柔性路面半剛性基層材料失水速率試驗(yàn)

關(guān)鍵詞：半剛性基層； 失水速率； 收縮；  開裂

文獻(xiàn)標(biāo)識碼  U416. 1       中圖分類號  B         

Experiment on Rate-of-loss of Water of Semi-rigid Base Materials

for Flexible Pavement

Abstract At early stage of paving of semi-rigid base materials for flexible pavement, by some factors such as bad curing and sunlight exposure etc., water can be easily lost so as to base shrinkage, which can lead to early cracks. When alkali-resistant glass fibers or polypropylene fibers are introduced to stabilized gravel base with lime and fly ash, the rate of water loss can be effectively reduced at early stage. In contrast to plain lime-fly-ash-aggregate, 0.10% alkali-resistant glass fibers can make water loss rate of base materials reduced 35% at 7d. When the content of polypropylene fibers is 1000g/m3, water loss rate of base materials can fall off 31% at 7d. The existence of fibers can make water loss area of base materials reduced and water migration in difficulty, accordingly may lower capillary tension due to shrinkage caused by water losing, and may restrain plastic shrinkage of base materials at early stage, which may play a positive significance on improvement on crack-resistant property of road structure. 

Keywords semi-rigid base; rate-of-loss of water; shrinkage; crack

概  述

  我國的高等級公路基本采用瀝青混合料路面，稱為柔性路面。柔性路面結(jié)構(gòu)剛度較小，在車輛荷載作用下易產(chǎn)生較大的彎沉變形。車輛荷載通過路面結(jié)構(gòu)傳遞給基層，基層結(jié)構(gòu)層的主要作用則是承受荷載，因此要求其具有較穩(wěn)定的性能。 

　　柔性路面的基層結(jié)構(gòu)一般是用二灰土或石灰土作底基層，基層為二灰碎石或水泥穩(wěn)定碎石。用水泥、石灰等無機(jī)結(jié)合料處置碎（礫）石及含有水硬性結(jié)合料的工業(yè)廢渣修筑的基層，在前期具有柔性路面的力學(xué)性質(zhì)，后期強(qiáng)度和剛度增長，但是最終強(qiáng)度和剛度仍小于水泥混凝土。這種基層材料的剛性處于柔性路面與剛性路面之間，稱為半剛性基層。二灰穩(wěn)定碎石（無機(jī)膠結(jié)材為石灰、粉煤灰）半剛性基層具有明顯的水硬性和板體性，可形成較高的強(qiáng)度和剛度，有較高的抗疲勞破壞能力，半剛性基層材料以其優(yōu)良的工程性能和顯著的經(jīng)濟(jì)效益，廣泛應(yīng)用于高等級公路和城市道路中。

　　但是半剛性基層在鋪筑早期，特別在瀝青混合料面層未施工前，受養(yǎng)護(hù)不當(dāng)或陽光暴曬等因素的影響，基層材料因失水產(chǎn)生收縮，導(dǎo)致早期裂縫。柔性路面層施工后，在交通荷載作用下，這些裂縫可能會擴(kuò)展，嚴(yán)重時反射至面層形成“反射裂縫”，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)逐漸破壞，瀝青路面開始出現(xiàn)破損，彎沉迅速增大。為了減緩半剛性基層材料的失水速率，筆者在石灰粉煤灰碎石半剛性基層材料中摻入抗堿玻璃纖維或聚丙烯纖維，對其進(jìn)行失水速率對比試驗(yàn)。目的是減少半剛性基層材料的早期失水率，防止產(chǎn)生早期收縮，提高其抗裂性能，這對減少道路干縮裂縫，延長道路使用壽命具有現(xiàn)實(shí)意義。

1原材料

　　石灰：經(jīng)充分消解和干燥后的二級消石灰粉，有效鈣鎂含量為62.8%，過0.15mm篩孔處理，篩余量為0。細(xì)度和活性成分符合《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》JTJ034-2000規(guī)定的指標(biāo)。

　　粉煤灰：經(jīng)烘干后再過篩處理，過0.075mm篩孔的篩余量為0。其有效成分含量見表1。

纖維材料：鄭州安達(dá)化工有限公司的耐堿標(biāo)準(zhǔn)短切紗（含ZrO2），長24mm。美國希爾兄弟化工公司生產(chǎn)的聚丙烯纖維，規(guī)格19mm。

