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概括

为研究水稳性碎石材料的力学性能，通过简单加载试验、分步加载试验和循环加载试验，研究了加载方式、应力水平、龄期对抗压强度、正割模量、破坏强度的影响。应变和累积 应变变化规律的影响。 结果表明电液式万能试验机，水泥稳定碎石是典型的弹塑性材料，具有明显的应力依赖性，对荷载变化敏感。 弹塑性的临界值为(0.7~0.8)σmax； 加载提取的不同龄期正割模量先增大后减小，峰值对应的载荷水平随龄期增加而增大，循环加载和分步加载的累积应变出现突变； 加载试验提取的割线模量和抗压强度显着增加，而破坏应变下降； 破坏应变的顺序为循环加载>分步加载>简单加载。

关键词

道路工程 | 水泥稳定碎石 | 机械性能 | 加载测试 | 正割模量 |

水泥稳定碎石材料常用于路基和底基层，其力学性能决定其性能。 目前，水泥稳定碎石材料的技术要求主要集中在无侧限抗压强度、劈裂强度和回弹模量等方面。 但多年来的工程应用表明，半刚性基层沥青路面因病害发生后的基层病害处理而被拆除检修的情况并不少见。 因此，有必要对水泥稳定碎石材料的力学性能进行更加深入细致的研究。

沙爱民 [1-2] 研究了半刚性基材的强度、干缩和温缩、抗冲蚀和疲劳性能，并利用MTS试验机对半刚性基材进行了疲劳性能试验，研究其弯曲和变形性能。抗拉强度和结构。 型式对疲劳寿命的影响； 闫希利[3]通过简单加载、循环加载和回弹试验的压缩模量分析了水泥稳定碎石的刚度模量，认为在0.4σmax（平均抗压强度）的应力水平下，割线模量可以简化而不是通过松弛和徐变试验研究了水泥稳定碎石的传统弹性模量和弹塑性，提出了改进的本构模型； Cong[4]研究了水泥稳定碎石的回弹模量和强度指标，研究结果表明，水泥稳定碎石的动态模量远大于静态模量； 张晨晨 [5] 利用 UTM 材料试验机研究了水泥稳定碎石在压缩和弯拉模式下的动态模量。 , 静态模量的应力依赖特性； 余明[6]研究了水泥稳定砂岩碎石龄期对其强度和刚度的影响，表明水泥稳定碎石试件的强度与龄期呈对数函数关系。 刚度的增长率随着年龄的增长而增加； 曹明明 [7] 研究了交通荷载对水泥稳定碎石基层沥青路面和刚柔复合基层沥青路面结构动力响应特性的影响。 结果表明，水泥稳定碎石基层沥青路面对交通荷载的敏感性高于刚柔复合基层沥青路面。 普布桂记 [8] 研究了龄期对水泥稳定碎石基材压缩回弹模量和无侧限抗压强度的影响，结果表明，水泥稳定碎石基材的压缩回弹模量和无侧限抗压强度增加随着年龄的增加，两者的变异系数随着年龄的增加而减小。

综上所述，现有研究丰富了水泥稳定碎石材料性能的研究范围，也形成了水泥稳定碎石材料对荷载变化敏感的共识。 但现有成果主要基于规范范围内的常规试验，很少涉及加载形式、载荷变化等因素对其力学性能的影响。

基于此，本文通过简单加载试验、分步加载试验和分步加载试验，对比分析了加载方式、应力水平和龄期对水泥稳定砾石割线模量、抗压强度和应变变化的影响。循环加载测试。 深入研究水泥稳定碎石的力学性能。

材料及试件成型

本次试验选用P·O42.5R水泥，砾石和石屑为石灰石，经检验，原材料各项技术指标符合规范要求。 根据以往工程经验和《公路路面基层施工技术规范》（JTG 034-2000），以规范中级配的中值作为目标级配，确定水泥与骨料配合比为如下： 20~30mm碎石：10~20mm碎石：5~10mm碎石：0~5mm石屑：水泥=22:23:13:32:5.0。

根据《公路工程无机胶结稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）（以下简称规程）T0804-1994中C法，水泥稳定碎石的最佳含水量和最大干密度试验为进行，并进行两组平行试验。 结果见表1。根据表1中的最佳含水量和最大干密度，共成型20个直径150 mm、高150 mm的圆柱形试件（其中4个备用）静压法密实度98%，脱模后放入标准件。 养生室用于养生，负荷试验前24小时用水饱和。

实验方案

测试目的

为研究水泥稳定碎石的力学性能，设计了简单加载试验、分步加载试验和循环加载试验，研究了龄期、加载方式和应力水平对正割模量、抗压强度、对水泥稳定砾石的应力和应变进行了比较分析。 为研究水泥稳定碎石的力学性能。

