江　洲　徐治華

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司　貴陽　550081)

荷載作用下路面混凝土的抗折性能研究

江洲徐治華

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司貴陽550081)

摘要文中研究了25%，50%，75%應(yīng)力水平荷載疲勞作用不同次數(shù)下路面混凝土抗折強(qiáng)度的變化規(guī)律，同時(shí)對(duì)其作用下路面混凝土的疲勞壽命進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，25%應(yīng)力水平荷載疲勞作用對(duì)路面混凝土的抗折強(qiáng)度基本沒有影響。50%，75%應(yīng)力水平荷載疲勞作用隨著應(yīng)力水平的提高和疲勞作用次數(shù)的增多其對(duì)路面混凝土抗折強(qiáng)度的影響也越大。荷載應(yīng)力水平越高路面混凝土的疲勞壽命越短。

關(guān)鍵詞荷載疲勞作用路面混凝土抗折強(qiáng)度

水泥混凝土路面是我國(guó)公路路面的主要結(jié)構(gòu)形式之一。截止2013年底，我國(guó)公路總里程已達(dá)到434.60萬km。其中，水泥混凝土路面占70%左右。并且，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)與公路事業(yè)的蓬勃發(fā)展，水泥混凝土路面的里程將會(huì)繼續(xù)快速增加。然而，水泥混凝土路面的病害問題卻一直是困擾著各國(guó)學(xué)者的主要問題之一，尤其是斷板、斷角、表面剝落等病害。究其原因，一是路面混凝土在荷載作用下的抗疲勞性能不足，致使其在使用過程中的力學(xué)性能、耐久性能等迅速降低；二是車輛超載嚴(yán)重，現(xiàn)有的強(qiáng)度不足以滿足使用要求；三是路面混凝土自身強(qiáng)度不足；四是施工、環(huán)境等的影響。針對(duì)原因二、三、四國(guó)內(nèi)外的學(xué)者從設(shè)計(jì)、使用、養(yǎng)護(hù)、維修等多方面已進(jìn)行了很多研究，并取得了一定的成果。但針對(duì)原因一的研究相對(duì)很少。路面混凝土常年經(jīng)受不同應(yīng)力水平車輛輪載的疲勞作用，并且從目前國(guó)內(nèi)公路破壞狀況可以看出，交通量大及重載交通路段的混凝土路面破損狀況要較其他地段嚴(yán)重，因此，對(duì)荷載疲勞作用下路面混凝土強(qiáng)度的衰減規(guī)律進(jìn)行研究顯得尤為重要。本文將開展不同應(yīng)力水平荷載疲勞作用不同次數(shù)下路面混凝土的抗折強(qiáng)度及疲勞壽命變化規(guī)律研究。

1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1配合比設(shè)計(jì)

選用P·O.42.5普通硅酸鹽水泥，粗集料分為4.75～9.5mm和9.5～19.5mm2檔料，其比例為2∶8，細(xì)集料選用中砂，選用貴州博泰工貿(mào)有限公司I級(jí)粉煤灰和S95礦粉，其比例(質(zhì)量比)為4∶6，其復(fù)摻量為膠凝總量的25%?；炷僚浜媳纫姳?。

表1　混凝土配合比

1.2試驗(yàn)方案

疲勞加載試驗(yàn)選用長(zhǎng)春機(jī)械科學(xué)研究院有限公司生產(chǎn)的SD系列電液伺服動(dòng)靜疲勞試驗(yàn)機(jī)(四立柱式)，結(jié)合目前相關(guān)研究認(rèn)為正弦波形與路面承受的實(shí)際荷載波形比較相近，本研究采用正弦波形荷載[1-4]。加載模式分為應(yīng)力控制模式和應(yīng)變控制模式，由于混凝土的應(yīng)變性能受混凝土的原材料、養(yǎng)護(hù)環(huán)境、使用環(huán)境等的影響較大，因此本文加載時(shí)采用應(yīng)力控制模式。加載頻率10Hz。加載應(yīng)力水平選取25%,50%，75% 3個(gè)應(yīng)力水平，加載次數(shù)選取50 000次、100 000次、150 000次和200 000次。

疲勞-強(qiáng)度試驗(yàn)方案。將路面混凝土試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28d，之后對(duì)試件施加不同應(yīng)力水荷載，作用設(shè)定疲勞次數(shù)，測(cè)試試件的剩余抗折強(qiáng)度。試驗(yàn)方案及編號(hào)見表2。

表2　疲勞-強(qiáng)度試驗(yàn)方案

疲勞-壽命試驗(yàn)方案。將路面混凝土試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28d，之后施加不同應(yīng)力水平荷載，進(jìn)行疲勞作用直至路面混凝土試件斷裂。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1疲勞-強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

