柔性路面半刚性基层材料失水速率试验

关键词：半刚性基层； 失水速率； 收缩；  开裂

文献标识码  U416. 1       中图分类号  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

  我国的高等级公路基本采用沥青混合料路面，称为柔性路面。柔性路面结构刚度较小，在车辆荷载作用下易产生较大的弯沉变形。车辆荷载通过路面结构传递给基层，基层结构层的主要作用则是承受荷载，因此要求其具有较稳定的性能。 

　　柔性路面的基层结构一般是用二灰土或石灰土作底基层，基层为二灰碎石或水泥稳定碎石。用水泥、石灰等无机结合料处置碎（砾）石及含有水硬性结合料的工业废渣修筑的基层，在前期具有柔性路面的力学性质，后期强度和刚度增长，但是最终强度和刚度仍小于水泥混凝土。这种基层材料的刚性处于柔性路面与刚性路面之间，称为半刚性基层。二灰稳定碎石（无机胶结材为石灰、粉煤灰）半刚性基层具有明显的水硬性和板体性，可形成较高的强度和刚度，有较高的抗疲劳破坏能力，半刚性基层材料以其优良的工程性能和显著的经济效益，广泛应用于高等级公路和城市道路中。

　　但是半刚性基层在铺筑早期，特别在沥青混合料面层未施工前，受养护不当或阳光暴晒等因素的影响，基层材料因失水产生收缩，导致早期裂缝。柔性路面层施工后，在交通荷载作用下，这些裂缝可能会扩展，严重时反射至面层形成“反射裂缝”，导致路面结构逐渐破坏，沥青路面开始出现破损，弯沉迅速增大。为了减缓半刚性基层材料的失水速率，笔者在石灰粉煤灰碎石半刚性基层材料中掺入抗碱玻璃纤维或聚丙烯纤维，对其进行失水速率对比试验。目的是减少半刚性基层材料的早期失水率，防止产生早期收缩，提高其抗裂性能，这对减少道路干缩裂缝，延长道路使用寿命具有现实意义。

1原材料

　　石灰：经充分消解和干燥后的二级消石灰粉，有效钙镁含量为62.8%，过0.15mm筛孔处理，筛余量为0。细度和活性成分符合《公路路面基层施工技术规范》JTJ034-2000规定的指标。

　　粉煤灰：经烘干后再过筛处理，过0.075mm筛孔的筛余量为0。其有效成分含量见表1。

纤维材料：郑州安达化工有限公司的耐碱标准短切纱（含ZrO2），长24mm。美国希尔兄弟化工公司生产的聚丙烯纤维，规格19mm。

矿质集料：经筛分试验，集料符合《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034-2000）对二灰碎石基层的集料级配要求。

2试  验

2.1试件配合比及其基本参数

试验采用石灰粉煤灰稳定碎石基层材料（以下简称二灰碎石基层），击实试验确定其最佳含水量7.4%，最大干密度2.13g/cm3。掺入纤维为抗碱玻璃纤维和聚丙烯纤维两个品种，各种试件配合比见表2。  

按表2配合比制作尺寸为φ15×15cm的圆柱体试件，采用静压法成型，成型压力520~580KN，恒压时间约2min。如果试件中掺入纤维，为防止出现反弹，成型时适当延长恒压时间。试件压实度控制在98%。试件成型后当即脱模，用塑料袋密封，随后存放在温度20±2℃，相对湿度大于95%的标准养护室中。

2.2 试验方法

按2中方法制作的试件，养护至60d龄期。试件浸水24h后称取试件饱水质量并记录。然后置于自然干燥环境中，每个试件下方垫小木条，使试件架空，保持整个试件周围空气的均匀流通。然后每隔24h称取试件质量并作好记录，当24h中失水质量小于5g时，则改为每隔48h称取试件质量，如果48h中失水质量小于5g时，则延长测取试件质量的时间，直至试件恒重时终止试验。

3 结果与分析

干燥失水试验采用二灰碎石基层材料，分别掺入抗碱玻璃纤维和聚丙烯纤维。其中抗碱玻纤采取4个掺量，聚丙烯纤维采用2个掺量，素二灰碎石基层材料则为对比样。失水试验共进行49天，根据每次称取的试件质量，按下式计算试件的失水质量与失水率。  

图1反映了二灰碎石基层试件与掺入抗碱玻纤二灰碎石试件的干燥时间与失水量的关系。图中R曲线为不掺纤维的素二灰碎石试件，其失水曲线处于最高位置，说明在整个试验过程中，失水较快，失水率较大，掺玻璃纤维的全部试件，失水曲线均位于素二灰碎石试件之下，表明玻纤二灰碎石基层试件失水率相对较低。但在整个试验过程中失水率最低的试件编号为R-B2，此时玻纤掺量为0.10%（wt.）。

