凍融條件下水泥穩定碎石的疲勞性能模擬分析

曾浩　梁春雨　張桂博　黃慧

作者簡介：曾 浩（2001—），碩士研究生，研究方向：道路與鐵道工程;

梁春雨（1974—），教授，研究方向：道路與鐵道工程;

張桂博（1988—），工程師，研究方向：公路工程;

黃 慧（1984—），高級工程師，研究方向：公路工程。

摘要：考慮季凍區公路水泥穩定碎石基層疲勞性能的影響因素，文章以Ansys軟件的Workbench和ncode模塊為分析工具，基于室內試驗結果對兩種級配的水泥穩定碎石標準中梁進行凍融循環和疲勞試驗模擬，通過瞬態熱應力分析得出了荷載應力比和集料級配對水泥穩定碎石凍融疲勞性能的影響規律。結果表明：凍融會降低水泥穩定碎石的疲勞性能;水泥穩定碎石級配中細集料含量過多，會降低材料的抗凍性能;應力比為0.65時凍融試件的疲勞損傷百分率會顯著增大。這說明季凍區水泥穩定碎石基層的疲勞性能要綜合考慮應力比和凍融條件的影響。

關鍵詞：水泥穩定碎石;有限元分析;疲勞性能;凍融循環

中國分類號：U416.214

0 引言

路面基層作為道路結構的重要組成部分，是路面結構的主要承重層，其性能的好壞對路面有很大影響。以水泥穩定碎石為鋪筑材料的基層由于早期強度高、板體性好等優點在我國應用廣泛。但是在季節性冰凍地區，荷載作用和溫濕度變化對基層的破壞較大，因此研究水泥穩定碎石基層在凍融條件下的疲勞特性影響規律極其重要[1-3]。

對半剛性基層水泥穩定碎石混合料抗凍性和疲勞性的研究，國內外已取得不少成果，主要集中在凍融或荷載單獨作用下對材料疲勞性的影響，對水泥穩定碎石混合料在凍融和荷載共同作用條件下的疲勞模擬研究相對較少[4-6]。一些已建工程由于在設計之初對這方面的要求考慮不足，導致在使用過程中出現較多的凍融疲勞損傷開裂，降低了使用壽命。實際上水泥穩定碎石混合料在反復循環的凍融與外加應力的共同作用下與二者單獨作用時的使用性能差異極大[7-9]。

本文采用國內外常用的小梁疲勞試驗方法進行疲勞試驗，該方法在施加不同應力和應力比的條件下測定對應的疲勞壽命，用S-N曲線來反映材料的疲勞性能，通過Ansys軟件模擬在凍融條件下耦合荷載應力情況，對水泥穩定碎石混合料的疲勞性能進行研究。

1.1 原材料

根據實際工程應用并結合本課題研究內容，水泥選用42.5#普通硅酸鹽水泥，試驗結果如表1所示。各性能指標均滿足現行規范的要求。

集料為玄武巖，分別為20～30 mm、10～20 mm、5～10 mm、0～5 mm四檔。以粒徑4.75 mm劃分粗集料和細集料。按照《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2005）進行相關試驗，試驗結果如表2所示。各項性能指標滿足《公路路面基層施工技術細則》（JTGT F20-2015）的要求。

研究級配為級配1和級配2，分別為粗集料斷級配和骨架密實級配。兩個級配都是以粗集料形成骨架，但級配1比級配2的細集料（4.75 mm以下）多，其關鍵篩孔通過率如表3所示。

