聚乙烯醇纤维水泥稳定碎石的疲劳性能研究
时间：2023-02-24 21:45:04 来源：千叶帆 本文已影响人
熊延华，屈会朋，阳应荣，汪晓洪
(1.贵州省公路建设养护集团有限公司，贵阳 550000；
2.苏交科集团股份有限公司，南京 211112)
水泥稳定碎石材料作为半刚性基层广泛应用于我国各等级道路工程中，具有强度高、抗变形能力强、水稳定性好、承载力大的优势。水泥稳定碎石材料的应用，有效改善了道路结构层的受力状况，使得我国沥青路面结构中的沥青层厚度较欧美地区道路大幅降低[1-2]，节约了大量的建设资金。然而，较低的水泥剂量导致其抗拉性能和变形能力较差，交通荷载和环境因素耦合作用下导致的疲劳开裂成为半刚性基层的主要病害[3]。半刚性基层的疲劳开裂不仅造成其自身承载能力下降，同时，随着裂缝逐渐发展，会导致沥青面层产生反射裂缝，使路面水进入道路结构内部，造成面层与基层材料的水损害。半刚性基层开裂导致的路面病害一直是困扰我国高速公路建养的重要问题之一。
近年来，纤维、钢渣、风积沙、橡胶颗粒等大量外掺材料被引入水泥稳定碎石材料中，以期获得力学性能、收缩性能和疲劳性能的提升[4-6]。同时，为了解决我国砂石资源日益短缺的资源问题和建筑垃圾造成的环境难题，相关学者对建筑垃圾在水泥稳定碎石材料中的应用开展了大量的研究[4,7-8],为克服材料自身缺点、减少半刚性基层病害、延长道路使用寿命提供了切实可行的理论支持。半刚性基层疲劳性能欠佳引起的自身开裂及反射裂缝，是水泥稳定碎石材料在应用中亟待解决的问题。纤维增强技术是指在水稳材料中添加聚丙烯纤维、玄武岩纤维或聚酯纤维等，一方面，纤维的加入起到加筋作用，提高材料的力学强度[9-10]，另一方面，纤维的加入对水化过程中的失水机理产生影响，能够改善材料的干缩效应[11-13]。
Zhang等[14]研究了聚丙烯纤维对水稳碎石力学性能和收缩性能的影响，发现纤维的加入可以提高材料的强度，降低抗折弹性模量且能有效降低水泥稳定碎石的平均干缩系数和平均温缩系数。Zhao等[12]通过室内抗压试验和劈裂试验研究了聚乙烯醇(polyvinyl alcohol， PVA)纤维长度和掺量对水泥稳定碎石力学性能的影响，结果表明不同长度的纤维均能提高抗压强度和劈裂强度，试验中所用水泥稳定碎石材料的PVA纤维长度为12～24 mm,掺量为0.6～0.9 kg/m3。中国矿业大学的刘志军等[15-16]通过收缩和力学试验探究了掺加聚酯纤维水泥稳定碎石的失水率、收缩系数、抗压强度、破裂强度和压缩回弹模量随材料龄期及纤维掺量的变化规律，根据失水率确定的最佳纤维掺量为0.7%(质量分数)，其他性能方面均优于不掺纤维的水泥稳定碎石材料，另外将纤维对水泥稳定碎石失水的影响分为两个方面“失水表面效应”和“失水孔洞效应”，分别会加大或减小其干缩。Ma等[17-18]通过冻融试验和疲劳弯曲探究发现聚丙烯纤维的掺入提高了冻融抗压强度和冻融劈裂强度，并大大降低了质量损失率，且在同等应力水平下的疲劳寿命较普通水稳碎石提高1.0～4.2倍。Yuan等[19]研究了PVA纤维分散度对水泥稳定碎石路用性能的影响，并对纤维分散度进行表征。Zhao等[13]研究了PVA纤维增强水泥稳定碎石基层的抗裂和力学性能，并利用抗裂指数对其抗裂性能进行评价。
PVA纤维具有强度高和模量高的特点，将其用于改善水泥稳定碎石材料性能，可以提高其抗折强度和抗裂性能，延长半刚性基层的使用寿命。根据国内外研究现状的总结，目前有关水泥稳定碎石纤维增强技术的研究主要集中在分散性、力学性能、收缩性能和路用性能上，对疲劳性能的研究尚不多见。本文基于无侧限抗压强度试验确定PVA纤维的最佳长度和掺量，基于劈裂试验开展PVA纤维对水泥稳定碎石疲劳性能的研究，为PVA纤维在水泥稳定碎石半刚性基层材料中的应用提供依据。
1.1 原材料
选用的PVA纤维为银白色，直径约为5 mm。其技术指标见表1。选用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，相关技术指标测试结果如表2所示，均符合规范[20]要求。
表1 聚乙烯醇纤维技术指标Table 1 Technical index of polyvinyl alcohol fiber
表2 普通硅酸盐水泥技术指标Tbale 2 Technical index of ordinary portland cement
1.2 级 配
采用集料为陕西料场生产的石灰岩集料，经检测其各项技术指标符合规范要求。采用规范推荐的骨架密实级配范围中值，具体级配见表3。
表3 水泥稳定碎石材料级配Table 3 Gradation of cement stabilized crushed stone materials
