矿渣纤维水泥稳定碎石收缩特性及其与力学强度的相关性研究

Shrinkage Characteristics of Mineral Fiber Reinforced Cement Stabilized Macadam and Its Correlation with Mechanical Strength

摘要

矿渣纤维长度和掺量对水泥稳定碎石干缩、温缩特性的影响规律尚不明确，其与力学强度的相关性也有待进一步论证。文章研究矿渣纤维长度和掺量对水泥稳定碎石干缩系数和温缩系数的影响规律，分析干缩、温缩系数与不同龄期抗压、劈裂强度的关系，建立基于力学强度的矿渣纤维水泥稳定碎石收缩特性预测方程。结果表明：增加矿渣纤维掺量可显著提高水泥稳定碎石收缩抗性，且以干缩抗性尤其显著，但当其质量分数大于0.7%后，提升效果明显减弱；纤维长度大于5 cm后，会对干缩抗性产生不利作用，但纤维长度对温缩抗性无负面影响。干缩、温缩系数与劈裂强度和低龄期抗压强度相关性不显著，与28 d以后抗压强度相关性相对较高。

Abstract

The effects of mineral fiber length and content on dry shrinkage and temperature shrinkage of cement stabilized macadam remain unclear, and their correlation with mechanical strength requires further investigation. The article investigated the influence of mineral fiber length and content on the dry shrinkage coefficient and temperature shrinkage coefficient of cement stabilized macadam. Additionally, it established a predictive equation for the shrinkage characteristics of mineral fiber-reinforced cement stabilized macadam based on mechanical strength by analyzing the relationships between the dry shrinkage coefficient, temperature shrinkage coefficient, compressive strength, and splitting strength at various ages. The results show that increasing the content of mineral fiber can significantly enhance the shrinkage resistance of cement-stabilized macadam, particularly in terms of dry shrinkage resistance. However, when its mass fraction surpasses 0.7%, the improvement effect diminishes noticeably. Additionally, if the fiber length exceeds 5 cm, it negatively impacts the dry shrinkage resistance of cement-stabilized macadam; conversely, fiber length does not adversely affect temperature shrinkage resistance. Both the dry and temperature shrinkage coefficient exhibit a strong correlation with compressive strength after 28 days, but show no significant correlation with splitting strength or compressive strength at earlier ages.

Graphical abstract

关键词

矿渣纤维 / 水泥稳定碎石 / 干缩 / 温缩 / 力学强度

Key words

Mineral fiber / Cement stabilized macadam / Dry shrinkage / Temperature shrinkage / Mechanical strength

水泥稳定碎石具有强度高、整体性好、价格低等优点，常用于公路基层或底基层^[1]。然而，由于温度和含水率的变化，水泥稳定碎石易产生收缩裂缝^[2]，这些裂缝会迅速扩展至整个基层，并反射至沥青路面，导致路面整体性能劣化，这是我国沥青路面的主要病害之一^[3-5]。因此，如何有效控制水泥稳定碎石的收缩裂缝是解决沥青路面病害的关键问题^[6]。其中，在水泥稳定碎石中掺加纤维(如聚酯纤维、聚乙烯纤维、玄武岩纤维等)是抑制水泥稳定碎石收缩开裂的有效途径之一^[7-9]。纤维对水泥稳定碎石力学强度的影响已得到广泛研究^[10-12]。纤维能够在一定程度上提高水泥稳定碎石抗压强度、劈裂强度和抗压弹性模量。对于纤维水泥稳定碎石的收缩特性，宋金华等^[13]和刘纪等^[14]分析不同聚丙烯纤维掺量下水泥稳定碎石收缩性能的变化规律；房英锋^[15]研究聚酯纤维含量和直径对水泥稳定碎石干缩特性的影响；TAN等^[16]和李燕军^[17]论证了聚乙烯醇纤维改善水泥稳定碎石变形特性的可行性；郭寅川等^[18]指出玻璃纤维的加入可有效抑制水泥稳定碎石的收缩；盛燕萍等^[19]证明水镁石纤维可有效改善水泥稳定碎石的收缩抗裂性；田小革等^[20]研究玄武岩纤维掺量对水泥稳定碎石干缩特性的影响，并与膨胀剂进行对比。上述研究均发现，纤维能够较好地提升水泥稳定碎石抗裂性。

现有研究多采用化学纤维和矿物纤维提升水泥稳定碎石抗裂性。然而，化学纤维普遍存在耐候性弱、耐老化不足、生产过程污染强等问题。相比之下，矿物纤维价格适中，具有良好耐磨性和抗冲击韧性，在生产加工过程中不产生有毒物质，无废气、废水、废渣排放，其废旧物品又容易降解回收^[21]。将其应用于水泥稳定碎石是提升抗裂性、控制成本和保护环境的理想之选。

