■杨晨筱
（山西协力公路工程监理有限公司，晋中 030600）
据不完全统计， 近年来95%以上的沥青路面基层是采用水泥稳定碎石基层，随着国家对环保力度的不断加强，石料开采量受到限制，市面上的碎石价格日益上涨，导致道路的建设费用不断加大[1-3]。
早年修建的道路大多已到了改扩建或翻修阶段，在此过程中产生大量的旧料堆砌或被填埋， 对环境造成了污染，同时也是对土地资源和石料资源的严重浪费[4-5]。研究表明[6]，旧路经铣刨产生的水泥稳定碎石材料强度较低，经过破碎、分级处理后用于新建道路的基层或底基层很容易发生收缩开裂，并逐渐反射到沥青面层。
为了改善铣刨料的力学强度和抗裂性能，通常在铣刨料中加入一部分新集料或者添加剂。
许云龙[7]通过不同比例的铣刨料代替天然集料，加入一定比例聚酯纤维用于水泥稳定碎石基层，研究了再生集料用量，结果表明再生集料用量为60%、纤维体积掺量为0.8%时的水稳定再生集料力学强度和抗缩裂性能最好。
郭立成等[8]研究了聚酯纤维掺量对于水泥稳定再生集料的强度、 抗冲刷和干缩性能，发现聚酯纤维对于水泥稳定再生集料的抗压和抗拉强度具有增强作用，并能明显改善其抗冲刷和降低干缩变形的性能。
为提高水泥稳定再生集料的路用性能，本文从玄武岩纤维用量方面进一步研究了水泥稳定再生集料的力学性能和抗裂性能。
1.1 原材料
水泥选用佛山海螺牌42.5R 普通硅酸盐水泥，技术性能见表1。
纤维材料采用浙江某新材料有限公司提供的玄武岩纤维，平均长度为12 mm，呈褐色单丝束状，直径约在8.9 μm，抗拉强度为3000～4800 MPa，断裂伸长率为1.6%～3.1%。
再生集料是选自武陟县迎宾大道现状水泥稳定碎石基层，经铣刨、 破碎和筛分得到4 档集料， 粒径分别为0～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～19 mm 和19～31.5 mm；
天然粗集料选用石灰岩碎石， 规格与再生集料一致；
细集料采用0～5 mm 粒径的石灰岩石屑。
按照JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》中的试验方法对各档天然集料和再生集料的技术指标进行测试，其结果见表2、3。
表1 普通硅酸盐水泥指标性质
表2 粗集料技术性能
表3 细集料技术性能
1.2 配合比
采用JTG/T F20—2015 《公路路面基层施工技术细则》并参考已有研究成果[4]确定本次试验混合料级配，其合成级配见表4。
结合工程实践，水泥掺量一般在3.0%～6.0%，本次试验中水泥用量均采用4.5%，玄武岩纤维（BF）分别取0.6‰、0.9‰和1.2‰（占混合料总质量的百分比）。
表4 混合料合成级配
为了更好地研究玄武岩纤维掺量及其对再生集料混合料各方面路用性能的影响，本文将通过试验分别从抗压强度、劈裂强度、抗裂性和抗冻性等方面对掺玄武岩纤维的水泥再生集料性能进行分析，试验将不掺纤维的天然集料作为对照组。
（1）无侧限抗压强度
室内成型直径和高度为150 mm 的圆柱体试件，并在标准养生室内养护至28 d，然后浸没在水中24 h， 采用电液伺服万能材料试验仪进行测试，测试加载速率为1 mm/min，通过试验可直接得到试件破坏时最大荷载值，通过单位面积上的最大荷载换算为抗压强度值，其结果如图1 所示。
图1 无侧限抗压强度试验结果
从图1 看出，不掺纤维的水泥稳定再生集料的抗压强度相比天然集料小1.13 MPa，天然集料相对高了22.1%，在加入纤维后再生集料抗压强度有一定幅度增加，且在纤维掺量为1.2‰时的抗压强度最大，但此时相对不掺纤维的再生集料抗压强度仅提高了6%。
说明水泥稳定再生集料的强度相对天然集料较低，且掺入纤维虽然有一定改善作用，但作用不明显。
水泥再生集料抗压强度较低的原因主要在于铣刨料自身强度低于天然集料，从前文原材料表2、3 中吸水率、压碎值、针片状含量和坚固性等指标值即可看出。
而且再生集料经破碎、筛分后集料表面依然存在少量的水泥砂浆， 对于水泥浆—再生集料界面粘结性有一定影响。
加入纤维后可改善混合料的孔隙结构和密实度，提高水泥浆—再生集料界面粘结性，因此加入纤维后抗压强度有略微提升。
此外试验过程中发现不掺纤维的天然集料或再生集料在加载时试件破坏时间很短，显示出一定的脆性破坏，而加入纤维后的再生集料试件破坏时间略长，表现出一定的塑性。
（2）劈裂强度
采用电液伺服万能材料试验仪对不同纤维掺量的水泥再生稳定碎石进行试验，试件规格为Φ150 mm×h150 mm，养生时间为28 d，测试加载速率为1 mm/min，通过试验得到的最大压力值可间接换算为劈裂强度，结果见图2。
图2 劈裂试验结果
从图2 可以发现，不掺纤维时再生集料与天然集料劈裂强度相差61%，随着玄武岩纤维的加入，混合料劈裂强度先增大后减小，在纤维掺量为0.9‰时劈裂强度为0.71，已基本接近天然集料的劈裂强度0.74，说明适量的玄武岩纤维可以提高水泥稳定再生集料的劈裂强度。
