水泥混凝土路面抗疲勞優化設計研究

■唐 博

(新疆交通建設集團股份有限公司，烏魯木齊 830000)

0 引言

我國的瀝青產量有限， 無法滿足日益高漲的道路建設要求，而水泥混凝土的各原材料儲量大，因此被業內給以了高度重視。但作為剛性材料，很容易在水溫交替作用下產生疲勞破壞，而一旦產生了局部破壞，將會帶來較大的修復難度。 因此，在設計之初，有針對性地進行抗疲勞方面的考慮， 具體包括考慮我國不同自然區劃間的地理特性，可以有效節省道路維護支出。

針對水泥混凝土的疲勞性能及耐久性能， 國內已有許多專家學者進行了一定的研究。葉叢[1]研究了水泥混凝土疲勞壽命差異的原因，通過ANSYS 建立了對應的力學模型，主要將板底脫空狀態條件作為研究對象，并提出了對應的優化方案。 類似地，童申家[2]等人也是將板底脫空狀態條件作為研究對象， 但更偏向于研究得出去對應條件下的壽命預估方程， 并未考慮水及溫度對其產生的影響。潘瑋[3]對水泥混凝土路面疲勞裂縫的開展規律進行了分析，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應的模擬力學模型。逄立偉[4]設計了3 種不同配合比的混凝土路面， 提出了凍融循環次數將會降低混凝土疲勞性能的觀點，具有借鑒意義。 長安大學的何天欽[5]則考慮到了季凍區不同自然環境所帶來的， 對水泥混凝土路面產生的各類影響， 但在單獨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， 并在試驗室建立了常規條件、水循環、溫度循環以及凍融交替四種控制條件；模擬不同設計的水泥混凝土路面，在不同水溫交替作用下的產生疲勞破壞的效應； 以雙參數控制的威爾分布方程對試驗數據進行分析，控制不同彎拉應力，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計的優選方案， 為后續有關工程建設提供一定的指導意義。

1 混凝土原材料

1.1 水泥

試驗采用P·O42.5 普通硅酸鹽水泥， 對該水泥中的化學成分進行分析，其結果如表1。 隨后實測了該水泥各項力學指標，結果見表2。 此外，試驗采用粒度分析儀，對水泥粒度分布情況進行了測定，測試結果見圖1。

圖1 水泥的粒徑分布測試結果

表1 水泥化學成分分析表

表2 力學指標測試結果

1.2 粉煤灰

粉煤灰是煤粉在生產過程中， 燃燒后得到的粉末或者顆粒狀產物。 試驗優選是I 級F 類高性能粉煤灰，其密度是2160kg/m3，細度是6.9%，燒失量是0.75%，需水量比是94.1%；其主要性能指標見下表3。

表3 粉煤灰化學成分表

1.3 骨料

本文所選的骨料碎石表面具有干燥、無各類雜質、質地堅硬還要求其耐風化性能好的特征。 去除了各類有害物質，并且其表面粗糙、棱角性較好、無細長顆粒、無集料形狀扁平的情況。 原材料中骨料碎石優先選用親水性的集料，另外其表面更不能黏附部分夾層等，否則會影響粘結作用，尤其是其在水泥和碎石之間的結合作用，最終結果嚴重的話會引起混凝土的松散。

砂子優選中粗砂， 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。 該砂細度模數為2.6～3.1，通過試驗以累積篩余百分率計算， 得到最終的細度模數為2.71，Ⅱ區中砂，各性能均滿足規范規定。

1.4 外加劑

試驗中設計混凝土配合比的過程中選用了減水劑和早強劑兩類外加劑。為防止混凝土凝結過程中產生各類不良反應，選用了具有較強穩定性的聚羧酸減水劑，其減水效率高，并且不含氯離子，不會對鋼筋造成腐蝕；可顯著提升混凝土的密實型和耐久性。 早強劑的主要目的是快速形成混凝土早期強度，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

配合比設計的基本原理是在計算的基礎上進行試驗適配，不斷調整，并得出水、碎石、砂子、外加劑以及外加劑之間的質量比例。除了滿足最基本的強度要求外，還要保證施工后混凝土的各方面穩定性， 更不能忽略經濟可行性要求。為了形成水泥混凝土穩定的密實骨架結構，要擬定合理的配合比。 本文所述的初擬配合比是以經驗公式作為計算依據， 并以成型后試件抗折強度為設計要求驗證。 擬定過程中重點控制單位用水、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 試驗方案

3.1 模擬水溫交替作用方案

在我國南方地區的冬季， 道路水泥混凝土除了承受低溫帶來作用外， 還需承受水的循環以及凍融交替所帶來的疲勞破壞，而北方地區雖溫度更低，但混凝土除承受荷載外，僅需抵抗低溫作用即可。因此在試驗室建立了常規條件、水循環、溫度循環以及凍融交替四種控制條件，對成型后的混凝土試件進行人工干涉處理：

