粗集料形态特征及玄武岩纤维对水稳碎石强度的影响研究

作     者：张燕红 

作者单位：昆明理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：唐正光

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：水泥稳定碎石 粗集料 形态特征 玄武岩纤维 无侧限抗压强度 劈裂强度 

摘      要：沥青路面基层是路面结构的主要承重层,现阶段水泥稳定碎石是道路基层材料中的主要材料,水泥稳定碎石是由胶结材料水泥、砂和碎石等多相复合材料组成,已有文献研究得出掺入水泥是改善其强度的最有效途径,但该材料性能对温湿度存在高度敏感性,使得混合料开裂而影响其性能。为改善该结构的性能,本文基于基层的施工和设计两个方面要求,探索研究除水泥因素之外,提高混合料的强度的措施。首先,其中碎石(粗集料)在混合料中的占比超过70%,碎石(粗集料)的形态质量对混合料的性能起重要作用;其次,除了探究混合料本身组成成分的影响,本文还关注外掺纤维对结构性能的影响,选用环保高性能纤维材料——玄武岩纤维作为添加剂。本文通过开展一系列的室内试验,研究粗集料形态特征和外掺玄武岩纤维两方面对水泥稳定碎石强度的影响,并对两者的影响程度进行比较,主要研究结论如下:1、使用CCD相机对石灰岩机轧碎石、破碎鹅卵石两种碎石的9.5mm-13.2mm、13.2mm-16mm、16mm-19mm、19mm-26.5mm四档集料的正反面图像,以及4.75mm-9.5mm档集料图像进行采集,并将图像导入至Image-Pro Plus软件中,对其进行图像处理和集料信息提取,联合数学运算,得到圆度、长轴系数、费雷特径、凸度、棱角度、粗糙度和分形维数等七个指标参数。结果表明:(1)集料摆放面对形态特征指标参数没有影响,并且批量集料形态特征指标参数的波动都符合正态分布。(2)在4.75mm-9.5mm粒径范围内,两种集料的圆度、轴向系数、费雷特径、棱角度、凸度和分形维数无太大差异,研究粗集料形态特征对混合料强度的影响可从粒径大于9.5mm的集料开始。(3)从圆度、轴向系数、凸度、棱角度和粗糙度五种指标参数来说,石灰岩机轧碎石在9.5mm-13.2mm、13.2mm-16mm、16mm-19mm、19mm-26.5mm四个粒径范围内的形态特征指标参数优于破碎鹅卵石,从而可以扩大集料的粒径范围来研究粗集料的形态特征对混合料强度的影响。2、基于正交试验,研究9.5mm-19mm、19mm-26.5mm两个粒径范围的不同形态特征石灰岩机轧碎石、破碎鹅卵石的粗集料替换率以及水泥掺量对水泥稳定碎石强度的影响,以无侧限抗压强度和劈裂强度为试验指标。结果表明:(1)粗集料的形态特征与无侧限抗压强度始终呈正向递增的关系,对劈裂强度的影响先增大后略有降低。(2)当两个粒径范围内石灰岩机轧碎石的替换率都为50.0%,即在整体集料中集料的替换率为37.0%时,混合料强度提高了6.78%;当9.5-19mm和19-26.5mm的集料都被石灰岩机轧碎石替换时,即在两个粒径中石灰岩机轧碎石的替换率为100.0%,在整体集料中的替换比率为74.0%时,相比于整体混合料的替换率为37.0%的强度,提高了5.37%。(3)无侧限抗压强度与劈裂强度的线性相关性较好,调整后的相关度为R=.087069,劈裂强度的发展状态及大小可依据无侧限抗压强度进行推断,再基于此可判断整个基层是否属于稳定无裂缝的状态。3、通过对不同长度及不同掺量纤维的水泥稳定破碎鹅卵石的强度试验研究,并研究7d、14d、28d、60d四个龄期对水泥稳定破碎鹅卵石、水泥稳定碎石(石灰岩机轧碎石)以及纤维水泥稳定破碎鹅卵石三种混合料强度的影响。结果表明:(1)基于试验因素:6mm、15mm、25mm以及每个因素的相同四个水平:0kg/m、1kg/m、2kg/m、3kg/m,组成的三因素四水平的正交试验,以14d的无侧限抗压强度作为试验指标,确定了混合料中玄武岩纤维的最佳混合掺量为1kg/m 15mm长的玄武岩纤维和2kg/m 25mm长的玄武岩纤维。(2)水泥稳定破碎鹅卵石、水泥稳定碎石(石灰岩机轧碎石)和玄武岩纤维水泥稳定破碎鹅卵石三种工况的水泥稳定混合料的无侧限抗压强度与龄期都呈正线性相关,斜率分别为:0.04914、0.07367、0.09007;劈裂强度与龄期呈二次相关,二次项系数分别为:-4.961E-5、-0.970E-5、-1.167E-4,其中,玄武岩纤维水泥稳定破碎鹅卵石的变化幅度最大,因为随着龄期的增大加入纤维混合料的水泥水化反应逐渐完全,以及玄武岩纤维的加筋作用,在龄期45d左右时,其无侧限抗压强度达8.308MPa和劈裂强度达1.402MPa,接近及超过水泥稳定碎石(石灰岩机轧碎石)的强度8.337MPa、1.3947MPa。本文研究成果可为无机结合料稳定材料的设计、施工提供理论依据。