王文彬

（山东理工大学，山东 淄博 255012）

0 引 言

基层是公路路面的主要承重层，基层的使用寿命决定公路路面的使用寿命与耐久性。水泥稳定级配碎石是我国沥青路面首选的半刚性基层，因此水泥稳定级配碎石性能的优劣直接决定了我国沥青路面的使用性能[1-3]。工程实践表明[4-6]，水泥稳定级配碎石在保证路面结构稳定、耐久的前提下，具有材料来源广泛（原材料可采用天然砂砾、破碎砾石、钢渣等）、力学性能与路用性能优良（板体性好、模量高、水稳定性和抗冻性好）、水泥用量低（一般3%～5%）、经济性好，同时也具有施工便捷的优势。

研究发现[4-8]，水泥稳定级配碎石基层在具有显著的技术、经济优势的同时，实体工程应用中也存在抗裂性能不足导致面层反射裂缝、冲刷能力不足导致面层水损害（唧浆、松散）、强度不足导致面层疲劳破坏等问题。研究改善传统水泥稳定级配碎石的抗裂性能、抗水损害性能与抗疲劳性能是近年来一直备受国内外关注的课题。通过优化级配、采用高品质集料，或掺加废旧轮胎胶粉、乳化沥青、聚合物胶乳等外掺材料来实现水泥稳定级配碎石混合料的增强、增韧和改善其力学性能与综合路用性能，是一种经济、有效的技术途径[9-10]。纤维是工程中常用的外掺增强型材料，掺加纤维可以改善水泥稳定粒料的收缩性能，延缓裂纹的出现、阻碍破坏裂纹的发展，并提高水泥稳定类材料的水稳定性与抗冻性，目前有关纤维增强水泥稳定级配碎石的研究仅限于在经验掺量下的力学性能研究，有关纤维增强水泥稳定级配碎石混合料的最佳纤维掺量问题，以及不同纤维对水泥稳定级配碎石的力学性能、抗裂性能、水稳定性、抗冻性及抗疲劳性能对比研究仍较少。基于此，本文选用工程中常用的4 种纤维，研究纤维种类与掺量对水泥稳定级配碎石混合料力学性能、抗裂性能、抗冻性与抗冲刷性能及抗疲劳耐久性的影响，并揭示纤维对水泥稳定级配碎石性能的增强机理。

1 试 验

1.1 原材料

（1）水泥：P·R7.5 道路硅酸盐水泥，符合GB/T 13693—2017《道路硅酸盐水泥》要求，主要技术性能见表1。

表1 水泥的主要技术性能

（2）集料：5～10 mm、10～25 mm 粗集料采用花岗岩碎石，0～3 mm、3～5 mm 细集料采用破碎砾石，集料的物理力学性能符合JTG/T F20—2015《公路路面基层施工技术细则》要求。

（3）纤维：聚乙烯醇纤维（PVAF）、聚丙烯纤维（PLF）、玄武岩纤维（BF）、聚酯纤维（PF），市售，纤维的技术性能见表2。

表2 不同纤维的技术性能

1.2 水泥稳定级配碎石配合比设计

采用C-B-3 型骨架密实级配（见表3）。配合比试验确定用水量为4.9%，水泥用量为集料干质量的4.5%。为了方便对比研究，掺加不同纤维后，均采用4.9%用水量与4.5%水泥，只是延长了纤维与集料干拌时间120 s。

表3 水泥稳定级配碎石级配范围

1.3 试验方案

在0.05%～0.17%范围内间隔0.03%变化5 组纤维掺量，研究纤维种类与掺量对水泥稳定级配碎石混合料力学性能的影响规律，并综合确定纤维的最佳掺量。在此基础上，基于干缩与温缩、冻融循环、动水冲刷及三分点弯曲疲劳试验研究了纤维种类与掺量对水泥稳定级配碎石混合料水稳定性和疲劳性能的增强作用，并通过SEM 分析纤维在水泥稳定级配碎石内部的微观形貌，揭示纤维对水泥稳定级配碎石性能的增强机理。

