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纤维级配碎石的开发及路用性能研究周卫峰1，李彦伟1，苗乾2李源渊2张连营1(1.天津大学管理与经济学部,天津300073；2.天津市市政工程研究院，天津300074；)摘要：为提高级配碎石的路用性能，提出了在级配碎石中掺加纤维的思路。采用振动成型方法，以劈裂强度为标准，优化了纤维的种类、掺量及长度。采用自行开发的级配碎石剪切仪系统研究了纤维级配碎石抗剪强度的影响因素。研究结果表明：围压50KPa下，纤维级配碎石抗剪强度最大可提高2.6倍；含水量、压实度及粒径对抗剪强度影响显著；含水量增大，级配碎石抗剪强度减小；压实度越大，纤维级配碎石抗剪强度增大；小粒径纤维级配碎石抗剪强度大。车辙实验结果表明纤维的掺入显著提高了级配碎石的抗车辙能力。施工检测结果表明，研发的纤维分散均匀，纤维级配碎石路表弯沉小于普通级配碎石的路表弯沉，同时表明纤维级配碎石柔性路面可用于重载交通。关键词：道路工程；级配碎石；纤维；抗剪强度；抗车辙能力DevelopmentOfFiber-gradedGravelAndPerformanceResearchZHOUWei-feng1，LIYan-wei1，MIAOQian2，LIYuan-yuan2，ZHANGLian-ying1（1.CollegeofManagementandEconomics,TianjinUniversity,Tianjin300073,China;（2.TianjinMunicipal&HighwayEngineeringResearchInstitute,Tianjin300074,China)Abstract:Toimprovingthegradedgravelroadperformance,proposedanewideathataddingfiberingradedgravel.Usingvibrationmoldingmethod,splittingstrengthasthestandard,optimizethetype,dosageandlengthoffiber.Usingtheself-developedgradedgravelshearapparatus，systematicallystudiedtheinfluencefactorsofthefiber-gradedgravel’sshearstrength.Theresultsshowed:whentheconfiningpressureis50KPa,thefiber-gradedgravelmaximumshearstrengthcanbeincreasedby2.6times;watercontent,compactionandparticlesizehassignificanteffectsontheshearstrength;watercontentincreases,theshearstrengthdecreases;greaterthedegreeofcompaction,shearstrengthincreases;smallparticlesizefiber-gradedgravelhasbigshearstrength.Ruttingtestresultsshowthattheaddingoffiberssignificantlyimprovesgradedgravel’sruttingresistance.Constructiondetectionresultsshowthatthefibersself-developeduniformlydispersed,fiber-gradedgravelsurfacedeflectionlessthanordinarygradedgravelroadsurfacedeflection,alsoshowsthatfiber-gradedgravelflexibleroadcanforheavydutytransportationuse.Keywords：roadengineering;gradedgravel;fiber;shearStrength;ruttingresistance0引言半刚性路面是我国高等级公路的典型路面结构，20多年高速公路的建设经验证明，半刚性基层材料虽然具有强度高、稳定性好、造价低等优点，但同时也具有反射裂缝无法避免、易产生水破坏及寿命普遍达不到设计要求的缺点。级配碎石作为柔性路面基层材料，具有渗水能力强，不产生反射裂缝，造价比半刚性材料更低的优点，但具有强度低、抗剪切能力小，用于道路基层易产生塑性变形，从而导致路面出现车辙的缺点。我国设计规范提出级配碎石基层适合于累计轴载小于500万次以下的道路使用，这显然限制了级配碎石在高等级公路中的应用[1-2]。目前的道路工程中，纤维的使用大多用于沥青混凝土及水泥混凝土。而纤维应用于散体材料的最早研究来自于法国的纤维土，资料表明[3-5]在沙土中掺加千分之一的纤维后，土的承载能力、抗冲刷能力及抗剪强度大大提高。为提高级配碎石的路用性能，本文提出了在级配碎石中掺加特定纤维的思路。近年来我国学者对级配碎石的研究主要集中在级配碎石的力学参数[6-9]及路面结构力学分析研究[10-14]上，如何从级配碎石材料设计的角度考虑提高其自身的路用性能的研究则相对较少。本文采用振动成型设计级配碎石，同时研发了适用于级配碎石的专用纤维，克服级配碎石抗剪切能力差、塑性变形大的缺点，为进一步提高级配碎石性能，充分发挥级配碎石的优点，使级配碎石柔性基层应用于重载交通沥青路面具有积极的意义。1纤维的研发目前用于道路建筑材料的纤维添加剂主要有聚酯纤维、聚丙烯纤维、木质素纤维、矿物纤维及玻璃纤维等。由于级配碎石是散体材料，纤维与集料密度相差悬殊，因此在选取纤维时，不仅要考虑级配碎石力学性能的提高，同时要考虑纤维的耐久性及与集料密度的匹配，以保证施工中纤维的分散性。