碎石混合料自愈合性能研究范文

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《公路交通科技雜志》2015年第十二期

我國瀝青路面基層大量采用半剛性材料，其中水泥穩(wěn)定碎石混合料以其高強(qiáng)度和良好的穩(wěn)定性及顯著的經(jīng)濟(jì)效益，廣泛應(yīng)用于公路建設(shè)中，是我國高等級公路路面基層主要結(jié)構(gòu)形式。然而實(shí)踐表明，路面結(jié)構(gòu)性病害諸如早期水損害、坑槽、裂縫、車轍等，不同程度地與半剛性基層相關(guān)［1］。由于半剛性基層材料滲透性較差，水通過反射裂縫到達(dá)基層后，不能迅速排出，進(jìn)而造成基層結(jié)構(gòu)性損壞［2］。由此可見，半剛性基層的主要缺陷是開裂。20世紀(jì)90年代，美國密歇根大學(xué)高等混凝土材料實(shí)驗(yàn)室的Li等人以水泥、粉煤灰以及平均粒徑110μm的石英砂作為基體，聚乙烯醇纖維(PolyvinylAlcohol，PVA)作為增強(qiáng)材料，制成了PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(PolyvinylAlcoholEngineeredCementitiousComposite，PVA－ECC)［3］。

它的自愈合很容易，只需要幾場雨就夠了。對于PVA－ECC的自愈合，國內(nèi)外已有較多的研究，而將PVA－ECC加入普通路面基層材料的自愈合卻鮮有報(bào)道。本文將制備PVA－ECC的主要原材料，按一定比例摻入普通路面基層材料中，通過與水泥穩(wěn)定碎石混合料(CementStabilizedCrushed－stoneMixture，CCR)的對比試驗(yàn)研究，尋求找到一種新型的具有自愈合能力的路面基層材料———PVA－ECC穩(wěn)定碎石混合料(PVA－ECCStabilizedCrushed－stoneMixture，PECR)。實(shí)驗(yàn)室通過振動(dòng)壓實(shí)方法成型試件［4］，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，比較兩種材料力學(xué)性能的優(yōu)劣，并將這兩種材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)后的開裂試件置于不同環(huán)境條件下(包括置于戶外、標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)、干濕循環(huán))，通過其抗壓強(qiáng)度的變化來研究其自愈合程度，結(jié)論可為路面基層材料開裂后愈合問題的解決提供幫助。

1試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)用材料主要包括石灰?guī)r集料、水泥、粉煤灰、石英砂及纖維。石灰?guī)r碎石取自湖南茶陵縣，粗、細(xì)集料均參照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE42—2005)中相關(guān)方法進(jìn)行取樣檢測，試驗(yàn)結(jié)果表明各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。水泥為湖南某公司生產(chǎn)的P.O32.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為湖南某電廠生產(chǎn)的F型普通粉煤灰。水泥、粉煤灰技術(shù)指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范的技術(shù)要求。F110石英砂(平均粒徑為110μm)由湖南某公司提供。纖維為上海某公司生產(chǎn)的PVA纖維。

2混合料設(shè)計(jì)

2.1級配選擇水泥穩(wěn)定碎石混合料、PVA－ECC穩(wěn)定碎石混合料集料級配均選用《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD50－2006)中骨架密實(shí)級配中值。集料級配見圖1。

