二灰穩定再生集料混合料力學及疲勞性能研究

邊 偉，李亞龍，高學凱，榮亞鵬

(1.山西省交通科技研發有限公司，太原 030032；2.黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室，太原 030032)

0 引 言

隨著城鎮化的不斷推進和交通基礎設施的日益完善，我國正面臨著廢舊混凝土處理困難和天然砂石供需矛盾日益加劇兩大難題。利用混凝土類廢棄物生產再生集料(recycled concrete aggregate， RCA)并應用于路面工程，不僅可以從根本上解決廢舊混凝土的出路問題，還可以緩解天然砂石資源緊缺的困境，具有顯著的社會經濟效益和生態環境效益[1]。

目前，國內外學者就水泥穩定再生集料混合料的力學[2-5]、收縮[6-7]、疲勞[5,8-9]等性能以及在路面基層中的應用技術[10-11]開展了大量研究。然而，針對二灰穩定再生集料(lime-fly ash stabilized recycled concrete aggregate， LFSRCA)混合料的研究甚少，王軍龍等[12-15]針對LFSRCA混合料的抗壓強度、劈裂強度、回彈模量等進行了系統的研究，揭示了二灰比例和RCA摻量對LFSRCA混合料力學性能的影響，驗證了LFSRCA混合料基層的可行性。對于LFSRCA混合料的耐久性能和疲勞性能的研究鮮有報道，鑒于疲勞性能的優劣直接影響著路面的服役壽命，因此，開展LFSRCA混合料疲勞性能研究具有重要的現實意義。

研究制備了不同RCA摻量的LFSRCA混合料，分析了LFSRCA混合料的擊實特性，探究了LFSRCA混合料抗壓強度、劈裂強度、彎拉強度以及抗壓回彈模量等力學性能的增長規律，建立了LFSRCA混合料疲勞壽命預估模型，揭示了RCA摻量對LFSRCA混合料力學性能和疲勞性能的影響規律，旨在為LFSRCA混合料在路面基層中的應用提供一定的理論依據和參考價值。

1 實 驗

1.1 原材料

石灰采用山西本地生產的Ⅱ級鈣質消石灰，有效鈣鎂含量為61.3%(質量分數)。粉煤灰采用電廠的粉煤灰，主要化學組成見表1。天然粗集料采用5.0～31.5 mm的石灰石碎石，再生粗集料采用廢舊混凝土破碎的5.0～31.5 mm的集料，主要性能見表2。天然細集料采用0～5.0 mm的石屑，再生細集料采用廢舊混凝土破碎的0～5.0 mm的集料。拌和用水采用自來水。

表1 粉煤灰的主要化學組成Table 1 Main chemical composition of fly ash

表2 粗集料的主要性能Table 2 Main properties of coarse aggregate

1.2 配合比設計

1.2.1 級配組成

分別將再生集料按照0%、30%、50%和100%四種比例等質量替代(下同)天然集料，采用線性規劃方法求解，確定四種LFSRCA混合料的最佳級配，并盡量保證四種級配均接近于《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)中石灰粉煤灰類穩定材料推薦級配LF-A-2S的中值。

1.2.2 材料組成設計

構成LFSRCA混合料強度的因素主要包括二灰結合料的內聚力、二灰與集料的粘結力、集料間的嵌擠力和摩擦力等。二灰之間存在最佳比例可以使得混合料的粘結性能最優：適量的石灰可以促進粉煤灰水化反應，進而提高混合料強度；石灰含量過高又會造成石灰過剩，從而降低混合料強度。同時，二灰與RCA之間也存在最佳比例可以使得混合料的粘結性能最優：二灰含量過多容易使混合料產生較大的干縮量，降低基層的抗裂性和耐久性；二灰含量過少難以填滿集料間的空隙，難以保證基層的強度和整體性。研究表明[16],當石灰、粉煤灰、再生集料的質量比為 5 ∶15 ∶80時，混合料的力學性能最佳。鑒于此，本文選用石灰、粉煤灰、集料質量比為5 ∶15 ∶80作為制備LFSRCA混合料的材料組成配比。

1.3 試驗方法

1.3.1 擊實試驗

按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)，采用重型擊實法測試LFSRCA混合料的最大干密度和最佳含水率。

1.3.2 力學性能

按照靜壓法(壓實度為98%)成型相應規格試件，在溫度為(20±2) ℃、濕度為95%的標準環境下養生，按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)分別測試LFSRCA混合料的7 d、28 d、60 d、90 d和180 d的無側限抗壓強度、劈裂強度、彎拉強度和抗壓回彈模量。

