半刚性基层材料对于温度和湿度的变化比较敏感，在我国北方高寒地区，自然气候条件恶劣，年(日)温差大，且气候干燥度和蒸发率大，致使半刚性基层的干缩裂缝、低温收缩裂缝以及低温破坏现象普遍^[1,2]，研究具有优良抗收缩和抗低温性能的新型基层材料，具有重要工程应用价值和现实意义。

近些年，人们开展了对聚丙烯纤维(简称PPF)掺入水泥稳定碎石半刚性基层的研究工作^{[3,4,5,6,7,8,9]}，达到改善基层材料的力学性能、增韧阻裂、抗疲劳等目的^[10,11]。但是，目前的研究存在两方面的不足：一是所有研究均集中于PPF水泥稳定碎石，而对PPF改善另一常见的水泥稳定砂砾性能的研究，几乎处于空白，尤其在其收缩性能和低温性能方面，未见国内外相关文献报道，使得PPF水泥稳定砂砾的应用缺乏必要的数据支撑和技术指导；此外，现有PPF水泥稳定碎石的研究结论及各参数变化的影响规律、程度是否适用于PPF水泥稳定砂砾，也不得而知，有必要对其展开研究；二是既有PPF水泥稳定碎石在收缩及低温性能研究方面^{[5,6,7,8,9,12,13]}，均是在固定纤维长度(通常是选用最常规长度19 mm)的条件下讨论纤维掺量变化的影响规律，却忽视了纤维长度变化的影响，特别是在低温性能研究中，纤维长度和掺量两个重要参数变化的影响均未予以考虑，更无相关结论形成，使得寒区PPF水泥稳定基层的工程应用仅凭经验，缺少必要的优化依据。

基于上述现状，本文结合北方干燥寒冷地区、冻土地区水泥稳定砂砾基层普遍存在的干缩、温缩和低温破坏问题^[14]，开展了PPF水泥稳定砂砾的收缩和低温性能相关研究工作，研究中考察了PPF的两个重要参数即长度(直径一定时也即长径比)和体积掺量变化的影响，分析得到不同PPF掺量和长度对水泥稳定砂砾收缩性能、低温性能的影响规律，并分析其机理。 1 试验原材料及配合比 1.1 试验原材料

试验采用P.O 32.5普通硅酸盐水泥，初凝、终凝时间及安定性合格。选用的砂砾为北方某地区的天然级配砂砾，其表观密度为2.68 g/cm³，压碎值为9.9%，含泥量为4.4%。

选用化学性质稳定、力学性能优良的单丝PPF，其直径约40 μm，断裂伸长率34.4%，抗拉强度642.5 MPa，弹性模量4 200 MPa 1.2 试验配合比

普通水泥稳定砂砾质量配合比为m(水泥)∶m(集料)＝6∶94，集料由中粗砂和天然砂砾组成，剔除其中粒径大于31.5 mm的砂砾石。集料各组成部分的质量百分比及级配见表 1。

PPF水泥稳定砂砾配合比，不改变原普通水泥稳定砂砾的材料配合比，只在其基础上掺入不同长度、不同掺量的PPF。本次试验，除了选用PPF常规长度19 mm外，还专门从厂家定制了长度为30 mm 和40 mm的PPF，经混合料施工和易性、纤维分散性试验，以PPF分散效果好、不缠绕结团为前提，确定选用的PPF长度为19 mm和30 mm两种，同时基于经济性因素，确定每1 m³混合料中加入0.5～0.9 kg的低掺量PPF(体积掺量仅为0.055％～0.1％)。 2 试件制备及试验方法 2.1 试件制备 2.1.1 击实试验

进行击实试验，确定各组PPF水泥稳定砂砾配合比的最佳含水量和最大干密度，指导干缩、温缩和低温性能试验的试件制作，击实试验结果见表 2。

击实试验显示：不同PPF长度和掺量下，PPF水泥稳定砂砾的最佳含水量和最大干密度，与普通水泥稳定砂砾十分接近，低掺量PPF的加入，几乎不会改变水泥稳定砂砾的击实性能。 2.1.2 试件制作及养护