1.2 水泥穩定碎石強度測定

通過擊實試驗、無側限抗壓強度試驗、彎拉強度試驗測得兩種級配的強度試驗結果如表4所示。

2 軟件和試驗方法

Ansys是一款功能模塊多、計算精度高的有限元分析軟件。本次試驗使用Workbench模塊進行靜力學分析，使用ncode模塊進行疲勞性能分析。Workbench平臺集成了Ansys的大多數求解功能，求解流程如圖1所示。

ncode模塊也集成在Workbench平臺中，通過讀取Workbench的計算結果來進行疲勞分析。求解流程如圖2所示。

3 模擬試驗過程

本試驗模擬樣本選擇了兩組不同級配的骨架密實型水泥穩定碎石標準中梁成型兩組試件（試件1、試件2），標準試件尺寸為400 mm×100 mm×100 mm。根據《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20-2015），無機結合料穩定材料目標配合比設計技術要求基層所需水泥劑量確定為5%，具體級配情況如表3所示。利用Ansys軟件，建立模擬試件模型如圖3所示。模型單元采用Soild 45單元，尺寸大小為規范要求，試件參數分別參考了實際試驗室數據，如表4所示。

（1）模擬試件在室溫20 ℃下進行標準三分點加載試驗，由試件的彎拉強度確定施加荷載水平。對兩個級配的標準中梁試件進行疲勞試驗，采取3個應力比進行分析，分別為0.6、0.65、0.7，得到試件的應力應變情況。通過施加Havesine波動態周期性荷載進行疲勞性能分析，得出兩種級配試件的疲勞壽命。

（2）采用瞬態熱分析的方法，模擬試件進行凍融循環試驗。具體步驟參照規范《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51-2009）中的無機結合穩定材料凍融試驗方法（T 0858-009），其溫度控制曲線如圖4所示。

（3）重復五次凍融循環，把凍融后的試件按與標準試件相同的條件進行疲勞加載，獲得試件在凍融后相同荷載下的疲勞壽命和損傷云圖情況。

4 模擬結果分析

在不同級配、不同應力比情況下，試件的疲勞壽命和疲勞損傷百分率（凍融后減少的疲勞壽命與凍融前疲勞壽命的比值）如表5所示。

（1）由表5可知，相同應力比下，試件1的疲勞損傷百分率更大。經過分析，造成這一現象的原因是由于級配1細集料含量較多，試件內結合水的含量更大，使水凝固成冰的凍脹現象更加明顯，應力更大，隨著凍融循環的增加，試件強度損失也就更大，因此抗凍能力更差。

同時，在不同應力比條件下，試件1和試件2的變化趨勢相似，隨著應力比的增大，疲勞損傷百分率逐漸增大。

（2）應力比從0.6增加到0.65時，兩種級配試件的損傷百分率增加了近20%，說明在凍融條件下應力比對試件的疲勞壽命影響較大。

而應力比從0.65增加到0.7時，兩種級配試件的損傷百分率增加了約6%～7%，可見在應力比達到一定程度后，對疲勞壽命起主要作用的因素是凍融條件。

圖5～8分別是試件1應力比為0.6和0.65時凍融前后試件疲勞損傷云圖。觀察可知，應力比為0.6時斜損傷區域未延伸連接，應力比為0.65時斜損傷區域已經形成角度約為45°的損傷帶，損傷帶的形成使得材料結構組成發生了變化，試件在荷載的重復作用下更容易擴散裂縫，從而使疲勞性能下降，這也是導致損傷百分率驟增的原因。

5 結語

本研究通過對兩種級配的水泥穩定碎石混合料在相同凍融循環次數下的疲勞性能進行有限元模擬，得出以下結論：

（1）凍融循環會不同程度地改變水泥穩定碎石材料的彈性模量，試件極限抗拉強度會下降，在經歷荷載作用后，會導致凍融損傷進一步疊加，從而使得試件疲勞壽命下降。

（2）水泥穩定碎石級配中的細集料含量過多，會降低材料的抗凍性能。由模擬結果可知，級配2疲勞損傷百分率較小，更適合在季凍區使用。

（3）凍融條件下應力比對試件的疲勞壽命影響較大，但在應力比達到一定程度后，對疲勞壽命起主要作用的因素是凍融條件。因此季凍區水泥穩定碎石基層的疲勞特性要綜合考慮應力比和凍融條件的影響。

參考文獻：

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