碎石混合料自愈合性能研究范文

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《公路交通科技杂志》2015年第十二期

我国沥青路面基层大量采用半刚性材料，其中水泥稳定碎石混合料以其高强度和良好的稳定性及显著的经济效益，广泛应用于公路建设中，是我国高等级公路路面基层主要结构形式。然而实践表明，路面结构性病害诸如早期水损害、坑槽、裂缝、车辙等，不同程度地与半刚性基层相关［1］。由于半刚性基层材料渗透性较差，水通过反射裂缝到达基层后，不能迅速排出，进而造成基层结构性损坏［2］。由此可见，半刚性基层的主要缺陷是开裂。20世纪90年代，美国密歇根大学高等混凝土材料实验室的Li等人以水泥、粉煤灰以及平均粒径110μm的石英砂作为基体，聚乙烯醇纤维(PolyvinylAlcohol，PVA)作为增强材料，制成了PVA纤维增强水泥基复合材料(PolyvinylAlcoholEngineeredCementitiousComposite，PVA－ECC)［3］。

它的自愈合很容易，只需要几场雨就够了。对于PVA－ECC的自愈合，国内外已有较多的研究，而将PVA－ECC加入普通路面基层材料的自愈合却鲜有报道。本文将制备PVA－ECC的主要原材料，按一定比例掺入普通路面基层材料中，通过与水泥稳定碎石混合料(CementStabilizedCrushed－stoneMixture，CCR)的对比试验研究，寻求找到一种新型的具有自愈合能力的路面基层材料———PVA－ECC稳定碎石混合料(PVA－ECCStabilizedCrushed－stoneMixture，PECR)。实验室通过振动压实方法成型试件［4］，进行无侧限抗压强度试验，比较两种材料力学性能的优劣，并将这两种材料的无侧限抗压强度试验后的开裂试件置于不同环境条件下(包括置于户外、标养室养护、干湿循环)，通过其抗压强度的变化来研究其自愈合程度，结论可为路面基层材料开裂后愈合问题的解决提供帮助。

1试验原材料

试验用材料主要包括石灰岩集料、水泥、粉煤灰、石英砂及纤维。石灰岩碎石取自湖南茶陵县，粗、细集料均参照《公路工程集料试验规程》(JTGE42—2005)中相关方法进行取样检测，试验结果表明各项技术指标均满足规范要求。水泥为湖南某公司生产的P.O32.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰为湖南某电厂生产的F型普通粉煤灰。水泥、粉煤灰技术指标均满足相关规范的技术要求。F110石英砂(平均粒径为110μm)由湖南某公司提供。纤维为上海某公司生产的PVA纤维。

2混合料设计

2.1级配选择水泥稳定碎石混合料、PVA－ECC稳定碎石混合料集料级配均选用《公路沥青路面设计规范》(JTGD50－2006)中骨架密实级配中值。集料级配见图1。

2.2配合比的确定对水泥稳定碎石混合料(CCR)进行配合比设计，当水泥剂量为4.5%时，混合料7d无侧限抗压强度大于4.5MPa，满足规范要求，其最大干密度和最佳含水量如表1所示。根据国内外相关研究，PVA－ECC材料最佳配合质量比为m(水泥)∶m(石英砂)∶m(粉煤灰)∶PVA(纤维)=27∶22∶33∶1.4，由CCR最佳水泥剂量为4.5%，经换算，PVA－ECC稳定碎石混合料(PECR)配合质量比为m(水泥)∶m(粉煤灰)∶m(石英砂)∶m(PVA纤维)∶m(石灰岩碎石)=4.5∶5.5∶3.67∶0.234∶100。对CCR、PECR材料进行振动压实试验，确定最大干密度和最佳含水量。选用面压力约为0.1MPa，激振力约6800N，振动频率28～30Hz，偏心块的夹角为60°［9］。振动压实试验结果见表1。

3试验结果与分析

3.1试验结果把振动压实法成型的150mm×150mm圆柱体试件，置于相对湿度大于90%，温度为(25±2)℃的养护室中，养护至设定龄期，进行无侧限抗压强度试验，测得7d，28d，90d龄期试件抗压强度。试验结果见表2。由表2可知，标准试件28d强度与90d强度相差不大，强度随龄期增长缓慢，为尽可能减小强度随龄期增长对自愈合性能的影响，采用28d龄期相关强度来评测材料自愈合性能。28d龄期CCR、PECR试件无侧限抗压强度试验后，试件破损、开裂、边角缺损，但试件整体保持完好，将这些受压后开裂的CCR、PECR试件分为4组，第1组试件再受压一次，即破坏后的试件在外荷载作用下，抗压强度达到峰值，得到28d残余强度;第2组试件置于户外(湖南省茶陵县，4～7月)并暴露在大气中，至试件龄期89d，饱水24h，测得置于户外自愈合至90d抗压强度;第3组试件置于相对湿度大于90%，温度为(25±2)℃养护室中养护，养护至89d，饱水24h，测得置于标养室自愈合至90d抗压强度;第4组试件置于水中24h后，再置于实验室空气中24h，这一过程称为一个干湿循环［10］。经过31次干湿循环后，测得经干湿循环自愈合至90d抗压强度。测得的具有95%保证率的无侧限抗压强度试验结果见表2，采用振动法成型的试件，其无侧限抗压强度明显高于静压法成型试件。