矿渣纤维是近年来新兴的一种矿物纤维，它是利用工业废料矿渣(高炉矿渣或铜矿渣、铝矿渣等)为主要原料，经熔化、采用高速离心法或喷吹法等工艺制成的丝状无机纤维。矿渣纤维不仅技术性能优异，也是废固资源化利用的有效途径。矿渣纤维已尝试应用于水泥制品中。柴林杰等^[22]研究矿渣纤维掺量和长度对水泥砂浆强度的影响，杨贺等^[23]就矿渣纤维掺量、水胶比和粉煤灰掺量的影响展开讨论；陈贺新等^[24]分析不同配合比下全尾砂填料强度的变化规律，并实现矿渣纤维含量和水泥含量的最优化设计。然而，现有研究均针对矿渣纤维对水泥基材料力学强度的影响，其对收缩特性的影响尚不明确，收缩特性与力学强度的相关性也有待进一步论证。

鉴于此，本文选取6种矿渣纤维质量分数(0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%、1.1%)和5种纤维长度(1、3、5、7、9 cm)，研究矿渣纤维水泥稳定碎石干缩和温缩特性的变化规律，在明确干缩和温缩系数与不同龄期抗压强度和劈裂强度关系的基础上，建立基于力学强度的矿渣纤维水泥稳定碎石收缩特性预测方程。

1 实验部分

1.1 主要原料

水泥，P.O.42.5，山东山铝水泥有限公司；集料，石灰岩碎石，陕西融欣矿业开发有限公司；矿渣纤维，长度1、3、5、7、9 cm，直径均为10 μm，西安路德交通科技有限公司。表1~表3分别为水泥、集料和矿渣纤维的技术参数。

1.2 仪器与设备

电子万能材料试验机，WDW-50，西安路德交通科技有限公司。

1.3 样品制备

表4为集料级配。按表4配方，水泥的质量分数为4.5%，水的质量分数为5.1%，矿渣纤维分别按质量分数0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%、1.1%掺入水泥稳定碎石中。矿渣纤维呈丝状，易与细集料、矿粉、水泥等发生黏结，导致矿渣纤维在水泥稳定碎石中的分布不均匀。为了避免这种情况，采用以下工艺制备水泥稳定碎石：(1)粗集料和细集料搅拌30 s；(2)将水泥和矿粉加入步骤(1)得到的混合料中，搅拌30 s；(3)根据最佳含水率，将水加入步骤(2)得到的混合料中，搅拌180 s；(4)将矿渣纤维加入步骤(3)得到的混合料中，搅拌30 s；(5)根据JTG 3441—2024，采用静压法制备相应的长方体或圆柱体矿渣纤维水泥稳定碎石试样。

1.4 性能测试与表征

干缩系数和温缩系数测试：以干缩、温缩系数来评价水泥稳定碎石的收缩特性，采用400 mm×100 mm×100 mm的长方体试样，按JTG 3441—2024进行测试。干缩系数和温缩系数的计算公式分别为：

{\alpha }_{\mathrm{d}}=\frac{\epsilon }{\omega }=\frac{\left({\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^{\mathrm{4}}}{X}_{i,j}-{\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^{\mathrm{4}}}{X}_{i+\mathrm{1},j}\right)/\mathrm{2}l}{\left(m_i-m_{i+\mathrm{1}}\right)/m_{\mathrm{p}}}(1)

式(1)中：α_d为干缩系数；ε为干缩应变，%；ω为失水率，%；m_i 和m_i+1分别为样品在第i次和(i+1)次测试中的称重质量，g；X_i,j 和X_i+1,j 分别为第i次和(i+1)次试验中第j个表盘的读数，mm；L为试样长度，mm；m_p为干燥后样品的质量，g。

{\alpha }_{\mathrm{t}}=\frac{l_i-l_{i+\mathrm{1}}}{\left(t_{i+\mathrm{1}}-t_i\right)L_{\mathrm{0}}}+{\beta }_{\mathrm{s}}(2)

式(2)中：α_t为温缩系数；L_i 和L_i+1分别为刻度表在第i和(i+1)个温度范围内的读数，mm；t_i 、t_i+1分别为第i和(i+1)个温度范围内的初始温度，℃；L₀为试样的初始长度，mm；β_s为线性膨胀系数。

抗压强度和劈裂强度测试：以抗压强度和劈裂强度评价水泥稳定碎石强度特性，采用150 mm(直径)×150 mm(高度)的圆柱体试样，按JTG 3441—2024进行测试。

