纖維級配碎石的開發(fā)及路用能研究(哈工大學報).doc

纖維級配碎石的開發(fā)及路用性能研究周衛(wèi)峰1，李彥偉1，苗乾2李源淵2張連營1 (1.天津大學 管理與經(jīng)濟學部,天津 300073；2.天津市市政工程研究院，天津 300074；)摘要：為提高級配碎石的路用性能，提出了在級配碎石中摻加纖維的思路。采用振動成型方法，以劈裂強度為標準，優(yōu)化了纖維的種類、摻量及長度。采用自行開發(fā)的級配碎石剪切儀系統(tǒng)研究了纖維級配碎石抗剪強度的影響因素。研究結果表明：圍壓50KPa下，纖維級配碎石抗剪強度最大可提高2.6倍；含水量、壓實度及粒徑對抗剪強度影響顯著；含水量增大，級配碎石抗剪強度減??；壓實度越大，纖維級配碎石抗剪強度增大；小粒徑纖維級配碎石抗剪強度大。車轍實驗結果表明纖維的摻入顯著提高了級配碎石的抗車轍能力。施工檢測結果表明，研發(fā)的纖維分散均勻，纖維級配碎石路表彎沉小于普通級配碎石的路表彎沉，同時表明纖維級配碎石柔性路面可用于重載交通。關鍵詞：道路工程；級配碎石；纖維；抗剪強度；抗車轍能力Development Of Fiber-graded Gravel And Performance ResearchZHOU 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 & Highway Engineering Research Institute, Tianjin 300074,China)Abstract: To improving the graded gravel road performance, proposed a new idea that adding fiber in graded gravel. Using vibration molding method, splitting strength as the standard, optimize the type, dosage and length of fiber. Using the self-developed graded gravel shear apparatus，systematically studied the influence factors of the fiber-graded gravels shear strength. The results showed: when the confining pressure is 50KPa, the fiber-graded gravel maximum shear strength can be increased by 2.6 times; 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 gravels 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 resistance0 引言半剛性路面是我國高等級公路的典型路面結構，20多年高速公路的建設經(jīng)驗證明，半剛性基層材料雖然具有強度高、穩(wěn)定性好、造價低等優(yōu)點，但同時也具有反射裂縫無法避免、易產(chǎn)生水破壞及壽命普遍達不到設計要求的缺點。級配碎石作為柔性路面基層材料，具有滲水能力強，不產(chǎn)生反射裂縫，造價比半剛性材料更低的優(yōu)點，但具有強度低、抗剪切能力小，用于道路基層易產(chǎn)生塑性變形，從而導致路面出現(xiàn)車轍的缺點。我國設計規(guī)范提出級配碎石基層適合于累計軸載小于500萬次以下的道路使用，這顯然限制了級配碎石在高等級公路中的應用1-2。目前的道路工程中，纖維的使用大多用于瀝青混凝土及水泥混凝土。而纖維應用于散體材料的最早研究來自于法國的纖維土，資料表明3-5在沙土中摻加千分之一的纖維后，土的承載能力、抗沖刷能力及抗剪強度大大提高。為提高級配碎石的路用性能，本文提出了在級配碎石中摻加特定纖維的思路。