水泥穩(wěn)定爐渣碎石混合料的疲勞特性

何昌軒

(1.上海市市政規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200031；2.上海城市路域生態(tài)工程技術(shù)研究中心，上海 200031)

0 引言

生活垃圾經(jīng)焚燒后會(huì)產(chǎn)生大量固體廢棄物，其中爐渣約占固體廢棄物的80%，主要由磚石、玻璃、陶瓷、熔渣、金屬等物質(zhì)組成，經(jīng)過一定處理后可形成具有連續(xù)級(jí)配的爐渣集料(bottom ash aggregate，以下簡(jiǎn)稱BAA)，但由于BAA密度低、壓碎值高，因此目前主要將其替代部分天然集料應(yīng)用于道路基層建設(shè)中[1-7]。ARM M等[8]采用落錘式彎沉儀對(duì)爐渣基層試驗(yàn)路的模量變化進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)施工1年后爐渣基層模量約為相同結(jié)構(gòu)碎石基層的70%左右；Chang等[9]從爐渣物理性質(zhì)、工程性質(zhì)、環(huán)境影響角度對(duì)爐渣應(yīng)用于基層的適用性進(jìn)行研究，認(rèn)為BAA宜與天然集料摻配使用，且使用時(shí)需對(duì)其浸出液進(jìn)行處理；FREDERTC B等[10]認(rèn)為，與未穩(wěn)定爐渣碎石相比，水泥穩(wěn)定爐渣碎石(cement stabilized slag macadam，以下簡(jiǎn)稱CSSM)更適合應(yīng)用在重交通路段的基層中；劉棟等[11-12]對(duì)CSSM的強(qiáng)度特性、路用性能進(jìn)行的研究表明，CSSM的強(qiáng)度性能差于水泥穩(wěn)定碎石(cement stabilized macadam，以下簡(jiǎn)稱CSM)，但延長(zhǎng)爐渣的熟化時(shí)間、養(yǎng)生齡期，加大水泥用量可彌補(bǔ)其部分強(qiáng)度損失，當(dāng)BAA摻量為20%～30%時(shí)可滿足基層的路用性能要求。

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)CSSM基層的物理力學(xué)性能、路用性能等進(jìn)行了一定的研究，但卻未關(guān)注其長(zhǎng)期耐久性能，尤其是疲勞性能。然而，CSSM混合料內(nèi)部微空隙與CSM混合料存在差異，前者內(nèi)部微空隙大多呈細(xì)長(zhǎng)形，而后者大多為圓形[13]，因此兩者的疲勞性能可能存在差異。本研究采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)和靜壓成型制備混合料，進(jìn)行劈裂疲勞試驗(yàn)和三分點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，借此分析BAA摻量、試件成型方法和疲勞試驗(yàn)方法對(duì)CSSM混合料疲勞性能的影響。

1 試驗(yàn)材料

1.1 原材料

試驗(yàn)用BAA取自上海市某生活垃圾焚燒爐渣處理廠，粒徑范圍為0～9.5 mm；試驗(yàn)用天然集料為石灰?guī)r集料，分為0～3 mm，3～5 mm，5～15 mm，15～25 mm四檔。BAA及石灰?guī)r集料級(jí)配組成如表1所示，基本性能參數(shù)如表2所示。試驗(yàn)用水泥為江蘇太倉(cāng)海螺盤32.5號(hào)復(fù)合硅酸鹽水泥。

表1 爐渣集料和石灰?guī)r集料的級(jí)配組成Tab.1 Gradation of BAA and limestone aggregates

表2 爐渣集料和石灰?guī)r集料基本性能Tab.2 Properties of BAA and limestone aggregates

1.2 配合比設(shè)計(jì)

采用石灰?guī)r集料配制CSM混合料作為對(duì)照組，代號(hào)NA；以最接近對(duì)照組合成級(jí)配為原則，采用粒徑0～9.5 mm的BAA替代混合料總質(zhì)量的10%，20%，30%，制備CSSM混合料，代號(hào)依次為L(zhǎng)Z-10，LZ-20，LZ-30?；旌狭系呐浜媳仍O(shè)計(jì)如表3所示，合成級(jí)配曲線如圖1所示，擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，混合料水泥用量均為4.5%。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試件的制備

根據(jù)確定的最佳含水率成型9組混合料試件，試件的代號(hào)、尺寸、BAA摻量、成型方法和疲勞試驗(yàn)方法匯總于表5中，所有試件均在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件下養(yǎng)生180 d。

表3 混合料配合比設(shè)計(jì)Tab.3 Proportion design of mixtures

圖1 混合料合成級(jí)配曲線Fig.1 Gradation curves of mixtures

表4 混合料的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Compaction test result of mixtures

