水泥混凝土路面抗疲勞優(yōu)化設(shè)計研究

■唐 博

(新疆交通建設(shè)集團股份有限公司，烏魯木齊 830000)

0 引言

我國的瀝青產(chǎn)量有限， 無法滿足日益高漲的道路建設(shè)要求，而水泥混凝土的各原材料儲量大，因此被業(yè)內(nèi)給以了高度重視。但作為剛性材料，很容易在水溫交替作用下產(chǎn)生疲勞破壞，而一旦產(chǎn)生了局部破壞，將會帶來較大的修復(fù)難度。 因此，在設(shè)計之初，有針對性地進行抗疲勞方面的考慮， 具體包括考慮我國不同自然區(qū)劃間的地理特性，可以有效節(jié)省道路維護支出。

針對水泥混凝土的疲勞性能及耐久性能， 國內(nèi)已有許多專家學者進行了一定的研究。葉叢[1]研究了水泥混凝土疲勞壽命差異的原因，通過ANSYS 建立了對應(yīng)的力學模型，主要將板底脫空狀態(tài)條件作為研究對象，并提出了對應(yīng)的優(yōu)化方案。 類似地，童申家[2]等人也是將板底脫空狀態(tài)條件作為研究對象， 但更偏向于研究得出去對應(yīng)條件下的壽命預(yù)估方程， 并未考慮水及溫度對其產(chǎn)生的影響。潘瑋[3]對水泥混凝土路面疲勞裂縫的開展規(guī)律進行了分析，其控制的條件為車輛沖擊荷載，并通過有限元軟件建立了對應(yīng)的模擬力學模型。逄立偉[4]設(shè)計了3 種不同配合比的混凝土路面， 提出了凍融循環(huán)次數(shù)將會降低混凝土疲勞性能的觀點，具有借鑒意義。 長安大學的何天欽[5]則考慮到了季凍區(qū)不同自然環(huán)境所帶來的， 對水泥混凝土路面產(chǎn)生的各類影響， 但在單獨的溫度條件卻并未給出過多考慮。

因此，研究水、溫度以及這二者的共同作用對水泥混凝土路面疲勞性能的影響，還有著很大的研究空間。本文初步擬定了3 種不同的水泥混凝土配合比， 并在試驗室建立了常規(guī)條件、水循環(huán)、溫度循環(huán)以及凍融交替四種控制條件；模擬不同設(shè)計的水泥混凝土路面，在不同水溫交替作用下的產(chǎn)生疲勞破壞的效應(yīng)； 以雙參數(shù)控制的威爾分布方程對試驗數(shù)據(jù)進行分析，控制不同彎拉應(yīng)力，得出水溫交替作用下混凝土疲勞特征； 從中得出水溫交替作用下混凝土路面抗疲勞設(shè)計的優(yōu)選方案， 為后續(xù)有關(guān)工程建設(shè)提供一定的指導(dǎo)意義。

1 混凝土原材料

1.1 水泥

試驗采用P·O42.5 普通硅酸鹽水泥， 對該水泥中的化學成分進行分析，其結(jié)果如表1。 隨后實測了該水泥各項力學指標，結(jié)果見表2。 此外，試驗采用粒度分析儀，對水泥粒度分布情況進行了測定，測試結(jié)果見圖1。

圖1 水泥的粒徑分布測試結(jié)果

表1 水泥化學成分分析表

表2 力學指標測試結(jié)果

1.2 粉煤灰

粉煤灰是煤粉在生產(chǎn)過程中， 燃燒后得到的粉末或者顆粒狀產(chǎn)物。 試驗優(yōu)選是I 級F 類高性能粉煤灰，其密度是2160kg/m3，細度是6.9%，燒失量是0.75%，需水量比是94.1%；其主要性能指標見下表3。

表3 粉煤灰化學成分表

1.3 骨料

本文所選的骨料碎石表面具有干燥、無各類雜質(zhì)、質(zhì)地堅硬還要求其耐風化性能好的特征。 去除了各類有害物質(zhì)，并且其表面粗糙、棱角性較好、無細長顆粒、無集料形狀扁平的情況。 原材料中骨料碎石優(yōu)先選用親水性的集料，另外其表面更不能黏附部分夾層等，否則會影響粘結(jié)作用，尤其是其在水泥和碎石之間的結(jié)合作用，最終結(jié)果嚴重的話會引起混凝土的松散。

砂子優(yōu)選中粗砂， 這主要是為了給硬化水泥混凝土路面提供足夠的抗滑性能， 尤其是在路面服役超過一定年限后，表面水泥漿脫落后。 該砂細度模數(shù)為2.6～3.1，通過試驗以累積篩余百分率計算， 得到最終的細度模數(shù)為2.71，Ⅱ區(qū)中砂，各性能均滿足規(guī)范規(guī)定。