近年來我國學者對級配碎石的研究主要集中在級配碎石的力學參數(shù)6-9及路面結構力學分析研究10-14上，如何從級配碎石材料設計的角度考慮提高其自身的路用性能的研究則相對較少。本文采用振動成型設計級配碎石，同時研發(fā)了適用于級配碎石的專用纖維，克服級配碎石抗剪切能力差、塑性變形大的缺點，為進一步提高級配碎石性能，充分發(fā)揮級配碎石的優(yōu)點，使級配碎石柔性基層應用于重載交通瀝青路面具有積極的意義。 1 纖維的研發(fā)目前用于道路建筑材料的纖維添加劑主要有聚酯纖維、聚丙烯纖維、木質(zhì)素纖維、礦物纖維及玻璃纖維等。由于級配碎石是散體材料，纖維與集料密度相差懸殊，因此在選取纖維時，不僅要考慮級配碎石力學性能的提高，同時要考慮纖維的耐久性及與集料密度的匹配，以保證施工中纖維的分散性。1.1纖維長度與摻量的選擇首先采用振動成型法優(yōu)化的連續(xù)嵌擠骨架密實級配15，見表1.實驗采用振動成型試件。表1 級配碎石骨架密實級配表Tab.1 Graded gravel skeleton and dense gradation table篩孔尺寸（mm）31.5199.54.752.360.60.075通過率（%）10078513421105其次采用劈裂強度（即級配碎石的抗拉強度）做為標準。因為不摻加纖維的振動成型級配碎石試件劈裂強度絕對值較?。ū狙芯繛?2.3KPa），摻加纖維后劈裂強度的變化比較明顯，易于判定。且劈裂強度實驗相對簡單，因此采用劈裂強度優(yōu)化纖維摻量和長度。實驗時采用的壓實度為98%，每組用13個試件，要求變異系數(shù)小于20%。選用常見的聚丙烯纖維，分別制成長度為0.5cm、1cm、2cm、3cm及4cm的試樣，選用摻量為0.1%、0.2%、0.3%及0.4%的質(zhì)量百分率進行實驗。纖維及實驗結果見圖1、圖2。圖1 實驗用纖維及試件Fig.1 Experiment with fiber and specimen圖2 纖維級配碎石劈裂強度實驗結果Fig.2 Fiber-graded gravel splitting strength results由圖2實驗結果，無論纖維長度如何，摻加0.1%纖維的級配碎石劈裂強度均有不同程度的提高，但同時表明，從1cm開始，纖維長度越大，其劈裂強度增加愈小。從優(yōu)化結果得出結論，纖維長度為1cm、摻加質(zhì)量比為0.1%的級配碎石劈裂強度增加最大，為不摻加纖維的級配碎石的152%。據(jù)此，以纖維長度12cm，摻量0.1%優(yōu)化纖維種類。1.2纖維種類的確定圖3 實驗用纖維Fig.3 Experiment with fiber根據(jù)優(yōu)化的纖維長度，選取5中滿足要求的纖維，以摻量0.1%進行劈裂強度實驗，纖維見圖3，實驗結果如表2。表2 纖維種類優(yōu)化結果表Tab.2 Fiber types of optimization results table纖維編號纖維類型劈裂強度（kPa）不加纖維12.31號聚丙烯纖維18.72號聚酯纖維17.53號專用聚丙烯纖維21.04號聚乙烯纖維16.35號木質(zhì)素纖維15.2由表2實驗結果，不同種類的纖維摻入級配碎石后，其劈裂強度均有不同程度的提高，而尤以3號專用聚丙烯纖維提高最為顯著，其劈裂強度提高達70%以上。3號纖維為圖3右邊的纖維。據(jù)此，選用3號聚丙烯纖維16作為最終優(yōu)化結果。其直徑1mm；長度0.81.5cm；相對密度0.91；拉伸強度300MPa；回彈模量3500MPa。2 纖維級配碎石的抗剪強度及影響因素級配碎石結構層在使用過程中，主要承受由面層傳遞來的車輪豎向荷載作用，當荷載作用超過各種粒徑粒料之間相互嵌擠形成的抗變形能力時，導致塑性變形的產(chǎn)生，這種塑性變形的本質(zhì)是粒料之間的剪切變形。因此抗剪切能力是衡量其力學能力的重要參數(shù)之一。 研制了測定級配碎石抗剪能力的專用儀器17對級配碎石的抗剪切強度及影響因素進行研究。用有限元法計算分析了級配碎石柔性路面中的級配碎石結構層在標準軸載BZZ-100 作用下的受力狀況, 以級配碎石層中部靠近車輪內(nèi)側邊緣的位置作為剪切破壞的最不利位置,對其圍壓進行計算，確定抗剪實驗中采用50KPa的圍壓。