摘要
为了研究玄武岩纤维改良棱角性不良的破碎鹅卵石基层性能，该文基于正交试验确定了水泥稳定破碎鹅卵石中玄武岩纤维最佳掺量为 1 kg/m3（15 mm）+2 kg/m3（25 mm），对水泥稳定破碎鹅卵石、水泥稳定破碎鹅卵石+最佳掺量的玄武岩纤维和水泥稳定碎石（石灰岩机轧碎石）3 种工况混合料进行了无侧限抗压强度与劈裂强度试验。研究结果表明：受骨料棱角性的影响，水泥稳定碎石（石灰岩机轧碎石）混合料的强度优于水泥稳定破碎鹅卵石混合料；掺入玄武岩纤维的水泥稳定破碎鹅卵石混合料，随着龄期的增加，其强度增长较快，与未掺入纤维的水泥稳定破碎鹅卵石混合料相比，7 d 抗压强度降低了 0.08%，而 14 d、28 d、60 d 抗压强度提高了 3.9%、17.1%、28.3%；7 d、14 d、28 d、60 d 劈裂强度提高了 4.3%、10.2%、19.0%、28.7%；在龄期 45 d 掺入纤维的水泥稳定破碎鹅卵石的强度达到水泥稳定碎石 （石灰岩机轧碎石）的强度。
Abstract
To study the performance of basalt fiber in improving the poor angularity of the crushed cobble base， based on the orthogonal test， this paper determined that the optimal dosage of basalt fiber in the cementstabilized crushed cobble was 1 kg/m3 （15 mm） + 2 kg/m3 （25 mm）. Besides， unconfined compressive strength and splitting strength tests were carried out on mixtures under three working conditions including the cement-stabilized crushed cobble， cement-stabilized crushed cobble with the optimal dosage of basalt fiber， and cement-stabilized macadam （limestone machine-crushed stone）. The results show that influenced by the aggregate angularity， the strength of the cement-stabilized macadam （limestone machine-crushed stone） mixture is better than that of the cement-stabilized crushed cobble mixture. For the cement-stabilized crushed cobble with the optimal dosage of basalt fiber， with the increase in curing age， its strength increases rapidly. Compared with the cement-stabilized crushed cobble without a dosage of fiber， its compressive strength is decreased by 0.08% on the seventh day and increased by 3.9%，17.1%， and 28.3% on the fourteenth day， the twenty-eighth day， and the sixtieth day respectively， and its splitting strength is increased by 4.3%，10.2%， 19.0%， and 28.7% on the seventh day， the fourteenth day， the twenty-eighth day， and the sixtieth day，respectively. On the forty-fifth day， the strength of the cement-stabilized crushed cobble with a dosage of fiber reaches the strength of the cement-stabilized macadam （limestone machine-crushed stone）.
Keywords
0 引言
水泥稳定碎石是主要的道路基层，其性能的影响因素较多，目前研究主要从配合比、水泥掺量、掺外加剂、压实方法、集料材料本身等方面进行分析[1-5]，研究表明：改良混合料配比及成型方法都能改善水稳碎石材料的路用性能，却无法完全解决基层开裂的问题。马夫恒[6] 指出，在水稳碎石基层出现裂缝前，其抗拉强度与抗裂性能呈正相关；基层受拉时，主要表现为层底拉应力，当裂缝出现时，层底会受到更大的拉力，较高的抗拉强度导致裂纹宽度变宽，从而产生更多的反射裂缝。因此，施工要注意基层建设。设计是施工必不可少的环节，从设计和施工两个方面来考虑基层强度指标的影响因素，即考虑无侧限抗压强度和劈裂强度两个影响因素。