1.3 试验方法
无侧限抗压强度试验和疲劳试验均采用MTS810型万能试验机。无侧限抗压强度试验参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)[21]，通过7 d无侧限抗压强度的变化规律确定纤维最佳掺量和长度。试验所用水泥用量为4%(质量分数，下同)，纤维掺量分别为0%、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%(质量分数，下同)，纤维长度分别为12 mm、18 mm、24 mm、30 mm。
在疲劳试验中，加载方式选择与实际工况较为吻合且具有良好重现性的应力控制模式。试验温度为15 ℃，荷载作用频率选择10 Hz，荷载加载波形为半正矢正弦波形，循环特征值为0.1，即循环应力最小值与最大值的比值。选择应力水平0.70、0.75、0.80、0.85进行试验，应力比定义为循环应力最大值与极限劈裂强度的比值。根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)对无纤维普通水泥稳定碎石和PVA纤维水泥稳定碎石在3%和4%的水泥用量下进行室内劈裂疲劳试验，养护龄期为90 d，纤维长度和掺量分别为24 mm和0.06%。
2.1 无侧限抗压强度试验
对不同纤维长度和掺量的水泥稳定碎石材料进行无侧限抗压强度试验，结果如图1所示。
图1 纤维长度、掺量与无侧限抗压强度三维拟合图Fig.1 Three dimensional fitting diagram of fiber length,content and unconfined compressive strength
从纤维掺量与无侧限抗压强度两个维度的关系可以发现，当纤维长度固定不变时，随着纤维掺量的增加水泥稳定碎石的无侧限抗压强度逐渐升高，达到最大值后出现下降，纤维掺量存在最佳值；
类似地，从纤维长度和无侧限抗压强度两个维度的关系可以发现，当纤维掺量不变时，PVA纤维水稳碎石的无侧限抗压强度同样是先升高后降低，且存在峰值，各掺量的峰值均出现在纤维长度24 mm附近。从纤维长度、掺量和无侧限抗压强度的三维关系来看，曲面呈现四周低中间高的单峰形状，PVA纤维的最佳长度和掺量分别是24 mm和0.06%，在最佳长度和掺量下，PVA纤维水泥稳定碎石无侧限抗压强度较不掺加纤维的普通水泥稳定碎石提高24%。
水泥稳定碎石基层材料是由骨料、水化产物、孔隙组成的一种多相材料，其强度来源主要是水泥水化产物的粘聚力和集料之间的嵌挤力。将强度高、韧性好的PVA纤维掺入水泥稳定碎石半刚性基层材料，分散的纤维在水化产物中起到加筋作用，当材料受拉时，镶嵌在各个位置和方向的PVA纤维产生与破坏方向相反的阻力，从而提高材料的抗裂性能。PVA纤维长度的增加导致其与水稳材料的接触面积增大，进而提高了单根纤维与水泥稳定材料的摩擦力，使其更加牢固地镶嵌在半刚性材料中，因此在一定范围内无侧限抗压强度随纤维长度的增加有所提高。另外，在纤维长度一定的条件下增加纤维掺量，意味着单位体积内纤维数量增加，这时分担在每一束纤维上的应力下降，从整体来看，水泥稳定碎石材料的力学性能得到增强。但PVA纤维过多或长度过长时，会导致其在水泥稳定碎石中的分散性变差，缠绕在一起出现结团现象，阻滞了纤维的加筋作用。
根据图1所示的试验结果，PVA纤维对水泥稳定碎石性能改善存在极值，纤维最佳掺量为0.06%，最佳长度为24 mm。
2.2 劈裂试验
对两种水泥稳定碎石材料进行劈裂试验，结果见表4。由表4可知，水泥用量的增加和纤维掺量的增加均可提高水泥稳定碎石的劈裂强度，且相比不掺纤维的普通水泥稳定碎石，最佳掺量和长度下的PVA纤维水泥稳定碎石的劈裂强度增长约26%。可见，PVA纤维的掺加对水泥稳定碎石材料抗拉性能具有较好的改善效果。这是因为PVA纤维均匀分散在胶凝材料中形成网状结构，在材料产生受到劈裂作用有开裂倾向或产生微裂缝时，PVA纤维承担一部分拉力阻止材料继续开裂,起到了加筋作用。同时，可以发现在掺加PVA纤维条件下，水泥用量的增加对材料劈裂性能的提升更加明显。究其原因，水泥用量的增加使水稳碎石中的胶凝材料占比增大，PVA纤维更牢固地镶嵌其中，减少了纤维由于摩擦力不足发生相对滑移的现象，因此水泥用量的增加和纤维作用的发挥具有协同增强效果。
表4 劈裂试验结果Table 4 Splitting test results
2.3 疲劳试验及基于威布尔分布的结果分析
对普通水泥稳定碎石和最佳PVA纤维长度、掺量下的水泥稳定碎石进行疲劳试验，结果如表5所示。
表5 疲劳试验结果Table 5 Fatigue test results
