纤维级配碎石的开发及路用性能研究(建筑材料学报)

纤维级配碎石的开发及路用性能研究纤维级配碎石的开发及路用性能研究 周卫峰 1 李彦伟1 苗乾2李源渊2张连营1 1 天津大学 管理与经济学部 天津 300073 2 天津市市政工程研究院 天津 300074 摘摘 要要 为提高级配碎石的路用性能 提出了在级配碎石中掺加纤维的思路 采用振动成型方法 以劈裂强度为标准 优化了纤维的种类 掺量及长度 采用自行开发的级配碎石剪切仪系统研究了 纤维级配碎石抗剪强度的影响因素 研究结果表明 围压 50KPa 下 纤维级配碎石抗剪强度最大可 提高 2 6 倍 含水量 压实度及粒径对抗剪强度影响显著 含水量增大 级配碎石抗剪强度减小 压 实度越大 纤维级配碎石抗剪强度增大 小粒径纤维级配碎石抗剪强度大 车辙实验结果表明纤维 的掺入显著提高了级配碎石的抗车辙能力 施工检测结果表明 研发的纤维分散均匀 纤维级配碎 石路表弯沉小于普通级配碎石的路表弯沉 同时表明纤维级配碎石柔性路面可用于重载交通 关键词关键词 道路工程 级配碎石 纤维 抗剪强度 抗车辙能力 Development Of Fiber graded Gravel And Performance Research ZHOU Wei feng1 LI Yan wei1 MIAO Qian2 LI Yuan yuan2 ZHANG Lian ying1 1 College of Management and Economics Tianjin University Tianjin 300073 China 2 Tianjin Municipal water content compaction and particle size has significant effects on the shear strength water content increases the shear strength decreases greater the degree of compaction shear strength increases small particle size fiber graded gravel has big shear strength Rutting test results show that the adding of fibers significantly improves graded gravel s rutting resistance Construction detection results show that the fibers self developed uniformly dispersed fiber graded gravel surface deflection less than ordinary graded gravel road surface deflection also shows that fiber graded gravel flexible road can for heavy duty transportation use Key words road engineering graded gravel fiber shear Strength rutting resistance 0 引言引言 半刚性路面是我国高等级公路的典型路面结构 20 多年高速公路的建设经验证明 半刚性基层材料 虽然具有强度高 稳定性好 造价低等优点 但同时也具有反射裂缝无法避免 易产生水破坏及寿命普 遍达不到设计要求的缺点 级配碎石作为柔性路面基层材料 具有渗水能力强 不产生反射裂缝 造价 比半刚性材料更低的优点 但具有强度低 抗剪切能力小 用于道路基层易产生塑性变形 从而导致路 面出现车辙的缺点 我国设计规范提出级配碎石基层适合于累计轴载小于 500 万次以下的道路使用 这 显然限制了级配碎石在高等级公路中的应用 1 2 目前的道路工程中 纤维的使用大多用于沥青混凝土及 水泥混凝土 而纤维应用于散体材料的最早研究来自于法国的纤维土 资料表明 3 5 在沙土中掺加千分之 一的纤维后 土的承载能力 抗冲刷能力及抗剪强度大大提高 为提高级配碎石的路用性能 本文提出 了在级配碎石中掺加特定纤维的思路 近年来我国学者对级配碎石的研究主要集中在级配碎石的力学参 数 6 9 及路面结构力学分析研究 10 14 上 如何从级配碎石材料设计的角度考虑提高其自身的路用性能的研 究则相对较少 本文采用振动成型设计级配碎石 同时研发了适用于级配碎石的专用纤维 克服级配碎石抗剪切能 力差 塑性变形大的缺点 为进一步提高级配碎石性能 充分发挥级配碎石的优点 使级配碎石柔性基 层应用于重载交通沥青路面具有积极的意义 1 纤维的研发纤维的研发 目前用于道路建筑材料的纤维添加剂主要有聚酯纤维 聚丙烯纤维 木质素纤维 矿物纤维及玻璃 纤维等 由于级配碎石是散体材料 纤维与集料密度相差悬殊 因此在选取纤维时 不仅要考虑级配碎 石力学性能的提高 同时要考虑纤维的耐久性及与集料密度的匹配 以保证施工中纤维的分散性 1 1 