PVA纤维水泥沥青混凝土纤维长度与掺量研究

王强; 王传林; 何苗苗; 梁康桦; 吕正宗; 崔飞 【期刊名称】《《四川建材》》 【年(卷),期】2019(045)008 【总页数】3页(P13-14,17)

【关键词】纤维长度; 纤维掺量; 水泥沥青混凝土 【作 者】王强; 王传林; 何苗苗; 梁康桦; 吕正宗; 崔飞 【作者单位】汕头大学土木与环境工程系 广东汕头515063 【正文语种】中 文 【中图分类】U4.14 0 前 言

热拌沥青混凝土因其施工方便和经济耐久性良好的优点而大量应用，但其施工污染严重且温度敏感性较差，高温条件下或长时间承受荷载作用，沥青混凝土会产生显著的永久变形，从而使沥青路面产生车辙、波浪与开裂等病害[1]，而掺加纤维可抑制路面裂缝的产生。水泥沥青混凝土(Cement Asphalt Concrete, CAC)为由乳化沥青预处理，直接混合水泥后与集料拌和而成的沥青混凝土。因使用快裂型乳化沥青(PC-1)，故在常温状态下拌和与铺筑，也在生产与铺筑施工过程中不会造成环境污染及人员热伤害[1-2]。CAC使用水泥作为沥青的改性剂，提升材料弹性范围和降低变形速率，也就是增加沥青胶泥的劲度，减少沥青混凝土承受外力时产生的

永久变形[3]，各项力学性能和抗车辙性能优于热拌沥青混凝土[2]。但加入水泥会增加材料的刚性和脆性，在承受外力时会加快裂缝的生成，这些都可以通过掺加纤维来改善。

水泥混凝土掺加聚乙烯醇(Poly-Vinyl Alcohol, PVA)纤维可提高其抗裂性能及增强韧性，该技术已经落地在应用[4]。同时，纤维可以改善热拌沥青混凝土(密级配和开级配均可)的强度、粘结性能和耐久性[5-6]。而沥青胶浆中添加玄武岩纤维能够有效提高其抗裂性能和高温流变性能，其纤维掺量为0.4%时，抗车辙性能最好，但掺量过大容易导致纤维结团[7-8]。因为CAC是常温的沥青混凝土，本研究尝试在CAC中首次掺加PVA纤维，故需要进一步开展不同PVA纤维的长度与掺量的研究，探讨其对CAC的力学性能及抗裂与增韧效应的影响。由de S. Bueno B 等[9]研究显示，纤维改善混凝土的性能主要受纤维的种类、长度、掺量等几个因素影响。因此，本研究就PVA纤维长度和掺量探讨其对水泥沥青混凝土强度的影响。 1 试验材料

本研究的纤维水泥沥青混凝土主要材料组成是阳离子乳化沥青、水泥、减水剂、集料及PVA纤维。 1.1 聚乙烯醇纤维

PVA纤维购于上海锴源化工科技有限公司。长度为6、12、18 mm三种，在此作为粘结材改性与混凝土提升韧性的加强材。 其基本的物理和力学性能，详见表1。

表1 PVA纤维的物理、力学性能直径/μm长度/mm弹性模量/GPa断后伸长率/%抗拉强度/MPa156,12,18406.91 830 1.2 乳化沥青

乳化沥青按其应用性质，分为快裂型、中裂型与慢裂型，其破乳还原的速度按其所加的稳定剂种类与剂量而定。本研究因药剂成分影响考量选用快裂型阳离子乳化沥

青(PC-1)，购自广东省茂名市维龙石化有限公司。 其蒸发残留物性质见表2。

表2乳化沥青蒸发残留物技术指标残留物含量(质量比)/%针入度(25℃)0.1mm软化点(tR&B)/℃延度15℃50.39148116 1.3 水 泥

水泥本应选购P·Ⅰ型硅酸盐水泥，此为无掺料的纯硅酸盐水泥，但因难以订购故改用广州塔牌股份有限公司的P·Ⅱ型硅酸盐水泥，强度等级为42.5，水泥物理、力学性能见表3。P·Ⅱ型硅酸盐水泥含约5%的惰性石灰石粉，不会参加水化反应，作为填料的性质，补充集料0.075 mm以下的底盘料。

