水泥稳定炉渣碎石混合料的疲劳特性

何昌轩

(1.上海市市政规划设计研究院有限公司，上海 200031；2.上海城市路域生态工程技术研究中心，上海 200031)

0 引言

生活垃圾经焚烧后会产生大量固体废弃物，其中炉渣约占固体废弃物的80%，主要由砖石、玻璃、陶瓷、熔渣、金属等物质组成，经过一定处理后可形成具有连续级配的炉渣集料(bottom ash aggregate，以下简称BAA)，但由于BAA密度低、压碎值高，因此目前主要将其替代部分天然集料应用于道路基层建设中[1-7]。ARM M等[8]采用落锤式弯沉仪对炉渣基层试验路的模量变化进行检测，发现施工1年后炉渣基层模量约为相同结构碎石基层的70%左右；Chang等[9]从炉渣物理性质、工程性质、环境影响角度对炉渣应用于基层的适用性进行研究，认为BAA宜与天然集料掺配使用，且使用时需对其浸出液进行处理；FREDERTC B等[10]认为，与未稳定炉渣碎石相比，水泥稳定炉渣碎石(cement stabilized slag macadam，以下简称CSSM)更适合应用在重交通路段的基层中；刘栋等[11-12]对CSSM的强度特性、路用性能进行的研究表明，CSSM的强度性能差于水泥稳定碎石(cement stabilized macadam，以下简称CSM)，但延长炉渣的熟化时间、养生龄期，加大水泥用量可弥补其部分强度损失，当BAA掺量为20%～30%时可满足基层的路用性能要求。

虽然国内外学者对CSSM基层的物理力学性能、路用性能等进行了一定的研究，但却未关注其长期耐久性能，尤其是疲劳性能。然而，CSSM混合料内部微空隙与CSM混合料存在差异，前者内部微空隙大多呈细长形，而后者大多为圆形[13]，因此两者的疲劳性能可能存在差异。本研究采用旋转压实和静压成型制备混合料，进行劈裂疲劳试验和三分点弯曲疲劳试验，借此分析BAA掺量、试件成型方法和疲劳试验方法对CSSM混合料疲劳性能的影响。

1 试验材料

1.1 原材料

试验用BAA取自上海市某生活垃圾焚烧炉渣处理厂，粒径范围为0～9.5 mm；试验用天然集料为石灰岩集料，分为0～3 mm，3～5 mm，5～15 mm，15～25 mm四档。BAA及石灰岩集料级配组成如表1所示，基本性能参数如表2所示。试验用水泥为江苏太仓海螺盘32.5号复合硅酸盐水泥。

表1 炉渣集料和石灰岩集料的级配组成Tab.1 Gradation of BAA and limestone aggregates

表2 炉渣集料和石灰岩集料基本性能Tab.2 Properties of BAA and limestone aggregates

1.2 配合比设计

采用石灰岩集料配制CSM混合料作为对照组，代号NA；以最接近对照组合成级配为原则，采用粒径0～9.5 mm的BAA替代混合料总质量的10%，20%，30%，制备CSSM混合料，代号依次为LZ-10，LZ-20，LZ-30。混合料的配合比设计如表3所示，合成级配曲线如图1所示，击实试验结果如表4所示，混合料水泥用量均为4.5%。

2 试验方案

2.1 试件的制备

根据确定的最佳含水率成型9组混合料试件，试件的代号、尺寸、BAA掺量、成型方法和疲劳试验方法汇总于表5中，所有试件均在标准养生条件下养生180 d。

表3 混合料配合比设计Tab.3 Proportion design of mixtures

图1 混合料合成级配曲线Fig.1 Gradation curves of mixtures

表4 混合料的击实试验结果Tab.4 Compaction test result of mixtures

2.2 试验数据处理

由于水泥稳定类材料的疲劳寿命具有随机性、离散性大的问题，为了正确反映材料的疲劳特性和合理利用疲劳试验结果，本研究采用二参数Weibull分布函数[14-18]对疲劳试验结果进行数据处理和分析。首先，根据公式(1)建立不同保证率p与试件疲劳寿命Ni的关系，将同一试件在同一应力比下的疲劳寿命由小到大排序，标号为N1,N2,…,Nn，并对应不同保证率p=[1-i/(n+1)]×100%，以lgNi为横坐标、-ln ln(1/p)为纵坐标，对数据进行线性拟合，并将拟合直线中50%保证率的疲劳寿命作为该应力水平下等效疲劳寿命。然后，根据公式(2)将不同应力比下混合料的等效疲劳寿命进行一元线性回归，得到不同BAA掺量的CSSM混合料疲劳寿命回归公式。

