水泥聚丙烯纤维复合稳定特细沙材料干缩性能研究

Study on Dry Shrinkage Properties of Cement Polypropylene Fiber Composite Stabilized Extra Fine Sand Material

摘要: 孟加拉达卡绕城高速公路是一带一路工程重要项目，为解决该地区无碎石问题，将当地资源丰富的极细河沙用作为水泥稳定特细沙底基层和路基稳定层的材料，但在施工过程中，受沙材料来源多样性和高热环境因素的影响，水泥稳定特细沙材料易发生收缩开裂，引发路面反射裂缝。为了解决这一问题，本文通过在水泥稳定特细沙中掺入聚丙烯纤维，以降低干缩现象。通过干燥收缩试验，研究了0.075 mm通过率为0%、6.5%、13%，纤维长度为6 mm、9 mm、12 mm和掺量为0.3‰、0.5‰、0.7‰的聚丙烯纤维对水泥稳定特细沙干缩性能的影响。结果表明，0.075 mm筛孔通过率越大，细度模数越小，水泥稳定特细沙的干缩系数越大，在纤维长度9 mm，掺量0.5‰时，水泥稳定特细沙13的干缩系数较水泥稳定特细沙6、水泥稳定特细沙0分别大6.4%、14.0%；聚丙烯纤维长度小于9 mm时，随掺入纤维长度增加，水泥稳定特细沙干缩系数降低，之后又有所增大；随聚丙烯纤维掺量的增多，水泥稳定特细沙干缩系数持续减小；综合考虑纤维长度、掺量与0.075 mm筛孔通过率对干缩性能的影响效果，建议纤维长度为9 mm，掺量为0.5‰，0.075 mm筛孔通过率小于等于6.5%的水泥稳定特细沙材料有较优的抗干缩性能。

Abstract: Dhaka Bypass Expressway in Bangladesh is an important project of Belt and Road Project. In order to solve the problem of no gravel in the area, the local resource-rich very fine river sand is used as the material of cement stabilized extra fine sand sub-base layer and road base stabilized layer, but in the process of construction, affected by the diversity of the source of the sand material and the environmental factors of high heat, the cement stabilized extra fine sand material is susceptible to shrinkage and cracking, which triggers the reflective cracking of the road surface. In order to solve this problem, this paper reduces the dry shrinkage phenomenon by blending polypropylene fibers in cement stabilized extra fine sand. Through the dry shrinkage test, the effect of polypropylene fibers with 0.075 mm passage rate of 0%, 6.5%, 13%, fiber length of 6 mm, 9 mm, 12 mm and dosage of 0.3‰, 0.5‰, 0.7‰ on the dry shrinkage performance of cement stabilized extra fine sand was investigated. The results show that the larger the 0.075 mm sieve throughput rate, the smaller the fineness modulus, the larger the dry shrinkage coefficient of cement stabilized extra fine sand, in the fiber length of 9 mm, the dosage of 0.5‰, the dry shrinkage coefficient of cement stabilized extra fine sand 13 compared with the cement stabilized extra fine sand 6, the cement stabilized extra fine sand 0, respectively, larger by 6.4%, 14.0%; polypropylene fibers with a length of less than 9 mm, with the increase of the doped fiber length, the dry shrinkage coefficient of cement stabilized extra fine sand 13 is larger than the cement stabilized extra fine sand 6 and cement stabilized extra fine sand 0, respectively. Cement stabilized extra fine sand shrinkage coefficient decreased, and then increased; with the increase of polypropylene fiber doping, cement stabilized extra fine sand shrinkage coefficient continued to decrease; comprehensive consideration of the fiber length, doping and 0.075 mm sieve passing rate on the dry shrinkage performance of the effect, it is recommended that the fiber length of 9 mm, doping 0.5‰, 0.075 mm sieve passing rate of less than or equal to 6.5% of the cement stabilized extra fine sand material has superior resistance to shrinkage.