表3水泥物理、力学性能细度/(m2·kg-1)碱含量/%抗压强度/MPa抗折强度/MPa3d28d3d28d3380.4823.443.55.17.9 1.4 减水剂

萘磺酸甲醛缩合物钠盐(Sulphonated Naphthalene Formaldehyde

condensates, SNF)外表为褐黄色，呈粉末状，易溶于水，液体为棕褐色黏稠液，本研究使用30%浓度的SNF水溶液进行试验，作为乳化沥青与水泥直接拌和的稳定剂，由广东省汕头市汇强外加剂有限公司所提供。本研究的使用剂量为乳化沥青用量的1.75%(SNF/A=1.75%)。 1.5 集 料

来自潮汕地区的花岗岩人工破碎集料，集料主要技术指标见表4，集料级配使用表5～7，但过0.075 mm的底盘料除去不用。 2 试验方法和试验结果讨论

马歇尔稳定值和劈裂抗拉强度是分析纤维长度和掺量对CAC力学性能影响的重要指标。而CAC与水泥混凝土一样，在第14 d龄期时混凝土强度已能达28 d强度的70%左右，硬固性质已基本稳定，粘结料已能提供纤维足够的锚定力。因此，

本研究在14 d龄期进行CAC的马歇尔稳定值试验与劈裂试验，并基于试验结果分析纤维长度和掺量对CAC力学性能影响。

表4集料主要技术指标表观密度/(g·cm-3)堆积密度/(g·cm-3)压碎值(质量比)/%洛杉矶磨耗损失(质量比)/%针片状颗粒含量(质量比)/%吸水率(质量比)/%1.951.9426286.80.8

表5集料级配A筛孔尺寸/mm12.59.54.752.360.300.075通过率(质量比)/%100957050155

表6集料级配B筛孔尺寸/mm25.019.09.54.752.360.300.075通过率(质量比)/%10095705035125

表7集料级配C筛孔尺寸/mm37.525.012.54.752.360.300.075通过率(质量比)/%10095704530105 2.1 试验方法

纤维水泥沥青混凝土(Fiber Cement Asphalt Concrete, FCAC)及普通水泥沥青混凝土所用集料级配(见表5～7)。本研究胶结料使用水泥、减水剂(SNF)与乳化沥青预处理后拌和成水泥沥青胶浆(Cement Asphalt Mastic, CAM)，再根据CAM性质选择适用的配比为C/A=0.9和SNF/A=1.75%。

本研究分为两个步骤，首先为确定最佳纤维长度。因假设纤维能约束并抑制集料间的变位与塑性移动，当纤维长度能约束并抑制集料中占比最多的最大粒径集料时，次大粒径的集料亦能被此纤维长度所束制。因此，本研究选用表5～7三种密级配中集料占比最大的最大粒径集料的粒径，粒径依次为4.75、9.5、12.5 mm。取这三种单一粒径集料分别与三种长度的纤维(6、12、18 mm)以及足量CAM制作均一级配试件。根据14 d龄期的马歇尔稳定值和劈裂抗拉强度的趋势和纤维长度进行对比，确定CAC在各单一粒径下的最佳纤维长度，这三种单一粒径分别对应至集料级配A、B与C，将应用于下一步骤拌制密级配沥青混凝土；第二为确定纤维

最佳掺量。按照前一步骤所得的成果，选用最佳纤维长度，三种纤维长度各配合0.1%、0.3%及0.5%(纤维与混凝土重量比)三种掺量与A、B、C三种密级配集料制作密级配试件。最后再根据14 d龄期的马歇尔稳定值和劈裂抗拉强度比较以获得纤维最佳的掺量。