郭立成等[7] 指出，在一定的掺量范围内，水泥稳定再生骨料无侧限抗压强度随聚酯纤维掺量的增加先增后减，劈裂强度随聚酯纤维掺量增加而提高；张虹[8] 研究发现：掺加适当长度和掺量的聚丙烯纤维，能够较好地提升水泥稳定碎石的抗压强度、劈裂抗拉强度及抗收缩能力。研究现状表明：在水泥稳定层中添加纤维能改善其力学性能。拉萨地区存有大量的破碎鹅卵石，可就地取材作为水泥稳定碎石基层材料中的部分集料。且鹅卵石品质坚硬，具有抗压耐磨耐腐蚀的天然石特性，然而由于棱角性不良，导致破碎鹅卵石基层的力学性能不佳，故考虑加入纤维改善破碎鹅卵石基层的力学性能。
玄武岩纤维是一种具有良好力学性能与化学稳定性的典型硅酸盐纤维。李淑[9] 通过试验得出玄武岩纤维水泥稳定碎石的最优配合比，并证明了在水泥稳定碎石基层中加入玄武岩纤维能提高其力学性能；薛振华等[10]通过试验得出养护一定龄期后在水泥稳定再生碎石基层中加入玄武岩纤维能提高抗压强度和抗弯拉强度。同时石灰岩碎石的棱角性优于破碎鹅卵石，将棱角性较优的粗集料与浑圆状粗集料组合，能够大幅度增强水泥稳定碎石基层的力学性能；而骨料的棱角性对水稳碎石基层的力学性能有较大的影响[11-13]。
本文基于正交试验确定玄武岩纤维最佳混合掺量，对水泥稳定破碎鹅卵石、水泥稳定破碎鹅卵石+ 最佳掺量的玄武岩纤维和水泥稳定碎石（石灰岩机轧碎石）3 种工况的混合料进行无侧限抗压强度试验和劈裂强度试验，研究玄武岩纤维改良棱角性不良的破碎鹅卵石基层性能。
1 试验材料
1.1 集料
采用破碎鹅卵石与石灰岩机轧碎石作为试验集料。破碎鹅卵石有 4 档粒径：20~30 mm、10~20 mm、5~10 mm、0~5 mm，分别称为 A#、B#、C#、D# 料。石灰岩机轧碎石有 3 档粒径：20~30 mm、10~20 mm、5~10 mm，分别称为 AA# 、BB#、CC# 料。各集料物理技术指标见表1、2。
表1 粗集料物理技术指标
Table1 Physicl technical indicators of coarse aggregate
表2 细集料物理技术指标
Table2 Physicl technical indicators of fine aggregate
1.2 水泥
因考虑部分地区白天施工温度过高，使水泥的初凝时间过短，故采用缓凝水泥——PPS 磷渣水泥，强度等级为 32.5，其技术指标见表3。
表3 水泥的技术指标
Table3 Technical indicators of cement
1.3 玄武岩纤维
采用 6 mm、15 mm、25 mm 3 种长度的玄武岩纤维，其技术指标见表4。
表4 玄武岩纤维的技术指标
Table4 Technical indicators of basalt fiber
2 水泥稳定碎石混合料组成设计
2.1 混合料合成级配
试验采用 150 mm×150 mm 的圆柱形试件，压实度为 97%，水泥掺量为 5%，水泥稳定破碎鹅卵石混合料的合成级配见表5，水泥稳定碎石（石灰岩机轧碎石）混合料是采用 9.5~19 mm、19~26.5 mm 两档粒径的石灰岩机轧碎石对水泥稳定破碎鹅卵石同粒径的粗集料进行替换得到的混合料。
表5 混合料合成级配
Table5 Synthetic gradation of mixture
2.2 玄武岩纤维长度及含量的确定
当只采用同种长度的玄武岩纤维时，纤维有时不能均匀分散，会导致混凝土内部出现没有纤维或者纤维数量较少的区域[14]，受拉区出现纤维过多，破坏前无明显预兆，发生类似“超筋”破坏。为此本试验选取 3 种不同长度的纤维加入混合料中。
2.2.1 试验方案
采用正交试验确定玄武岩纤维的最佳掺量。试验使用的玄武岩纤维的长度为6 mm、15 mm、25 mm，各长度使用 0 kg/m3、1 kg/m3、2 kg/m3、3 kg/m3 4 个相同掺量。试验中，把玄武岩纤维的长度视为试验因素，其掺量视为试验水平，试验因素及试验水平对照如表6所示，以 14 d 无侧限抗压强度作为试验指标，符号简写为 L16（44），正交试验设计如表7所示。
表6 试验因素及试验水平对照
Table6 Comparison of test factors and test level
2.2.2 纤维长度与含量的确定
对 16 组正交试验进行极差分析，结果亦示于表7中。
由表8可知：R（15 mm）>R（6 mm）>R（25 mm），长度为 15 mm 的纤维对混合料的强度影响最大，其最优组合为 A1B2C3，即：玄武岩纤维的掺量为 0 kg/m3 （6 mm）+1 kg/m3 （15 mm）+2 kg/m3 （25 mm）。
表7 L16（44）的正交试验及分析
Table7 Orthogonal test and analysis of L16 (44)
注：K1、K2、K3、K4 分别代表在 A、B、C、D 各试验因素下的同一水平下（相同掺量）无侧限抗压强度求和取平均值，R 代表 A、B、C、D 各试验因素下无侧限抗压强度的极值差，反映各试验因素对无侧限抗压强度的影响程度，值越大，影响越大。
3 龄期对水稳碎石基层无侧限抗压强度的影响