干缩试验和温缩试验采用标准小梁试件，低温性能试验采用直径×高＝150 mm×150 mm的圆柱体试件，均在最佳含水量、压实度98%下成型，并在标准养护室养护。

根据PPF掺量及长度组合的不同，干缩、温缩试验各制作了4组PPF水泥稳定砂砾试件及1组普通对比试件，低温试验制作了6组PPF水泥稳定砂砾试件及1组普通对比试件。其中，干缩、温缩各组试件制作3~4个龄期，每1龄期各组制作平行试件2~4个；低温试验各组试件制作1个龄期，每1龄期各组为9个平行试件。 2.2 试验方法

按国家行业标准《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)规定的方法，进行干缩性能和温缩性能测试。根据干缩试验数据，计算干缩试件的失水率、干缩应变，并得到某失水率时材料的干缩系数。按应变片法测试温缩系数，恒温箱从初始设定温度30 ℃开始以10 ℃为等级，逐级降温至-30 ℃为止，计算各降温区间被测试件材料的温缩系数。

结合北方高寒地区气候特点，采用冻融抗压、冻融抗劈裂作为低温性能的试验方法，以试件的冻融质量损失率、冻融抗压强度和冻融劈裂强度为指标，评价水泥稳定砂砾的低温性能。养生龄期(90 d)结束前一天，将试件在常温下饱水一昼夜，然后取出擦干表面自由水并称重，放入-15 ℃冰拒中，冰冻24 h，取出在常温下饱水融化24 h，完成1次冻融循环，每次冰冻和融化后，均称取试件表干质量。冻融循环10次后，计算试件冻融质量损失率，并进行抗压和劈裂强度试验。 3 干缩性能 3.1 干缩试验结果

根据上述试验方法进行了水泥稳定砂砾的干缩性能试验，干缩系数与暴露失水时间的关系曲线见图 1所示，各组试件的平均干缩系数见表 3。

图 1 不同龄期PPF水泥稳定砂砾干缩系数与暴露时间的关系Fig. 1 Relation between dry shrinkage coefficient and uncovering time of PPF reinforced cement-stabilized gravel with different ages

图选项

随着暴露时间的增加，失水率逐渐增大，所有试件的干缩应变和干缩系数都不断增大，试验的前8 d，干缩系数与暴露时间的曲线斜率较大，表明该阶段干缩系数对失水率变化比较敏感；8 d之后，曲线变得较为平缓，即干缩系数趋于稳定。

试验还表明：失水的前4 d左右，PPF水泥稳定砂砾和普通对比组的干缩系数较接近；而4 d后，两者的干缩系数差别明显，PPF水泥稳定砂砾的干缩系数明显低于普通对比组，且不同PPF掺量试件的干缩系数降低幅度也有差别。

可见，在干缩初期的大空隙毛细水蒸发时，PPF并没有对干缩变形起到有效抑制作用。随着水分的进一步蒸发，毛细管中的液面曲率半径不断变小，微细的毛细水开始蒸发(其对干缩应变贡献较大)，而此时的PPF以三维乱向分布及惊人的分布数量开始发挥作用，不仅减小了失水面积，使水分迁移困难，同时也降低了毛细管张力，从而对干缩变形起到了有效的抵御作用。 3.2.2 不同龄期的平均干缩系数比较

各组试件的平均干缩系数，随着龄期的增长均呈减小趋势。龄期7～28 d过程中，平均干缩系数的降低幅度较明显；龄期28～60 d过程中，平均干缩系数的降低逐渐趋稳。

数据显示，各龄期PPF水泥稳定砂砾的平均干缩系数均小于普通对比组，尤其是养护龄期越短，PPF水泥稳定砂砾的平均干缩系数降低幅度越明显。实际工程中，水泥稳定砂砾一般养护7 d，因此，从7 d龄期试验结果可知，低掺量PPF可明显降低水泥稳定砂砾的干缩系数，降幅约11.4%～19.4%。

究其原因，随着养护龄期的增加，水泥与水分的反应越来越趋于充分，生成的胶结物和晶体逐渐增加，致使试件内部的宏观、亚微观空隙减少，毛细水损失量也随之减小；此外，随养护龄期的增加，微观层面上水泥凝胶物逐渐生成增多，但增长幅度会逐渐减小，刚形成的凝胶结构不稳定，随着其体积收缩、水逐步释放后而渐趋稳定，宏观上水泥稳定砂砾的自收缩也不断完成，此过程中PPF虽然能发挥对收缩的抑制作用，但若试件仍处于养护期，该作用效果并不能在干缩试验数据中得到体现，因此，较长养护龄期下PPF对水泥稳定砂砾干缩系数的降低幅度，不如较短龄期时那么明显。 3.2.3 PPF长度与掺量对干缩系数的影响