(1)常規條件

將按照上文擬定的配合比成型的各類試件安放在標養室28d，其中的溫度控制在(20±2)℃，濕度控制在95%以上。

(2)水循環

室內模擬水循環作用是將經標準養護28d 的試件進行干濕循環處理，共計循環次數達到50 次，其中單次干濕循環時長為24h，浸水時間為10h。

(3)溫度循環

室內模擬溫度循環作用是將經標準養護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， 其中單次溫度循環時長為24h，共計循環次數達到50 次。

(4)凍融交替

室內模擬凍融交替條件是最為復雜的模擬方案，既涉及到水的循環， 還涉及到溫度的循環： 將經標準養護28d 的試件置于水中放置3d。 室內模擬冰凍的方案是將試件置于-18℃氣凍環境中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長為24h，共計循環次數達到50 次。

3.2 力學性能檢測

按照上文擬定的配合比成型抗壓強度混凝土試件，其尺寸為100mm×100mm×100mm，經標準養護28d 后，以數字壓力試驗機進行抗壓強度測定， 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。

按照上文擬定的配合比成型抗折強度混凝土試件，其尺寸為400mm×100mm×100mm，經標準養護28d 后，以抗彎拉試驗機進行抗折強度測定， 其加載速度控制在0.06MPa/s，同樣需要乘以0.85 的換算系數。

采用非金屬超聲檢測分析儀， 以超聲波法測定混凝土小梁的動彈性模量。

3.3 疲勞試驗檢測

以小梁彎曲疲勞試驗作為測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系統作為主要器材，本文所述UTM 可提供高達150kN 的荷載，并且加載方式豐富多樣，包含動態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，時間尺寸為400×100×100mm， 經標準養護28d 及4 種水溫交替作用后進行測定。 選定的系統應力水平為0.65～0.80，施加的荷載分別為13.48kN、14.64kN、15.76kN 以及16.73kN，相當于彎拉應力3.449MPa、3.724MPa、3.979MPa 以及4.236MPa，并選擇三點加載的方案進行試驗。

4 試驗數據及分析

4.1 力學試驗

經三項力學性能測定后， 將其試驗結果整理于下表5。

表5 力學試驗結果

由上表各數據可以發現， 第1 組及第3 組的抗壓強度及抗折強度基本一致， 而第2 組試件的抗壓強度及抗折強度則更大，達到46.51MPa 以及6.514MPa，比其余二者高了約10%。而三者的動彈性模量則基本一致，無明顯區別。 各力學實驗試驗結果皆能滿足規程要求。

4.2 疲勞性能

在進行疲勞試驗時，發現部分試件在測定之初，有明顯的數據離散的情況， 出現了個別疲勞作用次數過低的現象。經觀察可發現是因部分試件成型之初存在裂縫，經調整重測后得以解決。在動荷載作用時間范圍內，無明顯的形變現象， 且大多數試件破壞點出現在荷載作用點的內部。

以第一組配合比設計的試件為例， 在常規養護條件下，經測試得到的疲勞性能試驗結果如表6。 按照公式1模型得到試件的疲勞壽命次數與相對應應力的關系，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 是應力值，k 和n 表示相關參數。

擬合的結果為：N=8.469σ-20.107，R2=99.71

表6 常規條件試驗結果

將按上文三種初擬配合比設計的試件， 分別在室內模擬的常規養護條件、水循環條件、溫度循環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據，并將其按照公式1 進行疲勞方程的擬合，將其匯總如下表7 所示。

各組別在不同室內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，隨著應力水平和彎拉應力的上升， 試件疲勞壽命次數均明顯下降， 在實際工程應用的過程中要著重考慮當地道路承擔的荷載水平， 合理選用所需的結構等級及對應的配合比設計方案。

若道路使用地的日常使用條件很少或不會出現過大的溫度循環以及水循環，綜合考慮強度的因素，依照第2 組配合比設計施工的水泥混凝土道路將會是最佳選擇。

如果道路使用地常處于水循環自然條件， 綜合對照3 組配合比設計結果， 可以明顯發現同樣是按照第2 組配合比設計結果施工的混凝土有著最大的疲勞壽命次數。

但當道路使用環境處于凍融交替、 溫度循環頻繁且路基水含量處于較低水平時， 第1 組試件相對來說則是最佳的選擇。

表7 水循環條件試驗結果

5 結語

為解決我國不同自然區劃間道路使用環境差異較大的問題，本文初步擬定了3 種不同的水泥混凝土配合比，并在試驗室建立了常規條件、水循環、溫度循環以及凍融交替四種控制條件； 模擬不同配合比設計的水泥混凝土路面，在不同水溫交替作用下的產生疲勞破壞的效應，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計優選方案：

(1)若道路使用地不會出現過大的溫度循環時，依照第2 組配合比設計施工的水泥混凝土道路將會是最佳選擇；

(2)當處于凍融交替、溫度循環頻繁且路基水含量處于較低水平時， 第1 組試件的配合比設計結果則是最佳選擇。