1.4 试验方法

（1）力学性能试验：无侧限抗压强度、劈裂强度、弯拉强度的试件制备、养生及试验方法与步骤均按照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行。

（2）单轴压缩模量试验：采用直径150 mm、高150 mm 的圆柱体试件，根据荷载-应变曲线得到最大荷载和对应0.3 倍最大荷载时压应变，试验方法、步骤按照JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》附录E 进行。

（3）干缩与温缩试验：均采用150 mm×150 mm×550 mm梁式试件。干缩室控制温度（20±1）℃、相对湿度（60±5）%，记录1～180 d 龄期内的千分表读数，并按照T0854-2009 计算干缩系数。在-20～50 ℃温度范围内，测试7 个温度级别，每个级别温度相差10 ℃，每个温度级别保温3 h 后降温速率0.5 ℃/min，按照T0855-2009 计算温缩系数。

（4）冻融循环与动水冲刷试验：采用直径150 mm、高150 mm 的圆柱体试件，标准养护室养生90 d。1 次冻融循环经历在-20 ℃环境箱中冻结16 h、20 ℃水浴中放置8 h。动水冲刷试验方法、步骤按照T0860-2009 进行（动水冲击力、冲刷频率分别为0.5 MPa、5 Hz）。

（5）疲劳试验：三点加载疲劳试验施加荷载为连续Havesine波，荷载标准频率为10 Hz，取4 个应力强度比（0.5～0.8）。

2 不同纤维增强水泥稳定级配碎石混合料的性能

2.1 纤维种类及掺量对水泥稳定级配碎石混合料

力学性能的影响（见表4）

由表4 可知：

（1）在纤维掺量为0.05%～0.17%时，掺入PVAF、PLF、BF、PF 均对水泥稳定级配碎石混合料的无侧限抗压强度、劈裂强度和弯拉强度有明显增强作用。

（2）随着纤维掺量的增加，水泥稳定级配碎石混合料的无侧限抗压强度、劈裂强度和弯拉强度均呈先提高后降低趋势，纤维存在最佳掺量。这主要是因为，增加纤维掺量后，纤维对水泥稳定级配碎石混合料的加筋、嵌固稳定作用逐渐发挥，表现出较高的抗压强度和优异的弯拉强度；纤维掺量过多时，纤维因分散不均匀而产生团聚现象，导致纤维与水泥砂浆裹附状况不良、因分散不均匀而出现软弱结构面，在纤维聚集处拉应力不能均匀传递，会诱发纤维聚集处产生应力集中现象，导致断裂强度降低[11]。综合考虑无侧限抗压强度、劈裂强度和弯拉强度，确定水泥稳定级配碎石混合料中PVAF、PLF、BF、PF的最佳掺量分别为0.11%、0.14%、0.11%、0.11%。

表4 纤维种类及掺量对水泥稳定级配碎石混合料力学性能的影响

（3）随着纤维掺量的增加，PLF、BF、PF 水泥稳定级配碎石混合料的单轴压缩模量逐渐降低，而PVAF 水泥稳定级配碎石混合料的单轴压缩模量逐渐提高，这与PVAF 具有较大的弹性模量有关，其余3 种纤维的模量较低，掺加纤维提高了水泥稳定级配碎石混合料的变形能力与柔性，在相同应力水平下，纤维水泥稳定级配碎石混合料的收缩变形增大，因此模量降低。4 种纤维水泥稳定级配碎石的单轴压缩模量介于18 100～24 000 MPa，均符合JTG D50—2017 的要求。

（4）在最佳纤维掺量下，4 种纤维水泥稳定级配碎石混合料的无侧限抗压强度均大于6.0 MPa，满足特重、极重荷载等级基层无侧限抗压强度要求。可以预见，通过掺加纤维来降低水泥用量，以降低工程造价，减少水泥稳定级配碎石混合料在服役期间产生的温缩、干缩变形，延缓反射裂缝的发生。