1. 引言

孟加拉国首都达卡位于河流冲积平原之上，该地区石料资源严重匮乏，适用于铺筑路面的碎石必须依赖进口，严重增加了施工成本[1]。与此同时，达卡地区特细沙资源丰富，将特细沙应用于底基层和路基稳定层，不仅有效提高资源的利用效率、减少占地取土制砖碎石用量、疏通河道减少雨季洪涝灾害，还可大幅降低公路建设成本。

然而，水泥稳定特细沙由于材料的特性，在实际使用中易受环境影响产生干燥收缩裂缝，这些裂缝会在车辆荷载和温度应力的耦合作用下，从下到上扩展到沥青面层，形成反射裂缝[2]-[5]。目前对水泥稳定特细砂抗干缩性能研究较匮乏。因此，开展水泥稳定特细砂干燥收缩性能研究尤为重要。

研究表明，将聚丙烯纤维掺入到水泥稳定基层中，能够显著降低水泥稳定基层的干缩率并减少裂缝的产生，具有优异的阻裂效果[6]-[10]。因此，本文以水泥稳定特细沙和聚丙烯纤维为研究对象，通过干缩试验研究聚丙烯纤维的长度(6 mm, 9 mm, 12 mm)、掺量(0.3‰, 0.5‰, 0.7‰)和0.075 mm筛孔通过率对水泥稳定特细沙干缩性能的影响，确定了适用于孟加拉达卡地区的路面底基层和路基稳定层的聚丙烯纤维水泥稳定特细沙最优材料组成，这对提高水泥稳定特细沙干缩性能，推进水泥稳定特细沙应用于路面结构建设具有重要意义。

2. 试验原材料及成型

2.1. 水泥

本试验所用水泥为PO 42.5普通硅酸盐水泥，其各项检测结果见表1 [11]。

Table 1. Cement technical index and test results

表1. 水泥技术指标及检测结果

技术 指标	比表面积 /(m^2/kg)	凝结时间/min		安定性	抗压强度/MPa		抗折强度/MPa
		初凝	终凝	雷氏夹法	3 d	28 d	3 d	28 d
规范值	≥300	>180	360~600	≤5.0	≥17.0	≥42.5	≥3.5	≥6.5
测试值	352	340	430	1.0	30.5	54.5	6.4	9.6

2.2. 聚丙烯纤维

本试验中聚丙烯纤维为银白色单丝状，主要技术参数见表2。

Table 2. Polypropylene fiber parameters

表2. 聚丙烯纤维主要技术参数

比重(g/cm^3)	纤维直径(μm)	熔点(℃)	热传导性	抗酸碱性	抗低温性	拉伸极限(%)	抗拉强度(MPa)	弹性模量(GPa)
0.91	18~48	160~170	低	强	强	>15	>486	>4.8

2.3. 特细砂

通过现场调查孟加拉达卡地区沙样，当地沙0.075 mm筛孔通过率多为0%~13%之间，因此为研究0.075 mm粒径以下颗粒含量对特细沙干缩性能的影响，本试验配制了特细0、特细6、特细13三种级配的特细沙。三者的区别在于0.075 mm筛孔通过率分别为0%、6.5%、13%，筛分数据见表3。

Table 3. Extra fine sand screening data

表3. 特细沙筛分数据

沙样名称	筛孔(mm)质量通过百分率/%						细度模数
	2.36	1.18	0.6	0.3	0.15	0.075
特细0	100.0	96.3	94.6	85.1	33.2	0.0	0.908
特细6	100.0	96.5	95.0	86.0	37.5	6.5	0.85
特细13	100.0	96.8	95.3	87.0	41.8	13.0	0.791

