二灰稳定再生集料混合料力学及疲劳性能研究

边 伟，李亚龙，高学凯，荣亚鹏

(1.山西省交通科技研发有限公司，太原 030032；2.黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，太原 030032)

0 引 言

随着城镇化的不断推进和交通基础设施的日益完善，我国正面临着废旧混凝土处理困难和天然砂石供需矛盾日益加剧两大难题。利用混凝土类废弃物生产再生集料(recycled concrete aggregate， RCA)并应用于路面工程，不仅可以从根本上解决废旧混凝土的出路问题，还可以缓解天然砂石资源紧缺的困境，具有显著的社会经济效益和生态环境效益[1]。

目前，国内外学者就水泥稳定再生集料混合料的力学[2-5]、收缩[6-7]、疲劳[5,8-9]等性能以及在路面基层中的应用技术[10-11]开展了大量研究。然而，针对二灰稳定再生集料(lime-fly ash stabilized recycled concrete aggregate， LFSRCA)混合料的研究甚少，王军龙等[12-15]针对LFSRCA混合料的抗压强度、劈裂强度、回弹模量等进行了系统的研究，揭示了二灰比例和RCA掺量对LFSRCA混合料力学性能的影响，验证了LFSRCA混合料基层的可行性。对于LFSRCA混合料的耐久性能和疲劳性能的研究鲜有报道，鉴于疲劳性能的优劣直接影响着路面的服役寿命，因此，开展LFSRCA混合料疲劳性能研究具有重要的现实意义。

研究制备了不同RCA掺量的LFSRCA混合料，分析了LFSRCA混合料的击实特性，探究了LFSRCA混合料抗压强度、劈裂强度、弯拉强度以及抗压回弹模量等力学性能的增长规律，建立了LFSRCA混合料疲劳寿命预估模型，揭示了RCA掺量对LFSRCA混合料力学性能和疲劳性能的影响规律，旨在为LFSRCA混合料在路面基层中的应用提供一定的理论依据和参考价值。

1 实 验

1.1 原材料

石灰采用山西本地生产的Ⅱ级钙质消石灰，有效钙镁含量为61.3%(质量分数)。粉煤灰采用电厂的粉煤灰，主要化学组成见表1。天然粗集料采用5.0～31.5 mm的石灰石碎石，再生粗集料采用废旧混凝土破碎的5.0～31.5 mm的集料，主要性能见表2。天然细集料采用0～5.0 mm的石屑，再生细集料采用废旧混凝土破碎的0～5.0 mm的集料。拌和用水采用自来水。

表1 粉煤灰的主要化学组成Table 1 Main chemical composition of fly ash

表2 粗集料的主要性能Table 2 Main properties of coarse aggregate

1.2 配合比设计

1.2.1 级配组成

分别将再生集料按照0%、30%、50%和100%四种比例等质量替代(下同)天然集料，采用线性规划方法求解，确定四种LFSRCA混合料的最佳级配，并尽量保证四种级配均接近于《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)中石灰粉煤灰类稳定材料推荐级配LF-A-2S的中值。

1.2.2 材料组成设计

构成LFSRCA混合料强度的因素主要包括二灰结合料的内聚力、二灰与集料的粘结力、集料间的嵌挤力和摩擦力等。二灰之间存在最佳比例可以使得混合料的粘结性能最优：适量的石灰可以促进粉煤灰水化反应，进而提高混合料强度；石灰含量过高又会造成石灰过剩，从而降低混合料强度。同时，二灰与RCA之间也存在最佳比例可以使得混合料的粘结性能最优：二灰含量过多容易使混合料产生较大的干缩量，降低基层的抗裂性和耐久性；二灰含量过少难以填满集料间的空隙，难以保证基层的强度和整体性。研究表明[16],当石灰、粉煤灰、再生集料的质量比为 5 ∶15 ∶80时，混合料的力学性能最佳。鉴于此，本文选用石灰、粉煤灰、集料质量比为5 ∶15 ∶80作为制备LFSRCA混合料的材料组成配比。

1.3 试验方法

1.3.1 击实试验

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)，采用重型击实法测试LFSRCA混合料的最大干密度和最佳含水率。

1.3.2 力学性能

按照静压法(压实度为98%)成型相应规格试件，在温度为(20±2) ℃、湿度为95%的标准环境下养生，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)分别测试LFSRCA混合料的7 d、28 d、60 d、90 d和180 d的无侧限抗压强度、劈裂强度、弯拉强度和抗压回弹模量。