2.2配合比的確定對水泥穩(wěn)定碎石混合料(CCR)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，當(dāng)水泥劑量為4.5%時(shí)，混合料7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于4.5MPa，滿足規(guī)范要求，其最大干密度和最佳含水量如表1所示。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究，PVA－ECC材料最佳配合質(zhì)量比為m(水泥)∶m(石英砂)∶m(粉煤灰)∶PVA(纖維)=27∶22∶33∶1.4，由CCR最佳水泥劑量為4.5%，經(jīng)換算，PVA－ECC穩(wěn)定碎石混合料(PECR)配合質(zhì)量比為m(水泥)∶m(粉煤灰)∶m(石英砂)∶m(PVA纖維)∶m(石灰?guī)r碎石)=4.5∶5.5∶3.67∶0.234∶100。對CCR、PECR材料進(jìn)行振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)，確定最大干密度和最佳含水量。選用面壓力約為0.1MPa，激振力約6800N，振動(dòng)頻率28～30Hz，偏心塊的夾角為60°［9］。振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見表1。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1試驗(yàn)結(jié)果把振動(dòng)壓實(shí)法成型的150mm×150mm圓柱體試件，置于相對濕度大于90%，溫度為(25±2)℃的養(yǎng)護(hù)室中，養(yǎng)護(hù)至設(shè)定齡期，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測得7d，28d，90d齡期試件抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可知，標(biāo)準(zhǔn)試件28d強(qiáng)度與90d強(qiáng)度相差不大，強(qiáng)度隨齡期增長緩慢，為盡可能減小強(qiáng)度隨齡期增長對自愈合性能的影響，采用28d齡期相關(guān)強(qiáng)度來評測材料自愈合性能。28d齡期CCR、PECR試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)后，試件破損、開裂、邊角缺損，但試件整體保持完好，將這些受壓后開裂的CCR、PECR試件分為4組，第1組試件再受壓一次，即破壞后的試件在外荷載作用下，抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，得到28d殘余強(qiáng)度;第2組試件置于戶外(湖南省茶陵縣，4～7月)并暴露在大氣中，至試件齡期89d，飽水24h，測得置于戶外自愈合至90d抗壓強(qiáng)度;第3組試件置于相對濕度大于90%，溫度為(25±2)℃養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)至89d，飽水24h，測得置于標(biāo)養(yǎng)室自愈合至90d抗壓強(qiáng)度;第4組試件置于水中24h后，再置于實(shí)驗(yàn)室空氣中24h，這一過程稱為一個(gè)干濕循環(huán)［10］。經(jīng)過31次干濕循環(huán)后，測得經(jīng)干濕循環(huán)自愈合至90d抗壓強(qiáng)度。測得的具有95%保證率的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表2，采用振動(dòng)法成型的試件，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯高于靜壓法成型試件。

3.2PVA－ECC穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強(qiáng)度由表2，相對于水泥穩(wěn)定碎石混合料(CCR)，PVA－ECC穩(wěn)定碎石混合料(PECR)7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高出42%，28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高出13%，90d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高出26%。可見，PECR抗壓強(qiáng)度優(yōu)于CCR。

3.3PVA－ECC穩(wěn)定碎石混合料的自愈合性能通過開裂試件經(jīng)標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)生至90d齡期的自愈合強(qiáng)度與28d齡期試件殘余強(qiáng)度的比值，來評價(jià)材料的自愈合程度。由圖2可知，水泥穩(wěn)定碎石混合料(CCR)自愈合強(qiáng)度與其28d殘余強(qiáng)度近似相等，僅為標(biāo)準(zhǔn)試件28d強(qiáng)度的76%，試件的自愈合并不明顯。PVA－ECC穩(wěn)定碎石混合料(PECR)經(jīng)自愈合后的抗壓強(qiáng)度達(dá)到其28d殘余強(qiáng)度的1.6倍，比PECP標(biāo)準(zhǔn)試件28d強(qiáng)度高出12%，甚至接近PECR標(biāo)準(zhǔn)試件90d強(qiáng)度，PECR的自愈合能力顯而易見，其自愈合后抗壓強(qiáng)度提高57.3%。PVA－ECC穩(wěn)定碎石混合料具有良好的自愈合能力，是因?yàn)樵诖髿庵蟹胖脮r(shí)，PVA－ECC材料水化產(chǎn)物氫氧化鈣會吸收空氣中的二氧化碳，生成碳酸鈣。碳酸鈣是自愈合產(chǎn)物的主要結(jié)晶相。主要通過以下反應(yīng)生成對于28d齡期的開裂試件，其中膠凝材料(水泥、粉煤灰)的水化不會完全，在混合料中仍留存有部分未水化的水泥、粉煤灰顆粒，在潮濕環(huán)境中會繼續(xù)水化。試件開裂后，通過裂縫滲入的水分可以與裂縫面上暴露的以及裂縫附近區(qū)域的一些未水化膠凝材料顆粒反應(yīng)，從而繼續(xù)水化。水化產(chǎn)物將逐漸填塞裂縫，從而使PVA－ECC穩(wěn)定碎石混合料抗壓強(qiáng)度得以恢復(fù)，且本文采用了低強(qiáng)度等級水泥，也在一定程度上提高了自愈合能力。CCR無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)后，觀察試件，可見裂縫較寬，最寬處裂縫達(dá)數(shù)毫米，且多數(shù)裂縫為貫通裂縫，見圖3(a)。而PECR試件表面出現(xiàn)的裂縫最寬處不足1mm，沒有貫通裂縫，多為微裂紋，見圖3(b)。始終將裂縫寬度維持在較低水平是PVA－ECC材料自身的固有屬性，PVA纖維均勻分散于混合料中，起到了限制裂紋擴(kuò)展和細(xì)化裂紋的作用。