2.2 纤维水泥稳定级配碎石混合料变形特性试验

2.2.1 温缩试验

温度收缩变形是水泥稳定级配碎石内部不同材料对温度梯度的敏感性所致，在温度梯度产生的内部应力作用下，固体（碎石、水泥水化胶凝矿物材料及各种晶体、非晶体）、空气、水等多相材料热胀冷缩相互作用的综合效应[12]。水泥稳定级配碎石混合料的温缩系数见表5。

表5 水泥稳定级配碎石混合料的温缩系数

由表5 可知：

（1）掺加纤维前后5 种水泥稳定级配碎石混合料的温缩系数随试验温度变化呈相同规律。随着试验温度升高，水泥稳定级配碎石混合料的温缩系数呈先减小后增大趋势，在0 ℃冰点附近温缩系数最小，在极端高、低温温度区间内温缩系数均较大，且极端高温温度区间内的温缩系数最大，这主要是在极端高、低温条件下水泥稳定级配碎石混合料的热胀冷缩现象最显著。

（2）相同试验条件下，掺加纤维能明显降低水泥稳定级配碎石混合料的温缩系数，4 种水泥稳定级配碎石混合料中，PVAF 水泥稳定级配碎石混合料的温缩系数最小，其次为BF、PLF、PF。温缩系数越小，水泥稳定级配碎石混合料在服役期间产生温缩反射裂缝的可能性越小，表明PVAF 水泥稳定级配碎石混合料的抗温缩变形性能最优。

（3）在-25～50 ℃温缩试验温度区间内，掺加PVAF、PLF、BF、PF 后，纤维水泥稳定级配碎石的温缩系数明显小于未掺纤维的普通水泥稳定级配碎石。纤维对水泥稳定级配碎石混合料温缩裂缝也有很好的抑制效果，掺加纤维能有效降低水泥稳定级配碎石基层的温缩反射裂缝。

2.2.2 干缩试验结果（见表6）

由表6 可知：

（1）随着养生龄期延长，水泥稳定级配碎石混合料的干缩系数逐渐增大，但干缩系数增长率逐渐减小，养生14 d 时的干缩量约为总干缩变形量的70%，并在60 d 龄期后干缩系数趋于稳定。这主要是因为，龄期延长，失水速率减小，水泥水化反应逐渐完成，产生的胶结物增长速率降低，强度、刚度逐渐提高，因此水泥水化产物抵抗干燥收缩的能力逐渐提高[11-12]。

表6 水泥稳定级配碎石混合料的干缩系数

（2）180 d 龄期时，PVAF、PLF、BF、PF 四种纤维水泥稳定级配碎石混合料的干缩系数相较于未掺纤维的普通水泥稳定级配碎石混合料分别降低了37.5%、18.1%、33.3%、9.1%，表明掺加纤维能降低水泥稳定级配碎石干缩变形产生的不良影响，增强水泥稳定级配碎石抵抗温缩变形性能，并且PVAF 抑制干缩变形的效果最优。

2.3 纤维水泥稳定级配碎石混合料的水稳定性试验

采用冻融循环试验和动水冲刷试验评价纤维水泥稳定级配碎石混合料的抗水损害性能。

2.3.1 冻融循环试验结果

冻融循环疲劳损伤作用导致路面结构基层承载能力降低。采用冻融循环试验模拟水浸泡冻胀和融化交替作用对水泥稳定级配碎石混合料的冻融损伤作用，水泥稳定级配碎石混合料不同冻融循环次数时的7 d 无侧限抗压强度如表7 所示。