由图 1和表 3可知：在同一龄期，不同PPF长度和掺量试件的干缩系数各不相同，其规律为：PPF相对较长，干缩系数则较低；PPF相对掺量较多，则干缩系数较小。就本次试验，PPF选用长30 mm、掺量0.7 kg/m³时，PPF水泥稳定砂砾的平均干缩系数最小，其相对普通对比组的降低幅度为11.6%～19.4%。

PPF抑制水泥稳定砂砾收缩的效果，与PPF和水泥胶结物、集料的界面黏结吸附力及机械啮合固定作用有着密切的关系。相对较长的PPF能保证其与水泥基体更大的黏结长度，提供更有效的黏结力；同时，较长的、呈弯曲分布的PPF又赋予其发挥更强的集料握裹力和机械啮合力，使单个的粒料发生群体效应，充分发挥PPF的增韧增强和约束作用。而相对较多的PPF掺量，则能保证基体单位体积内PPF足够的数量，使得总黏结力和机械啮合固定作用更加显著，进而更有效地抵御水泥稳定砂砾的干缩变形。 4 温缩性能 4.1 温缩试验结果

各试件温测范围的温缩系数平均值及其与龄期的关系，见表 4和图 2。

图 2 PPF水泥稳定砂砾平均温缩系数与龄期的关系Fig. 2 Relation between average temperature shrinkage coefficient and age of PPF reinforced cement-stabilized gravel

图选项

由表 4及图 2可知，不同掺量组合PPF水泥稳定砂砾的平均温缩系数，均低于普通水泥稳定砂砾，其降低幅度约4.2％～12.1％。原因如下：

试验前试件中较大的空隙毛细水已烘干，残留在试件里的只有微细毛细水和层间结合水，而这种毛细水对试件的温缩起重要作用，对于PPF水泥稳定砂砾而言，PPF在水泥稳定砂砾中呈三维乱向分布且数量多，有效地扰乱了毛细水的形成，减少了毛细水的存在，从而降低了温缩系数；其次，PPF的温缩系数仅为水泥稳定粒料的1/10左右^[6]，水泥稳定砂砾的温缩受到了内部大量乱向分布PPF的约束作用，致使其温缩系数变小；再者，PPF的弹性模量在低温阶段会随着温度的降低而呈增大趋势^[15]，故在低温阶段，PPF抵抗材料温缩变形的能力将会增强，从而使PPF水泥稳定砂砾温缩系数在低温阶段的降低幅度更为明显。 4.2.2 不同PPF长度、掺量时的温缩特性

从图 2可知，尽管PPF长度和掺量对水泥稳定砂砾的温缩系数影响并不十分明显，但仍可得出这样的规律：PPF相对较长，温缩系数则较小；PPF相对掺量较多，则温缩系数也较小。就本次试验而言，PPF选用长度30 mm、体积掺量0.7 kg/m³时，各龄期下PPF水泥稳定砂砾的平均温缩系数都最小，其相对普通水泥稳定砂砾的降低幅度为8.3％～12.1％。

究其原因，一方面PPF数量较多，则其与水泥基和集料的界面总黏结力及机械啮合力越强，限制材料温缩变形的能力也越强，但由于材料的温缩应变绝对值并不太大，一定数量的PPF足以起到降低温缩变形的作用，在此基础上继续增加PPF掺量，尽管会有利于温缩系数的进一步降低，但其效果已不明显；另一方面，水泥稳定砂砾中的粒料颗粒较大，长度较大的PPF容易跨越大的粒料，握裹力和机械啮合力加大，增强了颗粒之间的衔接，使单个的粒料发生群体效应，进而增强了抵抗温度收缩的能力。 4.2.3 不同养生龄期的温缩特性