試件采用振動成型，摻加質(zhì)量比為0.1%聚丙烯纖維，每組試件為13個，變異系數(shù)小于20%，剪切速率為5mm/min。2.1圍壓及纖維的影響圍壓及纖維對級配碎石抗剪強度的影響見表3，級配碎石剪切破壞見圖4。表3 圍壓及纖維對級配碎石抗剪強度影響表Tab.3 Confining pressure and fiber effect on the graded gravels shear strength table項目抗剪強度（kPa）無圍壓、無纖維373無圍壓、摻纖維432有圍壓、無纖維767有圍壓、摻纖維991圖4 級配碎石剪切破壞圖Fig.4 Gaded gravel shear failure figure表3實驗結果表明，圍壓的施加及纖維的摻入對級配碎石抗剪強度的提高均有顯著影響。無圍壓的情況下，摻加纖維后由于纖維的影響，級配碎石抗剪強度提高了1.2倍，有圍壓的情況下提高了1.3倍。不摻纖維的情況下，施加圍壓后，由于圍壓的影響，級配碎石抗剪強度提高了2.1倍，摻纖維后則提高了2.3倍。圍壓和纖維的共同作用，纖維級配碎石的抗剪強度更是提高了2.7倍。這說明，級配碎石在重載交通作用下，隨著圍壓的增大，其抗剪能力有很大提高，同時也說明，重載作用下，纖維對級配碎石抗剪能力的提高的作用更加明顯。2.2含水量的影響分別用最佳含水量-1%、最佳含水量、最佳含水量+1%的試件進行抗剪強度試驗。實驗時施加圍壓、摻加0.1%纖維。試驗結果如表4所示。表4 剪切強度隨含水量變化Tab.4 Shear strength change with moisture content含水量最佳含水量+1%最佳含水量最佳含水量-1%水抗剪強度（kPa）931991568根據(jù)實驗結果，含水量對級配碎石的剪切強度有很大影響。當級配碎石含水量小于最佳含水量時，其抗剪強度稍有降低，但當含水量大于最佳含水量時，其抗剪強度僅為最佳含水量時的57%。這說明在級配碎石柔性基層的運營過程中，一定要注意路面的防排水，使級配碎石處于干燥或最佳含水量狀態(tài)。2.3壓實度的影響采用振動成型，制作纖維摻量0.1%的壓實度分別為94%、96%、98%及100%的試件，在50KPa的圍壓及5mm/min的條件下進行剪切實驗，實驗結果見圖5。圖5 剪切強度隨壓實度變化圖Fig.5 Shear strength change with the degree of compaction由圖5，壓實度對纖維級配碎石抗剪強度的影響可分為三個階段。第一個階段是當壓實度由98%下降到96%時，其抗剪強度稍有降低，降低了17%。第二個階段是當壓實度由96%下降到94%時，抗剪強度急劇降低，僅達到96%及98%壓實度時的49%和41%。第三個階段是當壓實度由98%提高到100%時，抗剪強度急劇增加，提高了1.5倍。這一方面是由于壓實度的提高，級配碎石內(nèi)摩擦力大大增加，另一方面，由于壓實度的提高，集料排列更加緊密，纖維的加筋作用愈加顯著。兩者共同作用，使得高的壓實度的級配碎石抗剪能力大大提高。2.4級配的影響對摻加0.1%纖維的、最大粒徑為26.5mm的級配碎石進行了剪切實驗，并與最大粒徑為31.5mm的級配碎石進行對比。實驗結果見表5。表5 不同級配的纖維級配碎石抗剪強度Tab.5 Different gradations of fiber-graded gravels shear strength 最大粒徑（mm）26.531.5抗剪強度（kPa）1387991由表5，小粒徑纖維級配碎石的抗剪切能力是大粒徑纖維級配碎石的1.4倍。這主要是由于小粒徑級配碎石由于粒徑小，一方面易得到較高的密實度，另一方面與纖維的接觸面大大增加，纖維在級配碎石中的加筋作用發(fā)揮的更加顯著，從而提高了小粒徑纖維級配碎石的抗剪切能力。3 纖維級配碎石的抗車轍能力級配碎石柔性路面的主要破壞模式是路面永久變形，即在交通荷載作用下級配碎石由于剪切強度不足導致的塑性變形。基于此，安排了車轍實驗方案，以抗車轍能力驗證纖維級配碎石抗剪切能力的提高。