水泥穩定爐渣碎石混合料的疲勞特性

何昌軒

(1.上海市市政規劃設計研究院有限公司，上海 200031；2.上海城市路域生態工程技術研究中心，上海 200031)

0 引言

生活垃圾經焚燒后會產生大量固體廢棄物，其中爐渣約占固體廢棄物的80%，主要由磚石、玻璃、陶瓷、熔渣、金屬等物質組成，經過一定處理后可形成具有連續級配的爐渣集料(bottom ash aggregate，以下簡稱BAA)，但由于BAA密度低、壓碎值高，因此目前主要將其替代部分天然集料應用于道路基層建設中[1-7]。ARM M等[8]采用落錘式彎沉儀對爐渣基層試驗路的模量變化進行檢測，發現施工1年后爐渣基層模量約為相同結構碎石基層的70%左右；Chang等[9]從爐渣物理性質、工程性質、環境影響角度對爐渣應用于基層的適用性進行研究，認為BAA宜與天然集料摻配使用，且使用時需對其浸出液進行處理；FREDERTC B等[10]認為，與未穩定爐渣碎石相比，水泥穩定爐渣碎石(cement stabilized slag macadam，以下簡稱CSSM)更適合應用在重交通路段的基層中；劉棟等[11-12]對CSSM的強度特性、路用性能進行的研究表明，CSSM的強度性能差于水泥穩定碎石(cement stabilized macadam，以下簡稱CSM)，但延長爐渣的熟化時間、養生齡期，加大水泥用量可彌補其部分強度損失，當BAA摻量為20%～30%時可滿足基層的路用性能要求。

雖然國內外學者對CSSM基層的物理力學性能、路用性能等進行了一定的研究，但卻未關注其長期耐久性能，尤其是疲勞性能。然而，CSSM混合料內部微空隙與CSM混合料存在差異，前者內部微空隙大多呈細長形，而后者大多為圓形[13]，因此兩者的疲勞性能可能存在差異。本研究采用旋轉壓實和靜壓成型制備混合料，進行劈裂疲勞試驗和三分點彎曲疲勞試驗，借此分析BAA摻量、試件成型方法和疲勞試驗方法對CSSM混合料疲勞性能的影響。

1 試驗材料

1.1 原材料

試驗用BAA取自上海市某生活垃圾焚燒爐渣處理廠，粒徑范圍為0～9.5 mm；試驗用天然集料為石灰巖集料，分為0～3 mm，3～5 mm，5～15 mm，15～25 mm四檔。BAA及石灰巖集料級配組成如表1所示，基本性能參數如表2所示。試驗用水泥為江蘇太倉海螺盤32.5號復合硅酸鹽水泥。

表1 爐渣集料和石灰巖集料的級配組成Tab.1 Gradation of BAA and limestone aggregates

表2 爐渣集料和石灰巖集料基本性能Tab.2 Properties of BAA and limestone aggregates

1.2 配合比設計

采用石灰巖集料配制CSM混合料作為對照組，代號NA；以最接近對照組合成級配為原則，采用粒徑0～9.5 mm的BAA替代混合料總質量的10%，20%，30%，制備CSSM混合料，代號依次為LZ-10，LZ-20，LZ-30。混合料的配合比設計如表3所示，合成級配曲線如圖1所示，擊實試驗結果如表4所示，混合料水泥用量均為4.5%。

2 試驗方案

2.1 試件的制備

根據確定的最佳含水率成型9組混合料試件，試件的代號、尺寸、BAA摻量、成型方法和疲勞試驗方法匯總于表5中，所有試件均在標準養生條件下養生180 d。

表3 混合料配合比設計Tab.3 Proportion design of mixtures

圖1 混合料合成級配曲線Fig.1 Gradation curves of mixtures

表4 混合料的擊實試驗結果Tab.4 Compaction test result of mixtures

2.2 試驗數據處理

由于水泥穩定類材料的疲勞壽命具有隨機性、離散性大的問題，為了正確反映材料的疲勞特性和合理利用疲勞試驗結果，本研究采用二參數Weibull分布函數[14-18]對疲勞試驗結果進行數據處理和分析。首先，根據公式(1)建立不同保證率p與試件疲勞壽命Ni的關系，將同一試件在同一應力比下的疲勞壽命由小到大排序，標號為N1,N2,…,Nn，并對應不同保證率p=[1-i/(n+1)]×100%，以lgNi為橫坐標、-ln ln(1/p)為縱坐標，對數據進行線性擬合，并將擬合直線中50%保證率的疲勞壽命作為該應力水平下等效疲勞壽命。然后，根據公式(2)將不同應力比下混合料的等效疲勞壽命進行一元線性回歸，得到不同BAA摻量的CSSM混合料疲勞壽命回歸公式。