表7 冻融循环试验结果

由表7 可知：

（1）随着冻融循环次数增加，5 种水泥稳定级配碎石混合料的7 d 无侧限抗压强度降低，且两者呈良好的负线性相关性（R2＞0.95）。相同冻融循环次数，纤维水泥稳定级配碎石混合料的7 d 无侧限抗压强度明显高于普通水泥稳定级配碎石混合料，4 种PVAF、PLF、BF、PF 增强水泥稳定级配碎石混合料的拟合方程截距B 分别比普通水泥稳定级配碎石混合料增大了39.7%、34.5%、43.7%、32%，斜率K 绝对值比普通水泥稳定级配碎石混合料分别减小了4.2%、4.9%、8.4%、2.6%，表明掺加纤维降低了水泥稳定级配碎石对冻融循环作用的敏感性，提高了冻融循环作用下水泥稳定级配碎石的抗冻融耐久性。

（2）经历10 次冻融循环后，无纤维、PVAF、PLF、BF、PF水泥稳定级配碎石混合料的无侧限抗压强度分别为2.48、4.49、4.26、4.84、4.11 MPa，残留7 d 无侧限抗压强度保留率分别为52.3%、68.4%、67.8%、71.2%、65.8%，10 次冻融作用后，4种纤维水泥稳定级配碎石混合料的7 d 无侧限抗压强度仍符合JTG/T F20—2015 的要求（>4.0 MPa），纤维水泥稳定级配碎石混合料表现出了优异的抗冻融循环水稳定性。

2.3.2 动水冲刷试验结果

水泥稳定级配碎石半刚性基层在行车荷载动水压力泵吸作用下产生的细集料颗粒脱离是导致沥青路面形成唧泥等冲刷破坏的主要原因。水泥稳定级配碎石混合料在不同动水冲刷时间下的质量变化见图1。

由图1 可知：

（1）随着动水冲刷时间延长，5 种水泥稳定级配碎石混合料的细集料颗粒冲刷损失量先线性增大，在动水冲刷20 min后质量变化趋于平缓。这主要是试件表面未形成有效粘结的细集料在动水力冲刷作用下失去粘结强度而逐渐流失，随着动水冲刷时间延长，冲刷质量损失量增大，动水冲刷20 min后，试件表面的松散砂浆已接近全部流失，粗集料裸露，骨架密实结构中的粗集料形成了良好嵌挤，较难冲刷流失。因此，从冲刷质量损失与冲刷时间的关系可以看出，动水冲刷试验冲击力0.5 MPa、冲刷频率5 Hz 条件下，总动水冲刷时间为20 min 较为适宜。

（2）相同动水冲刷条件下，掺加4 种纤维水泥稳定级配碎石混合料的质量损失量明显小于普通水泥稳定级配碎石混合料。这主要是因为，分布在水泥稳定级配碎石混合料内部的纤维能够有效形成加筋、锚固作用，提高了水泥砂浆内部的界面粘结强度，有利于阻止细集料受动水冲刷作用后产生颗粒流失问题。动水冲刷20 min 后，PVAF、PLF、BF、PF 水泥稳定级配碎石混合料的质量损失比普通水泥稳定级配碎石混合料分别降低了22.7%、17.3%、28.5%、9.5%，4 种纤维增强水泥稳定级配碎石混合料的质量损失大小顺序为：PF＞PLF＞PVAF＞BF，玄武岩纤维增强水泥稳定级配碎石混合料的抗动水冲刷性能最优。

2.4 纤维水泥稳定级配碎石混合料疲劳性能试验

混合料在不同应力强度比时的疲劳寿命见表8。

表8 疲劳试验结果

由表8 可知，随着应力强度比R/S 增大，水泥稳定级配碎石混合料的疲劳寿命降低，且两者呈良好的对数函数关系（R2＞0.98）。在R/S 为0.5～0.8 条件下，4 种纤维增强水泥稳定级配碎石混合料的疲劳寿命平均值比普通水泥稳定级配碎石混合料提高了29.7%～95.0%，在0.8 高应力比条件下，纤维水泥稳定级配碎石混合料表现出了优异的抗疲劳性能。4 种纤维水泥稳定级配碎石混合料的疲劳寿命排序为：PVAF＞BF＞PLF＞PF，且PVAF、PLF、BF、PF 纤维水泥稳定级配碎石混合料的疲劳方程截距分别比普通水泥稳定级配碎石混合料增大了5.4%、4.0%、5.2%、3.5%，疲劳方程截距绝对值分别减小了9.2%、4.7%、7.1%、3.8%，掺加纤维显著提高了水泥稳定级配碎石混合料的抗疲劳性能，降低了疲劳寿命对应力强度比的敏感性。