对水泥稳定破碎鹅卵石、水泥稳定碎石（石灰岩机轧碎石）及水泥稳定破碎鹅卵石+最佳掺量的玄武岩纤维 3 种工况混合料进行 7 d、14 d、28 d、60 d 无侧限抗压强度试验，分析强度随龄期增长的变化。
试验结果如表8及图1所示。
表8 3 种混合料的无侧限抗压强度随龄期变化的结果
Table8 Results of unconfined compressive strength of three mixtures changing with curing age
图1 混合料无侧限抗压强度与龄期的关系
Figure1 Relationship between curing age and unconfined compressive strength of mixture
由表8及图1可知：3 种混合料的无侧限抗压强度与龄期呈正线性相关，龄期 7 d 时，水泥稳定碎石 （石灰岩机轧碎石）的抗压强度最高，水泥稳定破碎鹅卵石+最佳掺量的玄武岩纤维的强度略低于未掺入纤维的水泥稳定破碎鹅卵石的强度。在龄期 45 d 后，掺入玄武岩纤维的水泥稳定破碎鹅卵石的抗压强度超过水泥稳定碎石（石灰岩机轧碎石），这是由于玄武岩纤维将吸附部分拌和水，使拌和物变稠，流动性下降，从而减缓了水泥的水化反应，所以在短时间内，玄武岩纤维的掺入对混合料的强度作用不大。随着龄期的推移，水泥的水化反应逐渐完成，由于玄武岩纤维在水泥中均匀分布，在混合料中起到了布筋的作用，使其周围的混合料更紧密地联结，形成网状结构，从而提高了试件的抗压强度。
混合料无侧限抗压强度与龄期的线性拟合如图2所示。
图2 混合料无侧限抗压强度与龄期的线性拟合
Figure2 Linear fitting between curing age and unconfined compressive strength of mixture
由图2可知：掺入玄武岩纤维的水泥稳定破碎鹅卵石无侧限抗压强度随龄期增长最快。这是由于随着龄期的增加，水泥的水化和硬化反应逐渐完成，提高了混合料的整体强度。但由于纤维对混合料中的水化反应起减缓作用，掺入玄武岩纤维的水泥稳定破碎鹅卵石早期强度低于另外两种未掺入玄武岩纤维的混合料，随着龄期的递增，水化反应逐渐完成，各水化产物的含量保持稳定，此时掺入玄武岩纤维的混合料，其水泥基之间的咬合力逐渐增大，玄武岩纤维与水泥基形成的网络结构也逐渐完善，从而使混合料的整体强度大幅度增加。
4 龄期对水稳层劈裂强度的影响
对 3 种工况混合料进行 7 d、14 d、28 d、60 d 劈裂强度试验，其试验结果如表9与图3所示。
表9 混合料的劈裂强度随龄期变化的结果
Table9 Results of splitting strength of mixture changing with curing age
图3 混合料的劈裂强度与龄期的关系
Figure3 Relationship between curing age and splitting strength of mixture
由表9及图3可知：在 7 d 龄期时，水泥稳定碎石 （石灰岩机轧碎石）混合料的劈裂强度最高，其强度为 1.06 MPa，比最佳掺量的玄武岩纤维的水泥稳定破碎鹅卵石的 0.97 MPa 高出约 9.3%，比水泥稳定破碎鹅卵石的 0.93 MPa，高出约 14.0%；龄期 28 d 时，水泥稳定碎石（石灰岩机轧碎石）混合料的劈裂强度依旧最高，达到 1.28 MPa，但只比最佳掺量玄武岩纤维混合料劈裂强度 1.25 MPa 高出 2.4%。在 45 d 龄期之后，水泥稳定碎石（石灰岩机轧碎石）的劈裂强度低于掺入纤维的水泥稳定破碎鹅卵石的劈裂强度。这是由于玄武岩纤维在混合料中随机分布，避免了应力分布出现集中的情况，从而使整体混合料的抗拉强度得到提高，在最佳掺量的条件下，整体混合料的强度会超过未掺入纤维的混合料。
混合料的劈裂强度与龄期的非线性拟合结果如图4所示。
由图4可知：3 种混合料的劈裂强度与龄期的变化呈非线性增长，掺入玄武岩纤维的水泥稳定破碎鹅卵石混合料劈裂强度增幅最大，60 d 龄期，劈裂强度高于其他两种工况的混合料。掺入的两种不同长度的玄武岩纤维均匀分布在混合料中各个部分，不定向分布，从而提高混合料的整体抗变形能力，表明掺入适当的纤维可以大幅度提高混合料的抗拉强度。
5 结论
（1）基于正交试验，得到水泥稳定破碎鹅卵石中玄武岩纤维的最佳掺量为：1 kg/m3（15 mm）+2 kg/m3 （25 mm）。
（2）受骨料棱角性的影响，水泥稳定碎石（石灰岩机轧碎石）混合料的强度优于水泥稳定破碎鹅卵石混合料。
（3）掺入玄武岩纤维的水泥稳定破碎鹅卵石混合料与未掺入玄武岩纤维的水泥稳定破碎鹅卵石混合料相比，7 d 抗压强度降低了 0.08%，14 d、28 d、60 d 抗压强度提高了 3.9%、17.1%、28.3%；7 d、14 d、28 d、60 d 劈裂强度提高了 4.3%、10.2%、19.0%、 28.7%。
（4）在 3 种工况的混合料中，掺入玄武岩纤维的水泥稳定破碎鹅卵石混合料的强度增幅最快，在龄期 45 d，掺入玄武岩纤维的水泥稳定破碎鹅卵石的强度达到水泥稳定碎石（石灰岩机轧碎石）的强度。
图4 混合料的劈裂强度与龄期的非线性拟合
Figure4 Nonlinear fitting of splitting strength and curing age of mixture