表5 试验用混合料试件汇总Tab.5 Summary of mixture specimens for test

-ln ln(1/p)=-2.303BlgNp+2.303BlgNa，

(1)

式中，p为保证率；B为Weibull形状参数；Np为试件疲劳寿命；Na为特征疲劳寿命。

lgN=a-bS，

(2)

式中，N为疲劳寿命；S为应力比；a、b为回归系数。

3 试验结果与分析

根据第2.1节拟定的试验方案对混合料试件进行疲劳试验，采用第2.2节的数据处理方法对试验结果进行分析，最终得到混合料的等效疲劳寿命和疲劳回归公式中的回归系数如表6所示。

3.1 炉渣集料掺量的影响

根据表6的试验结果，分别将旋转压实和静压成型试件的疲劳寿命拟合曲线绘制于图2中。不同BAA替代率下CSSM疲劳特性可由疲劳寿命回归曲线高低和回归系数b进行反映，疲劳寿命回归曲线越高，混合料疲劳寿命越大，系数b越小，混合料疲劳寿命对应力比的敏感性越低。

由图2可知，无论是旋转压实试件还是静压成型试件，随着应力比和BAA掺量的增加，混合料的疲劳寿命逐渐减小；由表6中的回归系数b可知，随着BAA掺量的增加，回归系数b逐渐减小。由此表明，增加BAA掺量可以降低CSSM混合料对应力比的敏感性，但同时也会降低其疲劳寿命。

表6 混合料的等效疲劳寿命和疲劳寿命回归系数Tab.6 Equivalent fatigue life and regression coefficient of mixture

图2 不同BAA掺量下的混合料疲劳试验结果Fig.2 Fatigue test results of mixtures with different BAA contents

从材料细观结构的角度来看，水泥稳定碎石材料是由水泥水化产物、微孔隙、微裂缝、极小的天然集料颗粒组成的复合材料，其质地不均匀、不连续。在重复荷载应力作用下，材料内部的微裂缝和微孔隙将会逐渐扩展、连接并在达到一定开裂水准的时候最终破坏。同时，随着材料内部应力的增大，在内部一些集料与水泥砂浆连结薄弱的地方还会产生新的微裂纹，导致材料发生疲劳破坏。与天然石灰岩集料相比，BAA物质组成不均一，玻璃和陶瓷对于水泥砂浆的裹覆能力较差，熔渣颗粒存在较多孔隙，内部容易形成较多微裂缝，在重复荷载应力作用下，更容易发生应力集中，使得CSSM混合料中裂纹的产生和扩展速度大于CSM混合料。因此，CSSM混合料的抗疲劳性能较差，且随着BAA掺量的增加而降低。

3.2 试件成型方法的影响

根据表6的疲劳试验结果，分别将旋转压实和静压成型混合料在不同应力比下的疲劳寿命和疲劳寿命回归系数b绘制于图3中。

由图3可知，试件的成型方法会显著影响混合料的疲劳性能。BAA掺量相同时，采用旋转压实成型试件的疲劳寿命大于静压成型试件，应力比越大，两者的差距越大；随着BAA掺量增加，旋转压实混合料、静压混合料疲劳寿命均呈减小趋势；旋转压实成型试件的疲劳寿命回归系数b小于静压成型试件。由此表明，与静压成型相比，采用旋转压实成型的CSSM混合料对应力比变化的敏感性更小，且具有更好的抗疲劳性能。

图3 不同成型方法混合料的疲劳试验结果Fig.3 Fatigue test result of mixtures with different molding methods

混合料压实过程中，集料难免会发生破碎的现象，如果破碎情况较为严重，成型后集料的级配会与原来设计的级配发生较大偏差，成型后的混合料无法达到最佳组成设计状态。为了进一步探究试件成型方法对CSSM混合料疲劳性能的影响机理，根据公式(3)对旋转压实和静压成型试件进行级配衰变分析，将累积级配变化率计算结果绘制于图4中。