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

由于水泥穩(wěn)定類材料的疲勞壽命具有隨機(jī)性、離散性大的問題，為了正確反映材料的疲勞特性和合理利用疲勞試驗(yàn)結(jié)果，本研究采用二參數(shù)Weibull分布函數(shù)[14-18]對(duì)疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。首先，根據(jù)公式(1)建立不同保證率p與試件疲勞壽命Ni的關(guān)系，將同一試件在同一應(yīng)力比下的疲勞壽命由小到大排序，標(biāo)號(hào)為N1,N2,…,Nn，并對(duì)應(yīng)不同保證率p=[1-i/(n+1)]×100%，以lgNi為橫坐標(biāo)、-ln ln(1/p)為縱坐標(biāo)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，并將擬合直線中50%保證率的疲勞壽命作為該應(yīng)力水平下等效疲勞壽命。然后，根據(jù)公式(2)將不同應(yīng)力比下混合料的等效疲勞壽命進(jìn)行一元線性回歸，得到不同BAA摻量的CSSM混合料疲勞壽命回歸公式。

表5 試驗(yàn)用混合料試件匯總Tab.5 Summary of mixture specimens for test

-ln ln(1/p)=-2.303BlgNp+2.303BlgNa，

(1)

式中，p為保證率；B為Weibull形狀參數(shù)；Np為試件疲勞壽命；Na為特征疲勞壽命。

lgN=a-bS，

(2)

式中，N為疲勞壽命；S為應(yīng)力比；a、b為回歸系數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)第2.1節(jié)擬定的試驗(yàn)方案對(duì)混合料試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，采用第2.2節(jié)的數(shù)據(jù)處理方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，最終得到混合料的等效疲勞壽命和疲勞回歸公式中的回歸系數(shù)如表6所示。

3.1 爐渣集料摻量的影響

根據(jù)表6的試驗(yàn)結(jié)果，分別將旋轉(zhuǎn)壓實(shí)和靜壓成型試件的疲勞壽命擬合曲線繪制于圖2中。不同BAA替代率下CSSM疲勞特性可由疲勞壽命回歸曲線高低和回歸系數(shù)b進(jìn)行反映，疲勞壽命回歸曲線越高，混合料疲勞壽命越大，系數(shù)b越小，混合料疲勞壽命對(duì)應(yīng)力比的敏感性越低。

由圖2可知，無論是旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件還是靜壓成型試件，隨著應(yīng)力比和BAA摻量的增加，混合料的疲勞壽命逐漸減小；由表6中的回歸系數(shù)b可知，隨著BAA摻量的增加，回歸系數(shù)b逐漸減小。由此表明，增加BAA摻量可以降低CSSM混合料對(duì)應(yīng)力比的敏感性，但同時(shí)也會(huì)降低其疲勞壽命。

表6 混合料的等效疲勞壽命和疲勞壽命回歸系數(shù)Tab.6 Equivalent fatigue life and regression coefficient of mixture

圖2 不同BAA摻量下的混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Fatigue test results of mixtures with different BAA contents

從材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的角度來看，水泥穩(wěn)定碎石材料是由水泥水化產(chǎn)物、微孔隙、微裂縫、極小的天然集料顆粒組成的復(fù)合材料，其質(zhì)地不均勻、不連續(xù)。在重復(fù)荷載應(yīng)力作用下，材料內(nèi)部的微裂縫和微孔隙將會(huì)逐漸擴(kuò)展、連接并在達(dá)到一定開裂水準(zhǔn)的時(shí)候最終破壞。同時(shí)，隨著材料內(nèi)部應(yīng)力的增大，在內(nèi)部一些集料與水泥砂漿連結(jié)薄弱的地方還會(huì)產(chǎn)生新的微裂紋，導(dǎo)致材料發(fā)生疲勞破壞。與天然石灰?guī)r集料相比，BAA物質(zhì)組成不均一，玻璃和陶瓷對(duì)于水泥砂漿的裹覆能力較差，熔渣顆粒存在較多孔隙，內(nèi)部容易形成較多微裂縫，在重復(fù)荷載應(yīng)力作用下，更容易發(fā)生應(yīng)力集中，使得CSSM混合料中裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展速度大于CSM混合料。因此，CSSM混合料的抗疲勞性能較差，且隨著BAA摻量的增加而降低。

3.2 試件成型方法的影響

根據(jù)表6的疲勞試驗(yàn)結(jié)果，分別將旋轉(zhuǎn)壓實(shí)和靜壓成型混合料在不同應(yīng)力比下的疲勞壽命和疲勞壽命回歸系數(shù)b繪制于圖3中。

由圖3可知，試件的成型方法會(huì)顯著影響混合料的疲勞性能。BAA摻量相同時(shí)，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的疲勞壽命大于靜壓成型試件，應(yīng)力比越大，兩者的差距越大；隨著BAA摻量增加，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)混合料、靜壓混合料疲勞壽命均呈減小趨勢(shì)；旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的疲勞壽命回歸系數(shù)b小于靜壓成型試件。由此表明，與靜壓成型相比，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的CSSM混合料對(duì)應(yīng)力比變化的敏感性更小，且具有更好的抗疲勞性能。

圖3 不同成型方法混合料的疲勞試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Fatigue test result of mixtures with different molding methods

