碾压砼疲劳性能试验研究

李绍鹏,何林,彭凯,李谟忍,吴栋

(1.长沙理工大学交通运输工程学院,湖南长沙 410004;2.95890部队,湖北武汉 430030)



碾压砼疲劳性能试验研究

李绍鹏1,何林2,彭凯1,李谟忍1,吴栋1

(1.长沙理工大学交通运输工程学院,湖南长沙 410004;2.95890部队,湖北武汉 430030)

摘要:在室内进行碾压砼小梁的三分点弯曲疲劳试验,采用威布尔模型对碾压砼的疲劳寿命进行分析。结果表明,虽然碾压砼的疲劳寿命具有较大的离散性,但服从两参数威布尔分布;同时得到了碾压砼的log S-log N方程及不同失效概率下的疲劳方程。

关键词:公路;碾压砼;疲劳寿命;疲劳方程;失效概率

碾压砼用作路面基层时要承受荷载的不断作用,而疲劳特性又是其力学性能的重要评价指标。因此,碾压砼路面基层疲劳性能的好坏直接决定其使用寿命。一旦基层因疲劳发生破坏,不仅影响道路的使用,还容易对行车安全造成危害,维修时需将破损的板块凿开,耗时长且维修费用高。目前,中国对碾压砼用作基层时的疲劳特性研究较少,疲劳试验模型和疲劳方程的建立中都没有详细提出。大量试验研究表明,砼弯曲疲劳寿命与两参数威布尔分布基本相符,对于威布尔分布是否也适用于碾压砼还有待进一步研究。该文对碾压砼小跨径梁在不同应力比下的弯拉疲劳寿命进行研究分析,为碾压砼用作道路基层提供理论依据。

1 试件原材料与制作

水泥采用金鹰牌PC32.5复合硅酸盐水泥,其各技术指标(见表1)均符合相关标准要求。其用量为220 kg/m3。粗、细集料的技术指标如压碎值、针片状含量及含泥量等均符合相关技术要求,矿料级配见表2。拌和用水采用自来水,水灰比为0.53。

表1 水泥的技术指标测试结果

碾压砼疲劳试件为100 mm×100 mm×400 mm棱柱体,试件所需试样质量按照碾压砼的理论密度和试模内腔容积以95%的压实率进行计算。试样分2层装入,每装入1层先沿试模内壁用馒刀上下插捣一周,然后用插捣棒每层插捣50下。插捣从边缘到中间按螺旋方向均匀地进行,插捣下层时应插捣至模底,插捣上层时应插入下一层2 cm。采用振动压实成型试件,振动和压实效果直接影响试件的力学性能,在制作过程中要充分振动压实,但又不能过振,以保证试件材料的均匀和密实度。试件成型后在养生室内标准养护28 d。

表2 矿料级配

2 试验方案

疲劳试验分为4组,每组6个试件。试验前先用2个试件(编号为试件一、试件二)进行弯拉强度测试,其余4个试件(编号为RCC-1、RCC-2、RCC-3和RCC-4)依次按不同应力比(S=0.8、0.7、0.6、0.5)进行疲劳试验。弯拉强度测试和疲劳试验均在MTS万能材料试验机上进行。弯拉试验加载速率为50 mm/min;疲劳试验加载波形为正弦波,频率为10 Hz,正弦波荷载的最小荷载Pmin为最大荷载Pmax的10%,即荷载的循环特征值ρ= Pmin/Pmax=0.1;采用三分点加载,试件两端与支座的距离为50 mm,2个加载点间距100 mm。加载前为避免试件与压头接触不良产生误差,先对小梁施加1 k N预压载荷,重复加载、卸载2次。在疲劳荷载循环加载过程中,加载到一定次数后注意观察压头与试件的接触状况,如果压头位置发生偏移或与试件脱离加载,则需暂停疲劳加载,调整压头后再继续试验。

碾压砼各组试件弯拉强度及疲劳寿命测试结果见表3。

将疲劳寿命和应力比分别取对数后进行线性回归(见图1),得到S-N疲劳方程:

log S=-0.055log N+0.052

表3 各组试件弯拉极限荷载与疲劳寿命

图1 疲劳寿命和应力比回归分析结果

3 试验结果分析

碾压砼弯拉强度的离散对疲劳性能的影响极其敏感,当弯拉强度偏高或偏低时,会造成试验时实际应力比偏低或偏高,从而对实际疲劳寿命产生较大影响。从表3可知:碾压砼的弯拉强度存在一定的离散性,相同应力比下的疲劳寿命也有较为明显的波动,且疲劳寿命随着应力比的降低而明显增高,应力比越低,数据波动越大。当然,碾压砼疲劳寿命的离散不仅与其自身强度差异有关,试验时的操作误差及测量系统误差也是一个重要因素。因此,在碾压砼试件配料、拌和、成型、养护及试验测试等各环节都需严格控制。