图2是玻纤二灰碎石基层试件的早期失水曲线，可以进一步说明纤维掺量与试件失水率之间的关系。

图2表明了早期（7d）玻纤掺量与试件失水率之间的关系。图中可见1d曲线较平缓，表明试件失水率大致相同，失去的主要是表面水，纤维在1d时没有发挥明显作用；随着干燥时间增长，掺玻璃纤维的试件失水率逐渐小于素二灰碎石试件并形成一定规律，曲线呈一V字形状。从2d开始，逐步失去试件内部水分，这时玻璃纤维的存在有效地阻止了水分的散失，即失水速率迅速降低。当玻纤掺量从0增加至0.05%、0.10%时，失水率大大下降，但玻纤掺量再增加时，图中表明的0.15%和0.20%时，失水率却有所增长，但未超过素二灰试件。表明就失水率而言，并不是玻纤掺量越高，失水率越低，存在着玻纤最佳掺量，此处为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 
　
　　图3是聚丙烯纤维二灰碎石试件失水量随时间的变化关系。

　　图3中可见，R曲线为不掺纤维的素二灰碎石试件，干燥时间在25d前，其失水曲线处于最高位置，说明在早期干燥的相当一段时间内，R试件失水较快，失水率较大，而掺聚丙烯纤维试件的失水曲线均位于素二灰碎石（R）试件之下，表明聚丙烯纤维二灰碎石试件失水量相对较低。在整个试验过程中失水率最低的试件编号为RD2，此时聚丙烯纤维掺量1000g/m3，聚丙烯纤维能有效阻止二灰碎石基层在干燥环境下失去水分。但是，我们并不能认为1000g/m3掺量即为二灰碎石试件中聚丙烯纤维的最佳掺量，因为有可能在一定的范围内，随着聚丙烯纤维掺量的增加，失水量还会继续减小。    

图4是二灰碎石基层试件早期（7d）失水率与聚丙烯纤维掺量的关系。图中可见1d时三种试件失水率大致相同，此时失去的主要是表面水，纤维在1d时没有发挥明显作用；随着干燥时间增长，掺聚丙烯纤维的试件失水率逐渐小于素二灰碎石试件并形成一定规律，图中每条曲线呈近似直线，其斜率绝对值的大小反映了试件失水率与聚丙烯纤维掺量的变化关系。斜率绝对值愈大，表明随着聚丙烯纤维掺量的增加，失水率愈小。由于试验中只采用聚丙烯纤维两个掺量，试件失水率与纤维掺量曲线并没有像图2那样出现V字形状，可见随着聚丙烯纤维掺量的增加可使失水率进一步降低。

纤维半刚性基层材料失水率降低的意义在于，在道路工程中，半刚性基层材料的收缩一般发生在道路基层铺筑后的初期，一是由于此时暴露在表面的基层材料水分急剧蒸发，引起失水收缩；二是造成基层表面和内部含水率的差值，干湿差太大则产生拉应力，基层材料在早期尚未形成足够强度时，则产生早期裂缝，形成道路使用后粗大裂缝的发源地。在基层材料中掺入纤维后，与未掺纤维的基层材料相比，首先，由于表层材料中存在纤维，使其失水面积减小，水分迁移较为困难，从而使毛细管失水收缩形成的毛细管张力有所减少；其次，纤维在基层材料中的三维分布形式大大有助于削弱基层材料在早期的塑性收缩，收缩的能量被分散到数千万条具有高抗拉强度而弹性模量相对较低的纤维单丝上，从而有效地增加了半刚性基层材料的韧性，抑制了基层材料轻微裂缝的产生和发展。此外，依靠纤维和基材中无机结合料之间的界面吸附粘结力，机械啮合力等，增加了材料抵抗塑性开裂的能力，从而使失水收缩产生的应力小于材料抗拉强度，材料内部开裂状况有效减轻。

4 结  论 

（1） 在半刚性（二灰碎石）基层材料中掺入抗碱玻纤或聚丙烯纤维，均可有效地降低其早期失水速率。

（2） 抗碱玻纤掺量在0.05%（wt.）~0.20%（wt.）范围内，能使二灰碎石基层材料的早期失水速率下降。但并不是玻纤掺量越高，试件失水率越低。就失水速率而言，二灰碎石中抗碱玻纤最佳掺量为0.10%左右。与素二灰碎石基层试件相比，可使7d失水速率下降35%。

（3） 聚丙烯纤维掺量在500g/m3~1000g/m3内，且随聚丙烯纤维掺量的提高，基层材料失水速率减缓。当聚丙烯纤维掺量在1000g/m3，与素二灰碎石基层试件相比，7d失水速率下降31%。有可能在一定的范围内，随着聚丙烯纤维掺量的增加，失水率还会继续减小。在聚丙烯纤维掺量大于1000g/m3时，存在聚丙烯纤维的最佳掺量。

（4） 柔性路面半刚性基层材料早期干缩与其失水速率存在一定关系。基层材料中纤维的存在使其失水面积减小，水分迁移困难，从而使基层内毛细管失水收缩形成的毛细管张力下降，抑制了基层材料早期塑性收缩，这对于提高道路结构的抗裂性能有着积极意义