3.1級配碎石+瀝青混凝土層方案實驗采用自制的10cm高的車轍試模，首先成型8cm厚的級配碎石（分別為摻加纖維及不摻加纖維），后于其上鋪筑2cmAC-10改性瀝青混凝土，在60下進行車轍實驗，實驗結果見表6。表6級配碎石車轍實驗結果Tab.6 Graded gravel rut results試件類型60min車轍深度（0.1mm）動穩(wěn)定度（次/mm）不加纖維21.652918摻加1聚丙烯纖維15.234617由實驗結果，摻加纖維的級配碎石的結構其抗車轍能力提高了58%。3.2不同輪壓下的級配碎石車轍方案制作10cm厚摻加纖維和不摻加纖維的級配碎石的車轍試件，分別于輪壓0.7MPa和1.0MPa、常溫下直接在級配碎石上進行車轍實驗，實驗結果如表7、圖6。表7 不同輪壓下車轍實驗結果Tab.7 Rutting results under different wheel pressure 輪壓（MPa）試件種類60min車轍深度（0.1mm）動穩(wěn)定度（次/mm）0.7不加纖維44.5653摻加0.1%聚丙烯纖維27.319061.0不加纖維240（人工量測）車轍嚴重，無法實驗摻加0.1%聚丙烯纖維31.11216圖6 級配碎石車轍實驗Fig.7 Graded gravel rut experiment對于直接在級配碎石上進行的車轍實驗，其車轍的產(chǎn)生主要是由于壓密和剪切力產(chǎn)生的。0.7MPa的壓力下，纖維級配碎石的動穩(wěn)定度提高了2.9倍，60min車轍深度為不摻纖維的61%。因為級配碎石試件的壓實度是相同的，因此車轍深度及動穩(wěn)定度的差異主要是由抗剪強度的大小決定的，這就說明纖維的摻加使得級配碎石抗車轍能力大大提高。為進一步認識重載作用下纖維級配碎石的抗車轍能力，將車轍實驗輪壓提高到1.0MPa，結果表明不摻纖維的級配碎石變形嚴重，儀器已無法采集數(shù)據(jù)，人工量測的車轍深度為2.4cm。而纖維級配碎石抗車轍能力則很強，與0.7MPa相比，車轍深度僅增加13%，動穩(wěn)定度僅下降34%。這進一步說明重載作用下，纖維在級配碎石中對抗剪強度和抗車轍能力的提高作用更加顯著。4 纖維級配碎石機理分析纖維級配碎石實質(zhì)上是一種復合材料，纖維主要是通過機械加筋作用及與集料表面的微粘結作用改變級配碎石的力學性能。首先，纖維摻入級配碎石后，纖維在級配碎石基體中形成了三維的網(wǎng)狀架構，構成一個連續(xù)的三維“加筋網(wǎng)”，對級配碎石各個方向的應變起到一定的限制，改變了復合材料的應力狀況，有效地提高了復合材料的強度。其次，級配碎石沒有抗拉能力，纖維摻入后，與集料表面緊密接觸，在荷載作用下，集料與纖維的微粘結作用與摩擦力共同作用使得纖維的抗拉能力在復合材料中發(fā)揮作用，而且荷載作用越大，抗拉能力表現(xiàn)越顯著，從而提高了纖維級配碎石的抗剪切能力，同時又克服了水泥膠結料帶來的剛度大，易產(chǎn)生裂縫，易疲勞破壞等缺點。5 實驗工程2013年10月于山西陽左高速公路的某特重交通連接線上（設計期內(nèi)累計交通軸次大于7000萬次）鋪筑了1000m實驗工程。實驗工程路面結構為4cmAC-13改性瀝青混凝土+6cmAC-20瀝青混凝土+8cmAC-25瀝青混凝土+54cm級配碎石（級配碎石分三層鋪筑）。其中500m級配碎石基層材料均為纖維級配碎石，纖維摻量0.1%。其余500m不摻纖維。5.1配合比設計級配碎石均采用振動成型法設計，采用重型擊實法進行對比。設計結果見表8.其中剪切試驗時采用圍壓50KPa。表8 實驗工程級配碎石配合比設計結果Tab.8 Experimental Engineering graded gravel mix design results項目重型擊實振動成型級配碎石纖維級配碎石級配碎石纖維級配碎石最大干密度（g/cm3）2.4282.4222.5112.502最佳含水量（%）4.84.84.54.5CBR（%）175202258325剪切強度（KPa）-557852劈裂強度（KPa）-13.722.35.2纖維級配碎石的施工級配碎石采用連續(xù)式拌和機生產(chǎn)，含水量按最佳含水量+0.5%控制，采用自行研發(fā)的專用纖維添加設備連續(xù)添加，見圖7。