礦質(zhì)集料：經(jīng)篩分試驗(yàn)，集料符合《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ034-2000）對二灰碎石基層的集料級配要求。

2試  驗(yàn)

2.1試件配合比及其基本參數(shù)

試驗(yàn)采用石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石基層材料（以下簡稱二灰碎石基層），擊實(shí)試驗(yàn)確定其最佳含水量7.4%，最大干密度2.13g/cm3。摻入纖維為抗堿玻璃纖維和聚丙烯纖維兩個品種，各種試件配合比見表2。  

按表2配合比制作尺寸為φ15×15cm的圓柱體試件，采用靜壓法成型，成型壓力520~580KN，恒壓時間約2min。如果試件中摻入纖維，為防止出現(xiàn)反彈，成型時適當(dāng)延長恒壓時間。試件壓實(shí)度控制在98%。試件成型后當(dāng)即脫模，用塑料袋密封，隨后存放在溫度20±2℃，相對濕度大于95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中。

2.2 試驗(yàn)方法

按2中方法制作的試件，養(yǎng)護(hù)至60d齡期。試件浸水24h后稱取試件飽水質(zhì)量并記錄。然后置于自然干燥環(huán)境中，每個試件下方墊小木條，使試件架空，保持整個試件周圍空氣的均勻流通。然后每隔24h稱取試件質(zhì)量并作好記錄，當(dāng)24h中失水質(zhì)量小于5g時，則改為每隔48h稱取試件質(zhì)量，如果48h中失水質(zhì)量小于5g時，則延長測取試件質(zhì)量的時間，直至試件恒重時終止試驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

干燥失水試驗(yàn)采用二灰碎石基層材料，分別摻入抗堿玻璃纖維和聚丙烯纖維。其中抗堿玻纖采取4個摻量，聚丙烯纖維采用2個摻量，素二灰碎石基層材料則為對比樣。失水試驗(yàn)共進(jìn)行49天，根據(jù)每次稱取的試件質(zhì)量，按下式計(jì)算試件的失水質(zhì)量與失水率。  

圖1反映了二灰碎石基層試件與摻入抗堿玻纖二灰碎石試件的干燥時間與失水量的關(guān)系。圖中R曲線為不摻纖維的素二灰碎石試件，其失水曲線處于最高位置，說明在整個試驗(yàn)過程中，失水較快，失水率較大，摻玻璃纖維的全部試件，失水曲線均位于素二灰碎石試件之下，表明玻纖二灰碎石基層試件失水率相對較低。但在整個試驗(yàn)過程中失水率最低的試件編號為R-B2，此時玻纖摻量為0.10%（wt.）。

圖2是玻纖二灰碎石基層試件的早期失水曲線，可以進(jìn)一步說明纖維摻量與試件失水率之間的關(guān)系。

圖2表明了早期（7d）玻纖摻量與試件失水率之間的關(guān)系。圖中可見1d曲線較平緩，表明試件失水率大致相同，失去的主要是表面水，纖維在1d時沒有發(fā)揮明顯作用；隨著干燥時間增長，摻玻璃纖維的試件失水率逐漸小于素二灰碎石試件并形成一定規(guī)律，曲線呈一V字形狀。從2d開始，逐步失去試件內(nèi)部水分，這時玻璃纖維的存在有效地阻止了水分的散失，即失水速率迅速降低。當(dāng)玻纖摻量從0增加至0.05%、0.10%時，失水率大大下降，但玻纖摻量再增加時，圖中表明的0.15%和0.20%時，失水率卻有所增長，但未超過素二灰試件。表明就失水率而言，并不是玻纖摻量越高，失水率越低，存在著玻纖最佳摻量，此處為0.10%，最有利于失水率的降低。  

Fig.4  The relation of water loss of base materials and the content of polypropylene fibers at early stage 
　
　　圖3是聚丙烯纖維二灰碎石試件失水量隨時間的變化關(guān)系。