从表5可以看出，疲劳寿命(N)随应力水平(S)的变化呈相同的趋势，随应力水平增大，疲劳寿命逐渐降低。并且，疲劳寿命与应力水平之间离散性较大，因此，疲劳数据难以分析。研究表明，Weibull分布可以有效地对混合料疲劳寿命进行分析。因此本文采用Weibull分布中的两参数方程对疲劳寿命与应力水平关系进行分析，失效概率(P)必须满足疲劳方程,如式(1)所示。
(1)
通过对数变换将式(1)转换为式(2)。
(2)
将表5中疲劳试验数据带入式(2)，得到m0、lnt和R2，如表6所示。将表6中回归系数的值代入式(2)，得到不同应力水平下试样的等效疲劳寿命，如表7所示。
表6 疲劳试验数据Weibull分布检验结果Table 6 Test results of Weibull distribution of fatigue test data
表7 不同应力水平下试样的等效疲劳寿命Table 7 Equivalent fatigue life of samples under different stress levels
建立疲劳方程,水稳碎石疲劳寿命与应力水平呈线性关系，如式(3)所示。
lgN=a-blgS
(3)
疲劳方程中系数a和b分别为直线的截距和斜率。系数a为疲劳曲线的截距，疲劳寿命N随着a值增大而增加，即a值越大，混合料疲劳性能越好；
系数b反映疲劳寿命受应力水平变化影响的敏感性，即b值越小，疲劳性能越好。疲劳方程参数和相关系数见表8。
表8 不同失效概率下疲劳方程参数及相关系数Table 8 Fatigue equation parameters and correlation coefficients under different failure probabilities
根据表8中所列的回归系数，在水泥用量为4%的情况下，建立了5%和50%失效概率下的疲劳方程，如式(4)～(7)所示。
PT-5：
lgN=-10.703 lgS+1.415 6
(4)
PT-50：
lgN=-10.102 lgS+1.745 4
(5)
PVA-5：
lgN=-9.279 3 lgS+2.535 1
(6)
PVA-50：
lgN=-9.168 1 lgS+2.689 9
(7)
图2显示了根据式(4)～(7)得到的普通水泥稳定碎石和PVA纤维水泥稳定碎石在5%和50%失效概率下的疲劳曲线。疲劳方程中回归系数a越大，回归系数b越小，水泥稳定碎石在应力作用下的疲劳性能越好。
从表8和图2可以看出，在不同的失效概率下，lgS和lgN呈线性趋势，相关系数R2>0.9。在失效概率下，PVA纤维水泥稳定碎石回归系数a较大，回归系数b较小，在水泥用量为4%时，掺PVA纤维与不掺纤维水泥稳定碎石斜率b之比为0.94～0.99，截距a之比为1.06～1.23，结果证明了PVA纤维可以较为显著地提高水稳碎石的疲劳寿命。
图2 试样的疲劳曲线Fig.2 Fatigue curves of samples
PVA纤维在混合料中会分散开，使得水泥稳定碎石材料在外部压力作用下产生横向膨胀约束,从而使水泥碎石材料破坏过程延迟,在一定程度上缓解了外部压力的不利影响。PVA纤维能够增强水稳碎石材料界面的薄弱层,提升材料的抗变形能力。当水稳碎石基层在横向受到拉应力时，纤维在混合料中起到了加筋阻滞作用，降低了裂缝的扩展速率，当应力消失时，纤维自身良好的弹性特性使得其能恢复变形。因此，PVA纤维可以很好地改善水稳碎石的疲劳性能。
从表8还可以看出，疲劳方程参数a、b受水泥因子影响明显，水泥用量增加，a增大，b减小，此时试件的抗疲劳性能更优越。水泥用量的提高可以一定程度上增加水泥石的胶结性,从而使水泥石和集料表面之间的粘结性进一步加强,间接提升了水稳碎石的强度，并增强其抗变形能力。水泥用量的变化对PVA水泥稳定碎石的疲劳性能影响较为灵敏和显著。
(1)PVA纤维对水泥稳定碎石的强度有明显的改善效果，但纤维掺量和长度有一定的范围限制，当水泥用量为4%时，PVA纤维最佳掺量为0.06%，最佳长度应不超过24 mm。
(2)与普通水泥稳定碎石相比，在PVA纤维最佳掺量和长度下，PVA纤维水泥稳定碎石的无侧限抗压强度提高约24%，劈裂强度提高约26%。
(3)在不同失效概率下，掺PVA纤维的水泥稳定碎石疲劳性能优于普通水泥稳定碎石，体现在水泥用量为4%时，PVA纤维水泥稳定碎石与普通水泥稳定碎石的疲劳方程斜率b之比为0.94～0.99，截距a之比为1.06～1.23，表明PVA纤维可以显著提高水泥稳定碎石的疲劳寿命。
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