2.4. 混合料制作

由于本次试验中聚丙烯纤维为单丝状，易出现纤维团结现象，为了使其在混合料中均匀分布，先将表3中的三种沙样分别与水泥充分混合干拌15 s，之后加水搅拌15 s，最后再向其中添加聚丙烯纤维搅拌30 s得到混合料。采用加水后掺入聚丙烯纤维的原因是：纤维在干燥的混合料中不易分开，加水后纤维的亲水性会使其黏附到集料表面，搅拌工程中容易团结。相反，沙与水泥加水搅拌后，混合料被充分浸润，增加了混合料的流动性，纤维再加入混合料中，便可借助水分子和纤维之间的吸附作用来将纤维黏附在集料表面，经搅拌后，能够均匀分布于混合料中，达到更好的分散效果。

3. 试验方案

本试验采用无机结合料稳定材料干缩试验方法来测定聚丙烯纤维水泥稳定细沙的干缩系数[12]。

试件尺寸为50 × 50 × 200 mm的长方体小梁试件，将混合料分次装入试模并采用压力机静压成型，每组平行试验样本数量为3个。试件脱模完成后放入温控设备中进行养护，将到达龄期的小梁试件从养护箱中取出并放入水面稍高于试件的水盆中，一昼夜后将其取出并擦去表面的水分，随后测量试件的初始长度l、称取初始质量m₀，试验装置的示意图见图1。

Figure 1. Schematic diagram of drying shrinkage test device

图1. 干燥收缩试验装置示意图

在将试件安放到试验装置上之前，需要在试件两端各粘贴一小片玻璃，以此来保证千分表和小梁截面能够均匀接触；同时为了使试件在试验过程中能够自由收缩，避免试件底面与试验装置接触面之间的摩擦力对试件的收缩变形产生干扰，需要在试验装置与试件底面之间放置几根截面尺寸相同的玻璃棒。做好准备工作以后，将小梁试件放置到试验装置上并在其两端装上千分表，同时调整好千分表表盘上大小指针的位置，使其有足够的量程来完成试验期间的测量工作。

完成上述操作后，将所有试件放到温度为20℃ ± 1℃，相对湿度为60% ± 5%的环境中开始干缩试验，在试验开始后按规范规定时间称取其质量$m_i$ ，并采集其干缩位移变形${\delta }_i$ 。同时在用于测量失水率的试件下放置一块不吸水的板，每次读取千分表的读数时将底板同试件一起称重，以此来避免称重过程中因少部分集料洒落而造成的质量误差。在干缩观测结束后测得烘干质量$m_p$ 。

由式(1)~式(4)可计算干缩系数：

${\omega }_i=\left(m_i-m_{i+1}\right)/m_p$ (1)

${\delta }_i=\left({\displaystyle {\sum }_{j=1}^4{X}_{i,j}-{\displaystyle {\sum }_{j=1}^4{X}_{i+1,j}}}\right)/2$ (2)

${\epsilon }_i={\delta }_i/l$ (3)

${\alpha }_d{}_i={\epsilon }_i/{\omega }_i$ (4)

式中，${\omega }_i$ 为第i次失水率，%；$m_i$ 为第i次称取质量，g；$m_p$ 为标准试件烘干后恒重，g；${\delta }_i$ 为第i次观测干缩量，mm；$X_{i，j}$ 为第i次测试时第i个千分表的读数，mm；${\epsilon }_i$ 为第i次干缩应变，%；$l$ 为试件的初始长度，mm；${\alpha }_d{}_i$ 为第i次干缩系数，%。

4. 试验结果分析

由特细0、特细6、特细13三种沙样制成的聚丙烯纤维水泥稳定特细沙在不同龄期时干缩系数的试验结果见表4。

Table 4. Polypropylene fiber cement stabilized extra fine sand dry shrinkage coefficient test results (×10⁻⁶)

表4. 聚丙烯纤维水泥稳定特细沙干缩系数试验结果(×10⁻⁶)