　　圖3中可見，R曲線為不摻纖維的素二灰碎石試件，干燥時間在25d前，其失水曲線處于最高位置，說明在早期干燥的相當(dāng)一段時間內(nèi)，R試件失水較快，失水率較大，而摻聚丙烯纖維試件的失水曲線均位于素二灰碎石（R）試件之下，表明聚丙烯纖維二灰碎石試件失水量相對較低。在整個試驗(yàn)過程中失水率最低的試件編號為RD2，此時聚丙烯纖維摻量1000g/m3，聚丙烯纖維能有效阻止二灰碎石基層在干燥環(huán)境下失去水分。但是，我們并不能認(rèn)為1000g/m3摻量即為二灰碎石試件中聚丙烯纖維的最佳摻量，因?yàn)橛锌赡茉谝欢ǖ姆秶鷥?nèi)，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，失水量還會繼續(xù)減小。    

圖4是二灰碎石基層試件早期（7d）失水率與聚丙烯纖維摻量的關(guān)系。圖中可見1d時三種試件失水率大致相同，此時失去的主要是表面水，纖維在1d時沒有發(fā)揮明顯作用；隨著干燥時間增長，摻聚丙烯纖維的試件失水率逐漸小于素二灰碎石試件并形成一定規(guī)律，圖中每條曲線呈近似直線，其斜率絕對值的大小反映了試件失水率與聚丙烯纖維摻量的變化關(guān)系。斜率絕對值愈大，表明隨著聚丙烯纖維摻量的增加，失水率愈小。由于試驗(yàn)中只采用聚丙烯纖維兩個摻量，試件失水率與纖維摻量曲線并沒有像圖2那樣出現(xiàn)V字形狀，可見隨著聚丙烯纖維摻量的增加可使失水率進(jìn)一步降低。

纖維半剛性基層材料失水率降低的意義在于，在道路工程中，半剛性基層材料的收縮一般發(fā)生在道路基層鋪筑后的初期，一是由于此時暴露在表面的基層材料水分急劇蒸發(fā)，引起失水收縮；二是造成基層表面和內(nèi)部含水率的差值，干濕差太大則產(chǎn)生拉應(yīng)力，基層材料在早期尚未形成足夠強(qiáng)度時，則產(chǎn)生早期裂縫，形成道路使用后粗大裂縫的發(fā)源地。在基層材料中摻入纖維后，與未摻纖維的基層材料相比，首先，由于表層材料中存在纖維，使其失水面積減小，水分遷移較為困難，從而使毛細(xì)管失水收縮形成的毛細(xì)管張力有所減少；其次，纖維在基層材料中的三維分布形式大大有助于削弱基層材料在早期的塑性收縮，收縮的能量被分散到數(shù)千萬條具有高抗拉強(qiáng)度而彈性模量相對較低的纖維單絲上，從而有效地增加了半剛性基層材料的韌性，抑制了基層材料輕微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。此外，依靠纖維和基材中無機(jī)結(jié)合料之間的界面吸附粘結(jié)力，機(jī)械嚙合力等，增加了材料抵抗塑性開裂的能力，從而使失水收縮產(chǎn)生的應(yīng)力小于材料抗拉強(qiáng)度，材料內(nèi)部開裂狀況有效減輕。

4 結(jié)  論 

（1） 在半剛性（二灰碎石）基層材料中摻入抗堿玻纖或聚丙烯纖維，均可有效地降低其早期失水速率。

（2） 抗堿玻纖摻量在0.05%（wt.）~0.20%（wt.）范圍內(nèi)，能使二灰碎石基層材料的早期失水速率下降。但并不是玻纖摻量越高，試件失水率越低。就失水速率而言，二灰碎石中抗堿玻纖最佳摻量為0.10%左右。與素二灰碎石基層試件相比，可使7d失水速率下降35%。

（3） 聚丙烯纖維摻量在500g/m3~1000g/m3內(nèi)，且隨聚丙烯纖維摻量的提高，基層材料失水速率減緩。當(dāng)聚丙烯纖維摻量在1000g/m3，與素二灰碎石基層試件相比，7d失水速率下降31%。有可能在一定的范圍內(nèi)，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，失水率還會繼續(xù)減小。在聚丙烯纖維摻量大于1000g/m3時，存在聚丙烯纖維的最佳摻量。

（4） 柔性路面半剛性基層材料早期干縮與其失水速率存在一定關(guān)系?；鶎硬牧现欣w維的存在使其失水面積減小，水分遷移困難，從而使基層內(nèi)毛細(xì)管失水收縮形成的毛細(xì)管張力下降，抑制了基層材料早期塑性收縮，這對于提高道路結(jié)構(gòu)的抗裂性能有著積極意義