3 机理分析

不同种类纤维在水泥稳定级配碎石内部的微观形貌差异较大。PVA 纤维与水泥水化产物形成良好的裹附，在纤维与水泥砂浆接触处形成均匀致密的过渡界面，并且在破坏界面处纤维产生颈缩现象，锚固在水泥砂浆内部的纤维有拔出痕迹，PVA 纤维的吸附稳定作用和界面增强作用[6-8]，锚固在水泥砂浆内部的PVA 纤维弥补了水挥发后水泥砂浆内部的界面粘结缺陷，在车辆荷载时起到了协同受力、传递荷载和均匀分散荷载的作用。PLF 在破坏界面与水泥砂浆接触界面出现空洞、纤维与水泥砂浆接触界面处有水泥胶凝材料压碎痕迹、接触界面松散，这是PLF 纤维协同受荷后被拉出破坏所致，这是PLF 协调受荷所致。空间三维网状分散的BF 能够在水泥稳定碎石中形成网状支撑体系，BF 锚固在水泥胶凝材料中，同时纤维之间形成网状搭接，BF 的加筋作用，一方面，对BF 加筋网孔范围内的水泥砂浆起到“箍锁”和限制位移作用，在受荷时，加筋网约束包裹水泥砂浆与集料，阻碍砂浆与集料颗粒产生错位与滑移，纤维加筋网起到了传递荷载、协调变形的作用，提高了整体受力均匀性；另一方面，裂纹产生后，BF横跨裂缝两端，阻碍破坏裂纹继续发展，延缓了破坏裂纹的扩展速率，增加了破坏裂纹的扩展路径，同时把隔离受损破坏区域。PF 被水泥胶凝材料完全裹附，聚酯纤维锚固在水泥砂浆中，连接水泥砂浆与集料，锚固在集料表面的PF 使得相邻界面区的水泥胶凝材料相互重叠、堆积，局部界面粘结处由于水泥堆积导致其刚度过大，在受荷时易产生脆性破坏，以致微观破坏界面出现微裂纹。纤维在水泥稳定级配碎石内部的微观分散形貌及纤维与水泥胶凝材料微观接触界面的粘附强度等不同，这是其宏观性能差异较大的主要原因[1]。

4 结 论

（1）掺加纤维能显著增强水泥稳定级配碎石混合料的力学强度，除PVAF 以外，掺加纤维降低了水泥稳定级配碎石混合料的动态压缩模量。

（2）掺加纤维能降低水泥稳定级配碎石混合料的干缩、温缩变形产生的不良影响，增强水泥稳定级配碎石混合料抵抗温缩变形性能。

（3）动水冲刷20 min 后，PVAF、PLF、BF、PF 水泥稳定级配碎石混合料的质量损失比普通水泥稳定级配碎石混合料分别降低了22.7%、17.3%、28.5%、9.5%，经历10 次冻融循环后纤维水泥稳定级配碎石的7 d 无侧限抗压强度仍符合JTG/T F20—2015 的要求，纤维水泥稳定级配碎石表现出了优异的抗冻融循环和抗动水冲刷水稳定性。

（4）掺加纤维显著提高了水泥稳定级配碎石混合料的抗疲劳性能，降低了疲劳寿命对应力强度比的敏感性。纤维对水泥稳定级配碎石混合料强度的增强作用在于其加筋稳定作用、锚固嵌锁作用及传递荷载、协调变形的作用。