测验设备

试验加载设备采用米特YAW4605微机控制电液伺服压力试验机。 试验机最大试验力为600kN，能长时间保持载荷，保持载荷精度高。 它配备了负载传感器和位移传感器。 试验过程中可以同步记录载荷和位移，通过编写加载测试程序可以控制不同试验的加载方式。

设计

实验设计如表2所示。按照T0805-1994规定的方法进行简单加载试验，加载路径如图1所示，加载速率为1mm/min，加载一次至失败。 其中，σmax为简单加载下的平均抗压强度，按式（1）计算。

步进加载和循环加载通过自编程控制加载过程。 分步加载路径如图2所示，应力等级分为10级。 )为达到加载时的抗压强度，将第10级设为非循环加载，应力水平稍大，即应力水平设为1.1σmax，加载至试件破坏。 最后一级加载曲线如图2最后一条直线所示，循环加载路径如图3所示，图中n分别取0.6、0.7、0.8，表示划分分为三个应力水平：0.6σmax、0.7σmax 和 0.8σmax。

分步加载和循环加载的测试过程参照T0808-1994压缩回弹模量测试方法（top法）进行。 为提高试验数据记录的准确性，阶梯加载和循环加载试验采用力控制的方法，试件受简单加载破坏时的平均载荷和时间按式（2）换算。 7d 和 360d 试件的转换力控加载速率分别为 1000N/s 和 2883N/s。 每次加载试验试件分为7d和360d两批，正式加载前预加载荷为300N。

定义模数

将正割模量定义为将应力-应变曲线上的点连接到原点的直线的斜率。 HonggunPark[9] 将割线模量定义为割线刚度； 康亚明[10]得出正割模量峰值与屈服极限之间存在稳定关系，可作为弹塑性变形的依据； 马艳红[11]定义割线模量与初始割线模量的百分比变化定义为割线模量退化因子的变化，用于表征材料的宏观力学性能。 脆性材料的弹性模量通常取总应变为0.1%时σ~ε曲线的割线斜率来确定，称为割线弹性模量[12]。

正割模量与弹性模量有特定关系，弹性模量表示材料的刚度。 图4为正割模量计算示意图，其中K1和K2分别表示在σ1和σ2应力水平下的正割模量，按式（3）和式（4）计算：

测试结果分析

简单加载测试结果分析

简单加载试验中，分别加载一组7d和360d龄期试件，每组进行3次重复试验。 测试结果如表3和图5所示。表3中的增长率为360d测试指标相对于7d测试指标的增长百分比。 图5为不同试件的正割模量随应力水平的曲线。

从图 5 和表 3 可以看出，在应力水平的影响下，割线模量显着依赖于应力。 随着应力水平的增加，正割模量先增大后减小； 7d和360d试样的正割模量平均值分别在0.5σmax和0.7σmax处出现峰值。 可以看出，峰值的位置与龄期有关，360d试件峰值对应的应力水平更大。

试样固化过程中平均抗压强度和平均正割模量增加，而平均破坏应变减小。 7d和360d试件的平均抗压强度分别为7.97PMa和12.02PMa，增长率为50.8%。 试样正割模量的增长率随应力水平的增加而增加。 7d和360d试样在0.3σmax处的正割模量分别为1102.8PMa和1946.0PMa，增长率为76.5%。 割片的正割模量分别为927.3PMa和2244.9PMa，增长率为142.1%。 7d和360d试件的平均失效应变分别为1.230%和0.932%，360d试件的失效应变绝对值下降了0.298%。 原因是在养护期间试件的强度和刚度随着水泥水化反应而增加，因此7d和360d试件的力学性能会表现出应力依赖性、割线模量和抗压强度差异。

逐步加载测试结果分析

分步加载试验中，7d和360d试件分别加载一组试件，每组进行两次重复试验。 测试结果如表4和图6所示。

从图6和表4可以看出，随着载荷水平的增加，正割模量先增大后减小，7d试件和360d试件的正割模量峰值分别出现在第6和第8级。 加载，360d试件的正割模量峰值加载水平较大。

分步加载试验中7d和360d试件的平均抗压强度分别为7.1MPa和11.13MPa，分别比单纯加载的平均抗压强度低11.0%和7.4%，即试件加载最后阶段未达到简单加载平均抗压强度对应的应力水平； 7d和360d试样的平均割线模量分别为1065.0MPa和1868.1MPa，养护期平均割线模量增长率为75.44%； 7d和360d试件平均失效应变分别为1.475%和1.072%，360d试件的平均失效应变绝对值比7d试件小0.403%。

试件在加载初期的小荷载作用下进一步压实，骨料颗粒间的插层加强，抗变形能力增加。 随着加载阶段数的增加，发生塑性变形，强度和刚度降低。 正割模量的变化与简单加载时应力水平的变化表现出相同的规律。

