1、聚丙烯纤维水泥灰土稳定砂的抗冲刷性能试验研究摘要：通过抗冲刷试验,对不同纤维掺量的聚丙烯纤维水泥灰土稳定砂的抗冲刷性能进行了试验研究,并与水泥灰土稳定砂进行了对比,并分析材料强度特性与抗冲刷性能的关系，最后对纤维的增强机理进行初步分析。结果表明,聚丙烯纤维的掺入显著提高了水土稳定砂的抗冲刷性能,同时短时间不如长时间的冲刷试验更能准确反映材料的抗冲刷性能;最后,推荐了一组经济合理的聚丙烯纤维水泥灰土稳定砂的配合比 关键词：聚丙烯纤维；水泥灰土稳定砂；抗冲刷性能；机理分析 中图分类号：TQ325 文献标识码： A 1 引言 信阳地区河砂资源丰富，因此该市交通部门将水泥灰土稳定砂应用于修建各种路面的
2、基层结构。虽然水泥灰土稳定砂有着优越的工程特性及经济优势，但也暴露出一些缺点。该地区降雨充沛，由于雨水渗入冲刷而产生的卿泥现象是经常存在的，并随着交通量和汽车轴载的增加，基层强度大大降低，从而导致沥青路面过早破坏。聚丙烯纤维能解决工程结构中常见的变形问题，在静载和重复荷载的作用下，能改变应力分布和应力传播，从而改善土体的受力性能。综上因素，本文通过在水泥灰土稳定砂中掺入聚丙烯纤维，进行水泥灰土稳定砂抗冲刷性能的试验研究，对为以后的应用提供试验依据。 2 原材料及试验设计 2.1 土 土为新县-东双河公路段开采的低液限粘土，其指标见表 1。 2.2 河砂 采用本地的淮河的天然级配河砂，砂为中粗砂
3、。颗粒分析见表 2。 2.3 其他 水泥为河南同力标号为 32.5 的普遍硅酸盐水泥，其指标见表 3。石灰为当地生产，其具体技术指标见表 4 所示。纤维选用武汉汉森刚纤维有限责任公司生产的改性聚丙烯纤纤维，其指标见表 5。 2.4 试验方案及方法 本研究对比分析水泥灰土稳定砂、掺聚丙烯纤维水泥灰土稳定砂两种方案的抗冲刷性能。水泥灰土稳定砂混合料组成为：水泥:石灰:土:砂=6:4:26:64（下称“原方案” ） ；掺聚丙烯纤维水泥灰土稳定砂混合料组成为：（1）6：4：26：64：0.03；（2）6：4：26：64：0.04；（3）6：4：26：64：0.05；（4）6：4：26：64：0.06；
4、（5）6：4：26：64：0.07。 采用沙爱民教授提出的 MTS 材料试验平台，具体如下：为了固定试件，设计了一个能将试件固定住同时又能与 MTS 底座相连的盛水冲刷桶,利用材料试验系统 MTS 的压力头,以某一压力及加载频率对试件顶面进行反复加卸载,模拟实际基层水冲刷作用3。2.5 试件制备及养护 采用直径高=150 mm150 mm 的圆柱体试件，按照最新规范公路工程无机结合料稳定材料试验规程 （JTGE512009）成型，并标准养生，现有关于基层材料冲刷性能的研究,均是在材料处于较短龄期(如 90d)时进行的,而实际路面建成使用的初期,由于路面结构完好,路表水或地下水难以渗入基层,基层
5、冲刷不会发生。因此,为尽量模拟实际,有意选择养生龄期为 180 d 的试件进行试验。 2.6 试验荷载及频率控制 对于沥青路面结构而言,标准车轮荷载下面层表面的单位压力约为0.7MPa,基层顶面的单位压力随面层厚度不同在 0.50.7MPa 间变化。当车辆超载时,基顶单位压力将超过 0.7MPa,且随着荷载作用力的增加,基层材料的冲刷量有较大幅度增长;而当冲刷荷载作用力和作用次数不变时,频率的增加对冲刷量的影响不大4。因此,该试验取较高的冲刷荷载作用力 0.7MPa 和 0.8MPa,同时考虑公路行车速度、交通量以及试验装置运作的稳定性,取荷载频率为 15Hz。 3 结果与分析 3.1 抗冲刷
