荷載作用下路面混凝土的抗折性能研究

江　洲　徐治華

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司　貴陽　550081)

荷載作用下路面混凝土的抗折性能研究

江洲徐治華

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司貴陽550081)

摘要文中研究了25%，50%，75%應力水平荷載疲勞作用不同次數下路面混凝土抗折強度的變化規律，同時對其作用下路面混凝土的疲勞壽命進行了研究。結果表明，25%應力水平荷載疲勞作用對路面混凝土的抗折強度基本沒有影響。50%，75%應力水平荷載疲勞作用隨著應力水平的提高和疲勞作用次數的增多其對路面混凝土抗折強度的影響也越大。荷載應力水平越高路面混凝土的疲勞壽命越短。

關鍵詞荷載疲勞作用路面混凝土抗折強度

水泥混凝土路面是我國公路路面的主要結構形式之一。截止2013年底，我國公路總里程已達到434.60萬km。其中，水泥混凝土路面占70%左右。并且，隨著我國經濟與公路事業的蓬勃發展，水泥混凝土路面的里程將會繼續快速增加。然而，水泥混凝土路面的病害問題卻一直是困擾著各國學者的主要問題之一，尤其是斷板、斷角、表面剝落等病害。究其原因，一是路面混凝土在荷載作用下的抗疲勞性能不足，致使其在使用過程中的力學性能、耐久性能等迅速降低；二是車輛超載嚴重，現有的強度不足以滿足使用要求；三是路面混凝土自身強度不足；四是施工、環境等的影響。針對原因二、三、四國內外的學者從設計、使用、養護、維修等多方面已進行了很多研究，并取得了一定的成果。但針對原因一的研究相對很少。路面混凝土常年經受不同應力水平車輛輪載的疲勞作用，并且從目前國內公路破壞狀況可以看出，交通量大及重載交通路段的混凝土路面破損狀況要較其他地段嚴重，因此，對荷載疲勞作用下路面混凝土強度的衰減規律進行研究顯得尤為重要。本文將開展不同應力水平荷載疲勞作用不同次數下路面混凝土的抗折強度及疲勞壽命變化規律研究。

1試驗方案設計

1.1配合比設計

選用P·O.42.5普通硅酸鹽水泥，粗集料分為4.75～9.5mm和9.5～19.5mm2檔料，其比例為2∶8，細集料選用中砂，選用貴州博泰工貿有限公司I級粉煤灰和S95礦粉，其比例(質量比)為4∶6，其復摻量為膠凝總量的25%。混凝土配合比見表1。

表1　混凝土配合比

1.2試驗方案

疲勞加載試驗選用長春機械科學研究院有限公司生產的SD系列電液伺服動靜疲勞試驗機(四立柱式)，結合目前相關研究認為正弦波形與路面承受的實際荷載波形比較相近，本研究采用正弦波形荷載[1-4]。加載模式分為應力控制模式和應變控制模式，由于混凝土的應變性能受混凝土的原材料、養護環境、使用環境等的影響較大，因此本文加載時采用應力控制模式。加載頻率10Hz。加載應力水平選取25%,50%，75% 3個應力水平，加載次數選取50 000次、100 000次、150 000次和200 000次。

疲勞-強度試驗方案。將路面混凝土試件在標準養護條件下養護28d，之后對試件施加不同應力水荷載，作用設定疲勞次數，測試試件的剩余抗折強度。試驗方案及編號見表2。

表2　疲勞-強度試驗方案

疲勞-壽命試驗方案。將路面混凝土試件在標準養護條件下養護28d，之后施加不同應力水平荷載，進行疲勞作用直至路面混凝土試件斷裂。

2試驗結果及分析

2.1疲勞-強度試驗結果及分析

不同應力水平荷載疲勞作用不同次數后路面混凝土試件剩余抗折強度的變化規律見圖1，其對應于未施加荷載作用路面混凝土試件抗折強度的變化率見表3。

圖1　荷載疲勞作用下路面混凝土的抗折強度

應力水平/%疲勞次數/次50000100000150000200000251.492.640.66-1.32501.762.88-3.53-10.9075-1.95-3.25-8.13-17.89

由圖1、表3可見，25%，50%應力水平荷載疲勞作用不同次數下路面混凝土的抗折強度呈現出先上升后下降的趨勢。25%應力水平荷載疲勞作用下路面混凝土抗折強度變化量很小，始終處于3%的變化范圍內。50%應力水平荷載疲勞作用200 000次時路面混凝土試件的抗折強度已降低了10.9%。但其抗折強度拐點均在100 000次疲勞時，表明25%，50%應力水平荷載疲勞作用100 000次左右之前對路面混凝土抗折強度有利并處于持續增加狀態，之后，50%應力水平荷載疲勞作用下路面混凝土的抗折強度迅速降低，這可能是由于50%應力水平荷載持續疲勞作用短期造成路面混凝土內部孔隙不斷壓密，而后期作用是其內部混凝土逐漸疏松造成的，但200 000次的疲勞作用并沒有對路面混凝土造成結構性的破壞。25%應力水平荷載作用下路面混凝土的抗折強度基本處于不變的狀態。這可能是由于25%應力水平荷載對路面混凝土的力學性能影響很小，持續的疲勞作用并不能對路面混凝土的力學性能及強度發展等造成影響。75%應力水平荷載疲勞作用下路面混凝土的抗折強度呈現出持續降低的趨勢，并且速度越來越快。這可能是由于75%應力水平荷載疲勞的持續作用造成路面混凝土內部的孔隙、微裂縫等的不斷發展，使路面混凝土的內部結構發生改變而造成的[5]。

2.2疲勞-壽命試驗結果及分析

路面混凝土在不同應力水平荷載疲勞作用下的疲勞壽命見表4。

表4　荷載疲勞作用下路面混凝土的疲勞壽命

注：若疲勞作用1 000 000次時路面混凝土并未損壞，即可停止試驗。

由表4可見，荷載應力水平越高，其作用下路面混凝土的疲勞壽命越短。25%應力水平荷載疲勞作用1 000 000次時路面混凝土并未損壞，表明其疲勞作用對路面混凝土基本沒有影響。50%，75%應力水平荷載疲勞作用下路面混凝土的疲勞壽命分別為623 254次和385 641次，綜合應力水平和疲勞壽命數據可以發現，疲勞壽命的下降次數與荷載應力水平的變化并非呈線性關系。

3結語

隨著荷載應力水平的提高及疲勞作用次數的增多，其對路面混凝土抗折強度的影響也越來越大。25%應力水平荷載疲勞作用對路面混凝土抗折強度的影響可以忽略不計。50%應力水平荷載疲勞作用100 000次以內對路面混凝土抗折強度有利，之后造成其抗折強度的迅速降低。75%應力水平荷載疲勞作用下路面混凝土的抗折強度處于迅速降低狀態。

混凝土路面的使用環境十分復雜，其在經受車輛輪載疲勞作用的同時，也經受著自然環境中的溫度、濕度等對其帶來的影響，這其中有溫度作用、濕度作用、碳化作用、鹽堿溶液作用等等，這些因素的共同作用將急劇加速路面混凝土的破壞。然而目前這些方面的研究還幾乎處于空白階段，因此，開展路面混凝土在荷載、溫度、濕度等多種因素耦合作用下的力學性能、抗凍性能、耐久性能等的研究已顯得刻不容緩，這將對我國的公路建設事業具有十分重要的意義。

收稿日期：2014-11-05

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.049