凍融條件下水泥穩(wěn)定碎石的疲勞性能模擬分析

曾浩　梁春雨　張桂博　黃慧

作者簡介：曾 浩（2001—），碩士研究生，研究方向：道路與鐵道工程;

梁春雨（1974—），教授，研究方向：道路與鐵道工程;

張桂博（1988—），工程師，研究方向：公路工程;

黃 慧（1984—），高級工程師，研究方向：公路工程。

摘要：考慮季凍區(qū)公路水泥穩(wěn)定碎石基層疲勞性能的影響因素，文章以Ansys軟件的Workbench和ncode模塊為分析工具，基于室內(nèi)試驗結(jié)果對兩種級配的水泥穩(wěn)定碎石標準中梁進行凍融循環(huán)和疲勞試驗模擬，通過瞬態(tài)熱應(yīng)力分析得出了荷載應(yīng)力比和集料級配對水泥穩(wěn)定碎石凍融疲勞性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：凍融會降低水泥穩(wěn)定碎石的疲勞性能;水泥穩(wěn)定碎石級配中細集料含量過多，會降低材料的抗凍性能;應(yīng)力比為0.65時凍融試件的疲勞損傷百分率會顯著增大。這說明季凍區(qū)水泥穩(wěn)定碎石基層的疲勞性能要綜合考慮應(yīng)力比和凍融條件的影響。

關(guān)鍵詞：水泥穩(wěn)定碎石;有限元分析;疲勞性能;凍融循環(huán)

中國分類號：U416.214

0 引言

路面基層作為道路結(jié)構(gòu)的重要組成部分，是路面結(jié)構(gòu)的主要承重層，其性能的好壞對路面有很大影響。以水泥穩(wěn)定碎石為鋪筑材料的基層由于早期強度高、板體性好等優(yōu)點在我國應(yīng)用廣泛。但是在季節(jié)性冰凍地區(qū)，荷載作用和溫濕度變化對基層的破壞較大，因此研究水泥穩(wěn)定碎石基層在凍融條件下的疲勞特性影響規(guī)律極其重要[1-3]。

對半剛性基層水泥穩(wěn)定碎石混合料抗凍性和疲勞性的研究，國內(nèi)外已取得不少成果，主要集中在凍融或荷載單獨作用下對材料疲勞性的影響，對水泥穩(wěn)定碎石混合料在凍融和荷載共同作用條件下的疲勞模擬研究相對較少[4-6]。一些已建工程由于在設(shè)計之初對這方面的要求考慮不足，導致在使用過程中出現(xiàn)較多的凍融疲勞損傷開裂，降低了使用壽命。實際上水泥穩(wěn)定碎石混合料在反復循環(huán)的凍融與外加應(yīng)力的共同作用下與二者單獨作用時的使用性能差異極大[7-9]。

本文采用國內(nèi)外常用的小梁疲勞試驗方法進行疲勞試驗，該方法在施加不同應(yīng)力和應(yīng)力比的條件下測定對應(yīng)的疲勞壽命，用S-N曲線來反映材料的疲勞性能，通過Ansys軟件模擬在凍融條件下耦合荷載應(yīng)力情況，對水泥穩(wěn)定碎石混合料的疲勞性能進行研究。

1.1 原材料

根據(jù)實際工程應(yīng)用并結(jié)合本課題研究內(nèi)容，水泥選用42.5#普通硅酸鹽水泥，試驗結(jié)果如表1所示。各性能指標均滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。

集料為玄武巖，分別為20～30 mm、10～20 mm、5～10 mm、0～5 mm四檔。以粒徑4.75 mm劃分粗集料和細集料。按照《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42-2005）進行相關(guān)試驗，試驗結(jié)果如表2所示。各項性能指標滿足《公路路面基層施工技術(shù)細則》（JTGT F20-2015）的要求。

研究級配為級配1和級配2，分別為粗集料斷級配和骨架密實級配。兩個級配都是以粗集料形成骨架，但級配1比級配2的細集料（4.75 mm以下）多，其關(guān)鍵篩孔通過率如表3所示。

1.2 水泥穩(wěn)定碎石強度測定

通過擊實試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗、彎拉強度試驗測得兩種級配的強度試驗結(jié)果如表4所示。

