水泥稳定碎石基层材料疲劳特性研究

摘要： 水泥稳定碎石基层应能承受车轮荷载的反复作用，即在预定的设计标准轴次作用下不发生疲劳破坏。为此，本文对水泥稳定碎石基层掺加外加剂后的疲劳特性进行了研究，并与未掺外加剂的水泥稳定碎石进行比较。  

关键词： 水泥稳定碎石；基层材料；疲劳特性  

水泥稳定碎石材料是一种准脆性材料，其特征是抗拉强度低，极限拉应变小，以及抵抗重复荷载和冲击荷载能力差。一般情况下，水泥稳定碎石材料的抗拉强度一般只及抗压强度的 10% 。当水泥稳定碎石基层在使用期间经受车轮荷载的反复作用下，加之气温环境影响使其长期处于应力应变交迭变化状态，致使路面结构强度逐渐下降。当荷载重复作用超过一定次数后，在荷载作用下路面内产生应力就会超过强度下降后的结构抗力，当水泥稳定碎石基层内的弯拉应力接近或达到抗弯拉强度值时，裂缝迅速发展并贯穿全截面，继而发生断裂。或者说当水泥稳定碎石基层拉应变达到极限拉应变值时，便发生开裂，亦即产生疲劳裂缝。  

1. 试验用原材料及试验方案

1.1 试验用原材料

原材料主要包括水泥和集料，集料为石灰岩，水泥为普通 32. 5 ^# 水泥。经检验，二者各项技术指标均满足规范中相关的要求。外加剂采用 CS-I 型超早强水泥稳定基层外加剂，此外加剂性状为淡黄色粉末，其主要的矿物成分为硅酸钙、硫铝酸钙、铝酸钙，此外还有部分单晶体。主要化学成分见表 1 。级配组成见表 2 所示。  

表1 CS-I型超早强水稳基层外加剂的主要化学成分  

表2 集料级配组成

2. 试验方法

为对比不同水泥剂量时，外加剂的加入对其路用性能的影响，本研究选用 3 个水泥剂量进行对比，分别为 4% ， 5% 和 6% ；外加剂掺量选为 8%( 以水泥重量为基准 ) ，与未掺外加剂时作比较。此外，着重研究了水泥剂量为 5% 时， 4 个外加剂掺量 (4% ， 8% ， 12% ， 16%) 与未掺外加剂的力学性能对比。为方便研究，对各水泥剂量及加外加剂掺量进行编号，见表 3 。本文中水泥稳定碎石的编号是由水泥剂量编号与外加剂掺量编号共同组成，如： AW8 代表水泥剂量 4% ，外加剂掺量 8% 。  

表3 编号与混合料组成对照表  

为了模拟路面在车轮作用下的受力状态，试验室或公路现场的疲劳试验可用控制应力或控制应变的模式来进行。参考国内外已有的研究成果，本文采用控制应力的加载模式，施加应力的图式为正弦波形，平行试验误差不大于 20% 。加载时环境温度为 10 ～ 20 ℃，加载误差小于 2% 。  

疲劳试验是在 MTS850 材料试验机上进行，该设备配有应力、应变、位移等数据自动采集系统。应力、应变和位移分别由荷载传感器测得。试验时，采用控制应力加载模式。调节 MTS 上、下荷载，待指示值稳定后，即施加交变荷载，交变幅度为 P _min 至 P _max 。试验采用二分点加载，支点间距 30cm ，加载频率为 10Hz ，荷载循环特征值 R 为：  

（式 1 ）

式中： R —— 荷载循环特征值，即低高应力比；  

P _min —— 作用在试件上最小荷载 (KN) ；  

P _max —— 作用在试件上最大荷载 (KN) 。  

疲劳试验的低高应力比可参考汽车最小和最大质量比例并考虑温度应力的大小取值。本次疲劳试验中，采用的低高应力比为 0.02 。试件采用静压法成型，尺寸为 10cm×10cm×40cm 的中梁，在 20±2 ℃的保温保湿养生 90d ，用于抗弯拉强度的试件与用于疲劳试验的试件同批成型和养生。

