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《公路交通科技雜志》2015年第十二期

我國瀝青路面基層大量采用半剛性材料，其中水泥穩定碎石混合料以其高強度和良好的穩定性及顯著的經濟效益，廣泛應用于公路建設中，是我國高等級公路路面基層主要結構形式。然而實踐表明，路面結構性病害諸如早期水損害、坑槽、裂縫、車轍等，不同程度地與半剛性基層相關［1］。由于半剛性基層材料滲透性較差，水通過反射裂縫到達基層后，不能迅速排出，進而造成基層結構性損壞［2］。由此可見，半剛性基層的主要缺陷是開裂。20世紀90年代，美國密歇根大學高等混凝土材料實驗室的Li等人以水泥、粉煤灰以及平均粒徑110μm的石英砂作為基體，聚乙烯醇纖維(PolyvinylAlcohol，PVA)作為增強材料，制成了PVA纖維增強水泥基復合材料(PolyvinylAlcoholEngineeredCementitiousComposite，PVA－ECC)［3］。

它的自愈合很容易，只需要幾場雨就夠了。對于PVA－ECC的自愈合，國內外已有較多的研究，而將PVA－ECC加入普通路面基層材料的自愈合卻鮮有報道。本文將制備PVA－ECC的主要原材料，按一定比例摻入普通路面基層材料中，通過與水泥穩定碎石混合料(CementStabilizedCrushed－stoneMixture，CCR)的對比試驗研究，尋求找到一種新型的具有自愈合能力的路面基層材料———PVA－ECC穩定碎石混合料(PVA－ECCStabilizedCrushed－stoneMixture，PECR)。實驗室通過振動壓實方法成型試件［4］，進行無側限抗壓強度試驗，比較兩種材料力學性能的優劣，并將這兩種材料的無側限抗壓強度試驗后的開裂試件置于不同環境條件下(包括置于戶外、標養室養護、干濕循環)，通過其抗壓強度的變化來研究其自愈合程度，結論可為路面基層材料開裂后愈合問題的解決提供幫助。

1試驗原材料

試驗用材料主要包括石灰巖集料、水泥、粉煤灰、石英砂及纖維。石灰巖碎石取自湖南茶陵縣，粗、細集料均參照《公路工程集料試驗規程》(JTGE42—2005)中相關方法進行取樣檢測，試驗結果表明各項技術指標均滿足規范要求。水泥為湖南某公司生產的P.O32.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為湖南某電廠生產的F型普通粉煤灰。水泥、粉煤灰技術指標均滿足相關規范的技術要求。F110石英砂(平均粒徑為110μm)由湖南某公司提供。纖維為上海某公司生產的PVA纖維。

2混合料設計

2.1級配選擇水泥穩定碎石混合料、PVA－ECC穩定碎石混合料集料級配均選用《公路瀝青路面設計規范》(JTGD50－2006)中骨架密實級配中值。集料級配見圖1。

2.2配合比的確定對水泥穩定碎石混合料(CCR)進行配合比設計，當水泥劑量為4.5%時，混合料7d無側限抗壓強度大于4.5MPa，滿足規范要求，其最大干密度和最佳含水量如表1所示。根據國內外相關研究，PVA－ECC材料最佳配合質量比為m(水泥)∶m(石英砂)∶m(粉煤灰)∶PVA(纖維)=27∶22∶33∶1.4，由CCR最佳水泥劑量為4.5%，經換算，PVA－ECC穩定碎石混合料(PECR)配合質量比為m(水泥)∶m(粉煤灰)∶m(石英砂)∶m(PVA纖維)∶m(石灰巖碎石)=4.5∶5.5∶3.67∶0.234∶100。對CCR、PECR材料進行振動壓實試驗，確定最大干密度和最佳含水量。選用面壓力約為0.1MPa，激振力約6800N，振動頻率28～30Hz，偏心塊的夾角為60°［9］。振動壓實試驗結果見表1。

3試驗結果與分析

3.1試驗結果把振動壓實法成型的150mm×150mm圓柱體試件，置于相對濕度大于90%，溫度為(25±2)℃的養護室中，養護至設定齡期，進行無側限抗壓強度試驗，測得7d，28d，90d齡期試件抗壓強度。試驗結果見表2。由表2可知，標準試件28d強度與90d強度相差不大，強度隨齡期增長緩慢，為盡可能減小強度隨齡期增長對自愈合性能的影響，采用28d齡期相關強度來評測材料自愈合性能。28d齡期CCR、PECR試件無側限抗壓強度試驗后，試件破損、開裂、邊角缺損，但試件整體保持完好，將這些受壓后開裂的CCR、PECR試件分為4組，第1組試件再受壓一次，即破壞后的試件在外荷載作用下，抗壓強度達到峰值，得到28d殘余強度;第2組試件置于戶外(湖南省茶陵縣，4～7月)并暴露在大氣中，至試件齡期89d，飽水24h，測得置于戶外自愈合至90d抗壓強度;第3組試件置于相對濕度大于90%，溫度為(25±2)℃養護室中養護，養護至89d，飽水24h，測得置于標養室自愈合至90d抗壓強度;第4組試件置于水中24h后，再置于實驗室空氣中24h，這一過程稱為一個干濕循環［10］。經過31次干濕循環后，測得經干濕循環自愈合至90d抗壓強度。測得的具有95%保證率的無側限抗壓強度試驗結果見表2，采用振動法成型的試件，其無側限抗壓強度明顯高于靜壓法成型試件。