1.1纤维长度与掺量的选择首先采用振动成型法优化的连续嵌挤骨架密实级配[15]，见表1.实验采用振动成型试件。表1级配碎石骨架密实级配表Tab.1GradedgravelskeletonanddensegradationtableSievesize（mm）31.5199.54.752.360.60.075Passrate（%）10078513421105其次采用劈裂强度（即级配碎石的抗拉强度）做为标准。因为不掺加纤维的振动成型级配碎石试件劈裂强度绝对值较小（本研究为12.3KPa），掺加纤维后劈裂强度的变化比较明显，易于判定。且劈裂强度实验相对简单，因此采用劈裂强度优化纤维掺量和长度。实验时采用的压实度为98%，每组用13个试件，要求变异系数小于20%。选用常见的聚丙烯纤维，分别制成长度为0.5cm、1cm、2cm、3cm及4cm的试样，选用掺量为0.1%、0.2%、0.3%及0.4%的质量百分率进行实验。纤维及实验结果见图1、图2。图1实验用纤维及试件Fig.1Experimentwithfiberandspecimen图2纤维级配碎石劈裂强度实验结果Fig.2Fiber-gradedgravelsplittingstrengthresults由图2实验结果，无论纤维长度如何，掺加0.1%纤维的级配碎石劈裂强度均有不同程度的提高，但同时表明，从1cm开始，纤维长度越大，其劈裂强度增加愈小。从优化结果得出结论，纤维长度为1cm、掺加质量比为0.1%的级配碎石劈裂强度增加最大，为不掺加纤维的级配碎石的152%。据此，以纤维长度1～2cm，掺量0.1%优化纤维种类。1.2纤维种类的确定图3实验用纤维Fig.3Experimentwithfiber根据优化的纤维长度，选取5中满足要求的纤维，以掺量0.1%进行劈裂强度实验，纤维见图3，实验结果如表2。表2纤维种类优化结果表Tab.2FibertypesofoptimizationresultstableFibernumberFibertypeSplittingstrength（kPa）Withoutfiber—12.3NO.1Polypropylenefibers18.7NO.2Polyester17.5NO.3Specialpolypropylenefibers21.0NO.4Polyethylenefiber16.3NO.5Ligninfiber15.2Fiberlength1cmFiberlength2cmFiberlength3cmFiberlength4cmFiberlength0.5cmThepercentageoffiberqualitySplittingstrength(KPa)由表2实验结果，不同种类的纤维掺入级配碎石后，其劈裂强度均有不同程度的提高，而尤以3号专用聚丙烯纤维提高最为显著，其劈裂强度提高达70%以上。3号纤维为图3右边的纤维。据此，选用3号聚丙烯纤维[16]作为最终优化结果。其直径1mm；长度0.8～1.5cm；相对密度0.91；拉伸强度＞300MPa；回弹模量3500MPa。2纤维级配碎石的抗剪强度及影响因素级配碎石结构层在使用过程中，主要承受由面层传递来的车轮竖向荷载作用，当荷载作用超过各种粒径粒料之间相互嵌挤形成的抗变形能力时，导致塑性变形的产生，这种塑性变形的本质是粒料之间的剪切变形。因此抗剪切能力是衡量其力学能力的重要参数之一。研制了测定级配碎石抗剪能力的专用仪器[17]对级配碎石的抗剪切强度及影响因素进行研究。用有限元法计算分析了级配碎石柔性路面中的级配碎石结构层在标准轴载BZZ-100作用下的受力状况,以级配碎石层中部靠近车轮内侧边缘的位置作为剪切破坏的最不利位置,对其围压进行计算，确定抗剪实验中采用50KPa的围压。试件采用振动成型，掺加质量比为0.1%聚丙烯纤维，每组试件为13个，变异系数小于20%，剪切速率为5mm/min。2.1围压及纤维的影响围压及纤维对级配碎石抗剪强度的影响见表3，级配碎石剪切破坏见图4。表3围压及纤维对级配碎石抗剪强度影响表Tab.3Confiningpressureandfibereffectonthegradedgravel’sshearstrengthtableItem抗剪强度（kPa）Noconfiningpressure,nofiber373Noconfiningpressure,addfiber432Noconfiningpressure,nofiber767Noconfiningpressure,addfiber991图4级配碎石剪切破坏图Fig.4Gadedgravelshearfailurefigure表3实验结果表明，围压的施加及纤维的掺入对级配碎石抗剪强度的提高均有显著影响。无围压的情况下，掺加纤维后由于纤维的影响，级配碎石抗剪强度提高了1.2倍，有围压的情况下提高了1.3倍。不掺纤维的情况下，施加围压后，由于围压的影响，级配碎石抗剪强度提高了2.1倍，掺纤维后则提高了2.3倍。围压和纤维的共同作用，纤维级配碎石的抗剪强度更是提高了2.7倍。这说明，级配碎石在重载交通作用下，随着围压的增大，其抗剪能力有很大提高，同时也说明，重载作用下，纤维对级配碎石抗剪能力的提高的作用更加明显。2.2含水量的影响分别用最佳含水量-1%、最佳含水量、最佳含水量+1%的试件进行抗剪强度试验。实验时施加围压、掺加0.1%纤维。试验结果如表4所示。表4剪切强度随含水量变化Tab.4ShearstrengthchangewithmoisturecontentWatercontentOptimummoisturecontent+1%OptimummoisturecontentOptimummoisturecontent-1%Shearstrength（kPa）931991568根据实验结果，含水量对级配碎石的剪切强度有很大影响。当级配碎石含水量小于最佳含水量时，其抗剪强度稍有降低，但当含水量大于最佳含水量时，其抗剪强度仅为最佳含水