聚合物改性多孔水泥混凝土疲劳性能研究

2021-06-30刘燕张悦悦仰建岗

中国建材科技 2021年1期

刘燕张悦悦仰建岗

（1江西交通职业技术学院；2江西省高速公路投资集团有限公司；3华东交通大学，江西南昌 330000）

0 前言

多孔水泥混凝土主要粗骨料、水泥、水组成，没有或几乎没有细粉或改性剂，能够形成较高孔隙率（15%～35%）和相互连接的孔结构，从而具有很好的渗透性能，可用于路面面层和基层结构，具有快速排水、环保降噪及抗滑等一系列优点[1]。通常，具有大孔隙的混凝土其力学性能较差，在保证其渗透性能、不显著降低孔隙率的同时提高其强度特性方面，有研究表明，掺加聚合物会使其力学强度得到较大提升，通过采用SBR乳胶、薄层纤维素醚、多壁碳纳米管/水性环氧树脂等改性多孔混凝土，均可提高其抗压强度及抗弯拉强度[2-4]。而目前对多孔改性混凝土的研究大多集中在提高其渗透特性或建立渗透性能与强度性能之间的平衡点[5-6]，对其疲劳性能的研究较少。然而，将多孔改性混凝土用于基层结构时，基层结构在服役期间受到车辆荷载的重复作用，研究其疲劳性能是保障路面可靠、安全的基础。

本文对多孔改性水泥混凝土的疲劳特性进行分析，研究不同应力水平和应变水平下疲劳寿命特征，分析得出其疲劳方程，并与常用材料比较其优劣性。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料及其配比

本研究所用原材料包括水泥、骨料、改性剂和水。

1.1.1 水泥

选用陕西西安产普通硅酸盐水泥，强度42.5MPa，指标如表1所示。

表1 水泥的技术性质Tab.1 Technical properties of cement

1.1.2 骨料

选用陕西西安产石灰石，选用单一粒径，其范围为25～30mm，各项指标满足规范要求。

1.1.3 改性剂

选用丙烯酸和聚羧酸乳液组成的混合物，产于河北省某公司。25℃粘度为4.5pa·s，密度为1.16g/cm，pH为8.5～10。

1.1.4 配合比

本研究中的PPC-27.5 由水泥、单一粒径27.5mm的石灰石骨料、水、改性剂组成。其中水泥骨料比为1:6，水灰比为0.32，改性剂按水体积用量的10%掺加。

1.2 试件制备

制备尺寸为150mm×150mm×550mm试件用于静态弯拉强度和弯曲疲劳试验。为了改善集料和水泥浆之间的粘结，先将集料与干水泥混合60s，再添加含有改性剂的胶体水溶液混合60s，之后将剩余的水在90s内逐渐添加到拌合料中，按规范成型试件并养生。

1.3 静态弯曲和疲劳试验方法

为了获得PPC-27.5的疲劳性能，本研究共成型了65个试件用于开展静态弯曲和弯曲疲劳试验。

1.3.1 静态弯拉试验

采用三分点荷载测试方法确定每个试件的静态弯拉强度，为减少误差，共测试10个试件，并将平均值记录为PPC-27.5的静态弯拉强度。

1.3.2 疲劳试验

在MTS 458.10动态电液伺服试验系统上进行疲劳性能测试，共测试50个试件，如图1所示。

图1 疲劳试验测试装置Fig.1 Fatigue test device

本次疲劳试验采用应力控制模式，选用两支点距离为15cm的三分点加载方式。综合已有研究，选择应力水平S为0.65～0.85，分成5个水平，即0.65、0.70、0.75、0.8、0.85。此外，参考汽车最小和最大质量比并考虑温度应力大小进行应变水平R取值，共3个水平，即0.08、0.20、0.50。

为最大程度模拟路面行车实际特征，选择加载频率为15Hz。选择周期的上限（350万个周期），当样品发生故障或达到此上限时，终止测试。因此，还准备5个试件作为补充。为排除疲劳试验期间强度随龄期增长而增长，故试件在养生60d后开展测试。

1.4 数学模型的选择

从已有的疲劳性能研究中发现，由于混凝土的异质性和不均匀性，在疲劳寿命数据中观察到了相当大的分散，因此，许多数学概率模型被用于疲劳数据的统计描述。目前，对数正态分布函数和威布尔分布功能已被广泛用于常规混凝土的疲劳行为。然而，随着疲劳寿命的增加，对数正态分布的危险函数或风险函数减小，这违背了由疲劳过程导致的材料逐渐退化的物理现象。威布尔分布的物理背景比对数正态分布更具说服力，可能足以描述混凝土的疲劳性能[7]。因此，本文选择威布尔分布来研究PPC-27.5的疲劳行为。