3.2PVA－ECC穩定碎石混合料的抗壓強度由表2，相對于水泥穩定碎石混合料(CCR)，PVA－ECC穩定碎石混合料(PECR)7d無側限抗壓強度高出42%，28d無側限抗壓強度高出13%，90d無側限抗壓強度高出26%。可見，PECR抗壓強度優于CCR。

3.3PVA－ECC穩定碎石混合料的自愈合性能通過開裂試件經標養室養生至90d齡期的自愈合強度與28d齡期試件殘余強度的比值，來評價材料的自愈合程度。由圖2可知，水泥穩定碎石混合料(CCR)自愈合強度與其28d殘余強度近似相等，僅為標準試件28d強度的76%，試件的自愈合并不明顯。PVA－ECC穩定碎石混合料(PECR)經自愈合后的抗壓強度達到其28d殘余強度的1.6倍，比PECP標準試件28d強度高出12%，甚至接近PECR標準試件90d強度，PECR的自愈合能力顯而易見，其自愈合后抗壓強度提高57.3%。PVA－ECC穩定碎石混合料具有良好的自愈合能力，是因為在大氣中放置時，PVA－ECC材料水化產物氫氧化鈣會吸收空氣中的二氧化碳，生成碳酸鈣。碳酸鈣是自愈合產物的主要結晶相。主要通過以下反應生成對于28d齡期的開裂試件，其中膠凝材料(水泥、粉煤灰)的水化不會完全，在混合料中仍留存有部分未水化的水泥、粉煤灰顆粒，在潮濕環境中會繼續水化。試件開裂后，通過裂縫滲入的水分可以與裂縫面上暴露的以及裂縫附近區域的一些未水化膠凝材料顆粒反應，從而繼續水化。水化產物將逐漸填塞裂縫，從而使PVA－ECC穩定碎石混合料抗壓強度得以恢復，且本文采用了低強度等級水泥，也在一定程度上提高了自愈合能力。CCR無側限抗壓強度試驗后，觀察試件，可見裂縫較寬，最寬處裂縫達數毫米，且多數裂縫為貫通裂縫，見圖3(a)。而PECR試件表面出現的裂縫最寬處不足1mm，沒有貫通裂縫，多為微裂紋，見圖3(b)。始終將裂縫寬度維持在較低水平是PVA－ECC材料自身的固有屬性，PVA纖維均勻分散于混合料中，起到了限制裂紋擴展和細化裂紋的作用。

3.4不同環境條件對PECR自愈合性能的影響通過開裂試件自愈合強度與28d齡期試件殘余強度的比值，以及開裂試件的裂縫愈合情況，綜合評價兩種路面基層材料在3種環境條件下的自愈合程度。由表2及圖4可知，對于CCR材料，其在3種條件下的強度比均為1左右，強度主要為殘余強度，開裂試件的裂縫也不能自愈合，說明3種環境條件下普通路面基層材料均沒有明顯的自愈合性能。PECR在干濕循環條件下強度比為1.70，標養室養護條件下強度比為1.57，置于戶外條件下強度比為1.47，故PECR開裂試件在干濕循環條件下的自愈合效果最好，其90d自愈合強度甚至大于標準試件90d強度。在3種環境條件下，PECR開裂試件裂縫愈合均不明顯，研究顯示，寬度30μm以下的裂縫才能完全自愈合，當裂縫寬度大于50μm時難以自愈合，裂縫寬度對自愈合行為有著重要的影響。觀察試件破壞過程，可以看到，隨著荷載的增大，未完全愈合的略寬裂縫逐漸變寬，裂紋擴展，直至最后破壞，而原有微裂縫在自愈合后幾乎不再發展，在其附近又形成了新的裂縫和開裂路徑。

4結論

(1)不同齡期PVA－ECC穩定碎石混合料抗壓強度較普通水泥穩定碎石混合料有較大的提高，7d無側限抗壓強度高出42%，28d無側限抗壓強度高出13%，90d無側限抗壓強度高出26%。可見，PVA－ECC穩定碎石混合料抗壓強度優于水泥穩定碎石混合料。(2)水泥穩定碎石混合料沒有明顯的自愈合性能，而PVA－ECC穩定碎石混合料有良好的自愈合性能，自愈合后抗壓強度提高57.3%，用其鋪筑的路面基層可稱為自愈合路面基層。(3)通過對比3種環境條件下PVA－ECC穩定碎石混合料自愈合強度與其28d殘余強度的比值，可知:在干濕循環條件下，PVA－ECC穩定碎石混合料的抗壓強度最高，自愈合性能最好。(4)自愈合路面基層材料研究還是非常新的領域，尚有許多需要進一步解決的問題，如自愈合路面基層材料的最優配合比、優質PVA纖維的選擇、裂縫實現完全自愈合的方式等，這些問題還需進一步深化研究，上述問題的解決對于自愈合路面基層材料的推廣應用具有重要的意義。

作者：曾夢瀾 楠丁 吳超凡 朱桃 單位：湖南大學 土木工程學院 湖南省交通科學研究院