垂直振动成型水泥稳定破碎砾石的疲劳特性研究

朱建华，朱学斌，孟德胤，张韶华，蒋应军

(1.驻马店市公路工程开发公司，河南 驻马店 463000;2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064)

0 引 言

破碎砾石是以天然河道经水流冲刷、搬运、沉积形成的卵石为原料，根据需要的规格破碎加工制成[1]，多用于高等级公路底基层或低等级公路基层和底基层，构成路面结构的主要承重层。与碎石相比，破碎砾石具有材料来源广泛、造价低廉等优点，但也存在压碎值大、棱角性差、破碎面少等缺点[2]，导致水泥稳定破碎砾石强度相对较低，易离析。为提高其强度，减小离析，国内外学者均展开了相关研究，其中澳洲、南非等国大力推广砾石基层和面层路面，并制定了相应规范及典型路面结构；美国交通运输部门针对砾石粒料材料用于基层、面层的级配和压碎值，均制定了规范和设计方法[3-4]。国内学者分别从级配[5-7]、成型方法[8-10]、力学性能[11]、疲劳性能[12]等方面进行研究。其中，密实度是影响水泥稳定破碎砾石强度和疲劳性能的一项重要因素，而室内标准密度与压实度作为控制密实度的关键指标，与室内成型方法密切相关[13]。

目前，中国水泥稳定类基层材料常用的成型方法有2种：一是重型击实法与静压成型法；二是振动压实方法(VVTM)。随着现代交通的发展和重型振动碾压工艺在实践中的应用，重型击实法已不能真正模拟施工现场压实工艺，以致室内成型试件难以准确预测水泥稳定破碎砾石的物理力学性能，无法有效地指导施工[14-15]。实践表明，采用振动压实方法设计水泥稳定基层材料，可大幅提高其抗裂性能[16-17]。为此，本文基于VVTM研究水泥稳定破碎砾石的疲劳特性，利用双参数Weibull理论建立水泥稳定破碎砾石的疲劳方程，分析水泥含量和级配类型对其疲劳特性的影响，对提高水泥稳定破碎砾石疲劳性能具有重要意义。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

水泥采用河南省驻马店市确山同力生产的P·O42.5水泥；集料采用河南省泌阳生产的碎砾石，分为4.75～9.5 mm、9.5～19 mm、19～37.5 mm、石屑4种粒径级别。

1.2 配合比

采用骨架密实型和悬浮密实型水泥稳定碎石集料级配范围中值，见表1。水泥剂量为3.0%和5.0%。

表1 矿料级配

1.3 试件制备方法

采用垂直振动压实仪(VVTE)(图1)成型尺寸为Φ150 mm×150 mm的圆柱体试件。

图1 振动击实试验仪的构造

VVTE参数配置为：振动频率为(30±2)Hz，激振力为(7.6±0.2)kN，名义振幅为(1.4±0.2)mm，工作质量为(3.0±0.4)kN，上车系统重(1.2±0.2)kN，下车系统重(1.8±0.2)kN。

确定水泥稳定破碎砾石最佳含水率与最大干密度时，采用VVTE振动击实100 s。成型水泥稳定碎砾石圆柱体试件时，采用VVTE振动击实90 s。

1.4 疲劳试验方法

与梁式试件弯曲疲劳试验方法相比，劈裂疲劳试验力学模型能更好地模拟半刚性基层在行车荷载作用下的受力状态，且操作方便、结果稳定。因而，本文选用劈裂疲劳试验研究振动法成型水泥稳定破碎砾石的疲劳特性。

试验采用美国MTS810型万能材料试验机。采用正弦波荷载，以应力控制模式加载，从而模拟路面在行车荷载作用下的实际波形。加载频率为10 Hz，循环特征值为0.1，应力水平分别为0.80、0.75、0.70、0.65、0.60。

2 垂直振动试验方法评价

为验证垂直振动试验法的可靠性，在河南省S330驻马店市驿城区至焦桐高速段改建工程第二标段中对比研究了水泥稳定破碎砾石基层现场芯样与垂直振动法成型试件、静压法(QSCM)试件的强度，结果见表2、3。现场水泥稳定破碎砾石基层的水泥剂量为4.0%。表中，RcV为室内振动法成型试件抗压强度，RcQ为室内静压法成型试件抗压强度，RcX为现场芯样抗压强度；RiV为室内振动法成型试件劈裂强度，RiQ为室内静压法成型试件劈裂强度，RiX为现场芯样劈裂强度。