攤鋪機攤鋪，自重22噸單鋼輪振動壓路機振動碾壓6遍以，要求壓實度達到振動成型最大干密度的98%以上。圖7 纖維添加設備圖Fig.7 Adding fiber equipment figure5.3工程檢測結果壓實度大小對級配碎石路用性能極其重要。灌沙法檢測的59個壓實度數(shù)據(jù)表明壓實度為振動成型最大干密度的97.1%-101.8%，平均99.2%，壓實度代表值98.4%。纖維的分散程度是研究成果是否能夠應用于實際工程的核心。對纖維級配碎石灌砂法的26個樣品中的纖維含量進行檢測，纖維質(zhì)量百分率為0.07%-0.14%，平均0.11%，變異系數(shù)23%。檢測結果表明，纖維分散較均勻，能夠滿足工程要求。路表彎沉檢測結果見表9。表9實驗工程彎沉檢測結果Tab.9 Experimental works deflection test results路段測點數(shù)（個）彎沉平均值（0.01mm）彎沉代表值（0.01mm）級配碎石5013.318.1纖維級配碎石5015.421.4半剛性路面2008.510.8由彎沉檢測結果可知，級配碎石柔性路面彎沉值大于半剛性路面。而纖維級配碎石柔性路面路表彎沉小于級配碎石柔性路面路表彎沉。這說明纖維的摻加提高了整體路面的結構強度，從而提高了路面壽命。6 結論（1）纖維以長度1cm、摻量0.1%、級配碎石達到最佳含水量時性能最優(yōu)。（2）纖維摻入級配碎石后可提高級配碎石的劈裂強度最大可提高70%，50KPa圍壓下，抗剪強度最大可提高2.6倍。（3）含水量、壓實度及粒徑對纖維級配碎石抗剪強度影響顯著。含水量增大，級配碎石抗剪強度減小。壓實度越大，纖維級配碎石抗剪強度增大。小粒徑纖維級配碎石抗剪強度大。（4）纖維的摻入顯著提高了級配碎石的抗車轍能力。（5）施工結果表明，研發(fā)的纖維在級配碎石中分散均勻，纖維級配碎石路表彎沉小于普通級配碎石的路表彎沉，因此纖維級配碎石柔性路面壽命更長，同時表明纖維級配碎石柔性路面可用于重載交通。參考文獻：References：1曹建新,王哲人,孫耀東. 按緊排骨架-密實原則設計級配碎石基層J. 中外公路,2004,02:77-80.Cao Jian-xin, wang zhe-ren, Sun Yao-dong. Based on the principles of tight line of skeleton - compact design graded gravel base J. JournalofChina&ForeignHighway, 2004, 11:77-80.2曹建新. 級配碎石混合料組成設計的試驗研究J. 公路,2004,02:107-110.Cao Jian-xin.Experimental study on the composition of graded gravel mix design J. Highway,2004,02:107-110.3黃生文. 纖維土一種新的加固材料J. 國外公路,1990,03:48-51. Huang Sheng-wen. Fiber soil - a new reinforcement materials J Journal of Foreign Highway,1990,03:48-51.4沈圓順,劉玖壯,郭麗麗. 纖維土作為路用材料的試驗研究J. 建筑材料學報,2010,04:545-549. Shen Yuan-shun, Jiu Liu-zhuang, Guo Li-li. Fiber soil as road material experimental study J . Journal of Building Materials,2010,04:545-549.5熊有言. 土工合成纖維土J. 中國公路學報,1990,04:84-88.Xiong You-yan.Geosynthetic fiber soil J. China journal of highway and transport, 1990, 1990:84-88.6蔣應軍,李思超,王天林. 