3.2PVA－ECC稳定碎石混合料的抗压强度由表2，相对于水泥稳定碎石混合料(CCR)，PVA－ECC稳定碎石混合料(PECR)7d无侧限抗压强度高出42%，28d无侧限抗压强度高出13%，90d无侧限抗压强度高出26%。可见，PECR抗压强度优于CCR。

3.3PVA－ECC稳定碎石混合料的自愈合性能通过开裂试件经标养室养生至90d龄期的自愈合强度与28d龄期试件残余强度的比值，来评价材料的自愈合程度。由图2可知，水泥稳定碎石混合料(CCR)自愈合强度与其28d残余强度近似相等，仅为标准试件28d强度的76%，试件的自愈合并不明显。PVA－ECC稳定碎石混合料(PECR)经自愈合后的抗压强度达到其28d残余强度的1.6倍，比PECP标准试件28d强度高出12%，甚至接近PECR标准试件90d强度，PECR的自愈合能力显而易见，其自愈合后抗压强度提高57.3%。PVA－ECC稳定碎石混合料具有良好的自愈合能力，是因为在大气中放置时，PVA－ECC材料水化产物氢氧化钙会吸收空气中的二氧化碳，生成碳酸钙。碳酸钙是自愈合产物的主要结晶相。主要通过以下反应生成对于28d龄期的开裂试件，其中胶凝材料(水泥、粉煤灰)的水化不会完全，在混合料中仍留存有部分未水化的水泥、粉煤灰颗粒，在潮湿环境中会继续水化。试件开裂后，通过裂缝渗入的水分可以与裂缝面上暴露的以及裂缝附近区域的一些未水化胶凝材料颗粒反应，从而继续水化。水化产物将逐渐填塞裂缝，从而使PVA－ECC稳定碎石混合料抗压强度得以恢复，且本文采用了低强度等级水泥，也在一定程度上提高了自愈合能力。CCR无侧限抗压强度试验后，观察试件，可见裂缝较宽，最宽处裂缝达数毫米，且多数裂缝为贯通裂缝，见图3(a)。而PECR试件表面出现的裂缝最宽处不足1mm，没有贯通裂缝，多为微裂纹，见图3(b)。始终将裂缝宽度维持在较低水平是PVA－ECC材料自身的固有属性，PVA纤维均匀分散于混合料中，起到了限制裂纹扩展和细化裂纹的作用。

3.4不同环境条件对PECR自愈合性能的影响通过开裂试件自愈合强度与28d龄期试件残余强度的比值，以及开裂试件的裂缝愈合情况，综合评价两种路面基层材料在3种环境条件下的自愈合程度。由表2及图4可知，对于CCR材料，其在3种条件下的强度比均为1左右，强度主要为残余强度，开裂试件的裂缝也不能自愈合，说明3种环境条件下普通路面基层材料均没有明显的自愈合性能。PECR在干湿循环条件下强度比为1.70，标养室养护条件下强度比为1.57，置于户外条件下强度比为1.47，故PECR开裂试件在干湿循环条件下的自愈合效果最好，其90d自愈合强度甚至大于标准试件90d强度。在3种环境条件下，PECR开裂试件裂缝愈合均不明显，研究显示，宽度30μm以下的裂缝才能完全自愈合，当裂缝宽度大于50μm时难以自愈合，裂缝宽度对自愈合行为有着重要的影响。观察试件破坏过程，可以看到，随着荷载的增大，未完全愈合的略宽裂缝逐渐变宽，裂纹扩展，直至最后破坏，而原有微裂缝在自愈合后几乎不再发展，在其附近又形成了新的裂缝和开裂路径。

4结论

(1)不同龄期PVA－ECC稳定碎石混合料抗压强度较普通水泥稳定碎石混合料有较大的提高，7d无侧限抗压强度高出42%，28d无侧限抗压强度高出13%，90d无侧限抗压强度高出26%。可见，PVA－ECC稳定碎石混合料抗压强度优于水泥稳定碎石混合料。(2)水泥稳定碎石混合料没有明显的自愈合性能，而PVA－ECC稳定碎石混合料有良好的自愈合性能，自愈合后抗压强度提高57.3%，用其铺筑的路面基层可称为自愈合路面基层。(3)通过对比3种环境条件下PVA－ECC稳定碎石混合料自愈合强度与其28d残余强度的比值，可知:在干湿循环条件下，PVA－ECC稳定碎石混合料的抗压强度最高，自愈合性能最好。(4)自愈合路面基层材料研究还是非常新的领域，尚有许多需要进一步解决的问题，如自愈合路面基层材料的最优配合比、优质PVA纤维的选择、裂缝实现完全自愈合的方式等，这些问题还需进一步深化研究，上述问题的解决对于自愈合路面基层材料的推广应用具有重要的意义。

作者：曾梦澜 楠丁 吴超凡 朱桃 单位：湖南大学 土木工程学院 湖南省交通科学研究院