1.3.3 疲劳性能

选取弯拉疲劳试验测试分析LFSRCA混合料的疲劳性能。采用UTM-130路面材料伺服液压动态试验系统进行应力控制，加载频率均为10 Hz，加载波形选用正弦波，应力特征值λ=Pmin/Pmax=0.1，应力水平分别为0.70、0.75、0.80、0.85，以试件断裂作为疲劳破坏的判断依据。

2 结果与讨论

2.1 击实特性

RCA掺量对LFSRCA混合料最大干密度和最佳含水率的影响见图1。从图中可以看出，随着RCA掺量的增大，LFSRCA混合料的最大干密度随之减小，最佳含水率随之增大，这主要是再生集料的表观密度小于天然集料而吸水率远大于天然集料造成的。

图1 RCA掺量对LFSRCA混合料最大干密度和最佳含水率的影响Fig.1 Effect of RCA content on maximum dry density and optimum water content of LFSRCA mixture

2.2 力学性能

2.2.1 性能分析

LFSRCA混合料无侧限抗压强度、劈裂强度、弯拉强度以及抗压回弹模量等力学性能测试结果见图2。从图中可以看出，LFSRCA混合料的各项力学性能随着养生龄期的增加而增大。随着养生龄期的增长，LFSRCA混合料的各项力学性能均表现出相同的规律：在0～28 d内增长较慢，在28～60 d内迅速增长，在60～90 d内增长减慢，当养生龄期超过90 d后增长趋于平缓。LFSRCA混合料的7 d、28 d和90 d无侧限抗压强度分别可以达到180 d强度的12%、30%和90%，其劈裂强度和弯拉强度的增长速度与无侧限抗压强度基本一致，而7 d、28 d和90 d抗压回弹模量则可以达到180 d的35%、43%和91%，显然，LFSRCA混合料的抗压回弹模量在养生前期的增长速度要高于其他力学性能。

随着RCA掺量的增大，LFSRCA混合料的各项力学性能均随之减小。在养生前期(<28 d)，RCA的掺入对LFSRCA混合料的无侧限抗压强度、劈裂强度和弯拉强度影响较小，但对抗压回弹模量已产生明显影响；当养生龄期达到28 d后，RCA掺量对LFSRCA混合料力学性能的影响变得更加显著。当RCA掺量从0%增大到100%时，LFSRCA混合料的180 d的无侧限抗压强度、劈裂强度、弯拉强度、抗压回弹模量均降低15%以上。

图2 不同养生龄期下LFSRCA混合料的各项力学性能Fig.2 Mechanical properties of LFSRCA mixture under different curing ages

2.2.2 相关性分析

LFSRCA混合料无侧限抗压强度(Rc)与劈裂强度(Ri)、弯拉强度(Rs)、抗压回弹模量(Ec)的对应关系见图3。

图3 LFSRCA混合料各项力学性能之间的相关性Fig.3 Correlation between mechanical properties of LFSRCA mixture

从图中可以看出，LFSRCA混合料的无侧限抗压强度(Rc)与劈裂强度(Ri)、弯拉强度(Rs)基本呈线性对应关系。LFSRCA混合料无侧限抗压强度(Rc)与抗压回弹模量(Ec)整体上具有良好的线性关系，但在局部区域(图3(c)中圆框区域)的对应关系并不明显。圆框区域数据为LFSRCA混合料7 d和28 d的测试结果，由此可见，在养生前期LFSRCA混合料的无侧限抗压强度(Rc)与抗压回弹模量(Ec)的对应关系尚不明显。

2.3 疲劳性能

2.3.1 疲劳寿命测试结果

LFSRCA混合料的疲劳寿命测试结果见表3。从表中可以看出，LFSRCA混合料的疲劳寿命具有很大的离散性。为了消除疲劳试验离散性大的影响，选用威布尔分布函数处理弯拉疲劳试验数据，并按下式建立LFSRCA混合料的疲劳寿命预估模型(疲劳寿命方程)。

表3 LFSRCA混合料的疲劳寿命Table 3 Fatigue life of LFSRCA mixture

lgN=a+bS

(1)

式中：N为荷载作用次数,即疲劳寿命；S为应力水平；a,b为回归系数。

2.3.2 疲劳寿命预估模型建立

以100%RCA的LFSRCA混合料为例进行分析。在同一应力水平S下，将LFSRCA混合料试件的弯拉疲劳寿命Ni从小到大进行排列，并依次编号1，2，…，n；计算各试件的可靠度Pi=[1-i/(1+n)]×100%，i为试件编号，并计算-ln[ln(1/Pi)]值，结果见表4。

