水泥混凝土路面抗疲勞優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

■唐 博

(新疆交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，烏魯木齊 830000)

0 引言

我國(guó)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(chǔ)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(huì)帶來較大的修復(fù)難度。 因此，在設(shè)計(jì)之初，有針對(duì)性地進(jìn)行抗疲勞方面的考慮， 具體包括考慮我國(guó)不同自然區(qū)劃間的地理特性，可以有效節(jié)省道路維護(hù)支出。

針對(duì)水泥混凝土的疲勞性能及耐久性能， 國(guó)內(nèi)已有許多專家學(xué)者進(jìn)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(duì)應(yīng)的力學(xué)模型，主要將板底脫空狀態(tài)條件作為研究對(duì)象，并提出了對(duì)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(duì)象， 但更偏向于研究得出去對(duì)應(yīng)條件下的壽命預(yù)估方程， 并未考慮水及溫度對(duì)其產(chǎn)生的影響。潘瑋[3]對(duì)水泥混凝土路面疲勞裂縫的開展規(guī)律進(jìn)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(duì)應(yīng)的模擬力學(xué)模型。逄立偉[4]設(shè)計(jì)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(huì)降低混凝土疲勞性能的觀點(diǎn)，具有借鑒意義。 長(zhǎng)安大學(xué)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(duì)水泥混凝土路面產(chǎn)生的各類影響， 但在單獨(dú)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(duì)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(yàn)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(jì)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(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)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(yàn)采用P·O42.5 普通硅酸鹽水泥， 對(duì)該水泥中的化學(xué)成分進(jìn)行分析，其結(jié)果如表1。 隨后實(shí)測(cè)了該水泥各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)，結(jié)果見表2。 此外，試驗(yàn)采用粒度分析儀，對(duì)水泥粒度分布情況進(jìn)行了測(cè)定，測(cè)試結(jié)果見圖1。

圖1 水泥的粒徑分布測(cè)試結(jié)果

表1 水泥化學(xué)成分分析表

表2 力學(xué)指標(biāo)測(cè)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(yàn)優(yōu)選是I 級(jí)F 類高性能粉煤灰，其密度是2160kg/m3，細(xì)度是6.9%，燒失量是0.75%，需水量比是94.1%；其主要性能指標(biāo)見下表3。

表3 粉煤灰化學(xué)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(jiān)硬還要求其耐風(fēng)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(xì)長(zhǎng)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(huì)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(yán)重的話會(huì)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(xì)度模數(shù)為2.6～3.1，通過試驗(yàn)以累積篩余百分率計(jì)算， 得到最終的細(xì)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(yàn)中設(shè)計(jì)混凝土配合比的過程中選用了減水劑和早強(qiáng)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(qiáng)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(huì)對(duì)鋼筋造成腐蝕；可顯著提升混凝土的密實(shí)型和耐久性。 早強(qiáng)劑的主要目的是快速形成混凝土早期強(qiáng)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(jì)的基本原理是在計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)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(qiáng)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(jì)可行性要求。為了形成水泥混凝土穩(wěn)定的密實(shí)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(yàn)公式作為計(jì)算依據(jù)， 并以成型后試件抗折強(qiáng)度為設(shè)計(jì)要求驗(yàn)證。 擬定過程中重點(diǎn)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(yàn)方案

3.1 模擬水溫交替作用方案

在我國(guó)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(yàn)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(duì)成型后的混凝土試件進(jìn)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d 的試件進(jìn)行干濕循環(huán)處理，共計(jì)循環(huán)次數(shù)達(dá)到50 次，其中單次干濕循環(huán)時(shí)長(zhǎng)為24h，浸水時(shí)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)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(shí)長(zhǎng)為24h，共計(jì)循環(huán)次數(shù)達(dá)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)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(shí)長(zhǎng)為24h，共計(jì)循環(huán)次數(shù)達(dá)到50 次。

3.2 力學(xué)性能檢測(cè)

按照上文擬定的配合比成型抗壓強(qiáng)度混凝土試件，其尺寸為100mm×100mm×100mm，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d 后，以數(shù)字壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)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(qiáng)度混凝土試件，其尺寸為400mm×100mm×100mm，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d 后，以抗彎拉試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗折強(qiáng)度測(cè)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(cè)分析儀， 以超聲波法測(cè)定混凝土小梁的動(dòng)彈性模量。

3.3 疲勞試驗(yàn)檢測(cè)

以小梁彎曲疲勞試驗(yàn)作為測(cè)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(yàn)系統(tǒng)作為主要器材，本文所述UTM 可提供高達(dá)150kN 的荷載，并且加載方式豐富多樣，包含動(dòng)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(shí)間尺寸為400×100×100mm， 經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d 及4 種水溫交替作用后進(jìn)行測(cè)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(dāng)于彎拉應(yīng)力3.449MPa、3.724MPa、3.979MPa 以及4.236MPa，并選擇三點(diǎn)加載的方案進(jìn)行試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

4.1 力學(xué)試驗(yàn)

經(jīng)三項(xiàng)力學(xué)性能測(cè)定后， 將其試驗(yàn)結(jié)果整理于下表5。

表5 力學(xué)試驗(yàn)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(qiáng)度及抗折強(qiáng)度基本一致， 而第2 組試件的抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度則更大，達(dá)到46.51MPa 以及6.514MPa，比其余二者高了約10%。而三者的動(dòng)彈性模量則基本一致，無明顯區(qū)別。 各力學(xué)實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果皆能滿足規(guī)程要求。

4.2 疲勞性能

在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分試件在測(cè)定之初，有明顯的數(shù)據(jù)離散的情況， 出現(xiàn)了個(gè)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(cè)后得以解決。在動(dòng)荷載作用時(shí)間范圍內(nèi)，無明顯的形變現(xiàn)象， 且大多數(shù)試件破壞點(diǎn)出現(xiàn)在荷載作用點(diǎn)的內(nèi)部。

以第一組配合比設(shè)計(jì)的試件為例， 在常規(guī)養(yǎng)護(hù)條件下，經(jīng)測(cè)試得到的疲勞性能試驗(yàn)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(duì)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(yàn)結(jié)果

將按上文三種初擬配合比設(shè)計(jì)的試件， 分別在室內(nèi)模擬的常規(guī)養(yǎng)護(hù)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(jìn)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(shí)際工程應(yīng)用的過程中要著重考慮當(dāng)?shù)氐缆烦袚?dān)的荷載水平， 合理選用所需的結(jié)構(gòu)等級(jí)及對(duì)應(yīng)的配合比設(shè)計(jì)方案。

若道路使用地的日常使用條件很少或不會(huì)出現(xiàn)過大的溫度循環(huán)以及水循環(huán)，綜合考慮強(qiáng)度的因素，依照第2 組配合比設(shè)計(jì)施工的水泥混凝土道路將會(huì)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(duì)照3 組配合比設(shè)計(jì)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(jì)結(jié)果施工的混凝土有著最大的疲勞壽命次數(shù)。

但當(dāng)?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(shí)， 第1 組試件相對(duì)來說則是最佳的選擇。

表7 水循環(huán)條件試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

為解決我國(guó)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(yàn)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(jì)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(jì)優(yōu)選方案：

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

(2)當(dāng)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(shí)， 第1 組試件的配合比設(shè)計(jì)結(jié)果則是最佳選擇。