一方面是由于玄武岩纤维的加入填充了再生集料的空隙， 增加了混合料密实度，改善了水泥浆—再生集料界面粘结性能；
另一方面是由于玄武岩纤维自身较高的抗拉强度和抗变形韧性承担了一部分拉应力， 增强了混合料的抗裂性。但当纤维用量超过一定限度时由于纤维很容易发生结团现象，并且没有足够的水泥浆包裹，一定程度上降低了水泥浆与再生集料的粘结性， 因此，水泥浆—再生集料界面处很容易产生破坏。
（3）抗裂性
按照JTG E51—2009 《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中T0854-2009 和T0855-2009 试验方法，采用仪表法分别对混合料试件进行干缩和温缩试验，室内成型100 mm×100 mm×400 mm 的梁式试件，并置于（20±2）℃及湿度不小于95%的环境箱中养护7 d， 其中第7 d 浸水养护， 然后按照T0854-2009 和T0855-2009 试验步骤进行测试，本文中干缩试验采用失水率和干缩系数指标评价，温缩试验采用平均温缩系数评价，其结果分别见图3～5。
图3 各混合料失水率随龄期变化规律
从图3 和图4 可以看出， 随着龄期的增加，混合料试件的失水率和干缩系数在逐步增大，且在龄期28 d 前的变化率较大， 龄期超过28 d 后逐渐变得较为平缓。
在同一龄期下，天然集料对应的混合料试件的干缩系数和失水率最低，而不掺纤维的水泥稳定再生集料相对最大，加入纤维后随着纤维用量的增加，其失水率和干缩系数逐渐减小。
说明单纯的水泥稳定再生集料产生干缩开裂的可能性较大，但加入玄武岩纤维后可以有效抑制或是降低混合料试件因湿度变化过大或水分蒸发过快引起的干缩开裂。
一方面由于再生集料的孔隙率比较大，其自身的吸水性也就较高， 相对应的失水率也越大；
另一方面纤维加入后降低了再生集料混合料的孔隙率，部分毛细水消散的通路被挡住，而且无定向分布的纤维丝与水泥浆形成的空间网络交织体系对于混合料的干缩形变也有一定的制约作用。
图4 各混合料干缩系数随龄期变化规律
从图5 可以看出，随着龄期的增加，混合料试件的温缩系数逐渐增大，且在龄期28 d 前的变化速率较大，之后趋于平缓。
相对于天然集料，不掺纤维的水泥稳定再生集料的温缩系数相对较大，加入纤维后温缩系数明显降低，且随着纤维用量的增加而逐渐降低。
说明水泥稳定再生集料受温度变化的影响较大，路面很容易会发生温缩开裂，纤维可以降低混合料对于温度变化的敏感性，对于抑制温缩开裂有一定的效果。
图5 各混合料温缩系数随龄期变化规律
（4）抗冻性
本文采用冻融前后的抗压强度损失和劈裂强度损失进行综合评价，试件尺寸为Φ150 mm×h150 mm，养生时间为28 d，冻融循环次数为5 次，每次冻融均是在-18℃的低温箱中放置16 h， 然后取出置于20℃水中8 h，之后进行测试，试验结果见图6。
图6 冻融试验结果
从图6 看出，无论是抗压强度损失或是劈裂强度损失，整体变化规律是一致的，不掺纤维的水泥稳定再生集料抗压强度及劈裂强度分别损失了21.41%、25.37%。随着玄武岩纤维的加入，抗压强度和劈裂强度损失指标逐渐提升，当抗压强度损失指标在纤维掺量为0.9‰、劈裂强度损失指标在纤维掺量为1.2‰时已趋近于天然集料指标值，而且在当纤维用量大于0.9‰之后，纤维用量对于抗冻性指标值已影响不大，甚至劈裂强度损失指标有略微降低趋势。
说明玄武岩纤维在一定用量范围内能够显著改善水泥稳定再生集料的抗冻性能，但掺量宜控制在0.9‰。
这是由于再生集料的孔隙率和吸水率较大，导致水泥稳定再生集料的整体抗冻性低于天然集料，当加入纤维后，纤维能够与水泥浆形成交织网状结构，一定程度地填充了混合料的孔隙，降低了混合料内部孔隙水因冻胀而产生的挤压应力，增强了混合料的整体稳定性，所以抗冻性明显提高，但过多的纤维产生结团后影响了水泥浆—再生集料的界面粘结强度，在内部孔隙水冻胀作用下反而不利。
（1）水泥稳定再生集料的抗压强度整体上相对天然集料较低，玄武岩纤维的加入虽然具有一定改善作用，但作用效果有限，纤维加入后再生集料表现出一定的塑性。
（2）随着纤维用量增加，混合料试件劈裂强度先增大后减小，在纤维掺量为0.9‰时劈裂强度为0.71，已基本接近天然集料的劈裂强度0.74， 适量的玄武岩纤维可以提高水泥稳定再生集料的劈裂强度。
（3）在同一龄期下，天然集料对应混合料试件的干缩系数和失水率、 温缩系数最低，而不掺纤维的水泥稳定再生集料相对最大，随着纤维用量的不断加入，其失水率和干缩系数、温缩系数逐渐减小，玄武岩纤维后可以有效抑制或是降低混合料试件因湿度或温度变化过快引起的干缩或温缩开裂。
（4）玄武岩纤维加入后，抗压强度和劈裂强度损失指标不断提高， 当纤维用量分别为0.9‰或1.2‰时对应的抗压强度损失和劈裂强度损失指标值已趋近于天然集料，而且在当纤维用量大于0.9‰之后， 纤维用量对于抗冻性指标值已影响不大，甚至劈裂强度损失指标有略微降低趋势。
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