由图 2可以看出，随着养生龄期的增加，温缩系数有增大的趋势。7~28 d龄期时，温缩系数增长较快；28 d龄期后，温缩系数增长缓慢。

7 d龄期后，含水硅酸钙(C-S-H)凝胶、含水铝酸钙 (C-A1-H)胶结物开始大量生成，它们具有较大的温缩系数^[16]，使得水泥稳定砂砾的温缩系数明显增加；28 d龄期至60 d龄期过程中，各化学作用过程逐步缓慢，水泥稳定砂砾温缩系数的增长幅度随之变小。在龄期增加的同时，试件的强度和刚度不断增大，PPF与基体的黏结能力也得到加强，此时PPF能够更好地发挥作用。 4.2.4 温缩系数与温度的关系

试验数据表明，在-30～+5 ℃的低温区间，温缩系数随温度变化的敏感性较大，具体表现为温缩系数与温度的关系曲线具有较大的斜率。而且，在此低温范围内，PPF对降低水泥稳定砂砾温缩系数的作用最为明显，随着温度超出此范围并逐渐升高，PPF降低水泥稳定砂砾温缩系数的作用逐渐减弱。因此，PPF对水泥稳定砂砾温缩性能的改善，在低温区间作用更为显著。 5 低温性能 5.1 低温试验结果

10次冻融循环试验后，试件质量损失率、冻融抗压强度和冻融劈裂强度试验结果见表 5。

根据表 5结果可知，与普通水泥稳定砂砾相比，PPF水泥稳定砂砾的质量损失率大大降低，后者质量损失率较前者下降53.2%~90.6%，冻融抗压强度较前者提高9.3% ~ 12.1%，冻融劈裂强度提高8.3%~16.7%。

此外，PPF的长度及掺量对水泥稳定砂砾的低温性能具有如下影响规律：

(1)PPF体积掺量一定的情况下，30 mm PPF比19 mm PPF对水泥稳定砂砾冻融质量损失率、冻融抗压和劈裂强度的改善和提高作用更明显。基于低温性能，选用长30 mm的PPF效果更佳。

(2)PPF长度一定的情况下，PPF体积掺量达到0.7 kg/m³后，继续增加体积掺量，对水泥稳定砂砾的冻融抗压强度和劈裂强度贡献有限，甚至还会出现小幅度下降的趋势(PPF长30 mm时)。因此，从性能价格比来说，PPF的较佳体积掺量为0.7 kg/m³。

从材料组成方面看——大量乱向分布的PPF，在水泥稳定砂砾混合料中形成了三维空间网状结构和较强的内部约束，同时一定程度上封闭了材料内部的部分孔(缝)隙，减小了水冰冻时体积膨胀产生的附加内应力。加之低模量PPF良好的吸能和协调冻胀变形作用，以及PPF水泥基材料整体韧性的增强，使得PPF水泥稳定砂砾能够抵抗冻融产生的附加内力的反复挤压和松弛，大大降低低温环境对材料组成和整体强度的不利影响。

从线弹性断裂力学的角度看——水泥稳定砂砾内部不可避免地存在微小孔(缝)隙，对普通水泥稳定砂砾而言，水冰冻时对孔(缝)壁的冻胀压力会使其缝隙尖端出现应力奇异性，当缝隙尖端应力强度因子超过材料的断裂韧性时，原有缝隙将扩展为宏观裂纹，并导致材料内部结构的破坏。伴随着水分的进一步冷凝迁移及冻胀，宏观裂纹将继续扩展，材料整体抗力大大降低。而掺入PPF后的情况则会显著改善，由于乱向分布的PPF可跨越原有细微缝隙或缝端，其铆固作用将阻止缝隙扩展；在缝隙有扩展张开趋势的瞬间，PPF因产生应变的突变而受到很大的拉力，该拉力将反作用于两侧缝壁截面，并提供1对阻止缝隙扩展的闭合力，从而在缝端形成巨大的反向(负)应力强度因子，大大降低缝隙的扩张驱动力，阻止其扩展。特别是在低温环境下，随着温度的降低，PPF的弹性模量将随之增大，相同拉伸应变下PPF提供的闭合阻力也将随之增强，其阻裂效果将会更为明显。当跨越原有缝隙的PPF数量越多时，这种闭合力阻裂效应就越显著，极大地降低冻融导致的材料内部结构破坏。 6 断面SEM形貌分析

为了更好地揭示PPF的减缩、增强机理，利用扫描电子显微镜(SEM)，对同龄期PPF水泥砂浆组、参照组(无PPF)基体进行了断面形貌分析，部分代表性电镜扫描结果如图 3~图 5所示。

