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(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析方法，對(duì)選取水泥碎石混合料試件在反復(fù)荷載作用下達(dá)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(qiáng)度等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，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(jí)配;成型方式;疲勞性能試驗(yàn)

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(lái)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(shí)，基層內(nèi)的應(yīng)力會(huì)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(yuǎn)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(huì)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(guó)已對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料疲勞性做了不少研究，但是對(duì)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(duì)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(chǎng)施工將很有幫助。本人借助灰色關(guān)聯(lián)分析方法，對(duì)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(qiáng)度等影響因素進(jìn)行分析研究，從而確定哪個(gè)因素對(duì)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(xiàng)指標(biāo)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(biāo)經(jīng)測(cè)試均符合路用要求。

2 疲勞性能對(duì)比試驗(yàn)

通過改變4.75mm篩孔通過率配制成粗、細(xì)兩種目標(biāo)級(jí)配，并分別采用3%、5%兩種水泥劑量，共計(jì)4種配比。采用MTS-810材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件規(guī)格為100mm×100mm×400mm的梁形試件進(jìn)行彎拉破壞試驗(yàn)。

2.1 水泥劑量對(duì)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(jìn)行粗、細(xì)級(jí)配的疲勞試驗(yàn)，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(qiáng)度一定程度上影響著試件的疲勞壽命，而試件在成型時(shí)會(huì)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(qiáng)度提高，進(jìn)而提高了試件的抗疲勞能力。

2.2 級(jí)配對(duì)疲勞性能的影響

同一水泥劑量但不同級(jí)配條件下水泥碎石的疲勞性能對(duì)比見圖2。

圖2表明在同一水泥劑量下，偏細(xì)級(jí)配水泥碎石比偏粗級(jí)配水泥碎石的疲勞次數(shù)多， 抗疲勞性能更優(yōu)。對(duì)于偏細(xì)級(jí)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(duì)較少的微細(xì)裂縫和孔洞，所以在重復(fù)荷載作用下，偏細(xì)級(jí)配的半剛性基層比偏粗級(jí)配的具有更好的抗疲勞性能。

2.3 成型方式對(duì)疲勞性能的影響

同一水泥劑量、同一級(jí)配但不同成型方式下水泥碎石的疲勞性能對(duì)比如圖3所示。

由圖3可知：同一水泥劑量及相同級(jí)配條件下，振動(dòng)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(dòng)成型的試件，在振動(dòng)下材料受迫運(yùn)動(dòng)，顆粒間互相運(yùn)動(dòng)，使大骨料互相嵌鎖，細(xì)集料填充其間，整體更加密實(shí)。對(duì)于靜壓成型的試件，只是靠物理作用使粗細(xì)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(qiáng)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(jì)算步驟

灰色關(guān)聯(lián)分析是灰色系統(tǒng)理論的一個(gè)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(lái)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(shì)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(duì)參考因素的接近程度，通過關(guān)聯(lián)度的計(jì)算找出各比較因素中對(duì)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(jì)算簡(jiǎn)單。

把計(jì)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(duì)各因素在系統(tǒng)中的地位做出正確的判斷。

3.2 試驗(yàn)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(shí)，受到車輪荷載的反復(fù)作用，使其長(zhǎng)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(qiáng)度逐漸下降。當(dāng)荷載重復(fù)作用達(dá)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(huì)超過路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降后的結(jié)構(gòu)抗力，當(dāng)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(huì)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(yàn)?zāi)M了水泥碎石在重復(fù)荷載下的疲勞性能，通過試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)和參數(shù)來(lái)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析以得出各因素對(duì)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(dá)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(qiáng)度作為比較序列。表2為影響水泥碎石疲勞性能因素的評(píng)價(jià)值， 其中成型方式以振動(dòng)擊實(shí)和重型擊實(shí)的擊實(shí)功作

為定量的值來(lái)反映其影響程度。

對(duì)表2中各序列進(jìn)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(qiáng)度、水泥劑量， 4.75mm通過率影響最小。

4 結(jié)論

（1）同一級(jí)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(xì)級(jí)配比偏粗級(jí)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(jí)配，振動(dòng)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(qiáng)度>水泥劑量>4.75mm通過率。

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