本研究中的试件均为标准马歇尔试件。试件采用击实法成型，双面连续击实75次。其中马歇尔稳定度试验按规范《用马歇尔装置测定沥青混合物抗塑性流动的试验方法》(ASTM D1559—89)进行试验，劈裂试验试按规范《沥青混合料弹性模量间接拉伸试验的标准试验方法》(ASTM D7369—11)进行试验。 2.2 试验结果讨论

图1展示了不同纤维长度对劈裂抗拉强度的影响。三种集料掺加不同长度的纤维对应的混凝土都是掺6 mm的性能最佳，但就探讨单粒径的纤维混凝土而言，纤维长度对劈裂抗拉强度没有明显的影响。而且从图2中可以看出，集料颗粒越小时纤维长度越长劈裂抗拉强度越小，呈现明显的负相关性。当集料粒径越大时，纤维长度对劈裂抗拉强度的相关性也越小。因为当集料粒径越大时，集料颗粒间接触表面的摩擦力与嵌挤力对混凝土整体力学强度影响越大，因此，纤维加固的效应也随之减小。

图1 不同纤维长度FCAC劈裂抗拉强度 图2 不同纤维长度FCAC劈裂抗拉强度趋势

图3～4表明了马歇尔稳定值与纤维长度的关系，4.75 mm小粒径集料至12.5 mm较大粒径集料与纤维长度的相关性由正相关至无相关并转换成负相关。图3显示纤维长度与马歇尔稳定值亦无明显趋势，因此，就单粒径纤维混凝土而言纤维长度对马歇尔稳定值没有明显影响。 图3 不同纤维长度FCAC马歇尔稳定值 图4 不同纤维长度FCAC马歇尔稳定值趋势

综上，三种掺加不同长度纤维的FCAC，均以掺加6 mm长度的劈裂抗拉强度和马歇尔稳定度最佳。在试验操作过程中发现，纤维与集料干拌时：纤维越短越容易在集料中分散均匀，纤维越长越容易结团造成混凝土中的瑕疵。因此，在纤维长度的考量上，除了完成试件的考量之外，亦需考量纤维掺加后的易操作性。综合考量两因素后，本研究最佳纤维长度选择6 mm。

对于纤维掺量对不同级配FCAC性能的影响，需考量集料级配粗细所具有胶结料的多少。细级配配比的胶结料多，对纤维含量容纳量高，粗级配则易因纤维添加过量造成胶结料不足，进而降低强度。如图5～6所示，级配A和级配B等较细级配料的劈裂抗拉强度和马歇尔稳定值均在纤维掺量为0.3%时达到峰值，即纤维掺量的最佳值；而级配C(12.5 mm)粗颗粒粘结浆量少，纤维掺加0.1%以上即已过量，纤维掺量超过0.1%的部分的劈裂抗拉强度和马歇尔稳定值都随着纤维掺加量的增加而减小。另外在对集料级配粒径较大的沥青混凝土进行干拌时，纤维容易因无法均匀分散而结团进而造成强度折减，因此，纤维掺加量于0.5%时劈裂抗拉强度和马歇尔稳定值全都降低了。综上，A、B、C三种级配FCAC的纤维最佳掺量为0.3%。对于6 mm长的纤维适合级配粒径较小的集料，而对于最大粒径为25.0 mm的水泥沥青混凝土添加时需要考虑能否均匀分散的因素。 图5 不同纤维掺量FCAC劈裂抗拉强度 图6 不同纤维掺量FCAC马歇尔稳定度 3 结 论

1)6 mm纤维对应的FCAC性能最优，较短的长纤维较好。如果拌和采用干拌的方式，较短的易分散。

2)纤维长度与劈裂抗拉强度呈现明显的负相关性，当集料粒径越大时，相关性也越小。

3)就单粒径纤维混凝土而言，纤维长度对马歇尔稳定值和劈裂抗拉强度没有明显影

响。

4)FCAC的纤维掺量在0.3%时，劈裂抗拉强度和马歇尔稳定值均最大。

5)纤维掺量对FCAC性能的影响，需考虑集料级配粗细所具有胶结料的多少和纤维是否均匀分散的影响。 [ID:008219] 参考文献：

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