水泥混凝土的疲劳特性《铺面工程学》

水泥混凝土疲劳性能的研究，大多是在室内通过对小梁试件施加反复荷载进行的。如果把此反复弯拉应力值σr，同该试件在一次荷载作用下的极限弯拉应力（抗弯拉强度）fr值相比（称作应力比），可以将此比值同试件达到破坏时所经受的重复作用次数Nf点绘成一曲线图（图5-40）。由疲劳曲线可发现下述规律：

（1）随着应力比的增大，出现疲劳破坏的重复作用次数Nf降低。

（2）相同反复应力级位时，出现疲劳破坏的作用次数Nf变动幅度较大，也即试验结果的离散性较大，但其概率分布近似服从对数正态分布，这说明要得到一可靠的均值，必须进行大量的试验。

（3）通过回归分析，可得到描述应力比和作用次数关系的疲劳方程，它在半对数坐标上Nf在102～107次之间一般呈线性关系，也可用式（5-35）表征：

图5-40　水泥混凝土疲劳试验曲线

式中，α和β为由试验确定的系数。

α和β为由混凝土的性质（类型和不均匀性等）和试验条件而定。Kesler［9］得到的结果为α=0.954，β=0.049；Tepfer［10］得到的结果为α=1.0，β=0.068 5。

（4）当作用次数为Nf=107次时，σr一般约为0.55fr，此时尚未发现有疲劳极限。

（5）在σr＜0.75fr的范围内，反复应力施加的频率对试验结果（所得到的疲劳方程）的影响很微小。

上述试验是在反复应力由σmax（最大）变动到零（或接近于零）的循环内进行的。如果反复应力的低值不是零，则随着低（最小）应力σmin的增大，达到疲劳破坏时的作用次数也相应增多。通过大量不同低应力水平下的疲劳试验，证实了考虑反复应力变化幅度的疲劳方程可用下述半对数或对数形式表示（图5-41）［11］：

式中　R——高低应力比，R=σmin/σmax；

α，A——由试验确定的系数；不同失效概率时的系数值如表5-12所列。

图5-41　不同R值时的疲劳曲线(www.xing528.com)

表5-12　水泥混凝土疲劳方程系数α和A值

室内试验条件同水泥混凝土路面的野外实际工作状况有较大出入。虽然车辆荷载不像室内反复应力那样不停顿地连续施加，这对于混凝土的疲劳寿命是有利的，但野外自然环境对混凝土的不利影响，往往会使得室内试验得出的疲劳方程偏于不安全。因而，室内试验得到的疲劳方程还应通过路面实际使用情况予以修正。

参考文献

［1］孙立军等.沥青路面结构行为理论［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［2］PORTER O J.Development of CBR flexible pavement design method for airfields:a symposium:development of the original method for highway design［J］.Transactions of the American Society of Civil Engineers，1950，115（1）:575-589.

［3］姚祖康.铺面工程［M］.上海：同济大学出版社，2001.

［4］约德E J，韦特捷M W.路面设计原理［M］.陈炳麟等，译.北京：人民交通出版社，1983.

［5］KEZDI A.稳定土道路［M］.张起森等，译.北京：人民交通出版社，1989.

［6］MICHELL J K.The properties of cement-stabilized soils，Materials and methods for low cost road，rail and reclaimation works［D］.Sydney:University of New South Wales，1976.

［7］BONNAURE F，GEST G，GRAVOIS A，et al.New method of predicting the stiffness of asphalt pavement mixture［C］//Proceedings of Association of Asphalt Paving Technologists，1977.

［8］MONISMITH C L，SECOR K E，BLACKMER E W.Asphalt mixture behaviour in repeated flexure［C］//Proceedings of Association of Asphalt Paving Technologists，1961.

［9］KESLER C E.Effect of speed testing on flexural fatigue strength of plain concrete［M］//Burggraf F，Miller W J，editors.Proceedings of the thirty-second annual meeting of the highway research board.Washington，D.C.:Highway Research Board，1953.

［10］TEPFERS R.Tensile fatigue strength of plain concrete［J］.Am Concr Inst，1979，76:919-33.

［11］石小平，姚祖康，李华，等.水泥混凝土的弯曲疲劳特性［J］.土木工程学报，1990，23（3）：11-12.