试件的劈裂强度和抗折强度的变化与纤维掺量的变化具有相同趋势，但当纤维掺量超过一定阈值后，混凝土的抗折强度有所下降，掺加纤维的含量对混凝土抗压强度值和回弹模量影响作用较小。

2 国内对纤维增强水泥稳定碎石性能的研究

国内学者针对不同种类纤维对水泥稳定碎石的性能改善情况展开了相关研究。2003年，王海波[1]对聚乙烯醇纤维的掺入对水泥砂浆的力学性能开展了一系列的探索，发现纤维对水泥砂浆的抗拉强度、抗冲击性能以及抗裂阻裂性能均有明显的改善，但对抗压强度有所降低。同年，杨红辉等[7]通过膨胀剂和聚丙烯纤维改善水泥稳定碎石，研究其抗裂性能的变化，得出膨胀剂和聚丙烯纤维混入到水泥稳定碎石中，不但对原水泥稳定碎石材料的抗压强度和整体刚度具有改良作用并且可以有效抑制原水泥稳定碎石材料的早期收缩裂缝。2007年，马银华等[8]对采用聚丙烯纤维增强的水泥稳定碎石弯曲特性进行了全面的试验探究，最终认为选择合适的聚丙烯纤维与水泥稳定碎石混合可增强水泥稳定碎石材料的韧性、抗裂性以及持荷变形能力。2014年，X TZhang等[9]采用聚酯纤维改善水泥稳定碎石的路用性能，分析其抗裂性能的变化，发现掺加聚酯纤维的水泥稳定碎石强度可满足各等级公路的施工要求且影响其强度的因素由大到小的顺序依次为：胶结料水泥和粉煤灰、聚酯纤维、沥青混合料回收料。2015年，李广强[10]采用超纤维（一种纤维素）增强水泥稳定碎石，认为掺加超纤维的水泥稳定碎石在强度、刚度以及抗裂性等方面具有显著提高。2015年，Z Liu[11]针对水泥稳定碎石掺加聚酯纤维的工程性能进行了全面试验分析，通过对比纤维水泥稳定碎石材料的失水量、收缩系数、抗压强度、劈裂强度和抗压回弹模量来研究该复合材料随养护龄期和纤维含量变化的收缩性能和力学性能，进而提出聚酯纤维的最优体积掺量为0.7‰。2016年，贺亚飞[12]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PVA可使得水泥稳定碎石的抗压、劈裂和弯拉等方面的强度以及阻裂方面性能改善且存在差异性，而对收缩性能影响不一的结论。

3 纤维增强水泥稳定碎石材料性能的机理分析

目前，用于增强水泥稳定碎石的纤维样式多种多样，性能差异较大。但从根本上分析，纤维增强水泥稳定碎石材料的性能改善机理大致相同。当下，适用于纤维增强水泥稳定碎石的性能内部机理解释的理论主要以复合材料力学理论为主，该理论将纤维和水泥稳定碎石看作一种复合材料。

复合材料理论是将由多种单一材料相结合或混合起来所构成的整体材料看作一个多相材料系统，各单一材料为单一相并认为其系统整体性能值是各相单一性能的叠加值。由于水泥稳定碎石材料的主要组成部分有粗细集料、水泥，则该材料从本质上说也是一种复合材料，也可将其看作一种简易的混凝土。在实际应用中，由于材料组成、施工技术等原因，生产的水泥稳定碎石材料属于非均质材料。这就导致水泥稳定碎石基层在承受弯拉应力作用时，在应力方向材料截面各点受力并不是均匀的，存在且分布着不规则的应力集中点和受力薄弱区，这些部位率先达到材料的抗拉强度极限，从而引起局部的塑性变形。此时倘若缺少其他材料（例如纤维等）加筋进行约束，裂缝就会扩展。如果在水泥稳定碎石内部掺入适当的细长状材料（例如纤维等），则可在一定程度上约束材料的塑性变形，从而可分担其部分内部应力，宏观表现为延缓或者减少水泥稳定碎石材料的裂缝，即提高了水泥稳定碎石材料的抗拉强度极限[13]。