纤维长度与掺量的选择纤维长度与掺量的选择 首先采用振动成型法优化的连续嵌挤骨架密实级配 15 见表 1 实验采用振动成型试件 表 1 级配碎石骨架密实级配表 Tab 1 Graded gravel skeleton and dense gradation table Sieve size mm 31 5199 54 752 360 60 075 Pass rate 10078513421105 其次采用劈裂强度 即级配碎石的抗拉强度 做为标准 因为不掺加纤维的振动成型级配碎石试件 劈裂强度绝对值较小 本研究为 12 3KPa 掺加纤维后劈裂强度的变化比较明显 易于判定 且劈裂强 度实验相对简单 因此采用劈裂强度优化纤维掺量和长度 实验时采用的压实度为 98 每组用 13 个试 件 要求变异系数小于 20 选用常见的聚丙烯纤维 分别制成长度为 0 5cm 1cm 2cm 3cm 及 4cm 的试样 选用掺量为 0 1 0 2 0 3 及 0 4 的质量百分率进行实验 纤维及实验结果见图 1 图 2 图 1 实验用纤维及试件 Fig 1 Experiment with fiber and specimen 图 2 纤维级配碎石劈裂强度实验结果 Fig 2 Fiber graded gravel splitting strength results 由图 2 实验结果 无论纤维长度如何 掺加 0 1 纤维的级配碎石劈裂强度均有不同程度的提高 但 同时表明 从 1cm 开始 纤维长度越大 其劈裂强度增加愈小 从优化结果得出结论 纤维长度为 1cm 掺加质量比为 0 1 的级配碎石劈裂强度增加最大 为不掺加纤维的级配碎石的 152 据此 以纤维长度 1 2cm 掺量 0 1 优化纤维种类 1 2 纤维种类的确定纤维种类的确定 图 3 实验用纤维 Fig 3 Experiment with fiber 根据优化的纤维长度 选取 5 中满足要求的纤维 以掺量 0 1 进行劈裂强度实验 纤维见图 3 实 验结果如表 2 表 2 纤维种类优化结果表 Tab 2 Fiber types of optimization results table Fiber numberFiber typeSplitting strength kPa Without fiber 12 3 NO 1Polypropylene fibers 18 7 NO 2Polyester 17 5 NO 3Special polypropylene fibers 21 0 NO 4Polyethylene fiber 16 3 NO 5Lignin fiber15 2 Fiber length1cm Fiber length2cm Fiber length3cm Fiber length4cm Fiber length0 5cm The percentage of fiber quality Splitting strength KPa 由表 2 实验结果 不同种类的纤维掺入级配碎石后 其劈裂强度均有不同程度的提高 而尤以 3 号 专用聚丙烯纤维提高最为显著 其劈裂强度提高达 70 以上 3 号纤维为图 3 右边的纤维 据此 选用 3 号聚丙烯纤维 16 作为最终优化结果 其直径 1mm 长度 0 8 1 5cm 相对密度 0 91 拉伸强度 300MPa 回弹模量 3500MPa 2 纤维级配碎石的抗剪强度及影响因素纤维级配碎石的抗剪强度及影响因素 级配碎石结构层在使用过程中 主要承受由面层传递来的车轮竖向荷载作用 当荷载作用超过各种 粒径粒料之间相互嵌挤形成的抗变形能力时 导致塑性变形的产生 这种塑性变形的本质是粒料之间的 剪切变形 因此抗剪切能力是衡量其力学能力的重要参数之一 研制了测定级配碎石抗剪能力的专用仪器 17 对级配碎石的抗剪切强度及影响因素进行研究 用有限 元法计算分析了级配碎石柔性路面中的级配碎石结构层在标准轴载 BZZ 100 作用下的受力状况 以级配 碎石层中部靠近车轮内侧边缘的位置作为剪切破坏的最不利位置 对其围压进行计算 确定抗剪实验中采 用 50KPa 的围压 试件采用振动成型 掺加质量比为 0 1 聚丙烯纤维 每组试件为 13 个 变异系数小 于 20 剪切速率为 5mm min 2 1 围压及纤维的影响围压及纤维的影响 围压及纤维对级配碎石抗剪强度的影响见表 3 级配碎石剪切破坏见图 4 表 3 围压及纤维对级配碎石抗剪强度影响表 Tab 3 Confining pressure and fiber effect on the graded gravel s shear strength table Item 抗剪强度 kPa No confining pressure no fiber 373 No confining pressure add fiber432 No confining pressure no fiber 767 No confining pressure add fiber 991 图 4 级配碎石剪切破坏图 Fig 4 Gaded gravel shear failure figure 表 3 