水泥穩(wěn)定再生骨料混合料的疲勞壽命分析

陳三姍，陳峰，賴錦華

(1.福建江夏學(xué)院 工程學(xué)院，福建 福州 350108；2.福建省環(huán)保節(jié)能型高性能混凝土協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 福州 350108；3.福建省永正工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，福建 福州 350100)

隨著城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，一方面許許多多的“老破小”房屋建筑被拆除，一些老化的橋梁與道路也被拆除進(jìn)行重建，在拆除過(guò)程中造就了大量的廢棄混凝土[1]，另一方面，隨著公路工程的高速發(fā)展，天然石料的消耗越來(lái)越快，但天然石料并非取之不盡，用之不竭，這就促使大量的學(xué)者聚焦于將舊混凝土塊破碎篩分后得到的再生骨料應(yīng)用于路面基層。如KHALED K等以水泥粉煤灰穩(wěn)定再生骨料混合料為研究對(duì)象，開(kāi)展其應(yīng)用于道路基層時(shí)的疲勞損傷情況，發(fā)現(xiàn)通過(guò)往基層中增添纖維，具有延緩損傷速率的效果[2-3]。季天劍通過(guò)往再生混凝土摻加粉煤灰，研究粉煤灰再生混凝土與普通混凝土的疲勞壽命，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果基本一致[4]。秦道天開(kāi)展再生混凝土的疲勞損傷試驗(yàn)，認(rèn)為用天然石料的混凝土壽命顯然高于再生混凝土，但通過(guò)增添鋼纖維可以顯著提高混凝土的疲勞壽命[5]。朱紅兵等也開(kāi)展類似試驗(yàn)，并認(rèn)為聚丙烯纖維的增加有利于提高再生混凝土的疲勞壽命，且提高效果明顯[6]。肖杰通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)認(rèn)為相同級(jí)配與水泥劑量下，水泥穩(wěn)定磚有利于再生骨料混合料的疲勞壽命的延長(zhǎng)[7]。顧萬(wàn)等通過(guò)舊瀝青混凝土形成的再生骨料混合料彎拉疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)舊瀝青對(duì)混合料能夠形成嵌擠作用，從而提高路面基層的使用壽命[8]。俞靖洋等也通過(guò)疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)聚乙烯醇纖維對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層的疲勞壽命具有積極的作用[9]。

近幾年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始關(guān)注將建筑廢棄物循環(huán)利用形成再生骨料，并將再生骨料替代部分或全部天然骨料應(yīng)用于道路工程，但大部分的研究是關(guān)于常規(guī)的路用性能[10-13]。對(duì)于水泥穩(wěn)定再生骨料路面基層疲勞壽命研究相對(duì)有限，有時(shí)由于再生骨料性能不同或室內(nèi)疲勞試驗(yàn)結(jié)果離散性大等原因?qū)е赂鲗W(xué)者研究結(jié)果不盡一致，因此本文以來(lái)自福建省三明市工業(yè)路某廢棄路段道路基層經(jīng)破碎加工形成的再生骨料為研究對(duì)象，通過(guò)摻加普通硅酸鹽水泥形成混合料，研究該混合料在不同再生骨料摻量及不同齡期下的疲勞壽命，研究結(jié)論對(duì)混合料在新道路基層中的工程應(yīng)用具有一定的參考意義。

1 疲勞試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的原材料為福州某廠家購(gòu)買的普通硅酸鹽水泥（經(jīng)過(guò)性能合格檢測(cè)）、天然骨料（即天然碎石）、再生骨料（來(lái)源于廢舊道路基層）以及標(biāo)準(zhǔn)飲用水，再生骨料來(lái)源于福建省三明工業(yè)路廢棄路面基層材料破碎篩分加工而成，水泥摻量為5%保持不變，再生骨料替代原生骨料的取代率分別為0%，30%，60%，100%，試件養(yǎng)護(hù)期齡為60 d和90 d，試件尺寸為100mm×100 mm×400 mm。

1.2 試驗(yàn)方案

疲勞試驗(yàn)所用設(shè)備為MTS Landmark 370.50型疲勞試驗(yàn)機(jī)，參數(shù)設(shè)定時(shí)，采用應(yīng)力控制的加載方式，其應(yīng)力特征值。加載波形選用正弦波，加載頻率選用10Hz，以模擬道路行駛的車輛荷載。

試驗(yàn)首先進(jìn)行彎拉試驗(yàn)，根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[14]的相關(guān)條文，在三分點(diǎn)的位置進(jìn)行加壓，得到試樣破裂時(shí)的最大載荷，然后根據(jù)最大載荷，求得彎拉強(qiáng)度值，根據(jù)彎拉強(qiáng)度值，確定加載方案如表1所示。