沙样 名称	龄期 (d)	方案名称
		0-0	6-3	6-5	6-7	9-3	9-5	9-7	12-3	12-5	12-7
特细0	7	57.74	50.26	48.2	47.83	48.81	47.2	45.55	51.73	50.25	47.8
	28	73.01	67.65	65.06	63.52	63.88	61.92	59.05	69.55	67.36	65.15
特细6	7	64.00	58.13	56.8	54.19	56	54.6	52.57	60.06	58.32	56.9
	28	79.81	72.25	70.16	68.08	69.85	67.36	66.02	74.38	71.2	70.05
特细13	7	67.86	60.92	57.8	55.65	59.44	57.7	55.65	62.16	60.3	58.64
	28	86.63	78.17	76.34	74.7	74.27	72	71.5	80.85	77.7	75.52

注：方案名称中“X-Y”，其中“X”表示聚丙烯纤维长度，“Y”表示聚丙烯纤维掺量。例如“12-7”表示长度12 mm的聚丙烯纤维掺量为0.7‰。

4.1. 纤维长度对水泥稳定特细沙干缩系数的影响

Figure 2. Effect of fiber length on the coefficient of drying shrinkage of cement stabilized extra fine sand (Fiber dosage taken as 0.5‰)

图2. 纤维长度对水泥稳定特细沙干缩系数的影响(纤维掺量取0.5‰)

如图2所示，三种类型水泥稳定特细沙掺入聚丙烯纤维后，干缩系数均小于普通水泥稳定特细沙。聚丙烯纤维长度小于9 mm时，随掺入纤维长度增加，水泥稳定特细沙干缩系数降低，当纤维长度达到9 mm时，三种类型的聚丙烯纤维水泥稳定特细沙的干缩系数降幅最大，由特细0、特细6、特细13制成的水泥稳定特细沙的干缩系数分别较未掺加纤维时降低了15.2%，15.6%，16.9%。当纤维长度大于9 mm后，干缩系数又有所增大。纤维长度达到12 mm时，三种类型的聚丙烯纤维水泥稳定特细沙干缩系数较最低值分别上升8.8%，5.7%，7.9%。

试验结果表明聚丙烯纤维可以有效改善水泥稳定特细沙的干缩性能。随着掺入纤维长度继续增加，干缩系数先减小后增大，是因为水泥稳定特细沙掺入聚丙烯纤维后，纤维的存在会使部分毛细管孔隙被阻断开，或者直接被填充起来，从而减少了毛细管的数量，同时也就削弱了由表面张力所引起的收缩现象[13]；此外，混合料和纤维之间所产生的粘结力和摩擦力等作用力可以增加试件整体的强度和韧性，进而对试件的体积收缩起到一定的约束作用，因此掺入纤维后试件的干缩系数有所下降。但如果纤维长度过长，在制备过程中易造成局部混合料纤维团聚，影响混合料分布均匀性，导致局部水泥沙浆聚集，造成聚丙烯纤维水泥稳定特细沙的工作性变差，进而影响水泥稳定特细沙干缩系数变大。因此，根据干缩试验结果，加入纤维长度为9 mm的聚丙烯纤维，水泥稳定特细沙路面底基层和路基稳定层混合料的干缩性能最佳。

4.2. 纤维掺量对水泥稳定特细沙干缩系数的影响

如图3所示，在纤维长度取9 mm条件下，随着聚丙烯纤维掺量的增加，三种类型的聚丙烯纤维水泥稳定特细沙的干缩系数呈现下降趋势。当纤维掺量分别为0.3‰、0.5‰和0.7‰时，水泥稳定特细6干缩系数的下降幅度分别为12.5%、15.6%和17.3%。当纤维掺量达到0.7‰时，三种类型的聚丙烯纤维水泥稳定沙的干缩系数降幅最大，特细0、特细6、特细13制成的水泥稳定特细沙的干缩系数分别比未掺加纤维的水泥稳定特细沙降低了19.1，17.3%，17.5%。

Figure 3. Effect of fiber dosage on the coefficient of drying shrinkage of cement stabilized extra fine sand (Fiber length taken as 9 mm)