实验结果表明 围压的施加及纤维的掺入对级配碎石抗剪强度的提高均有显著影响 无围压的 情况下 掺加纤维后由于纤维的影响 级配碎石抗剪强度提高了 1 2 倍 有围压的情况下提高了 1 3 倍 不掺纤维的情况下 施加围压后 由于围压的影响 级配碎石抗剪强度提高了 2 1 倍 掺纤维后则提高了 2 3 倍 围压和纤维的共同作用 纤维级配碎石的抗剪强度更是提高了 2 7 倍 这说明 级配碎石在重载 交通作用下 随着围压的增大 其抗剪能力有很大提高 同时也说明 重载作用下 纤维对级配碎石抗 剪能力的提高的作用更加明显 2 2 含水量的影响含水量的影响 分别用最佳含水量 1 最佳含水量 最佳含水量 1 的试件进行抗剪强度试验 实验时施加围压 掺加 0 1 纤维 试验结果如表 4 所示 表 4 剪切强度随含水量变化 Tab 4 Shear strength change with moisture content Water contentOptimum moisture content 1 Optimum moisture content Optimum moisture content 1 Shear strength kPa 931991568 根据实验结果 含水量对级配碎石的剪切强度有很大影响 当级配碎石含水量小于最佳含水量时 其抗剪强度稍有降低 但当含水量大于最佳含水量时 其抗剪强度仅为最佳含水量时的 57 这说明在 级配碎石柔性基层的运营过程中 一定要注意路面的防排水 使级配碎石处于干燥或最佳含水量状态 2 3 压实度的影响压实度的影响 采用振动成型 制作纤维掺量 0 1 的压实度分别为 94 96 98 及 100 的试件 在 50KPa 的 围压及 5mm min 的条件下进行剪切实验 实验结果见图 5 图 5 剪切强度随压实度变化图 Fig 5 Shear strength change with the degree of compaction 由图 5 压实度对纤维级配碎石抗剪强度的影响可分为三个阶段 第一个阶段是当压实度由 98 下 降到 96 时 其抗剪强度稍有降低 降低了 17 第二个阶段是当压实度由 96 下降到 94 时 抗剪强 度急剧降低 仅达到 96 及 98 压实度时的 49 和 41 第三个阶段是当压实度由 98 提高到 100 时 抗剪强度急剧增加 提高了 1 5 倍 这一方面是由于压实度的提高 级配碎石内摩擦力大大增加 另一方 面 由于压实度的提高 集料排列更加紧密 纤维的加筋作用愈加显著 两者共同作用 使得高的压实 度的级配碎石抗剪能力大大提高 2 4 级配的影响级配的影响 对掺加 0 1 纤维的 最大粒径为 26 5mm 的级配碎石进行了剪切实验 并与最大粒径为 31 5mm 的 级配碎石进行对比 实验结果见表 5 表 5 不同级配的纤维级配碎石抗剪强度 Tab 5 Different gradations of fiber graded gravel s shear strength Maximum particle size mm 26 531 5 Shear strength kPa 1387991 Shear strength KPa Degree of compaction 由表 5 小粒径纤维级配碎石的抗剪切能力是大粒径纤维级配碎石的 1 4 倍 这主要是由于小粒径 级配碎石由于粒径小 一方面易得到较高的密实度 另一方面与纤维的接触面大大增加 纤维在级配碎 石中的加筋作用发挥的更加显著 从而提高了小粒径纤维级配碎石的抗剪切能力 3 纤维级配碎石的抗车辙能力纤维级配碎石的抗车辙能力 级配碎石柔性路面的主要破坏模式是路面永久变形 即在交通荷载作用下级配碎石由于剪切强度不 足导致的塑性变形 基于此 安排了车辙实验方案 以抗车辙能力验证纤维级配碎石抗剪切能力的提高 3 1 级配碎石级配碎石 沥青混凝土层方案沥青混凝土层方案 实验采用自制的 10cm 高的车辙试模 首先成型 8cm 厚的级配碎石 分别为掺加纤维及不掺加纤维 后于其上铺筑 2cmAC 10 改性沥青混凝土 在 60 下进行车辙实验 实验结果见表 6 表 6 级配碎石车辙实验结果 Tab 6 Graded gravel rut results Specimen Types60min Rut depth 0 1mm Dynamic Stability times mm Without fiber 21 652918 Polypropylene fibers mixed with 1 15 234617 由实验结果 掺加纤维的级配碎石的结构其抗车辙能力提高了 58 3 2 不同轮压下的级配碎石车辙方案不同轮压下的级配碎石车辙方案 制作 10cm 厚掺加纤维和不掺加纤维的级配碎石的车辙试件 分别于轮压 0 7MPa 和 1 0MPa 常温下 直接在级配碎石上进行车辙实验 实验结果如表 7 图 6 表 7 不同轮压下车辙实验结果 Tab 7 Rutting results under different wheel pressure Wheel pressure MPa Specimen types 