混合料壓實(shí)過程中，集料難免會(huì)發(fā)生破碎的現(xiàn)象，如果破碎情況較為嚴(yán)重，成型后集料的級(jí)配會(huì)與原來設(shè)計(jì)的級(jí)配發(fā)生較大偏差，成型后的混合料無法達(dá)到最佳組成設(shè)計(jì)狀態(tài)。為了進(jìn)一步探究試件成型方法對(duì)CSSM混合料疲勞性能的影響機(jī)理，根據(jù)公式(3)對(duì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)和靜壓成型試件進(jìn)行級(jí)配衰變分析，將累積級(jí)配變化率計(jì)算結(jié)果繪制于圖4中。

由圖4可知，與靜壓成型相比，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)對(duì)混合料級(jí)配的影響較小；兩種成型方法的級(jí)配變化率均隨BAA摻量的增加而增大。由于CSSM混合料中BAA壓碎值大，抗破碎能力較差，當(dāng)BAA摻量增加時(shí)，集料破碎越明顯。與靜壓成型垂直受力不同，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)過程中混合料具有一定的切斜角度，壓頭旋轉(zhuǎn)提供的橫向剪切力能夠讓混合料的粗細(xì)集料在自由水的作用下移動(dòng)形成良好的嵌擠狀態(tài)，集料之間發(fā)生摩擦和擠壓的現(xiàn)象較少，級(jí)配衰變情況較好。因此，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型混合料中集料破碎情況較小，粗細(xì)集料分布更加均勻，時(shí)間內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加均一穩(wěn)定，微裂縫較少，在重復(fù)荷載應(yīng)力的作用下較不易產(chǎn)生新的微裂縫，所以采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型混合料的疲勞性能更好。

∑Δp=∑(p1-p2)，

(3)

圖4 不同成型方法的級(jí)配衰變情況Fig.4 Gradation attenuation of different molding methods

式中，∑Δp為累積級(jí)配變化率；p1為成型后混合料試件中各檔集料的通過率；p2為原混合料試件中各檔集料的通過率。

圖5 采用不同疲勞試驗(yàn)方法的混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Fatigue test result of mixtures with different fatigue test methods

3.3 疲勞試驗(yàn)方法的影響

根據(jù)表6的疲勞試驗(yàn)結(jié)果，分別將采用劈裂疲勞試驗(yàn)和三分點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的混合料疲勞壽命擬合曲線繪制于圖5中。

由圖5可知，隨著應(yīng)力比的增大，采用劈裂疲勞試驗(yàn)和三分點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的混合料疲勞壽命均逐漸減??；在相同應(yīng)力比下，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的劈裂疲勞試驗(yàn)結(jié)果與中梁試件的三分點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果更為接近，而采用靜壓成型試件的劈裂疲勞試驗(yàn)結(jié)果則遠(yuǎn)小于前兩者；在較低應(yīng)力水平下，三分點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的疲勞壽命略大于劈裂疲勞試驗(yàn)(旋轉(zhuǎn)壓實(shí))，在較大應(yīng)力水平下，三分點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的疲勞壽命則略小于劈裂疲勞試驗(yàn)(旋轉(zhuǎn)壓實(shí))；由表5中的回歸系數(shù)b可知，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的劈裂疲勞試驗(yàn)對(duì)應(yīng)力比的敏感性最小，與三分點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)更為接近，而采用靜壓成型試件的劈裂疲勞試驗(yàn)對(duì)應(yīng)力比的敏感性最大。因此，在疲勞壽命和對(duì)應(yīng)力比敏感性兩個(gè)方面，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的劈裂疲勞試驗(yàn)均與《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)[19]中規(guī)定的三分點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)更為接近。

另外，根據(jù)現(xiàn)有研究[20-21]對(duì)靜壓成型試件、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件和實(shí)際基層鉆芯取樣試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試和橫斷面掃描的研究結(jié)果，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件的強(qiáng)度與現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣試件較接近，而靜壓試件內(nèi)部存在肉眼可見的集料破碎現(xiàn)象，抗壓強(qiáng)度較小，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法可更好模擬實(shí)際基層施工后集料的顆粒分布情況。因此，根據(jù)與中梁試件三分點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果的接近程度，以及試件中集料顆粒分布與現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)情況的一致性，推薦采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件。

4 結(jié)論

(1)BAA物質(zhì)組成不均一，水泥砂漿對(duì)玻璃、陶瓷的裹覆程度較差，熔渣顆粒存在較多孔隙，內(nèi)部容易形成較多微裂縫，導(dǎo)致CSSM混合料的疲勞壽命低于CSM混合料，并且隨著BAA摻量的增加，混合料疲勞性能逐漸降低，但同時(shí)對(duì)應(yīng)力比的敏感性也逐漸降低。

(2)與靜壓成型相比，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)對(duì)混合料級(jí)配的影響較小，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的疲勞性能更好，且對(duì)應(yīng)力比的敏感性更??；應(yīng)力比越大，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的疲勞壽命提高的幅度越大。

(3)當(dāng)BAA摻量為30%時(shí)，在疲勞壽命和對(duì)應(yīng)力比敏感性兩個(gè)方面，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的劈裂疲勞試驗(yàn)均與三分點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)更為接近。根據(jù)混合料試件中集料顆粒分布與現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)情況的一致性，推薦采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件。