图3. 纤维掺量对水泥稳定沙干缩系数的影响(纤维长度取9 mm)

水泥稳定特细沙混合料的干缩性能提升主要是因为聚丙烯纤维可以改善水泥稳定特细沙的内部结构，限制水泥基体的自由收缩，减少裂缝的发生，降低了水泥稳定特细沙的干缩系数。并且随着纤维掺量的增加，混合料里的更多纤维也相应增多纤维广泛分布在沙粒之间，一方面纤维会占据毛细管空隙、减缓吸附水和层间水的流动，从而削弱由毛细水作用力以及层间水作用力带来的干燥收缩[13]。

另一方面，制备聚丙烯纤维水泥稳定特细沙过程中，如果纤维掺量过高，易导致搅拌困难，流动性减弱，纤维无法均匀分布。这会影响聚丙烯纤维水泥稳定特细沙的和易性，导致其在硬化过程中产生不均匀的干缩行为。与聚丙烯纤维掺量为0.5‰时相比，虽然聚丙烯纤维掺量为0.7‰时水泥稳定特细沙的干缩系数更小，但对于水泥稳定特细6，干缩系数降幅仅有1.7%，改善效果有限，因此建议纤维的掺量为0.5‰。

4.3. 0.075 mm筛孔通过率对水泥稳定特细沙干缩系数的影响

如图4所示，在纤维掺量和纤维长度相同的条件下，三种类型水泥稳定特细沙中，水泥稳定特细13的干缩系数最大，其次是水泥稳定特细6，水泥稳定特细0干缩系数最小。试验结果表示0.075 mm筛孔通过率越大，细度模数越小，水泥稳定特细沙的干缩系数越大。在未掺纤维时，水泥稳定特细13的干缩系数较水泥稳定特细6、水泥稳定特细0分别大7.9%、15.7%。在纤维长度9 mm，掺量0.5‰时，水泥稳定特细13的干缩系数较水泥稳定特细6、水泥稳定特细0分别大6.4%、14.0%。

出现这样的试验结果是因为0.075 mm粒径以下颗粒含量越高，总比表面积越大，毛细孔越多，大空隙越少，需要更多的水泥浆包裹颗粒，所以干缩系数较大[14]。

Figure 4. Effect of 0.075 mm sieve perforation pass rate on cement stable extra fine sand shrinkage

图4. 0.075 mm筛孔通过率对水泥稳定特细沙干缩的影响

5. 结论

(1) 与普通水泥稳定特细沙相比，聚丙烯纤维水泥稳定特细沙的干缩系数有所下降，并且随着纤维长度增加，干缩系数呈现出先降后升的趋势。在纤维长度为9 mm时，聚丙烯纤维对水泥稳定特细沙干缩性能改善效果最优，由特细0、特细6、特细13制成的水泥稳定特细沙的干缩系数分别较未掺加纤维时降低了15.2%、15.6%、16.9%。

(2) 在聚丙烯纤维长度相同条件下，随着纤维掺量的增加，三种类型聚丙烯纤维水泥稳定特细沙的干缩系数均逐渐降低。当纤维掺量分别为0.3‰、0.5‰和0.7‰时，水泥稳定特细6干缩系数的下降幅度为12.5%、15.6%和17.3%，下降趋势逐渐减缓。

(3) 0.075 mm筛孔通过率越大，细度模数越小，总比表面积越大，毛细孔越多，干缩系数越大。在纤维长度9 mm，掺量0.5‰时，水泥稳定特细13的干缩系数较水泥稳定特细6、水泥稳定特细0分别达6.4%、14.0%。

(4) 综合考虑纤维长度、掺量和0.075 mm筛孔通过率对水泥稳定特细沙干缩性能的改善效果，建议纤维长度9 mm，掺量0.5‰，0.075 mm筛孔通过率小于等于6.5%的水泥稳定特细沙抗干缩性能最佳。

NOTES

^*通讯作者。