60min Rut depth 0 1mm Dynamic Stability times mm Without fiber 44 5653 0 7 Polypropylene fibers mixed with 0 1 27 31906 Without fiber 240 Manual measurement serious rut unable to experiment 1 0 Polypropylene fibers mixed with 0 1 31 11216 图 6 级配碎石车辙实验 Fig 7 Graded gravel rut experiment 对于直接在级配碎石上进行的车辙实验 其车辙的产生主要是由于压密和剪切力产生的 0 7MPa 的 压力下 纤维级配碎石的动稳定度提高了 2 9 倍 60min 车辙深度为不掺纤维的 61 因为级配碎石试件 的压实度是相同的 因此车辙深度及动稳定度的差异主要是由抗剪强度的大小决定的 这就说明纤维的 掺加使得级配碎石抗车辙能力大大提高 为进一步认识重载作用下纤维级配碎石的抗车辙能力 将车辙实验轮压提高到 1 0MPa 结果表明不 掺纤维的级配碎石变形严重 仪器已无法采集数据 人工量测的车辙深度为 2 4cm 而纤维级配碎石抗车 辙能力则很强 与 0 7MPa 相比 车辙深度仅增加 13 动稳定度仅下降 34 这进一步说明重载作用下 纤维在级配碎石中对抗剪强度和抗车辙能力的提高作用更加显著 4 纤维级配碎石机理分析纤维级配碎石机理分析 纤维级配碎石实质上是一种复合材料 纤维主要是通过机械加筋作用及与集料表面的微粘结作用改 变级配碎石的力学性能 首先 纤维掺入级配碎石后 纤维在级配碎石基体中形成了三维的网状架构 构成一个连续的三维 加筋网 对级配碎石各个方向的应变起到一定的限制 改变了复合材料的应力状况 有效地提高了复合材料的强度 其次 级配碎石没有抗拉能力 纤维掺入后 与集料表面紧密接触 在 荷载作用下 集料与纤维的微粘结作用与摩擦力共同作用使得纤维的抗拉能力在复合材料中发挥作用 而且荷载作用越大 抗拉能力表现越显著 从而提高了纤维级配碎石的抗剪切能力 同时又克服了水泥 胶结料带来的刚度大 易产生裂缝 易疲劳破坏等缺点 5 实验工程实验工程 2013 年 10 月于山西阳左高速公路的某特重交通连接线上 设计期内累计交通轴次大于 7000 万次 铺筑了 1000m 实验工程 实验工程路面结构为 4cmAC 13 改性沥青混凝土 6cmAC 20 沥青混凝土 8cmAC 25 沥青混凝土 54cm 级配碎石 级配碎石分三层铺筑 其中 500m 级配碎石基层材料均为纤维 级配碎石 纤维掺量 0 1 其余 500m 不掺纤维 5 1 配合比设计配合比设计 级配碎石均采用振动成型法设计 采用重型击实法进行对比 设计结果见表 8 其中剪切试验时采 用围压 50KPa 表 8 实验工程级配碎石配合比设计结果 Tab 8 Experimental Engineering graded gravel mix design results Heavy compaction Vibration molding Item Graded gravel Fiber graded gravelGraded gravel Fiber graded gravel Maximum dry density g cm3 2 4282 4222 5112 502 Optimum moisture content 4 84 84 54 5 CBR 175202258325 Shear strength KPa 557852 Splitting strength KPa 13 722 3 5 2 纤维级配碎石的施工纤维级配碎石的施工 级配碎石采用连续式拌和机生产 含水量按最佳含水量 0 5 控制 采用自行研发的专用纤维添加设 备连续添加 见图 7 摊铺机摊铺 自重 22 吨单钢轮振动压路机振动碾压 6 遍以 要求压实度达到振动 成型最大干密度的 98 以上 图 7 纤维添加设备图 Fig 7 Adding fiber equipment figure 5 3 工程检测结果工程检测结果 压实度大小对级配碎石路用性能极其重要 灌沙法检测的 59 个压实度数据表明压实度为振动成型最 大干密度的 97 1 101 8 平均 99 2 压实度代表值 98 4 纤维的分散程度是研究成果是否能够应用于实际工程的核心 对纤维级配碎石灌砂法的 26 个样品中 的纤维含量进行检测 纤维质量百分率为 0 07 0 14 平均 0 11 变异系数 23 检测结果表明 纤 维分散较均匀 能够满足工程要求 路表弯沉检测结果见表 9 表 9 实验工程弯沉检测结果 Tab 9 Experimental works deflection test results Sections Measuring points quantity Deflection mean 0 01mm Deflection representative value 0 01mm Graded gravel 5013 318 1 Fiber