不同應(yīng)力水平荷載疲勞作用不同次數(shù)后路面混凝土試件剩余抗折強(qiáng)度的變化規(guī)律見圖1，其對(duì)應(yīng)于未施加荷載作用路面混凝土試件抗折強(qiáng)度的變化率見表3。

圖1　荷載疲勞作用下路面混凝土的抗折強(qiáng)度

應(yīng)力水平/%疲勞次數(shù)/次50000100000150000200000251.492.640.66-1.32501.762.88-3.53-10.9075-1.95-3.25-8.13-17.89

由圖1、表3可見，25%，50%應(yīng)力水平荷載疲勞作用不同次數(shù)下路面混凝土的抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。25%應(yīng)力水平荷載疲勞作用下路面混凝土抗折強(qiáng)度變化量很小，始終處于3%的變化范圍內(nèi)。50%應(yīng)力水平荷載疲勞作用200 000次時(shí)路面混凝土試件的抗折強(qiáng)度已降低了10.9%。但其抗折強(qiáng)度拐點(diǎn)均在100 000次疲勞時(shí)，表明25%，50%應(yīng)力水平荷載疲勞作用100 000次左右之前對(duì)路面混凝土抗折強(qiáng)度有利并處于持續(xù)增加狀態(tài)，之后，50%應(yīng)力水平荷載疲勞作用下路面混凝土的抗折強(qiáng)度迅速降低，這可能是由于50%應(yīng)力水平荷載持續(xù)疲勞作用短期造成路面混凝土內(nèi)部孔隙不斷壓密，而后期作用是其內(nèi)部混凝土逐漸疏松造成的，但200 000次的疲勞作用并沒有對(duì)路面混凝土造成結(jié)構(gòu)性的破壞。25%應(yīng)力水平荷載作用下路面混凝土的抗折強(qiáng)度基本處于不變的狀態(tài)。這可能是由于25%應(yīng)力水平荷載對(duì)路面混凝土的力學(xué)性能影響很小，持續(xù)的疲勞作用并不能對(duì)路面混凝土的力學(xué)性能及強(qiáng)度發(fā)展等造成影響。75%應(yīng)力水平荷載疲勞作用下路面混凝土的抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)出持續(xù)降低的趨勢(shì)，并且速度越來越快。這可能是由于75%應(yīng)力水平荷載疲勞的持續(xù)作用造成路面混凝土內(nèi)部的孔隙、微裂縫等的不斷發(fā)展，使路面混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變而造成的[5]。

2.2疲勞-壽命試驗(yàn)結(jié)果及分析

路面混凝土在不同應(yīng)力水平荷載疲勞作用下的疲勞壽命見表4。

表4　荷載疲勞作用下路面混凝土的疲勞壽命

注：若疲勞作用1 000 000次時(shí)路面混凝土并未損壞，即可停止試驗(yàn)。

由表4可見，荷載應(yīng)力水平越高，其作用下路面混凝土的疲勞壽命越短。25%應(yīng)力水平荷載疲勞作用1 000 000次時(shí)路面混凝土并未損壞，表明其疲勞作用對(duì)路面混凝土基本沒有影響。50%，75%應(yīng)力水平荷載疲勞作用下路面混凝土的疲勞壽命分別為623 254次和385 641次，綜合應(yīng)力水平和疲勞壽命數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，疲勞壽命的下降次數(shù)與荷載應(yīng)力水平的變化并非呈線性關(guān)系。

3結(jié)語

隨著荷載應(yīng)力水平的提高及疲勞作用次數(shù)的增多，其對(duì)路面混凝土抗折強(qiáng)度的影響也越來越大。25%應(yīng)力水平荷載疲勞作用對(duì)路面混凝土抗折強(qiáng)度的影響可以忽略不計(jì)。50%應(yīng)力水平荷載疲勞作用100 000次以內(nèi)對(duì)路面混凝土抗折強(qiáng)度有利，之后造成其抗折強(qiáng)度的迅速降低。75%應(yīng)力水平荷載疲勞作用下路面混凝土的抗折強(qiáng)度處于迅速降低狀態(tài)。

混凝土路面的使用環(huán)境十分復(fù)雜，其在經(jīng)受車輛輪載疲勞作用的同時(shí)，也經(jīng)受著自然環(huán)境中的溫度、濕度等對(duì)其帶來的影響，這其中有溫度作用、濕度作用、碳化作用、鹽堿溶液作用等等，這些因素的共同作用將急劇加速路面混凝土的破壞。然而目前這些方面的研究還幾乎處于空白階段，因此，開展路面混凝土在荷載、溫度、濕度等多種因素耦合作用下的力學(xué)性能、抗凍性能、耐久性能等的研究已顯得刻不容緩，這將對(duì)我國(guó)的公路建設(shè)事業(yè)具有十分重要的意義。

收稿日期：2014-11-05

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.049