3.1 疲劳寿命的概率分布

碾压砼疲劳寿命的离散性与普通砼的疲劳寿命相符,一般情况下增加同组试验试件数量可减少误差,得到较为合理的疲劳寿命数据。但增加砼疲劳试验试件数量,会增大试验的经济成本和时间成本。因此,要想得到真实可靠的试验结果,在选择合理的疲劳试件数量的同时,试验分析方法尤为重要。正态分布模型和威布尔分布模型是疲劳试验分析中最为常见的数学分析模型,其中威布尔分布模型的可靠度较高,达99.99%～100%,且存在最小安全寿命,而这些都是正态分布模型所不具备的。因此,采用威布尔分布模型进行试验分析。

如果碾压砼疲劳寿命N服从两参数威布尔分布,则存活率P满足式(1),对应的失效率P′见式(2),对式(1)取二次对数,得到式(3)。

式中:Na为特征寿命参数;b为威布尔形状参数; Np为可靠度为p时的疲劳寿命。

显然,式(3)是一个直线方程,用这个直线方程可检验试验数据是否服从两参数威布尔分布。

下面假设碾压砼的疲劳寿命服从两参数威布尔分布,根据试验数据,分析碾压砼在不同存活率下的疲劳寿命。各参数计算结果见表4。

分别以ln Ni为横坐标、ln[ ln(1/P)]为纵坐标,对表4中数据进行线性回归,结果见图2,以此来检测疲劳寿命是否符合威布尔分布。

从图2可以看出:在不同应力比条件下,ln Ni与ln[ ln(1/P)]具有较好的线性关系,特别是在应力比S=0.8、0.7、0.6条件下,对应的相关系数R分别为0.993、0.956、0.986,都在0.95以上,说明试件所获得的疲劳寿命数据服从两参数威布尔分布;但在应力比S=0.5条件下,相关系数R只有0.912,线性分布相对较差。据此推测应力比越低,疲劳寿命的离散性越大。

3.2 考虑失效概率下的疲劳方程

由于碾压砼疲劳寿命的离散性较大,研究碾压砼的疲劳寿命必须考虑其失效概率。前面已经检验了碾压砼的疲劳寿命服从两参数威布尔分布,由式(2)可得出不同失效概率下的疲劳寿命计算公式[见式(4)],计算结果见表5。

表4 碾压砼疲劳寿命威布尔分布参数计算结果

图2 威布尔分布参数线性回归分析结果

根据可靠度的要求,实际工程中往往需要建立具有一定失效概率的P′-S-N疲劳方程,通常取单对数疲劳方程S-log N或双对数疲劳方程log S -log N。但单对数疲劳方程S-log N存在不能满足疲劳方程边界条件的缺陷,实际工程中一般采用log S-log N来分析。采用双对数疲劳方程分析不同失效率下疲劳寿命和不同应力比之间的关系,通常假定一定失效概率下砼的疲劳寿命N和应力比S之间满足以下关系:

将表5中不同失效概率下的碾压砼疲劳寿命及相应的应力比S取对数后,按式(5)进行线性回归,结果见表6。

表5 不同失效概率下碾压砼的疲劳寿命

表6 考虑失效概率的疲劳方程回归系数

从表6可知:碾压砼的相关系数R都在0.92以上,满足双对数疲劳方程的线性条件,线性结果较为明显,假设成立。若增加相应样本数量,线性结果会更明显。不同失效率下的疲劳方程见表7。

表7 不同失效概率下的疲劳方程

4 结论

该文通过对碾压砼疲劳性能进行试验研究,得到如下结论:

(1)碾压砼的疲劳寿命具有较大的离散性,这与碾压砼的自身强度存在差异有很大的关联,且疲劳寿命随着应力比的降低而明显增高,应力比越低,同组试件的疲劳寿命差距越大。

(2)碾压砼的疲劳寿命服从两参数威布尔分布,并经过线性回归得到了碾压砼不同失效概率下的疲劳方程。

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收稿日期:2015-06-04

中图分类号:U416.216

文献标志码:A

文章编号:1671-2668(2016)02-0109-04