荷载作用下路面混凝土的抗折性能研究

江　洲　徐治华

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司　贵阳　550081)

荷载作用下路面混凝土的抗折性能研究

江洲徐治华

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳550081)

摘要文中研究了25%，50%，75%应力水平荷载疲劳作用不同次数下路面混凝土抗折强度的变化规律，同时对其作用下路面混凝土的疲劳寿命进行了研究。结果表明，25%应力水平荷载疲劳作用对路面混凝土的抗折强度基本没有影响。50%，75%应力水平荷载疲劳作用随着应力水平的提高和疲劳作用次数的增多其对路面混凝土抗折强度的影响也越大。荷载应力水平越高路面混凝土的疲劳寿命越短。

关键词荷载疲劳作用路面混凝土抗折强度

水泥混凝土路面是我国公路路面的主要结构形式之一。截止2013年底，我国公路总里程已达到434.60万km。其中，水泥混凝土路面占70%左右。并且，随着我国经济与公路事业的蓬勃发展，水泥混凝土路面的里程将会继续快速增加。然而，水泥混凝土路面的病害问题却一直是困扰着各国学者的主要问题之一，尤其是断板、断角、表面剥落等病害。究其原因，一是路面混凝土在荷载作用下的抗疲劳性能不足，致使其在使用过程中的力学性能、耐久性能等迅速降低；二是车辆超载严重，现有的强度不足以满足使用要求；三是路面混凝土自身强度不足；四是施工、环境等的影响。针对原因二、三、四国内外的学者从设计、使用、养护、维修等多方面已进行了很多研究，并取得了一定的成果。但针对原因一的研究相对很少。路面混凝土常年经受不同应力水平车辆轮载的疲劳作用，并且从目前国内公路破坏状况可以看出，交通量大及重载交通路段的混凝土路面破损状况要较其他地段严重，因此，对荷载疲劳作用下路面混凝土强度的衰减规律进行研究显得尤为重要。本文将开展不同应力水平荷载疲劳作用不同次数下路面混凝土的抗折强度及疲劳寿命变化规律研究。

1试验方案设计

1.1配合比设计

选用P·O.42.5普通硅酸盐水泥，粗集料分为4.75～9.5mm和9.5～19.5mm2档料，其比例为2∶8，细集料选用中砂，选用贵州博泰工贸有限公司I级粉煤灰和S95矿粉，其比例(质量比)为4∶6，其复掺量为胶凝总量的25%。混凝土配合比见表1。

表1　混凝土配合比

1.2试验方案

疲劳加载试验选用长春机械科学研究院有限公司生产的SD系列电液伺服动静疲劳试验机(四立柱式)，结合目前相关研究认为正弦波形与路面承受的实际荷载波形比较相近，本研究采用正弦波形荷载[1-4]。加载模式分为应力控制模式和应变控制模式，由于混凝土的应变性能受混凝土的原材料、养护环境、使用环境等的影响较大，因此本文加载时采用应力控制模式。加载频率10Hz。加载应力水平选取25%,50%，75% 3个应力水平，加载次数选取50 000次、100 000次、150 000次和200 000次。

疲劳-强度试验方案。将路面混凝土试件在标准养护条件下养护28d，之后对试件施加不同应力水荷载，作用设定疲劳次数，测试试件的剩余抗折强度。试验方案及编号见表2。

表2　疲劳-强度试验方案

疲劳-寿命试验方案。将路面混凝土试件在标准养护条件下养护28d，之后施加不同应力水平荷载，进行疲劳作用直至路面混凝土试件断裂。

2试验结果及分析

2.1疲劳-强度试验结果及分析

不同应力水平荷载疲劳作用不同次数后路面混凝土试件剩余抗折强度的变化规律见图1，其对应于未施加荷载作用路面混凝土试件抗折强度的变化率见表3。

图1　荷载疲劳作用下路面混凝土的抗折强度

应力水平/%疲劳次数/次50000100000150000200000251.492.640.66-1.32501.762.88-3.53-10.9075-1.95-3.25-8.13-17.89

由图1、表3可见，25%，50%应力水平荷载疲劳作用不同次数下路面混凝土的抗折强度呈现出先上升后下降的趋势。25%应力水平荷载疲劳作用下路面混凝土抗折强度变化量很小，始终处于3%的变化范围内。50%应力水平荷载疲劳作用200 000次时路面混凝土试件的抗折强度已降低了10.9%。但其抗折强度拐点均在100 000次疲劳时，表明25%，50%应力水平荷载疲劳作用100 000次左右之前对路面混凝土抗折强度有利并处于持续增加状态，之后，50%应力水平荷载疲劳作用下路面混凝土的抗折强度迅速降低，这可能是由于50%应力水平荷载持续疲劳作用短期造成路面混凝土内部孔隙不断压密，而后期作用是其内部混凝土逐渐疏松造成的，但200 000次的疲劳作用并没有对路面混凝土造成结构性的破坏。25%应力水平荷载作用下路面混凝土的抗折强度基本处于不变的状态。这可能是由于25%应力水平荷载对路面混凝土的力学性能影响很小，持续的疲劳作用并不能对路面混凝土的力学性能及强度发展等造成影响。75%应力水平荷载疲劳作用下路面混凝土的抗折强度呈现出持续降低的趋势，并且速度越来越快。这可能是由于75%应力水平荷载疲劳的持续作用造成路面混凝土内部的孔隙、微裂缝等的不断发展，使路面混凝土的内部结构发生改变而造成的[5]。

2.2疲劳-寿命试验结果及分析

路面混凝土在不同应力水平荷载疲劳作用下的疲劳寿命见表4。

表4　荷载疲劳作用下路面混凝土的疲劳寿命

注：若疲劳作用1 000 000次时路面混凝土并未损坏，即可停止试验。

由表4可见，荷载应力水平越高，其作用下路面混凝土的疲劳寿命越短。25%应力水平荷载疲劳作用1 000 000次时路面混凝土并未损坏，表明其疲劳作用对路面混凝土基本没有影响。50%，75%应力水平荷载疲劳作用下路面混凝土的疲劳寿命分别为623 254次和385 641次，综合应力水平和疲劳寿命数据可以发现，疲劳寿命的下降次数与荷载应力水平的变化并非呈线性关系。

3结语

随着荷载应力水平的提高及疲劳作用次数的增多，其对路面混凝土抗折强度的影响也越来越大。25%应力水平荷载疲劳作用对路面混凝土抗折强度的影响可以忽略不计。50%应力水平荷载疲劳作用100 000次以内对路面混凝土抗折强度有利，之后造成其抗折强度的迅速降低。75%应力水平荷载疲劳作用下路面混凝土的抗折强度处于迅速降低状态。

混凝土路面的使用环境十分复杂，其在经受车辆轮载疲劳作用的同时，也经受着自然环境中的温度、湿度等对其带来的影响，这其中有温度作用、湿度作用、碳化作用、盐碱溶液作用等等，这些因素的共同作用将急剧加速路面混凝土的破坏。然而目前这些方面的研究还几乎处于空白阶段，因此，开展路面混凝土在荷载、温度、湿度等多种因素耦合作用下的力学性能、抗冻性能、耐久性能等的研究已显得刻不容缓，这将对我国的公路建设事业具有十分重要的意义。

收稿日期：2014-11-05

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.049