循环荷载下水泥稳定碎石材料疲劳特性分析和改进措施

0 引言

      水泥稳定碎石材料作为路面的基层和面层受到车辆荷载和温度的反复作用，研究其疲劳性能很有必要。循环荷载作用下材料内部的应力分布呈现复杂的时空变化规律，胶结物与集料间的界面成为应力集中和损伤发展的薄弱环节，微裂缝的萌生和扩展过程受到材料组成、结构特征和环境条件的多重影响。疲劳破坏机理的复杂性使得材料设计需要综合考虑强度、刚度和抗裂性能的平衡关系，传统的静力学指标难以全面反映材料在循环荷载下的真实性能表现。

1 水泥稳定碎石材料基本性能分析

      水泥稳定碎石材料的力学性能主要表现为水泥用量控制在 混合 料总量的3% ~ 6%时，经 过 7d标准养护后无侧限抗压强度可达到5.0MPa，其抗压回弹模量范围为1 500~4 000MPa，材料内部水泥水化反应生成的水化硅酸钙凝胶与氢氧化钙晶体在集料表面形成致密的胶结层，使得离散的矿物颗粒构成具备整体承载能力的复合材料体系。材料的抗拉强度通常为0.3~0.8MPa，抗拉回弹模量约为1 000~2 500MPa，拉压比约为1∶6至1∶10，水泥胶结物在拉伸应力作用下易发生脆性断裂，导致材料的抗拉性能明显低于抗压性能，集料间的胶结界面成为拉伸破坏的薄弱环节。
      水泥掺量的变化直接影响胶结物含量与分布状态，当掺量从3%增加至6%时，28d龄期的无侧限抗压强度可提升40%~60%，但掺量超过最优值后强度增长幅度减缓，过量的水泥浆体在干燥收缩过程中产生的拉应力超过材料抗拉强度时会形成微裂缝网络。材料成型固化后表现出良好的水稳定性，在饱水状态下强度损失率控制在20%以内，水化产物的化学稳定性使材料遇水不会发生解体或软化现象，满足基层材料长期服役的耐久性要求^[1]。

2 水泥稳定碎石材料循环荷载疲劳破坏机理

2.1 裂缝萌生机理分析

      水泥稳定碎石材料在反复荷载作用下的裂缝萌生源于水泥胶结物与集料颗粒界面在应力集中区域发生的微观损伤累积，初始微裂缝优先出现在胶结薄弱的孔隙边缘和集料尖角部位，循环应力使得界面剪切强度逐渐衰减，氢氧化钙晶体在重复加载过程中发生晶格位错和滑移变形，导致胶结层的连续性被破坏，水化硅酸钙凝胶的粘弹性松弛效应使得残余应力在材料内部重新分布，加速了微裂缝的形核过程。荷载幅值超过材料疲劳强度的60%后，集料表面的胶结膜厚度不足以抵抗界面剪应力，粗集料与细集料之间的胶结桥连接开始断裂，形成长度为10~50μm的初始裂缝，随着循环次数增加至临界值，微裂缝密度达到饱和状态并开始相互连通，最终演化为可观测的宏观裂缝，如图1所示。