2 结果与讨论

2.1 干缩特性

2.1.1 纤维质量分数对干缩特性的影响

图1为纤维质量分数对干缩系数的影响。从图1可以看出，矿渣纤维的加入总体上明显降低了水泥稳定碎石的干缩系数。水泥稳定碎石的干缩主要是由于其内部水分的蒸发所致。在水泥稳定碎石中加入矿渣纤维材料后，由于纤维材料的存在，使得表面材料的失水减少，水分迁移变得困难，从而降低了因毛细失水收缩而形成的毛细张力。依靠纤维材料与水泥基之间的界面附着力和机械啮合力，材料抗开裂的拉伸应变能得以提高。

当纤维质量分数小于0.1%时，矿渣纤维对干缩的影响不大；当纤维质量分数超过0.1%时，在相同纤维长度下，干缩系数随纤维含量的增加而减小，特别是在0.1%~0.7%范围内。当纤维质量分数从0.1%增加至0.7%和从0.7%增加至1.1%时，每增加0.1%，干缩系数平均降低5.6%和1.5%。这主要是因为在水泥稳定碎石的干缩过程中，矿渣纤维能有效地减小拉伸作用下的干缩。当纤维含量较低时，纤维难以形成有效连接以抵抗收缩裂缝，因此对水泥稳定碎石的干缩影响不大。当纤维掺量不断增加时，纤维之间形成的体系能够产生良好的传力作用，从而大幅降低水泥稳定碎石的干缩系数。然而，上述趋势受纤维长度的影响，特别是当纤维质量分数在0.7%~1.1%时。当纤维质量分数从0.1%增加至0.7%和从0.7%增加至1.1%时，在纤维长度为1、3、5、7和9 cm的情况下，纤维质量分数每增加0.1%，水泥稳定碎石干缩系数分别平均降低4.1%、4.9%、5.1%、5.2%、5.3%和2.6%、1.4%、1.8%、1.5%、0.3%。

2.1.2 纤维长度对干缩特性的影响

图2为纤维长度对干缩系数的影响。

从图2可以看出，当纤维长度超过1 cm时，相比纤维质量分数，纤维长度对水泥稳定碎石干缩的影响较小。当纤维长度小于1 cm时，当纤维质量分数为0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%和1.1%时，干缩系数平均分别降低1.83%、11.40%、22.50%、28.46%、32.61%和35.81%。当纤维长度超过1 cm时，当纤维质量分数为0.3%、0.5%和0.7%时，平均降低比率分别为1.07%、1.35%和1.48%。特别是当纤维质量分数为0.9%和1.1%时，随着纤维长度的增加，收缩系数先减小后增大，当纤维长度超过5 cm后，反而对抗干缩性能产生不利影响。结果表明：增加纤维长度可以提高纤维的抗收缩性能，但纤维长度不宜过长。这主要是因为过长的纤维其分散性较差，在水泥稳定碎石中容易发生团聚，难以起到提高抗收缩性能的作用，尤其是当纤维含量较多时。

2.2 温缩特性

2.2.1 纤维质量分数对温缩特性的影响

图3为纤维质量分数对温缩系数的影响。

从图3可看出，矿渣纤维的加入普遍降低了水泥稳定碎石的温缩系数，且纤维质量分数对温缩的影响较大。纤维增强水泥稳定碎石的温缩系数是由水泥稳定碎石基体和纤维的共同作用决定的。当复合材料的体积受温度影响时，矿渣纤维会抑制水泥稳定碎石的膨胀或收缩，这是因为矿渣纤维的热膨胀系数低于水泥稳定碎石，能够使复合材料的膨胀收缩减小，温缩系数降低，从而提高水泥稳定碎石的抗裂性能。在纤维长度相同的情况下，水泥稳定碎石的温缩系数随纤维掺量的增加而减小。当纤维质量分数从0增加至0.7%时，纤维质量分数每增加0.1%，温缩系数平均降低1.67%。随着纤维长度的增加，这一趋势更为明显。当纤维质量分数小于0.7%时，在纤维长度为1、3、5、7、9 cm的情况下，每增加0.1%，温缩系数平均分别降低0.7%、1.06%、1.19%、1.64%和1.96%。当纤维质量分数超过0.7%时，纤维含量对温缩系数的影响减弱。纤维质量分数每增加0.1%，温缩系数平均仅降低0.14%。