由表2和表3可知：在不同龄期下，室内振动法成型试件的抗压强度是试验段芯样强度的0.90～0.94倍，平均为0.91倍，而静压法成型试件抗压强度仅为芯样强度的0.41倍；振动法成型试件劈裂强度是芯样强度的0.91～0.94倍，平均为0.92倍，静压法成型试件劈裂强度为芯样强度的0.48倍。这说明，与静压法相比，振动法成型试件强度更接近现场芯样强度，证明了水泥稳定破碎砾石垂直振动成型方法是可靠的。

表2 垂直振动法和静压法成型试件与现场芯样抗压强度对比

表3 垂直振动法和静压法成型试件强度与现场芯样劈裂强度对比

3 疲劳试验结果及分析

3.1 劈裂强度

选取养生360 d的水泥稳定破碎砾石试件进行劈裂试验，劈裂强度结果见表4。

表4 360 d劈裂强度

3.2 疲劳试验结果

劈裂疲劳试验的结果见表5。

由表5可知，水泥稳定破碎砾石疲劳寿命随着应力水平的提高而减小。此外，试验数据离散性较大。为探究材料疲劳寿命的规律，本文采用Weibull分布对试验数据进行整理分析。

(1)

式中：m为形状参数；Na为尺度参数。

根据式(1)对表5中的数据进行整理，结果见表6。

表5 劈裂疲劳试验结果

表6 疲劳试验数据Weibull分布检验结果

从表6可以看出，水泥稳定破碎砾石lnln(1/p)～lnN线性相关系数R2达到0.92以上，表明用Weibull分布处理水泥稳定破碎砾石疲劳寿命是可行的。

3.3 疲劳方程

将Weibull分布检验所得的m、Na代入式(1)，得到不同失效概率p、不同应力水平S作用下水泥稳定破碎砾石等效疲劳寿命，见表7。

表7 不同失效概率下水泥稳定破碎砾石的等效疲劳寿命

(2)

b=(1-R)b′

(3)

采用回归分析，结合方程(3)建立水泥稳定破碎砾石的疲劳方程，结果见表8。P-S-N曲线见图2。

式(4)～(7)为可靠度为50%下的疲劳方程。

GM3.0%：

lgS=0.084 4-0.047 2lgN

(4)

GM5.0%：

lgS=0.086 3-0.046 5lgN

(5)

XM3.0%：

lgS=0.079 5-0.047 3lgN

(6)

XM5.0%：

lgS=0.081 1-0.046 9lgN

(7)

3.4 疲劳性能影响因素

3.4.1 级配对疲劳性能的影响

水泥稳定破碎砾石不同级配类型的疲劳方程曲线见图3。

由图3可知，在水泥剂量相同的条件下，与XM型水泥稳定破碎砾石相比，GM型水泥稳定破碎砾石的a值较大、b值较小。这说明，采用GM级配水泥稳定破碎砾石在抗疲劳破坏性能方面优于XM级配，且水泥剂量越低，这种优势越显著。

3.4.2 水泥剂量对疲劳性能的影响

根据疲劳试验结果及建立的疲劳方程可知，疲劳方程参数中a、b受水泥因子影响明显。随着水泥剂量的增加，a值随之增大，同时b值减小，此时水泥稳定破碎砾石表现出来的抗疲劳性能越优。

表8 疲劳方程拟合参数

图2 VVTM水泥稳定破碎砾石在不同级配下的P-S-N曲线

图3 不同级配类型的疲劳方程曲线

4 结 语

(1)振动法成型水泥稳定破碎砾石试件与现场芯样力学强度相关性高达90%，而静压法试件与现场芯样力学强度相关性不足50%。

(2)水泥稳定破碎砾石劈裂疲劳寿命服从双参数Weibull分布，建立的水泥稳定破碎砾石疲劳方程相关系数高于0.90，可准确预测水泥稳定破碎砾石的疲劳寿命。

(3)与悬浮密实型级配相比，骨架密实型水泥稳定破碎砾石疲劳性能更优；水泥剂量对水泥稳定破碎砾石疲劳性能的影响较为显著，水泥剂量越高，水泥稳定破碎砾石疲劳性能越好。