1.4 外加劑

試驗中設(shè)計混凝土配合比的過程中選用了減水劑和早強劑兩類外加劑。為防止混凝土凝結(jié)過程中產(chǎn)生各類不良反應(yīng)，選用了具有較強穩(wěn)定性的聚羧酸減水劑，其減水效率高，并且不含氯離子，不會對鋼筋造成腐蝕；可顯著提升混凝土的密實型和耐久性。 早強劑的主要目的是快速形成混凝土早期強度，其組分主要是由甲酸(CH2O2)、氟化鈉(NaF)、硫酸鋁(Al2(SO4)3)以及三乙醇胺((HOCH2CH2)3N)組成，在配制使用的過程中加入熟石灰粉。

2 初擬配合比

配合比設(shè)計的基本原理是在計算的基礎(chǔ)上進行試驗適配，不斷調(diào)整，并得出水、碎石、砂子、外加劑以及外加劑之間的質(zhì)量比例。除了滿足最基本的強度要求外，還要保證施工后混凝土的各方面穩(wěn)定性， 更不能忽略經(jīng)濟可行性要求。為了形成水泥混凝土穩(wěn)定的密實骨架結(jié)構(gòu)，要擬定合理的配合比。 本文所述的初擬配合比是以經(jīng)驗公式作為計算依據(jù)， 并以成型后試件抗折強度為設(shè)計要求驗證。 擬定過程中重點控制單位用水、砂率及水灰比，得出了初擬配合比，具體情況見下表4。

表4 初擬配合比控制條件

3 試驗方案

3.1 模擬水溫交替作用方案

在我國南方地區(qū)的冬季， 道路水泥混凝土除了承受低溫帶來作用外， 還需承受水的循環(huán)以及凍融交替所帶來的疲勞破壞，而北方地區(qū)雖溫度更低，但混凝土除承受荷載外，僅需抵抗低溫作用即可。因此在試驗室建立了常規(guī)條件、水循環(huán)、溫度循環(huán)以及凍融交替四種控制條件，對成型后的混凝土試件進行人工干涉處理：

(1)常規(guī)條件

將按照上文擬定的配合比成型的各類試件安放在標養(yǎng)室28d，其中的溫度控制在(20±2)℃，濕度控制在95%以上。

(2)水循環(huán)

室內(nèi)模擬水循環(huán)作用是將經(jīng)標準養(yǎng)護28d 的試件進行干濕循環(huán)處理，共計循環(huán)次數(shù)達到50 次，其中單次干濕循環(huán)時長為24h，浸水時間為10h。

(3)溫度循環(huán)

室內(nèi)模擬溫度循環(huán)作用是將經(jīng)標準養(yǎng)護28d 的試件表面水分烘干，將其置低溫-15℃條件下8h，隨后將其置于常溫24℃條件下14h， 其中單次溫度循環(huán)時長為24h，共計循環(huán)次數(shù)達到50 次。

(4)凍融交替

室內(nèi)模擬凍融交替條件是最為復(fù)雜的模擬方案，既涉及到水的循環(huán)， 還涉及到溫度的循環(huán)： 將經(jīng)標準養(yǎng)護28d 的試件置于水中放置3d。 室內(nèi)模擬冰凍的方案是將試件置于-18℃氣凍環(huán)境中6h， 隨后將其置于溫度為20℃的溫水中18h，其中單次凍融交替時長為24h，共計循環(huán)次數(shù)達到50 次。

3.2 力學性能檢測

按照上文擬定的配合比成型抗壓強度混凝土試件，其尺寸為100mm×100mm×100mm，經(jīng)標準養(yǎng)護28d 后，以數(shù)字壓力試驗機進行抗壓強度測定， 其加載速度控制在0.6MPa/s。 需要注意的是，因試件尺寸限制，要乘以0.95的換算系數(shù)。

按照上文擬定的配合比成型抗折強度混凝土試件，其尺寸為400mm×100mm×100mm，經(jīng)標準養(yǎng)護28d 后，以抗彎拉試驗機進行抗折強度測定， 其加載速度控制在0.06MPa/s，同樣需要乘以0.85 的換算系數(shù)。

采用非金屬超聲檢測分析儀， 以超聲波法測定混凝土小梁的動彈性模量。

3.3 疲勞試驗檢測

以小梁彎曲疲勞試驗作為測定混凝土疲勞性能的方案，采用UTM-100 伺服液壓多功能材料試驗系統(tǒng)作為主要器材，本文所述UTM 可提供高達150kN 的荷載，并且加載方式豐富多樣，包含動態(tài)波形以及拉壓等多種模式。按照上文擬定的配合比成型各類試件，時間尺寸為400×100×100mm， 經(jīng)標準養(yǎng)護28d 及4 種水溫交替作用后進行測定。 選定的系統(tǒng)應(yīng)力水平為0.65～0.80，施加的荷載分別為13.48kN、14.64kN、15.76kN 以及16.73kN，相當于彎拉應(yīng)力3.449MPa、3.724MPa、3.979MPa 以及4.236MPa，并選擇三點加載的方案進行試驗。

