水泥穩定冷再生基層材料疲勞性能試驗研究

陳剛

摘要： 本文通過室內疲勞試驗對冷再生基層材料疲勞性能進行研究，以期為冷再生材料的應用提供技術支持。通過對A（舊料）、B（20%碎石）、C（40%碎石）和D（砂礫）四種基層材料的室內原材料試驗，配合比設計以及完成疲勞試驗，最終確定了四種基層材料的最佳水泥用量、最佳含水率，以及對比分析出四種材料的抗疲勞破壞性能：D型>C型>B型>A型。

Abstract： This paper studies the fatigue properties of cold-regenerated base materials through indoor fatigue tests， in order to provide technical support for the application of cold recycled materials. Through the test of indoor raw materials for A （old material）， B （20% crushed stone）， C （40% crushed stone） and D （gravel）， the mix design and the completion of the fatigue test， four kinds of final determinations were made. The optimum amount of cement for the base material， the optimum moisture content， and the comparative analysis of the fatigue resistance of the four materials： D type>C type>B type>A type.

關鍵詞： 冷再生基層；配合比設計；疲勞試驗

Key words： cold reclaimed base layer；mix ratio design；fatigue test

中圖分類號：U416.217 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）20-0188-03

0 引言

隨著公路事業的快速發展和國家對環保的高度重視，對冷再生基層材料的疲勞性能的全面系統研究將使舊料的使用更加的高效化，是公路發展建設中必經之路[1]。疲勞破壞是當前瀝青路面破壞的主要形式之一，路面材料的抗疲勞性能是評價瀝青路面耐久性的一個重要指標，因此本文將重點研究水泥穩定冷再生基層材料的抗疲勞性能，以期為再生材料的推廣應用提供理論基礎。

1 冷再生基層材料配合比設計

1.1 試驗用原材料

1.1.1 結合料

本文試驗所用水泥為沈陽地區生產的普通硅酸鹽32.5水泥。

1.1.2 舊瀝青混合料

在冷再生材料的混合料配合比設計中，舊料被當作是“黑色集料”使用。本文只對舊料進行了瀝青含量和篩分試驗，篩分結果如表1所示。

經過試驗測得瀝青含量為4.1%。

1.2 配合比設計

由表1可見，舊料級配符合規范要求[2]，所以在本文的研究中不對舊料級配做調整。本文設計了四種基層材料，對其疲勞性能進行測試：A型，未摻加碎石的冷再生基層材料；B型，碎石摻量為20%的冷再生基層材料；C型，碎石摻量為40%的冷再生基層材料；D型，摻入水泥砂礫的基層材料。材料類型如表2所示。

1.3 擊實試驗

為了疲勞試驗的試件制作，先對表2所示的四種基層材料分別進行標準擊實試驗[3]，確定混合料的最佳含水量和最大干密度。根據工程實踐擬定水泥摻量為4.0%、5.0%、6.0%，A型材料試驗結果如表3所示。

由表3可得，綜合質量、經濟角度考慮，水泥參量采用5%的較為合理。水泥參量為5%的情況下，對四種材料分別進行擊實試驗，結果如表4所示。

由表4的可以看出，四種類型材料的抗壓強度均滿足規范要求[3]。

2 疲勞試驗

2.1 試驗方案

①進行三種碎石摻加量時冷再生基層材料疲勞性能，研究碎石摻量對冷再生基層材料疲勞性能的影響；

②進行冷再生基層材料和常規半剛基層材料的對比試驗，研究其疲勞性能之間的差距；

③在不同應力比下進行試驗，研究不同荷載對冷再生基層材料疲勞性能的影響。

2.2 試驗方法

疲勞試驗的方法主要有重復彎曲疲勞試驗、直接拉伸疲勞試驗、間接拉伸疲勞試驗和室內輪轍試驗[4]。研究證明，在交通反復作用下的基層材料受力狀況與梁的彎曲疲勞試驗相似，因此，本文選取小梁四分點彎曲疲勞試驗的方法。試驗儀器為美國MTS810型疲勞試驗機。[5] [6]