2 軟件和試驗方法

Ansys是一款功能模塊多、計算精度高的有限元分析軟件。本次試驗使用Workbench模塊進行靜力學分析，使用ncode模塊進行疲勞性能分析。Workbench平臺集成了Ansys的大多數(shù)求解功能，求解流程如圖1所示。

ncode模塊也集成在Workbench平臺中，通過讀取Workbench的計算結(jié)果來進行疲勞分析。求解流程如圖2所示。

3 模擬試驗過程

本試驗模擬樣本選擇了兩組不同級配的骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石標準中梁成型兩組試件（試件1、試件2），標準試件尺寸為400 mm×100 mm×100 mm。根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細則》（JTG/T F20-2015），無機結(jié)合料穩(wěn)定材料目標配合比設(shè)計技術(shù)要求基層所需水泥劑量確定為5%，具體級配情況如表3所示。利用Ansys軟件，建立模擬試件模型如圖3所示。模型單元采用Soild 45單元，尺寸大小為規(guī)范要求，試件參數(shù)分別參考了實際試驗室數(shù)據(jù)，如表4所示。

（1）模擬試件在室溫20 ℃下進行標準三分點加載試驗，由試件的彎拉強度確定施加荷載水平。對兩個級配的標準中梁試件進行疲勞試驗，采取3個應(yīng)力比進行分析，分別為0.6、0.65、0.7，得到試件的應(yīng)力應(yīng)變情況。通過施加Havesine波動態(tài)周期性荷載進行疲勞性能分析，得出兩種級配試件的疲勞壽命。

（2）采用瞬態(tài)熱分析的方法，模擬試件進行凍融循環(huán)試驗。具體步驟參照規(guī)范《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51-2009）中的無機結(jié)合穩(wěn)定材料凍融試驗方法（T 0858-009），其溫度控制曲線如圖4所示。

（3）重復五次凍融循環(huán)，把凍融后的試件按與標準試件相同的條件進行疲勞加載，獲得試件在凍融后相同荷載下的疲勞壽命和損傷云圖情況。

4 模擬結(jié)果分析

在不同級配、不同應(yīng)力比情況下，試件的疲勞壽命和疲勞損傷百分率（凍融后減少的疲勞壽命與凍融前疲勞壽命的比值）如表5所示。

（1）由表5可知，相同應(yīng)力比下，試件1的疲勞損傷百分率更大。經(jīng)過分析，造成這一現(xiàn)象的原因是由于級配1細集料含量較多，試件內(nèi)結(jié)合水的含量更大，使水凝固成冰的凍脹現(xiàn)象更加明顯，應(yīng)力更大，隨著凍融循環(huán)的增加，試件強度損失也就更大，因此抗凍能力更差。

同時，在不同應(yīng)力比條件下，試件1和試件2的變化趨勢相似，隨著應(yīng)力比的增大，疲勞損傷百分率逐漸增大。

（2）應(yīng)力比從0.6增加到0.65時，兩種級配試件的損傷百分率增加了近20%，說明在凍融條件下應(yīng)力比對試件的疲勞壽命影響較大。

而應(yīng)力比從0.65增加到0.7時，兩種級配試件的損傷百分率增加了約6%～7%，可見在應(yīng)力比達到一定程度后，對疲勞壽命起主要作用的因素是凍融條件。

圖5～8分別是試件1應(yīng)力比為0.6和0.65時凍融前后試件疲勞損傷云圖。觀察可知，應(yīng)力比為0.6時斜損傷區(qū)域未延伸連接，應(yīng)力比為0.65時斜損傷區(qū)域已經(jīng)形成角度約為45°的損傷帶，損傷帶的形成使得材料結(jié)構(gòu)組成發(fā)生了變化，試件在荷載的重復作用下更容易擴散裂縫，從而使疲勞性能下降，這也是導致?lián)p傷百分率驟增的原因。

5 結(jié)語

本研究通過對兩種級配的水泥穩(wěn)定碎石混合料在相同凍融循環(huán)次數(shù)下的疲勞性能進行有限元模擬，得出以下結(jié)論：

（1）凍融循環(huán)會不同程度地改變水泥穩(wěn)定碎石材料的彈性模量，試件極限抗拉強度會下降，在經(jīng)歷荷載作用后，會導致凍融損傷進一步疊加，從而使得試件疲勞壽命下降。

（2）水泥穩(wěn)定碎石級配中的細集料含量過多，會降低材料的抗凍性能。由模擬結(jié)果可知，級配2疲勞損傷百分率較小，更適合在季凍區(qū)使用。

（3）凍融條件下應(yīng)力比對試件的疲勞壽命影響較大，但在應(yīng)力比達到一定程度后，對疲勞壽命起主要作用的因素是凍融條件。因此季凍區(qū)水泥穩(wěn)定碎石基層的疲勞特性要綜合考慮應(yīng)力比和凍融條件的影響。

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