由图4可知，与静压成型相比，旋转压实对混合料级配的影响较小；两种成型方法的级配变化率均随BAA掺量的增加而增大。由于CSSM混合料中BAA压碎值大，抗破碎能力较差，当BAA掺量增加时，集料破碎越明显。与静压成型垂直受力不同，旋转压实过程中混合料具有一定的切斜角度，压头旋转提供的横向剪切力能够让混合料的粗细集料在自由水的作用下移动形成良好的嵌挤状态，集料之间发生摩擦和挤压的现象较少，级配衰变情况较好。因此，采用旋转压实成型混合料中集料破碎情况较小，粗细集料分布更加均匀，时间内部结构更加均一稳定，微裂缝较少，在重复荷载应力的作用下较不易产生新的微裂缝，所以采用旋转压实成型混合料的疲劳性能更好。

∑Δp=∑(p1-p2)，

(3)

图4 不同成型方法的级配衰变情况Fig.4 Gradation attenuation of different molding methods

式中，∑Δp为累积级配变化率；p1为成型后混合料试件中各档集料的通过率；p2为原混合料试件中各档集料的通过率。

图5 采用不同疲劳试验方法的混合料疲劳试验结果Fig.5 Fatigue test result of mixtures with different fatigue test methods

3.3 疲劳试验方法的影响

根据表6的疲劳试验结果，分别将采用劈裂疲劳试验和三分点弯曲疲劳试验的混合料疲劳寿命拟合曲线绘制于图5中。

由图5可知，随着应力比的增大，采用劈裂疲劳试验和三分点弯曲疲劳试验的混合料疲劳寿命均逐渐减小；在相同应力比下，采用旋转压实成型试件的劈裂疲劳试验结果与中梁试件的三分点弯曲疲劳试验结果更为接近，而采用静压成型试件的劈裂疲劳试验结果则远小于前两者；在较低应力水平下，三分点弯曲疲劳试验的疲劳寿命略大于劈裂疲劳试验(旋转压实)，在较大应力水平下，三分点弯曲疲劳试验的疲劳寿命则略小于劈裂疲劳试验(旋转压实)；由表5中的回归系数b可知，采用旋转压实成型试件的劈裂疲劳试验对应力比的敏感性最小，与三分点弯曲疲劳试验更为接近，而采用静压成型试件的劈裂疲劳试验对应力比的敏感性最大。因此，在疲劳寿命和对应力比敏感性两个方面，采用旋转压实成型试件的劈裂疲劳试验均与《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)[19]中规定的三分点弯曲疲劳试验更为接近。

另外，根据现有研究[20-21]对静压成型试件、旋转压实试件和实际基层钻芯取样试件进行抗压强度测试和横断面扫描的研究结果，旋转压实试件的强度与现场钻芯取样试件较接近，而静压试件内部存在肉眼可见的集料破碎现象，抗压强度较小，采用旋转压实法可更好模拟实际基层施工后集料的颗粒分布情况。因此，根据与中梁试件三分点弯曲疲劳试验结果的接近程度，以及试件中集料颗粒分布与现场压实情况的一致性，推荐采用旋转压实成型试件。

4 结论

(1)BAA物质组成不均一，水泥砂浆对玻璃、陶瓷的裹覆程度较差，熔渣颗粒存在较多孔隙，内部容易形成较多微裂缝，导致CSSM混合料的疲劳寿命低于CSM混合料，并且随着BAA掺量的增加，混合料疲劳性能逐渐降低，但同时对应力比的敏感性也逐渐降低。

(2)与静压成型相比，旋转压实对混合料级配的影响较小，采用旋转压实成型试件的疲劳性能更好，且对应力比的敏感性更小；应力比越大，旋转压实成型试件的疲劳寿命提高的幅度越大。

(3)当BAA掺量为30%时，在疲劳寿命和对应力比敏感性两个方面，采用旋转压实成型试件的劈裂疲劳试验均与三分点弯曲疲劳试验更为接近。根据混合料试件中集料颗粒分布与现场压实情况的一致性，推荐采用旋转压实成型试件。