灰色關(guān)聯(lián)分析法分析水泥穩(wěn)定碎石抗疲勞性能因素

束俊齊

摘要：本文運用灰色關(guān)聯(lián)分析方法，對選取水泥碎石混合料試件在反復(fù)荷載作用下達到1×106次疲勞壽命的應(yīng)力水平、水泥劑量、4.75mm通過率、成型方式及抗彎拉強度等進行綜合評價，確定了影響水泥穩(wěn)定碎石抗疲勞特性因素的影響程度，為提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的疲勞性能提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：灰色關(guān)聯(lián);水泥穩(wěn)定碎石;級配;成型方式;疲勞性能試驗

在以水泥穩(wěn)定碎石為基層的瀝青路面中，基層是主要的承重層， 承受著由面層傳遞來的荷載。在車輛荷載的反復(fù)作用下，若面層較薄且面層與基層間粘結(jié)不好時，基層內(nèi)的應(yīng)力會迅速增大，容易使基層材料產(chǎn)生疲勞破壞。此外根據(jù)路面結(jié)構(gòu)中基層的受力狀態(tài)，并考慮到水泥穩(wěn)定碎石的抗壓性能遠優(yōu)于其抗拉性能，雖然車輛荷載的一次作用引起的基層底部拉應(yīng)力較小，但在荷載反復(fù)作用下仍然會導(dǎo)致基層疲勞開裂，故有必要研究其抗拉疲勞性能。目前中國已對水泥穩(wěn)定碎石混合料疲勞性做了不少研究，但是對水泥穩(wěn)定碎石混合料疲勞因素敏感性大小的分析很少，所以，如果有一種方法可以確定水泥穩(wěn)定碎石混合料疲勞因素敏感性大小，那么此種方法對于如何提高水泥穩(wěn)定碎石混合料路用性能以及指導(dǎo)現(xiàn)場施工將很有幫助。本人借助灰色關(guān)聯(lián)分析方法，對水泥穩(wěn)定碎石混合料的應(yīng)力水平、水泥劑量、4.75mm 通過率、成型方式及抗彎拉強度等影響因素進行分析研究，從而確定哪個因素對于水泥穩(wěn)定碎石的抗疲勞性能比較敏感。

1 原材料的基本性能

該文所用的P.O32.5水泥各項指標見表1。

集料采用石灰?guī)r，壓碎值為18.2%，其他主要性能指標經(jīng)測試均符合路用要求。

2 疲勞性能對比試驗

通過改變4.75mm篩孔通過率配制成粗、細兩種目標級配，并分別采用3%、5%兩種水泥劑量，共計4種配比。采用MTS-810材料試驗機對試件規(guī)格為100mm×100mm×400mm的梁形試件進行彎拉破壞試驗。

2.1 水泥劑量對疲勞性能的影響

選用3%、5%兩種水泥劑量，在95%保證率下分別進行粗、細級配的疲勞試驗，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，在同一應(yīng)力水平下，5%水泥劑量下水泥碎石疲勞次數(shù)多，說明隨水泥劑量增加，抗疲勞性能提高。試件底部的抗彎拉強度一定程度上影響著試件的疲勞壽命，而試件在成型時會在底部形成一層水泥漿，這也提高了試件底部的抗彎拉能力。研究表明：隨著水泥劑量的增加，試件的抗彎拉強度提高，進而提高了試件的抗疲勞能力。

2.2 級配對疲勞性能的影響

同一水泥劑量但不同級配條件下水泥碎石的疲勞性能對比見圖2。

圖2表明在同一水泥劑量下，偏細級配水泥碎石比偏粗級配水泥碎石的疲勞次數(shù)多， 抗疲勞性能更優(yōu)。對于偏細級配的水泥碎石混合料，其有效地填充空隙可以使試件內(nèi)部擁有相對較少的微細裂縫和孔洞，所以在重復(fù)荷載作用下，偏細級配的半剛性基層比偏粗級配的具有更好的抗疲勞性能。

2.3 成型方式對疲勞性能的影響

同一水泥劑量、同一級配但不同成型方式下水泥碎石的疲勞性能對比如圖3所示。

由圖3可知：同一水泥劑量及相同級配條件下，振動成型試件比靜壓成型試件的疲勞次數(shù)多，抗疲勞性能更優(yōu)。這主要是由于振動成型的試件，在振動下材料受迫運動，顆粒間互相運動，使大骨料互相嵌鎖，細集料填充其間，整體更加密實。對于靜壓成型的試件，只是靠物理作用使粗細集料相互擠壓靠近，并且容易使大骨料破碎或受傷，內(nèi)部結(jié)構(gòu)強度產(chǎn)生隱患，并且材料均勻性較差，在重復(fù)荷載的作用下更容易產(chǎn)生損傷，而形成應(yīng)力集中區(qū)，抗疲勞性能也將相應(yīng)衰退。