图 3 PPF组断面纤维分布及破坏形式Fig. 3 Distribution and failure form of fiber at section of PPF group

图选项

图 4 参照组断面微观结构 Fig. 4 Micro-structure of section of contrast group

图选项

在较低的放大倍数下，可见PPF组的纤维多为拉断破坏，伴随有少量纤维被拔出，其中30 mm PPF组的纤维拔出现象更少(图 3)，这表明两种长度PPF与基体的黏结握裹均良好，保证了纤维约束增强作用的发挥，相对而言，30 mm PPF黏结握裹作用更强。

在放大900倍及以上时，参照组中可见大量针状钙矾石晶体的存在(图 4)，而PPF组在900倍放大系数下几乎观察不到针状钙矾石晶体，见图 5(a)；放大3 900倍时，PPF组可见大量絮状物水化硅酸钙(C-S-H)凝胶，针状钙矾石晶体数量极少且长度极短，见图 5(b)。电镜扫描结果表明：在水泥水化初期，参照组的水泥石结构相对疏松，大孔数量多，为钙矾石晶体的大量生成提供了空间(图 4)；PPF组中纤维的约束作用显著减少了孔隙的数量、尺寸以及连续贯通孔的形成，随着水泥水化反应的继续进行，生成的水化硅酸钙凝胶更易将初期水化物(针状钙矾石晶体)包埋覆盖，使得基体结构更加致密(图 5)，有利于基体强度的增长以及抗渗水、抗冻融能力的提高，同时，孔隙的填充减少了毛细水的存在，基于毛细作用的失水降低，材料的干缩及温缩系数减小。

图 5 PPF组断面微观结构 Fig. 5 Micro-structure of section of PPF group

图选项

析因分析不仅可以检验每个因素各水平间的差异，而且可以检验各因素间的交互作用，其最大优点是所获得的信息量很多，可以准确地估计各试验因素的主效应的大小，还可估计因素之间各级交互作用效应的大小。因此，本文采用析因分析法，对试验数据进行了分析研究，为最优的PPF选型提供科学的理论依据。析因分析F值见表 6。

按α=0.01水准，对于干缩和温缩系数降幅，F_0.011，8=11.26，可知纤维长度和掺量对干缩系数的提高均有显著影响，但两者之间不存在交互作用；对于冻融抗压和劈裂强度增幅，F_0.011，12=9.33， F_0.012，12=6.93，可知纤维长度和掺量对干缩系数的提高均有显著影响，并且两者之间存在交互作用。

综合试验数据以及析因分析结果：纤维长度30 mm，掺量0.7 kg/m³时，PPF水泥稳定砂砾的收缩、低温性能指标及经济性指标最佳。 8 结论

(1)PPF的掺入及其长度、掺量变化，对水泥稳定砂砾最佳含水量和最大干密度的影响十分微小。

(2)PPF的掺量和长度变化对水泥稳定砂砾的干缩、温缩性能具有显著影响，但两者之间不存在交互作用，在一定范围内提高PPF掺量或选用相对较长的PPF，更有利于材料干缩和温缩系数的降低。

(3)PPF的掺入能显著改善水泥稳定砂砾的抗低温性能，冻融质量损失率大大降低，冻融抗压强度、劈裂强度均有明显提高。PPF掺量和长度对水泥稳定砂砾的低温性能具有显著影响，且两者之间存在交互作用，选用相对较长的PPF，有利于抗低温性能的提高，但掺量过大反而会对冻融抗压、劈裂强度造成不利影响。

(4)综合PPF水泥稳定砂砾的干缩、温缩和抗低温性能，推荐经济合理的PPF选型为：长度30 mm,体积掺量0.7 kg/m³。相对于普通水泥稳定砂砾，合理选型下PPF水泥稳定砂砾的平均干缩系数和平均温缩系数的降低幅度可达19.4％和12.1％以上，冻融抗压强度提高12.1%以上，冻融劈裂强度提高16.7％以上，冻融质量损失率降低87.8%以上。

(5)本文研究弥补了PPF在水泥稳定砂砾收缩和低温性能研究中的缺失，补充了纤维长度和掺量变化对PPF水泥稳定基层收缩性能和低温性能的影响规律，研究推荐的PPF长度值(为非常规值)优于现有PPF所取用的常规值，研究结论为PPF水泥稳定基层材料的进一步优化和推广应用提供了重要参考价值。