1.3.3 疲勞性能

選取彎拉疲勞試驗測試分析LFSRCA混合料的疲勞性能。采用UTM-130路面材料伺服液壓動態試驗系統進行應力控制，加載頻率均為10 Hz，加載波形選用正弦波，應力特征值λ=Pmin/Pmax=0.1，應力水平分別為0.70、0.75、0.80、0.85，以試件斷裂作為疲勞破壞的判斷依據。

2 結果與討論

2.1 擊實特性

RCA摻量對LFSRCA混合料最大干密度和最佳含水率的影響見圖1。從圖中可以看出，隨著RCA摻量的增大，LFSRCA混合料的最大干密度隨之減小，最佳含水率隨之增大，這主要是再生集料的表觀密度小于天然集料而吸水率遠大于天然集料造成的。

圖1 RCA摻量對LFSRCA混合料最大干密度和最佳含水率的影響Fig.1 Effect of RCA content on maximum dry density and optimum water content of LFSRCA mixture

2.2 力學性能

2.2.1 性能分析

LFSRCA混合料無側限抗壓強度、劈裂強度、彎拉強度以及抗壓回彈模量等力學性能測試結果見圖2。從圖中可以看出，LFSRCA混合料的各項力學性能隨著養生齡期的增加而增大。隨著養生齡期的增長，LFSRCA混合料的各項力學性能均表現出相同的規律：在0～28 d內增長較慢，在28～60 d內迅速增長，在60～90 d內增長減慢，當養生齡期超過90 d后增長趨于平緩。LFSRCA混合料的7 d、28 d和90 d無側限抗壓強度分別可以達到180 d強度的12%、30%和90%，其劈裂強度和彎拉強度的增長速度與無側限抗壓強度基本一致，而7 d、28 d和90 d抗壓回彈模量則可以達到180 d的35%、43%和91%，顯然，LFSRCA混合料的抗壓回彈模量在養生前期的增長速度要高于其他力學性能。

隨著RCA摻量的增大，LFSRCA混合料的各項力學性能均隨之減小。在養生前期(<28 d)，RCA的摻入對LFSRCA混合料的無側限抗壓強度、劈裂強度和彎拉強度影響較小，但對抗壓回彈模量已產生明顯影響；當養生齡期達到28 d后，RCA摻量對LFSRCA混合料力學性能的影響變得更加顯著。當RCA摻量從0%增大到100%時，LFSRCA混合料的180 d的無側限抗壓強度、劈裂強度、彎拉強度、抗壓回彈模量均降低15%以上。

圖2 不同養生齡期下LFSRCA混合料的各項力學性能Fig.2 Mechanical properties of LFSRCA mixture under different curing ages

2.2.2 相關性分析

LFSRCA混合料無側限抗壓強度(Rc)與劈裂強度(Ri)、彎拉強度(Rs)、抗壓回彈模量(Ec)的對應關系見圖3。

圖3 LFSRCA混合料各項力學性能之間的相關性Fig.3 Correlation between mechanical properties of LFSRCA mixture

從圖中可以看出，LFSRCA混合料的無側限抗壓強度(Rc)與劈裂強度(Ri)、彎拉強度(Rs)基本呈線性對應關系。LFSRCA混合料無側限抗壓強度(Rc)與抗壓回彈模量(Ec)整體上具有良好的線性關系，但在局部區域(圖3(c)中圓框區域)的對應關系并不明顯。圓框區域數據為LFSRCA混合料7 d和28 d的測試結果，由此可見，在養生前期LFSRCA混合料的無側限抗壓強度(Rc)與抗壓回彈模量(Ec)的對應關系尚不明顯。

2.3 疲勞性能

2.3.1 疲勞壽命測試結果

LFSRCA混合料的疲勞壽命測試結果見表3。從表中可以看出，LFSRCA混合料的疲勞壽命具有很大的離散性。為了消除疲勞試驗離散性大的影響，選用威布爾分布函數處理彎拉疲勞試驗數據，并按下式建立LFSRCA混合料的疲勞壽命預估模型(疲勞壽命方程)。

表3 LFSRCA混合料的疲勞壽命Table 3 Fatigue life of LFSRCA mixture

lgN=a+bS

(1)

式中：N為荷載作用次數,即疲勞壽命；S為應力水平；a,b為回歸系數。

2.3.2 疲勞壽命預估模型建立

以100%RCA的LFSRCA混合料為例進行分析。在同一應力水平S下，將LFSRCA混合料試件的彎拉疲勞壽命Ni從小到大進行排列，并依次編號1，2，…，n；計算各試件的可靠度Pi=[1-i/(1+n)]×100%，i為試件編號，并計算-ln[ln(1/Pi)]值，結果見表4。