双参数威布尔分布函数如公式（1）所示：

对公式（1）两边取对数两次得公式（2）：

其中，

2 结果与讨论

2.1 静态弯拉试验

疲劳试验前需要对同一批试件进行静态弯拉试验以获得静态弯拉强度，用于计算疲劳试验时所需的最大疲劳应力和最小疲劳应力。为了减小测定误差，选取相同龄期下的10个试件进行静态弯拉强度测试。测试结果如表2所示。

表2 静态弯拉试验结果Tab.2 Static bending and tensile test results

由试验结果可知，弯拉强度测试值存在一定的离散型，但集中分布在2.1～2.5MPa之间。

2.2 疲劳试验

2.2.1 疲劳试验结果

考虑到疲劳试验结果的离散性较大，选择相同龄期及配比的试件50个，分别在不同的应力、应变水平下开展试验，得到PPC-27.5的疲劳试验结果如表3所示。

表3 疲劳寿命测试结果Tab.3 Results of fatigue life test

从疲劳试验结果可知，试验数据的分散性较大。由于PPC所用骨料粒径较大，不均匀性较大，这造成了疲劳测试数据分散，呈现一定的随机性。因此，可以通过研究其概率统计分布特性，探明其规律，从而建立较符合分布特性的疲劳方程。参考普通混凝土疲劳寿命的双参数威布尔分布规律，对多孔改性混凝土疲劳试验结果进行威布尔分布检验。

2.2.2 威布尔分布检验

根据公式（2），得到不同应力水平下的等效疲劳寿命和失效概率，如表4所示。

表4 等效疲劳寿命的威布尔分布检验Tab.4 Weibull distribution test of equivalent fatigue life

对表4中数据进行威布尔分布检验，相关性分析如图2所示。

图2 疲劳寿命回归分析Fig.2 Regression analysis of fatigue life

从图2可以看出，相关系数Cc均高于0.9，表明lnln(1/1-ρ)与ln具有良好的线性关系，因此可认为双参数威布尔分布可能足以描述PPC-27.5的疲劳行为。

如前所述，等效疲劳寿命的系数可以通过双参数威布尔分布来描述，因此，可将根据图2拟合所得的m和lnt0代入公式（2），得到与应力水平S和失效概率ρ对应的值，计算结果见表5。

表5 不同失效概率下的等效疲劳寿命Tab.5 Equivalent fatigue life under different failure probabilities

2.2.3 疲劳方程建立

经过对多孔改性水泥混凝土疲劳试验结果进行分析，建立疲劳方程[8]，见公式（3）：

式中，a，b—疲劳试验参数；fr—多孔改性水泥混凝土的弯拉强度，MPa；其余符号同前。

以lgS为应变量，lgN为自变量，对表5数据进行回归分析，得到建立不同失效概率ρ的疲劳方程，相关参数如表6所示。

表6 不同失效概率下的疲劳方程回归系数Tab.6 Regression coefficients of the fatigue equation under different failure probabilities

根据S-N回归方程可以获得所需失效概率水平下的疲劳寿命。如表6所示，最小相关系数Cc为0.835对应的失效概率为0.05。另外，失效概率减小，相关系数Cc也相应减小。因此，回归方程显示出良好的适应性。

通常可将失效概率为0.5的S-N关系曲线应用于定义PPC-27.5疲劳方程（P-S-N）曲线，PPC-27.5的疲劳方程见公式（4）：

2.2.4 与常用路面基层材料疲劳特性的比较

国内学者对于水泥或二灰稳定粒料类及稳定土类等常用半刚性基层，通过室内小梁和中梁弯拉疲劳试验和劈裂疲劳试验结果[9-11]，总结得出疲劳方程（图3），普通水泥混凝土的疲劳方程式也一并列出以便比较。

图3 路面基层常用材料疲劳方程曲线Fig.3 Fatigue equation curve of commonly used materials for base course

从图3可得，在上述几种材料中，混凝土类材料作为路面基层结构时，其疲劳方程斜率大致相当。具体表现在：

1）同一应力水平下疲劳寿命：普通水泥混凝土>贫混凝土>多孔水泥混凝土>多孔改性混凝土；

2）达到同一疲劳寿命所需应力水平：普通混凝土>贫混凝土>多孔改性混凝土≈多孔混凝土。

此外，当应力水平一定时，稳定土材料的疲劳性能明显差于多孔混凝土；在等效应力水平大于0.56时，稳定料疲劳性能差于多孔混凝土。然而，当等效应力水平为0.4时，改性水泥混凝土疲劳寿命基本等于稳定粒料。对比掺加改性剂的多孔改性水泥混凝土与未掺加改性剂的多孔混凝土得出，随着应力水平的提高，多孔改性水泥混凝土疲劳性能增强，这说明改性剂对多孔混凝土的疲劳性能具有改善作用。