2.2.2 纤维长度对温缩特性的影响

图4为纤维长度对温缩系数的影响。从图4可以看出，矿渣纤维长度的增加，普遍降低了水泥稳定碎石的温缩系数。在纤维含量一定的情况下，纤维长度每增加1 cm，温缩系数平均降低1.19%。当纤维长度小于1 cm时，随着纤维长度的增加，温缩系数的降低速率加快。当纤维长度小于1 cm时，在纤维质量分数为0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%和1.1%的情况下，纤维长度每增加1 cm，温缩系数平均分别下降-0.12%、0.49%、2.72%、5.06%、5.93%和7.41%。当纤维长度超过1 cm时，不同纤维含量下温缩系数的减少率差异较小。纤维长度每增加1 cm，温缩系数平均降低0.4%。此外，与干缩不同，纤维长度的增加对温缩没有负面影响。

2.3 收缩特性与力学强度的关系

为了建立矿渣纤维水泥稳定碎石的收缩系数与强度之间的关系，对不同养护龄期的无侧限抗压强度和劈裂强度进行测试。表5为矿渣纤维水泥稳定碎石的力学强度。

从表5可以看出，当纤维质量分数低于0.1%时，纤维长度对抗压强度的影响不显著，但劈裂强度会随纤维长度增加而提升。当纤维质量分数在0.1%~0.3%范围内时，纤维的抗压强度和劈裂强度均随纤维长度的增加而提升。掺入纤维可提高水泥稳定碎石的强度，尤其是劈裂强度。当纤维质量分数在0.5%~0.7%范围内时，随着纤维长度的增加，不同龄期的抗压强度和劈裂强度均先升高后降低，劈裂强度和早期龄期(7 d)表现得尤为明显。这意味着纤维过长会对强度产生负面影响。纤维的最佳长度为5~7 cm。当纤维质量分数超过0.9%时，不同养护龄期的抗压强度和劈裂强度均随纤维长度的增加而降低，说明纤维掺量过多不利于矿渣纤维水泥稳定碎石强度的提高。

图5~图8分别为抗压强度与干缩系数的关系、劈裂强度与干缩系数的关系、抗压强度与温缩系数的关系、劈裂强度与温缩系数的关系。

从图5~图8可以看出，不同龄期的劈裂强度与干缩系数和温缩系数的相关性较小，R²均小于0.25。相反，抗压强度与收缩系数之间存在较高的相关性。特别是龄期大于28 d时，R²均大于0.7。这意味着可以通过压缩强度来预测干缩系数和温缩系数。考虑到干缩和温缩试验过程的复杂性，基于抗压强度的收缩预测有利于实际工程中纤维增强增强水泥稳定碎石抗收缩性能的评价。此外，虽然R²随着养护龄期的增加而增大，但养护时间过长不利于工程应用。因此，可以选择28 d龄期的抗压强度来预测其收缩特性能。干缩系数α_d和温缩系数α_t的预测方程可分别表示为：

{\alpha }_{\mathrm{d}}=a_{\mathrm{d}}{C}^{b_{\mathrm{d}}}(3)

{\alpha }_{\mathrm{t}}=a_{\mathrm{t}}\mathrm{l}\mathrm{n}C+b_{\mathrm{t}}(4)

式(3)~式(4)中：C为抗压强度，MPa；a_d、b_d、a_t、b_t均为拟合参数。

3 结论

本文通过干缩系数和温缩系数揭示矿渣纤维的掺和长度对水泥稳定碎石收缩特性的影响规律，在分析干缩和温缩系数与不同龄期抗压强度和劈裂强度关系的基础上，建立基于力学强度的矿渣纤维水泥稳定碎石收缩特性预测方程。结论如下：(1)水泥稳定碎石抗干缩抗性随矿渣纤维含量的增加而显著提升，但当纤维质量分数超过0.7%后，提升效果明显减弱。此外，纤维长度过大不利于提高水泥稳定碎石干缩抗性。当纤维长度大于1 cm时，矿渣纤维对干缩抗性的提升作用开始减弱；当纤维长度超过5 cm时，矿渣纤维对干缩抗性产生负面影响。对于干缩抗性，最佳纤维质量分数和纤维长度分别为0.7%和5 cm。(2)水泥稳定碎石温缩抗性随着矿渣纤维含量的增加而提升。与干缩抗性相似，当纤维质量分数超过0.7%时，纤维对温缩抗性的提升效果减弱。但纤维长度的增加对温缩抗性无负面影响。对于温缩抗性，最佳纤维质量分数和纤维长度分别为0.7%和9 cm。此外，矿渣纤维对干缩特性的影响较温缩特性更为显著。(3)劈裂强度和低龄期抗压强度与干温缩系数之间的相关性较弱，而与28 d后抗压强度的关联相对较强，进而提出基于28 d抗压强度的矿渣纤维水泥稳定碎石收缩特性预测方程。

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基金资助

陕西省创新能力支撑计划(2022TD-06)

交通运输行业重点科技项目(2021-MS1-011)