3. 试验结果及其数据处理

各外加剂掺量水泥稳定碎石在不同应力水平下测得的疲劳寿命见表 4 。水泥稳定碎石疲劳寿命是一个随机量，从表 3 可以看出其离散性较大，需要研究其概率分布，才能较为准确、全面地建立疲劳方程。已有研究表明，普通混凝土的疲劳寿命 N 和等效疲劳寿命 ＝ 均服从双参数 Weibull 分布。即为：  

表4 疲劳试验原始数据

， ≥1 ， m ， t ₀ >0            ( 式 2)

或变形为  

  ( 式 3)

式中， m 和 t ₀ 分别为形状参数和尺度参数。  

和 具有良好的线性关系，并得到各相应水平下的系数 m 和 t ₀ ，因此，对于水泥稳定碎石，其等效寿命 服从双参数 Weibull 分布检验，即失效概率满足式 2 ，可以用此数学模型处理所得试验资料。  

本次水泥稳定碎石的疲劳试验结果经过分析之后，建立了如下形式的疲劳方程：  

( 式 4)

或  

 ( 式 5)

式中： a 、 b —— 疲劳试验待定系数；  

R _b —— 水泥稳定碎石的抗弯拉强度， MPa ；  

现建立如式 4 所示的疲劳方程。将回归所得的系数 m 和 lnt0 代入式 3 ，计算得到各应力水平上相应于不同失效概率 ρ 的等效疲劳寿命 。 b 值反应了反映了材料的抗疲劳性能， b 值越大，表明材料的抗疲劳性能越好。从试验结果可以看出，在相同失效概率的条件下， BW0 的 b 值最小， BW16 的 b 值最大，即掺加外加剂后 b 值有所提高。以失效概率为 5% 的疲劳方程为例，评价不同外加剂掺量时的疲劳性能，把不同外加剂掺量失效概率均为 5% 的疲劳方程的回归系数列于表 5 中。  

表5 失效概率为5%的疲劳方程的回归系数及相关系数

从表 5 可以看出，超早强水泥稳定碎石的回归系数 b 值明显高于普通水泥稳定碎石， BW16 、 BW8 分别比 BW0 提高了 27.0% 和 25.7% ，说明掺加外加剂的水泥稳定碎石其弯拉疲劳性能增加；同时，也可以看出，超早强水泥稳定的回归系数 a 值也明显高于普通水泥稳定碎石，两种超早强水泥稳定碎石的 a 值分别比普通水泥稳定碎石提高了 15.3% 和 10.8% ，这说明超早强水泥稳定碎石的疲劳曲线变陡，疲劳寿命随应力的敏感程度也有所增加。另外，从表 6 同样可以看出，当 ＝ 10 ⁶ 时，整个超早强水泥稳定碎石的应力值也有较大幅度的提高。由此可见，外加剂使水泥稳定碎石的疲劳性能提高，但同时也提高了水泥稳定碎石的应力敏感程度。  

表6 当＝106时水泥稳定碎石的应力水平及应力值  

水泥稳定碎石材料是由水泥、集料等加水后组成的复合材料，在自然状态下是一种疏松介质。这种材料在受力后，会在体内产生弥散裂隙。这些以裂隙或空洞形式表现的材料损伤，将在荷载、环境等因素的持续作用下进一步增长、扩展，逐渐并集、聚合，形成一定尺度的宏观裂纹，导致结构强度、刚度的下降。也就是说材料内部结构的微细裂纹是材料疲劳破坏主要根源。因此凡是与材料微细裂纹形成有关的因素都将是导致材料疲劳破坏的主要内因。  

4. 结论

掺加外加剂后的水泥稳定碎石，由于外加剂里掺加了表面活性剂， 表面活性剂具有两个基团而产生表面吸附能降低表面自由能和表面张力，并产生分散、湿润、润滑晶粒细化和起泡作用，可以使水泥水化更充分，水泥颗粒也能够均匀的分散到碎石中去，减少水泥与集料界面缺陷的出现。另外，外加剂中还掺加了膨胀阻裂成分，这些都能改善水泥石的孔结构，降低孔隙率，使水泥石内部更密实，具有更高的强度和疲劳寿命。