3 灰色關(guān)聯(lián)分析

3.1 灰色關(guān)聯(lián)分析的原理及計算步驟

灰色關(guān)聯(lián)分析是灰色系統(tǒng)理論的一個重要內(nèi)容，它通過參考序列與比較序列所構(gòu)成的各曲線來確定各序列之間的差異性和相近性，各曲線的幾何形狀越接近，則它們的變化趨勢越接近，其關(guān)聯(lián)度就越大。關(guān)聯(lián)度反映各比較因素對參考因素的接近程度，通過關(guān)聯(lián)度的計算找出各比較因素中對系統(tǒng)參考因素影響最大的因素，即與系統(tǒng)參考因素關(guān)聯(lián)度最大的因素，關(guān)聯(lián)分析不需要大量樣本及數(shù)據(jù)的典型分布，且計算簡單。

把計算的關(guān)聯(lián)度值按從大到小排序，根據(jù)關(guān)聯(lián)度的次序關(guān)系，可以對各因素在系統(tǒng)中的地位做出正確的判斷。

3.2 試驗數(shù)據(jù)的灰色關(guān)聯(lián)分析

水泥碎石作為半剛性材料做基層時，受到車輪荷載的反復(fù)作用，使其長期處于應(yīng)力應(yīng)變交迭變化狀態(tài)，致使路面結(jié)構(gòu)強度逐漸下降。當荷載重復(fù)作用達到一定次數(shù)后，荷載作用下的路面內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力就會超過路面結(jié)構(gòu)強度下降后的結(jié)構(gòu)抗力，當基層處于其極限應(yīng)力的某一應(yīng)力的反復(fù)作用下，其作用次數(shù)超過一定的限度后，材料就會發(fā)生疲勞破壞。

影響水泥穩(wěn)定碎石的疲勞特性的原因是多方面的。本人通過室內(nèi)試驗?zāi)M了水泥碎石在重復(fù)荷載下的疲勞性能，通過試驗所得數(shù)據(jù)和參數(shù)來進行灰色關(guān)聯(lián)分析以得出各因素對水泥碎石疲勞性能影響的大小。

選取水泥碎石混合料試件在反復(fù)荷載下達到1×106次疲勞壽命的應(yīng)力水平作為參考序列，以水泥劑量、4.75mm通過率、成型方式及抗彎拉強度作為比較序列。表2為影響水泥碎石疲勞性能因素的評價值， 其中成型方式以振動擊實和重型擊實的擊實功作

為定量的值來反映其影響程度。

對表2中各序列進行初值化處理后，求得關(guān)聯(lián)系數(shù)序列：

N1={0.5256，0.3631，0.6937，0.9959，0.5930，0.9262，0.5387，1}

N2={0.6430，0.3609，1，0.6156，0.3515，0.5054，0.6713，0.5362}

N3={0.6859，0.7275，0.7851，0.4823，0.4141，1，0.5770，0.9692}

N4={0.3744，0.7489，0.5281，0.5848，0.5622，1，0.8476，0.3400}

由以上關(guān)聯(lián)系數(shù)再求均值，得以下關(guān)聯(lián)度：

C1=0.7045，C2=0.5855，C3=0.7051，C4=0.6233相應(yīng)的關(guān)聯(lián)度序列為： C3 > C1 > C4> C2 ， 表明影響水泥碎石疲勞性能最大的因素是成型方式，其次為彎拉強度、水泥劑量， 4.75mm通過率影響最小。

4 結(jié)論

（1）同一級配、相同成型方式條件下，隨著水泥劑量的增加，水泥碎石的抗疲勞性能變優(yōu)。

（2）同一水泥劑量、相同成型方式，偏細級配比偏粗級配的水泥碎石混合料有更好的抗疲勞性能。

（3）相同水泥劑量、相同級配，振動成型方式的水泥碎石混合料的抗疲勞性能比靜壓成型方式更優(yōu)。

（4）影響水泥碎石的抗疲勞性能的因素的影響程度為：成型方式>彎拉強度>水泥劑量>4.75mm通過率。

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