3.4不同環(huán)境條件對PECR自愈合性能的影響通過開裂試件自愈合強(qiáng)度與28d齡期試件殘余強(qiáng)度的比值，以及開裂試件的裂縫愈合情況，綜合評價(jià)兩種路面基層材料在3種環(huán)境條件下的自愈合程度。由表2及圖4可知，對于CCR材料，其在3種條件下的強(qiáng)度比均為1左右，強(qiáng)度主要為殘余強(qiáng)度，開裂試件的裂縫也不能自愈合，說明3種環(huán)境條件下普通路面基層材料均沒有明顯的自愈合性能。PECR在干濕循環(huán)條件下強(qiáng)度比為1.70，標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)條件下強(qiáng)度比為1.57，置于戶外條件下強(qiáng)度比為1.47，故PECR開裂試件在干濕循環(huán)條件下的自愈合效果最好，其90d自愈合強(qiáng)度甚至大于標(biāo)準(zhǔn)試件90d強(qiáng)度。在3種環(huán)境條件下，PECR開裂試件裂縫愈合均不明顯，研究顯示，寬度30μm以下的裂縫才能完全自愈合，當(dāng)裂縫寬度大于50μm時(shí)難以自愈合，裂縫寬度對自愈合行為有著重要的影響。觀察試件破壞過程，可以看到，隨著荷載的增大，未完全愈合的略寬裂縫逐漸變寬，裂紋擴(kuò)展，直至最后破壞，而原有微裂縫在自愈合后幾乎不再發(fā)展，在其附近又形成了新的裂縫和開裂路徑。

4結(jié)論

(1)不同齡期PVA－ECC穩(wěn)定碎石混合料抗壓強(qiáng)度較普通水泥穩(wěn)定碎石混合料有較大的提高，7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高出42%，28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高出13%，90d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高出26%。可見，PVA－ECC穩(wěn)定碎石混合料抗壓強(qiáng)度優(yōu)于水泥穩(wěn)定碎石混合料。(2)水泥穩(wěn)定碎石混合料沒有明顯的自愈合性能，而PVA－ECC穩(wěn)定碎石混合料有良好的自愈合性能，自愈合后抗壓強(qiáng)度提高57.3%，用其鋪筑的路面基層可稱為自愈合路面基層。(3)通過對比3種環(huán)境條件下PVA－ECC穩(wěn)定碎石混合料自愈合強(qiáng)度與其28d殘余強(qiáng)度的比值，可知:在干濕循環(huán)條件下，PVA－ECC穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強(qiáng)度最高，自愈合性能最好。(4)自愈合路面基層材料研究還是非常新的領(lǐng)域，尚有許多需要進(jìn)一步解決的問題，如自愈合路面基層材料的最優(yōu)配合比、優(yōu)質(zhì)PVA纖維的選擇、裂縫實(shí)現(xiàn)完全自愈合的方式等，這些問題還需進(jìn)一步深化研究，上述問題的解決對于自愈合路面基層材料的推廣應(yīng)用具有重要的意義。

作者：曾夢瀾 楠丁 吳超凡 朱桃 單位：湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院 湖南省交通科學(xué)研究院