4 試驗數(shù)據(jù)及分析

4.1 力學試驗

經(jīng)三項力學性能測定后， 將其試驗結(jié)果整理于下表5。

表5 力學試驗結(jié)果

由上表各數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)， 第1 組及第3 組的抗壓強度及抗折強度基本一致， 而第2 組試件的抗壓強度及抗折強度則更大，達到46.51MPa 以及6.514MPa，比其余二者高了約10%。而三者的動彈性模量則基本一致，無明顯區(qū)別。 各力學實驗試驗結(jié)果皆能滿足規(guī)程要求。

4.2 疲勞性能

在進行疲勞試驗時，發(fā)現(xiàn)部分試件在測定之初，有明顯的數(shù)據(jù)離散的情況， 出現(xiàn)了個別疲勞作用次數(shù)過低的現(xiàn)象。經(jīng)觀察可發(fā)現(xiàn)是因部分試件成型之初存在裂縫，經(jīng)調(diào)整重測后得以解決。在動荷載作用時間范圍內(nèi)，無明顯的形變現(xiàn)象， 且大多數(shù)試件破壞點出現(xiàn)在荷載作用點的內(nèi)部。

以第一組配合比設(shè)計的試件為例， 在常規(guī)養(yǎng)護條件下，經(jīng)測試得到的疲勞性能試驗結(jié)果如表6。 按照公式1模型得到試件的疲勞壽命次數(shù)與相對應(yīng)應(yīng)力的關(guān)系，能夠較為清晰地得到二者的疲勞方程。

其中，N 是疲勞壽命，σ 是應(yīng)力值，k 和n 表示相關(guān)參數(shù)。

擬合的結(jié)果為：N=8.469σ-20.107，R2=99.71

表6 常規(guī)條件試驗結(jié)果

將按上文三種初擬配合比設(shè)計的試件， 分別在室內(nèi)模擬的常規(guī)養(yǎng)護條件、水循環(huán)條件、溫度循環(huán)以及凍融交替條件下， 得到了各模擬疲勞條件下的試件疲勞壽命數(shù)據(jù)，并將其按照公式1 進行疲勞方程的擬合，將其匯總?cè)缦卤? 所示。

各組別在不同室內(nèi)模擬疲勞條件下得到的疲勞方程均有著較好的擬合性，R2 均在0.97 以上。 總體上來說，隨著應(yīng)力水平和彎拉應(yīng)力的上升， 試件疲勞壽命次數(shù)均明顯下降， 在實際工程應(yīng)用的過程中要著重考慮當?shù)氐缆烦袚暮奢d水平， 合理選用所需的結(jié)構(gòu)等級及對應(yīng)的配合比設(shè)計方案。

若道路使用地的日常使用條件很少或不會出現(xiàn)過大的溫度循環(huán)以及水循環(huán)，綜合考慮強度的因素，依照第2 組配合比設(shè)計施工的水泥混凝土道路將會是最佳選擇。

如果道路使用地常處于水循環(huán)自然條件， 綜合對照3 組配合比設(shè)計結(jié)果， 可以明顯發(fā)現(xiàn)同樣是按照第2 組配合比設(shè)計結(jié)果施工的混凝土有著最大的疲勞壽命次數(shù)。

但當?shù)缆肥褂铆h(huán)境處于凍融交替、 溫度循環(huán)頻繁且路基水含量處于較低水平時， 第1 組試件相對來說則是最佳的選擇。

表7 水循環(huán)條件試驗結(jié)果

5 結(jié)語

為解決我國不同自然區(qū)劃間道路使用環(huán)境差異較大的問題，本文初步擬定了3 種不同的水泥混凝土配合比，并在試驗室建立了常規(guī)條件、水循環(huán)、溫度循環(huán)以及凍融交替四種控制條件； 模擬不同配合比設(shè)計的水泥混凝土路面，在不同水溫交替作用下的產(chǎn)生疲勞破壞的效應(yīng)，得出水溫交替作用下混凝土疲勞特征； 從中得出水溫交替作用下混凝土路面抗疲勞設(shè)計優(yōu)選方案：

(1)若道路使用地不會出現(xiàn)過大的溫度循環(huán)時，依照第2 組配合比設(shè)計施工的水泥混凝土道路將會是最佳選擇；

(2)當處于凍融交替、溫度循環(huán)頻繁且路基水含量處于較低水平時， 第1 組試件的配合比設(shè)計結(jié)果則是最佳選擇。