2.3 試件制作及養護

在試件制作的過程中，嚴格按照配合比控制，準確稱量所需的用料，采用100t壓力機靜壓成型。本文采用的試件尺寸為：長40cm、寬10cm、高10cm[3]。

試件齡期：90天；養生溫度：20℃；濕度：90%。

2.4 加載波形和頻率

本文選取正弦波荷載實行疲勞試驗；疲勞試驗的加載頻率為10Hz。

2.5 應力比的選擇

在進行疲勞試驗時，應力比的大小對試驗結果的影響很大。如果應力比過小，試驗的持續時間較長，且試件不易發生破壞，試驗可實施性不強；但如果應力比太大，試件會出現較早地破壞，從而導致疲勞曲線不完整。本文通過對以往成果的研究，為了使得S-N曲線處于直線階段，應力比選取在0.55～0.85之間。本文預設的應力比為0.60、0.70、0.80。

2.6 靜載彎拉強度試驗

在本文的研究中，對四種材料分別都制作4個小梁試件進行抗彎拉強度試驗。首先用萬能機對一個試件進行加載至破壞，加載速度為2mm/min，所得試驗結果作為其余3個試件的參考破壞荷載。后面3個試件破壞荷載的平均值即為最終破壞強度，但相對誤差不得超過15%，超過者不得參加平均。若改用其中兩個試件破壞荷載取平均值時，其相對誤差不得大于7%。通過試驗所得的靜載彎拉強度值，結果如表5所示。

2.7 疲勞試驗

為保證試驗數據的準確性，在疲勞試驗開始之前，需取最小荷載的2%對梁試件施加預壓。疲勞試驗中荷載輸入數據如表6所示。

從MTS810疲勞試驗機上獲取疲勞試驗結果見表7。

對四種材料疲勞試驗采用的應力比和疲勞試驗作用次數對數值進行擬合，得出曲線如圖1所示。

由圖1可以看出，四種材料的抗疲勞性能從強到弱為，D型>C型>B型>A型；應力比與疲勞壽命在同一對數坐標上呈現良好線性關系，隨著應力比增加疲勞試驗作用次數對數值逐步減小；四種材料的應力比與疲勞壽命對數擬合曲線回歸方程分別為，A：y=-32.212x+32.765 R2=0.9121，B：y=-41.799x+40.087 R2=0.986，C：y=-41.799x+40.087 R2=0.9815，D：y=-38.103x+40.335 R2=0.9851。

3 結論

①通過室內試驗，確定了四種類型材料的水泥劑量均為5.0%，并由試驗得出A、B、C和D四種類型的基層材料的最佳含水率分別為6.3%、6.1%、5.8%、6.0%。

②通過靜載抗彎拉強度試驗，得到四種類型材料的抗彎拉強度依次為：D>C>B>A。

③通過疲勞試驗可以看出，四種材料的抗疲勞性能從強到弱為，D型>C型>B型>A型；應力比與疲勞壽命在同一對數坐標上呈現良好線性關系，隨著應力比增加疲勞試驗作用次數對數值逐步減小。

參考文獻：

[1]馬靜.水泥穩定冷再生基層瀝青路面疲勞壽命研究[D].沈陽：沈陽建筑大學，2011.

[2]JTG F41-2008，公路瀝青路面再生技術規范[S].北京：人民交通出版社，2008.

[3]JTG E51-2009，公路工程無機結合料穩定材料試驗規程[S].北京：人民交通出版社，2015.

[4]高爽，朱洪洲，唐伯明.瀝青混合料疲勞性能影響因素研究綜述[J].石油瀝青，2008，22（2）：1-6.

[5]李強，馬松林，王鵬飛.瀝青路面冷再生混合料疲勞性能[J]. 交通運輸工程學報，2004，4（1）：7-10.

[6]曾石發，徐江萍.冷再生基層疲勞性能研究[J].公路交通科技，2007，24（3）：39-42.