循环加载测试结果分析

在循环加载试验中，分别对7d和360d试件进行一组试验，每组3个试件，分别加载0.6σmax、0.7σmax和0.8σmax三个应力水平，循环直至试件达到被摧毁。 测试结果如下表5和图7～图9所示。

表5中：N代表循环次数； 第二行的N0代表第一个周期； 表示最后N1次循环对应的循环次数，N1/3=1/3N1，N2/3=2/3N1，εmax为各试件失效应变； εave 为每组试件的平均破坏应变； Kv为正割模量衰减率，用于表征正割模量随循环次数的衰减率，按式5计算）； λ为衰减率比，用于表征应力水平间的衰减率关系，按式（6）计算； Eε为各循环的平均累积应变，按式（7）计算； 式（8）计算。

加载过程中，当应变达到0.9%时电液式万能试验机，试件开始出现微裂纹，当应变达到1.1%时，裂纹迅速扩展，试件表面颗粒开始剥落。 随着循环加载，裂纹不断扩展，当应变值达到εmax时破坏。 从图7可以看出，在循环加载试验中，各试件的正割模量随着循环次数的增加而衰减，且正割模量在循环开始时最大，循环结束时最小； 绘制KV随应力水平的变化曲线如图8所示，从表5和图8可以看出，KV随应力水平的增加而增加，但KV随应力增加的趋势水平非线性，7d试件在0.7σmax和0.8σmax处的λ分别为2.1、2.4和360d试件在0.7σmax和0.8σmax处的λ分别为5.2和5.5。

试样的εmax随着应力水平的增加而减小。 当7d试件的应力水平从0.6σmax增加到0.8σmax时，εmax的平均应力水平下降约0.2%，360d试件的εmax平均下降约0.4%。 .

循环加载试验中试件的每个循环都存在累积应变，绘制出Eε与应力水平的关系曲线如图9所示。由表5和图9可以看出，Eε随着应力水平，并在 0.7σmax 处突然变化，0.8σmax 处的 Δ 约为 0.7σmax 处的 10 倍。

对比分析

模量分析

在简单加载试验中，正割模量随应力水平的增加先增大后减小； 在分步加载试验中，正割模量随加载水平的变化出现一个峰值； 在循环加载试验中，KV随应力水平的增加而减小，且各试件λ>2，表明衰减率随应力水平的变化而显着变化。 不同试验中割线模量的变化规律受应力水平影响显着，反映了水泥稳定砾石材料割线模量的应力依赖性。

失效应变分析

7d试件和360d试件在三种加载方式下的平均破坏应变如表6所示。从表中可以看出，360d试件在不同加载方式下的破坏应变均小于7d试件； 大小关系是循环加载>渐进加载>简单加载。

累积应变分析

绘制了分步加载试验第2~8级的累积应变随加载级数的变化曲线，如图10所示，第6级后曲线上升趋势明显，且7级累积应变的增加大于2~6级，表明在分步加载中，当应力水平小于0.7σmax时，水泥稳定材料主要表现出弹性特性； 当应力水平大于0.7σmax时，塑性变形增大，主要表现在塑性性能上。

循环加载试验中，E在0.7σ时发生突变，0.8σmax时的Δ约为0.7σmax时的10倍，表明水泥稳定碎石材料在应力水平小于0.8时主要表现出弹性性能循环加载中的 σmax。 当应力大于0.8σmax时，主要表现出塑性； 当应力小于0.8σmax时，图9和图10中7d试件的累积应变曲线均在360d试件的曲线上方，说明7d试件的累积应变曲线处于同一应力水平下。 应变更大。

结语

为研究水泥稳定碎石材料的力学性能，通过简单加载试验、分步加载试验和循环加载试验，研究了龄期、加载方式和应力水平对抗压强度、正割模量和分析了水泥稳定碎石材料的应变。 效果，结论如下。

(1) 随着龄期的增加，三个加载试验提取的正割模量和抗压强度显着增加，而破坏应变减小。

(2)加载方式对水泥稳定碎石材料的破坏模式有影响。 简单加载试验和逐步加载试验失效主要是材料强度达到极限失效，而循环加载失效主要是材料累积应变达到失效应变而失效, 失效应变的大小为循环加载 > 分步加载 > 简单加载。

(3) 水泥稳定砾石材料具有显着的应力依赖性，对荷载变化敏感。 随着应力水平的升高，单纯加载和分步加载的割线模量先增大后减小，且龄期越长，峰值对应的载荷水平越大，割线模量的衰减率在循环加载逐渐加速，循环加载的割线模量和逐步加载下的累积应变发生突变。

(4)水泥稳定碎石材料为弹塑性材料。 当应力水平小于（0.7-0.8）σmax时，材料主要表现出弹性特性，大于（0.7-0.8）σmax时，塑性特性明显。 水泥稳定基层施工后，如果养护时间不足，交通荷载会使基层产生较大的不可逆塑性变形，从而影响基层的耐久性和疲劳性能。