表5 試驗用混合料試件匯總Tab.5 Summary of mixture specimens for test

-ln ln(1/p)=-2.303BlgNp+2.303BlgNa，

(1)

式中，p為保證率；B為Weibull形狀參數；Np為試件疲勞壽命；Na為特征疲勞壽命。

lgN=a-bS，

(2)

式中，N為疲勞壽命；S為應力比；a、b為回歸系數。

3 試驗結果與分析

根據第2.1節擬定的試驗方案對混合料試件進行疲勞試驗，采用第2.2節的數據處理方法對試驗結果進行分析，最終得到混合料的等效疲勞壽命和疲勞回歸公式中的回歸系數如表6所示。

3.1 爐渣集料摻量的影響

根據表6的試驗結果，分別將旋轉壓實和靜壓成型試件的疲勞壽命擬合曲線繪制于圖2中。不同BAA替代率下CSSM疲勞特性可由疲勞壽命回歸曲線高低和回歸系數b進行反映，疲勞壽命回歸曲線越高，混合料疲勞壽命越大，系數b越小，混合料疲勞壽命對應力比的敏感性越低。

由圖2可知，無論是旋轉壓實試件還是靜壓成型試件，隨著應力比和BAA摻量的增加，混合料的疲勞壽命逐漸減小；由表6中的回歸系數b可知，隨著BAA摻量的增加，回歸系數b逐漸減小。由此表明，增加BAA摻量可以降低CSSM混合料對應力比的敏感性，但同時也會降低其疲勞壽命。

表6 混合料的等效疲勞壽命和疲勞壽命回歸系數Tab.6 Equivalent fatigue life and regression coefficient of mixture

圖2 不同BAA摻量下的混合料疲勞試驗結果Fig.2 Fatigue test results of mixtures with different BAA contents

從材料細觀結構的角度來看，水泥穩定碎石材料是由水泥水化產物、微孔隙、微裂縫、極小的天然集料顆粒組成的復合材料，其質地不均勻、不連續。在重復荷載應力作用下，材料內部的微裂縫和微孔隙將會逐漸擴展、連接并在達到一定開裂水準的時候最終破壞。同時，隨著材料內部應力的增大，在內部一些集料與水泥砂漿連結薄弱的地方還會產生新的微裂紋，導致材料發生疲勞破壞。與天然石灰巖集料相比，BAA物質組成不均一，玻璃和陶瓷對于水泥砂漿的裹覆能力較差，熔渣顆粒存在較多孔隙，內部容易形成較多微裂縫，在重復荷載應力作用下，更容易發生應力集中，使得CSSM混合料中裂紋的產生和擴展速度大于CSM混合料。因此，CSSM混合料的抗疲勞性能較差，且隨著BAA摻量的增加而降低。

3.2 試件成型方法的影響

根據表6的疲勞試驗結果，分別將旋轉壓實和靜壓成型混合料在不同應力比下的疲勞壽命和疲勞壽命回歸系數b繪制于圖3中。

由圖3可知，試件的成型方法會顯著影響混合料的疲勞性能。BAA摻量相同時，采用旋轉壓實成型試件的疲勞壽命大于靜壓成型試件，應力比越大，兩者的差距越大；隨著BAA摻量增加，旋轉壓實混合料、靜壓混合料疲勞壽命均呈減小趨勢；旋轉壓實成型試件的疲勞壽命回歸系數b小于靜壓成型試件。由此表明，與靜壓成型相比，采用旋轉壓實成型的CSSM混合料對應力比變化的敏感性更小，且具有更好的抗疲勞性能。

圖3 不同成型方法混合料的疲勞試驗結果Fig.3 Fatigue test result of mixtures with different molding methods

混合料壓實過程中，集料難免會發生破碎的現象，如果破碎情況較為嚴重，成型后集料的級配會與原來設計的級配發生較大偏差，成型后的混合料無法達到最佳組成設計狀態。為了進一步探究試件成型方法對CSSM混合料疲勞性能的影響機理，根據公式(3)對旋轉壓實和靜壓成型試件進行級配衰變分析，將累積級配變化率計算結果繪制于圖4中。