表1 水泥穩(wěn)定再生骨料混合料疲勞試驗(yàn)加載方案Tab.1 The loading plan for fatigue test of cement stabilized recycled aggregate mixture

1.3 試驗(yàn)步驟

根據(jù)規(guī)程中無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料疲勞試驗(yàn)方法的相關(guān)規(guī)定，仍舊采用在三分點(diǎn)位置施加壓應(yīng)力開(kāi)展疲勞試驗(yàn)，具體步驟如下：

（1）通過(guò)振動(dòng)擊實(shí)成型方法，進(jìn)行試件成型，梁型試件尺寸為100mm×100mm×400mm。

（2）擊實(shí)成型6 h后，拆模，按照試驗(yàn)方案的齡期養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)期最后一天浸水養(yǎng)護(hù)24 h。浸泡完成后用記號(hào)筆在試件的三分點(diǎn)位置作出標(biāo)記。

（3）將匹配的加載模具放置在疲勞試驗(yàn)機(jī)上，然后將養(yǎng)護(hù)好的試件放置于模具，在采集設(shè)備上設(shè)置加載頻率、加載荷載等一系列參數(shù)。

（4）啟動(dòng)試驗(yàn)儀器，預(yù)壓，然后正式開(kāi)始疲勞加載直到試件破壞，如圖1所示，記錄破壞時(shí)循環(huán)荷載作用次數(shù)。

圖1 混合料的彎拉疲勞試驗(yàn)Fig.1 The bending and tensile fatigue test of the mixture

2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

2.1 疲勞壽命預(yù)估模型

疲勞壽命，在本試驗(yàn)中指的是試件在出現(xiàn)裂紋或者斷裂時(shí)所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。對(duì)于疲勞壽命，當(dāng)前研究認(rèn)為Weibull分布函數(shù)更符合水泥穩(wěn)定再生骨料混合料疲勞壽命分布，為了消除試驗(yàn)離散性大的影響，選用Weibull分布函數(shù)處理數(shù)據(jù)，并按式（1）建立各配合比混合料疲勞壽命預(yù)估模型

式中：N為荷載作用次數(shù)；σ為作用荷載；s為梁式試件的彎拉強(qiáng)度（MPa）；為應(yīng)力強(qiáng)度比；a、b為回歸系數(shù)。

表2 混合料疲勞壽命Weibull分布擬合P-N曲線方程Tab.2 The Weibull distribution P-N fitting curve equation of the fatigue life of the mixture

2.2 混合料對(duì)數(shù)疲勞壽命數(shù)據(jù)處理

使用Weibull分布函數(shù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，得出混合料在保證率在90%時(shí)不同應(yīng)力下的疲勞壽命，如表3所示。對(duì)表3所示疲勞壽命相關(guān)數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行線性擬合，如圖2所示，通過(guò)混合料疲勞壽命預(yù)估模型，得到95%保證率下混合料對(duì)數(shù)疲勞壽命擬合方程，如表4所示。

表3 95%保證率下混合料對(duì)數(shù)疲勞壽命Tab.3 The logarithmic fatigue life of the mixture under 95%guarantee rate

圖2 95%保證率下混合料疲勞壽命擬合曲線Fig.2 The fitting curve of fatigue life of mixture under 95% guarantee rate

表4 95%保證率下混合料對(duì)數(shù)疲勞壽命擬合方程Tab.4 The fitting equation of logarithmic fatigue life of mixture under 95% guarantee rate

3 疲勞試驗(yàn)結(jié)果分析

為了更清晰地反映并分析水泥穩(wěn)定再生骨料摻量及養(yǎng)護(hù)齡期兩個(gè)因素對(duì)混合料疲勞壽命的影響，根據(jù)表4所示95%保證率下混合料對(duì)數(shù)疲勞壽命擬合方程，繪制以回歸系數(shù)為縱坐標(biāo)，以再生骨料摻量和養(yǎng)護(hù)齡期兩個(gè)變量為橫坐標(biāo)的關(guān)系曲線，分別如圖3所示。