6、性能试验结果分析 荷载作用 0.7MPa 荷载作用 0.8MPa 图 1 冲刷荷载频率为 15hz 时不同配比聚丙烯纤维水泥灰土稳定砂及原方案的冲刷曲线 根据试验结果可知:1)各材料的冲刷量随冲刷时间的延长呈明显的增长趋势。对于聚丙烯纤维水泥灰土稳定砂无论其纤维的多少,其抗冲刷性能与原方案相比均有大幅度的提高。幅度均在 20%以上，同时随荷载作用力的增加，提高幅度更加明显。可见，聚丙烯纤维水泥灰土稳定砂抵抗抗冲刷能力优于原方案5。2)对于聚丙烯纤维水泥灰土稳定砂，当冲刷荷载为 0.7 MPa 时,冲刷量随纤维掺量增加而减小;当冲刷荷载增大到 0.8 MPa 时,在冲刷的前期冲刷曲线斜率大,冲刷
7、量增长较快,后期曲线斜率显著减小,冲刷量随时间延长趋于稳定。3)不同配比聚丙烯纤维灰土稳定砂冲刷曲线的分布规律相互间存在差异,尤其在短时间(30 min)和长时间(60 min)内不尽相同,由于实际路面交通量大,水泥灰土稳定砂基层在使用年限内承受的冲刷作用次数多,因此,长时间的冲刷试验结果更能稳定、准确地反映出水泥稳定粒料基层的抗冲刷性能。4)由试验结果可知聚丙烯纤维掺量并不是越多越好，当超过一个峰值后，对抗冲刷性能的改善作用就不是特别明显，本试验的峰值为 0.05% 3.2 材料的强度特性及其与抗冲刷性能的关系 图 2 不同纤维参量下原方案不同龄期的抗压强度图 3 不同纤维参量下原方案不同龄
8、期的劈裂强度 在各龄期,聚丙烯纤维水泥灰土稳定砂的抗压强度和劈裂强度相对于水泥灰土稳定砂均有所提高,且抗压强度和劈裂强度随着纤维掺量的增加而适当提高。但是存在一个峰值，该峰值对应的纤维丝掺量为 0.05%，这是由于纤维丝掺量太大时，工艺上不能保证基体与纤维丝的均匀分布，以致有的纤维丝周围没有基体，形成缺陷（如空隙、微裂纹等） ，导致劈裂强度下降，所以水泥灰土稳定砂中纤维丝掺量不能太大，应有一个最佳值，聚丙烯纤维的掺入,对水泥灰土稳定砂的抗压强度影响很小,但对其劈裂强度则有较显著的提高。材料的抗压性能是影响其抗冲刷性能的重要因素之一,由于聚丙烯纤维水泥灰土稳定砂与水泥灰土稳定砂的抗压强度基本相同
9、,抗压强度的变化相对抗冲刷性能提高幅度却并不显著, 因此，可知两种方案抗冲刷性能的差异与其抗压强度之间并无因果关系。但由于纤维增强了水泥稳定粒料的抗拉强度,使得其表面颗粒间的粘结拉拔力同样增强,一定程度上提高了材料的抗冲刷性能,即材料抗拉强度的提高,有利于增强其抗冲刷性能。 结论 在水泥灰土稳定砂中掺入聚丙烯纤维,显著提高了其抗冲刷性能,合理纤维配比下,提高幅度达 20%以上，随荷载作用力的增加，提高幅度更加明显 短时间的冲刷试验不及长时间的冲刷试验更能稳定、准确地反映材料的抗冲刷性能。 由于聚丙烯纤维水泥灰土稳定砂与原方案的抗压强度基本相同,可知抗压强度的变化对抗冲刷性能提高影响并不显著。但是，由于纤维增强了水泥稳定粒料的抗拉强度,使得其表面颗粒间的粘结拉拔力同样增强,一定程度上提高了材料的抗冲刷性能 根据试验结果分析得出能够显著提高水泥稳定粒料抗冲刷性能且经济合理本研究的最佳配合比为水泥:石灰:土:砂：纤维=6:4:26:64:0.05%。 参考文献 孙伟， 掺聚丙烯纤维的水泥灰土稳定砂材料路用性能的研究 扬州大学硕士论文 ，2008 二灰碎石混合料配合比设计及路用性能研究 扬州大学硕士论文 2003 沙爱明,胡力群.半刚性基层材料抗冲刷性能试验方法研究J.中国公路学报,2002,15(2):4-7.