由圖4可知，與靜壓成型相比，旋轉壓實對混合料級配的影響較小；兩種成型方法的級配變化率均隨BAA摻量的增加而增大。由于CSSM混合料中BAA壓碎值大，抗破碎能力較差，當BAA摻量增加時，集料破碎越明顯。與靜壓成型垂直受力不同，旋轉壓實過程中混合料具有一定的切斜角度，壓頭旋轉提供的橫向剪切力能夠讓混合料的粗細集料在自由水的作用下移動形成良好的嵌擠狀態，集料之間發生摩擦和擠壓的現象較少，級配衰變情況較好。因此，采用旋轉壓實成型混合料中集料破碎情況較小，粗細集料分布更加均勻，時間內部結構更加均一穩定，微裂縫較少，在重復荷載應力的作用下較不易產生新的微裂縫，所以采用旋轉壓實成型混合料的疲勞性能更好。

∑Δp=∑(p1-p2)，

(3)

圖4 不同成型方法的級配衰變情況Fig.4 Gradation attenuation of different molding methods

式中，∑Δp為累積級配變化率；p1為成型后混合料試件中各檔集料的通過率；p2為原混合料試件中各檔集料的通過率。

圖5 采用不同疲勞試驗方法的混合料疲勞試驗結果Fig.5 Fatigue test result of mixtures with different fatigue test methods

3.3 疲勞試驗方法的影響

根據表6的疲勞試驗結果，分別將采用劈裂疲勞試驗和三分點彎曲疲勞試驗的混合料疲勞壽命擬合曲線繪制于圖5中。

由圖5可知，隨著應力比的增大，采用劈裂疲勞試驗和三分點彎曲疲勞試驗的混合料疲勞壽命均逐漸減小；在相同應力比下，采用旋轉壓實成型試件的劈裂疲勞試驗結果與中梁試件的三分點彎曲疲勞試驗結果更為接近，而采用靜壓成型試件的劈裂疲勞試驗結果則遠小于前兩者；在較低應力水平下，三分點彎曲疲勞試驗的疲勞壽命略大于劈裂疲勞試驗(旋轉壓實)，在較大應力水平下，三分點彎曲疲勞試驗的疲勞壽命則略小于劈裂疲勞試驗(旋轉壓實)；由表5中的回歸系數b可知，采用旋轉壓實成型試件的劈裂疲勞試驗對應力比的敏感性最小，與三分點彎曲疲勞試驗更為接近，而采用靜壓成型試件的劈裂疲勞試驗對應力比的敏感性最大。因此，在疲勞壽命和對應力比敏感性兩個方面，采用旋轉壓實成型試件的劈裂疲勞試驗均與《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)[19]中規定的三分點彎曲疲勞試驗更為接近。

另外，根據現有研究[20-21]對靜壓成型試件、旋轉壓實試件和實際基層鉆芯取樣試件進行抗壓強度測試和橫斷面掃描的研究結果，旋轉壓實試件的強度與現場鉆芯取樣試件較接近，而靜壓試件內部存在肉眼可見的集料破碎現象，抗壓強度較小，采用旋轉壓實法可更好模擬實際基層施工后集料的顆粒分布情況。因此，根據與中梁試件三分點彎曲疲勞試驗結果的接近程度，以及試件中集料顆粒分布與現場壓實情況的一致性，推薦采用旋轉壓實成型試件。

4 結論

(1)BAA物質組成不均一，水泥砂漿對玻璃、陶瓷的裹覆程度較差，熔渣顆粒存在較多孔隙，內部容易形成較多微裂縫，導致CSSM混合料的疲勞壽命低于CSM混合料，并且隨著BAA摻量的增加，混合料疲勞性能逐漸降低，但同時對應力比的敏感性也逐漸降低。

(2)與靜壓成型相比，旋轉壓實對混合料級配的影響較小，采用旋轉壓實成型試件的疲勞性能更好，且對應力比的敏感性更小；應力比越大，旋轉壓實成型試件的疲勞壽命提高的幅度越大。

(3)當BAA摻量為30%時，在疲勞壽命和對應力比敏感性兩個方面，采用旋轉壓實成型試件的劈裂疲勞試驗均與三分點彎曲疲勞試驗更為接近。根據混合料試件中集料顆粒分布與現場壓實情況的一致性，推薦采用旋轉壓實成型試件。