3.1 再生骨料摻量的影響

由圖3可見(jiàn)，摻量為0%時(shí)，未摻再生骨料的水泥碎石基層混合料的b值最大，這就說(shuō)明在相同應(yīng)力水平下，采用天然骨料混合料的疲勞壽命大于摻有再生骨料的混合料試件。但一旦開(kāi)始摻加再生骨料，b值迅速降低，混合料的抗疲勞性能變差，但當(dāng)再生骨料摻量超過(guò)30%時(shí)，水泥穩(wěn)定再生骨料混合料的疲勞壽命隨著摻量的增加反而逐步穩(wěn)定增加，摻量為100%的再生骨料混合料只是略低于未摻再生骨料混合料的抗疲勞性能。

圖3 再生骨料摻量與b值的關(guān)系Fig.3 The relationship between the content of recycled aggregate and the b value

采用天然骨料的混合料試件的疲勞壽命大于再生骨料混凝土，從宏觀上分析，可以認(rèn)為是因?yàn)樵偕橇鲜菑膹U棄路面基層破碎篩分加工生產(chǎn)而成，在生產(chǎn)時(shí)骨料在加工機(jī)器設(shè)備里不斷相互碰撞，從而累積一定程度的損傷，骨料表面已積累一部分裂紋，因此疲勞壽命較短。而天然骨料，在試件成型過(guò)程中，試件內(nèi)部或表面相對(duì)而更加密實(shí)光滑，從而大大減少裂紋向內(nèi)部擴(kuò)散的可能性，因此其所形成的混凝土試件不僅強(qiáng)度較高，應(yīng)用于路面基層時(shí)疲勞壽命也較長(zhǎng)。

而當(dāng)再生骨料摻量超過(guò)30%時(shí)，再生骨料摻量越大，其壽命逐步增加，究其原因，可以認(rèn)為是此時(shí)再生骨料表面硬化水泥漿體變多，再生骨料與新水泥漿的界面粘聚力加大，水泥漿填補(bǔ)再生骨料表面微裂紋，阻礙了微裂紋的進(jìn)一步發(fā)展，從而提高其疲勞壽命。

3.2 齡期的影響

由表3所示50%和95%保證率下基層混合料對(duì)數(shù)疲勞壽命所示可知，在相同摻量和應(yīng)力水平下，齡期從60 d到90 d的過(guò)程中，水泥穩(wěn)定再生骨料混合料的疲勞壽命也隨之增大。如圖2(b)所示，當(dāng)再生骨料摻量為100%，齡期為90 d時(shí)，其疲勞壽命與天然骨料混合料試件的疲勞壽命已經(jīng)相差不多。

由圖4可見(jiàn)，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，基層混合料疲勞壽命方程的b值隨之增大。這些都是因?yàn)殡S著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，水化反應(yīng)產(chǎn)物越來(lái)越多，使得混合料更密實(shí)，骨料與硬化水泥砂漿的接觸面更廣，混合料的強(qiáng)度更高，從而提高了基層混合料的疲勞性能。

圖4 齡期與b值的關(guān)系Fig.4 The relationship between age and b value

縱觀國(guó)內(nèi)外學(xué)者所提出的疲勞壽命方程[15-16]，各再生骨料摻量下基層混合料試件疲勞方程的擬合系數(shù)b值均在國(guó)內(nèi)外各學(xué)者所給b值的范圍之內(nèi)，這就說(shuō)明，從疲勞壽命角度分析，將再生骨料部分替代或者完全替代天然骨料而形成的混凝土應(yīng)用于道路基層是可行的，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)道路廢棄物回收利用與可持續(xù)發(fā)展、減少工程成本的重要舉措。

4 結(jié)論

（1）在應(yīng)力水平一致的情況下，采用天然碎石骨料的基層混合料試件的疲勞壽命比采用水泥穩(wěn)定再生骨料基層混合料的高。而摻有再生骨料的基層混合料試件，當(dāng)再生骨料摻量超過(guò)30%以后，疲勞壽命逐步提高，直至摻量達(dá)到100%時(shí)，采用再生骨料基層混合料試件的疲勞壽命只是略低于天然骨料形成的混合料試件，總體來(lái)說(shuō)相差不大。

（2）在再生骨料摻量和應(yīng)力水平一致的情況下，基層混合料疲勞壽命方程的b值隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而增大，即齡期從60 d至90 d的過(guò)程中，混合料的疲勞壽命也在不斷增加。

（3）與國(guó)內(nèi)外跟本文相關(guān)的成果比較，可以發(fā)現(xiàn)本文疲勞壽命預(yù)估模型中回歸系數(shù)b值基本在各學(xué)者研究的范圍之間或者略大。這說(shuō)明廢棄路面基層材料破碎加工形成的再生骨料，經(jīng)回收利用而形成的水泥穩(wěn)定再生骨料混合料可以再次應(yīng)用于新的道路基層中。