級配碎石動三軸試驗的數(shù)值模擬方法J. 東南大學學報(自然科學版),2013,03:604-609. Jiang Ying-Jun, Li Si-chao, Wang Tian-lin. Graded gravel numerical simulation of dynamic triaxial tests J. Joumal of Southeast University (Natural Science),2013,03:604-609.7張敏江,宋志濤,于保陽. 級配碎石上基層瀝青路面合理結構參數(shù)分析J. 沈陽建筑大學學報(自然科學版),2012,03:460-466. Zhang Min-jiang, Song Zhi-Tao, Yu Bao-yang. Graded gravel on reasonable structural parameters of asphalt pavement analysis J. Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science),2012,03:460-466.8董鑫,馬朝鮮. 設級配碎石過渡層瀝青路面的非線性力學響應分析J. 筑路機械與施工機械化,2012,05:47-50. Dong Xin, Ma Chao-xian. Located graded gravel nonlinear mechanics of the transition layer of asphalt pavement response analysis J. Road Machinery Construction Mechanization,2012,05:47-50.9蔣應軍,任皎龍,徐寅善,李頔. 級配碎石力學性能的顆粒流數(shù)值模擬方法J. 同濟大學學報(自然科學版),2011,05:699-704. Jiang Ying-Jun, Ren Jiao-long, Xu Yin-shan, Li Di. Numerical simulation of particle flow method graded gravel mechanicalproperties J. Journal of Tongji University(Natural Science),2011,05:699-704.10張敏江,李依默,周興,于寶陽. 級配碎石基層非線性對瀝青路面結構受力的影響J. 沈陽建筑大學學報(自然科學版),2014,01:78-84. Zhang Minjiang, according to Mo Li, Zhou Xing, Yu Bao Yang. Graded gravel nonlinear impact on grassroots force of asphalt pavement structure J. Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science),2014,01:78-84.11董鑫. 級配碎石基層瀝青混凝土路面非線性力學響應分析J. 公路,2013,10:22-25. Dong Xin. Grading macadam asphalt concrete pavement response analysis of nonlinear mechanics J. Highway,2013,10:22-25.12于保陽,張敏江,李拓文. 微粘結級配碎石基層瀝青路面結構分析J. 沈陽建筑大學學報(自然科學版),2013,05:852-860. Yu Bao-yang,Zhang Min-jiang, Li Tuo-wen,micro bonding Graded Aggregate Base Asphalt Pavement. Analysis J. Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science),2013,05:852-8613梁偉. 設置加厚級配碎石底基層的路面結構荷載應力分析J.