表4 不同應力水平下LFSRCA混合料的疲勞壽命及可靠度Table 4 Fatigue life and reliability of LFSRCA mixture under different stress levels

根據表4建立-ln[ln(1/Pi)]與lgNi的擬合關系圖，結果見圖4。從圖中可以看出，-ln[ln(1/Pi)]與lgNi存在良好的線性關系，相關性系數均在0.98以上，可見LFSRCA混合料的疲勞壽命符合威布爾分布，圖中擬合方程可以接受。

圖4 LFSRCA混合料疲勞壽命威布爾分布P-N曲線Fig.4 Weibull distribution P-N curves of fatigue lifeof LFSRCA mixture

根據上述擬合方程分別計算不同可靠度下LFSRCA混合料不同應力水平對應的疲勞壽命，結果見表5。

表5 不同可靠度下LFSRCA混合料不同應力水平對應的疲勞壽命Table 5 Fatigue life of LFSRCA mixture with different stress levels under different reliability

根據表5繪制應力水平S與疲勞壽命lgNi之間關系圖，結果見圖5。通過線性擬合求解不同可靠度下LFSRCA混合料疲勞方程的回歸系數a、b，并建立疲勞壽命方程，結果見表6。

圖5 LFSRCA混合料疲勞壽命擬合曲線Fig.5 Fatigue life fitting curves of LFSRCA mixture

表6 回歸系數及疲勞方程Table 6 Regression coefficient and fatigue life prediction equation

2.3.3 疲勞特性分析

按照上述步驟建立各個配比LFSRCA混合料在不同可靠度下的疲勞方程，并預測不同可靠度下的疲勞壽命，結果見表7。從表中可以看出，隨著RCA摻量的增大，不同可靠度下及應力水平的LFSRCA混合料的疲勞壽命均隨之減少。可見，RCA的摻入會降低LFSRCA混合料的抗疲勞性能。在相同可靠度下，RCA摻量對低應力水平下LFSRCA混合料疲勞壽命的影響比較顯著，而隨著應力水平的增大，RCA摻量的增大對疲勞壽命的影響減弱。在相同RCA摻量下，不同可靠度下的LFSRCA混合料疲勞壽命在低應力水平下相差很大，在高應力水平下則相差較小。

從表7可知， 當可靠度從95%降為50%時，LFSRCA混合料的疲勞壽命明顯增大，可見LFSRCA混合料在不同可靠度下的疲勞壽命差異很大。因此，在實際工程應用時，應根據公路等級、應用層位等因素確定適合的可靠度，并結合材料的組成配比來具體分析預測LFSRCA混合料的疲勞壽命。

表7 LFSRCA混合料的疲勞方程及疲勞壽命Table 7 Fatigue life prediction equation and fatigue life of LFSRCA mixture

3 結 論

(1)隨著RCA摻量的增大，LFSRCA混合料的最大干密度隨之減小，最佳含水率隨之增大。

(2)隨著養生齡期的增長，LFSRCA混合料的各項力學性能均表現出相同的規律：在0～28 d內增長較慢，在28～60 d內迅速增長，在60～90 d內增長減慢，當養生齡期超過90 d后增長趨于平緩。隨著RCA摻量的增大，LFSRCA混合料的各項力學性能均隨之減小，但RCA摻量對養生前期(<28 d)的LFSRCA混合料無側限抗壓強度、劈裂強度和彎拉強度影響較小。LFSRCA混合料的無側限抗壓強度與劈裂強度、彎拉強度、抗壓回彈模量基本呈線性對應關系，但早期的無側限抗壓強度與抗壓回彈模量對應關系并不明顯，這主要是由LFSRCA混合料的抗壓回彈模量在養生前期的增長速度要高于其他力學性能造成。

(3)LFSRCA混合料的疲勞壽命符合威布爾分布模型，LFSRCA混合料的疲勞壽命N與應力水平S具有良好的對應關系。在LFSRCA混合料摻入RCA會降低混合料的抗疲勞性能，且LFSRCA混合料的疲勞壽命隨著RCA摻量的增加而減小。

(4)在相同可靠度下，RCA摻量對低應力水平下LFSRCA混合料疲勞壽命的影響比較顯著，而隨著應力水平的增大，RCA摻量的增大對疲勞壽命的影響逐漸減弱。在相同RCA摻量下，不同可靠度下的LFSRCA混合料疲勞壽命在低應力水平下相差很大，在高應力水平下則相差較小。