表4 不同应力水平下LFSRCA混合料的疲劳寿命及可靠度Table 4 Fatigue life and reliability of LFSRCA mixture under different stress levels

根据表4建立-ln[ln(1/Pi)]与lgNi的拟合关系图，结果见图4。从图中可以看出，-ln[ln(1/Pi)]与lgNi存在良好的线性关系，相关性系数均在0.98以上，可见LFSRCA混合料的疲劳寿命符合威布尔分布，图中拟合方程可以接受。

图4 LFSRCA混合料疲劳寿命威布尔分布P-N曲线Fig.4 Weibull distribution P-N curves of fatigue lifeof LFSRCA mixture

根据上述拟合方程分别计算不同可靠度下LFSRCA混合料不同应力水平对应的疲劳寿命，结果见表5。

表5 不同可靠度下LFSRCA混合料不同应力水平对应的疲劳寿命Table 5 Fatigue life of LFSRCA mixture with different stress levels under different reliability

根据表5绘制应力水平S与疲劳寿命lgNi之间关系图，结果见图5。通过线性拟合求解不同可靠度下LFSRCA混合料疲劳方程的回归系数a、b，并建立疲劳寿命方程，结果见表6。

图5 LFSRCA混合料疲劳寿命拟合曲线Fig.5 Fatigue life fitting curves of LFSRCA mixture

表6 回归系数及疲劳方程Table 6 Regression coefficient and fatigue life prediction equation

2.3.3 疲劳特性分析

按照上述步骤建立各个配比LFSRCA混合料在不同可靠度下的疲劳方程，并预测不同可靠度下的疲劳寿命，结果见表7。从表中可以看出，随着RCA掺量的增大，不同可靠度下及应力水平的LFSRCA混合料的疲劳寿命均随之减少。可见，RCA的掺入会降低LFSRCA混合料的抗疲劳性能。在相同可靠度下，RCA掺量对低应力水平下LFSRCA混合料疲劳寿命的影响比较显著，而随着应力水平的增大，RCA掺量的增大对疲劳寿命的影响减弱。在相同RCA掺量下，不同可靠度下的LFSRCA混合料疲劳寿命在低应力水平下相差很大，在高应力水平下则相差较小。

从表7可知， 当可靠度从95%降为50%时，LFSRCA混合料的疲劳寿命明显增大，可见LFSRCA混合料在不同可靠度下的疲劳寿命差异很大。因此，在实际工程应用时，应根据公路等级、应用层位等因素确定适合的可靠度，并结合材料的组成配比来具体分析预测LFSRCA混合料的疲劳寿命。

表7 LFSRCA混合料的疲劳方程及疲劳寿命Table 7 Fatigue life prediction equation and fatigue life of LFSRCA mixture

3 结 论

(1)随着RCA掺量的增大，LFSRCA混合料的最大干密度随之减小，最佳含水率随之增大。

(2)随着养生龄期的增长，LFSRCA混合料的各项力学性能均表现出相同的规律：在0～28 d内增长较慢，在28～60 d内迅速增长，在60～90 d内增长减慢，当养生龄期超过90 d后增长趋于平缓。随着RCA掺量的增大，LFSRCA混合料的各项力学性能均随之减小，但RCA掺量对养生前期(<28 d)的LFSRCA混合料无侧限抗压强度、劈裂强度和弯拉强度影响较小。LFSRCA混合料的无侧限抗压强度与劈裂强度、弯拉强度、抗压回弹模量基本呈线性对应关系，但早期的无侧限抗压强度与抗压回弹模量对应关系并不明显，这主要是由LFSRCA混合料的抗压回弹模量在养生前期的增长速度要高于其他力学性能造成。

(3)LFSRCA混合料的疲劳寿命符合威布尔分布模型，LFSRCA混合料的疲劳寿命N与应力水平S具有良好的对应关系。在LFSRCA混合料掺入RCA会降低混合料的抗疲劳性能，且LFSRCA混合料的疲劳寿命随着RCA掺量的增加而减小。

(4)在相同可靠度下，RCA掺量对低应力水平下LFSRCA混合料疲劳寿命的影响比较显著，而随着应力水平的增大，RCA掺量的增大对疲劳寿命的影响逐渐减弱。在相同RCA掺量下，不同可靠度下的LFSRCA混合料疲劳寿命在低应力水平下相差很大，在高应力水平下则相差较小。