废旧橡胶粉改性水泥稳定碎石基层的疲劳损伤分析与最优配合比

《Construction and Building Materials》：Fatigue damage analysis and optimal mix proportion of crumb rubber modified cement-stabilized macadam base

　　

# 摘要

为解决半刚性基层沥青路面疲劳开裂问题并实现废旧轮胎的资源化利用，本研究聚焦于废旧轮胎橡胶粉水泥稳定碎石（RCSM）基层材料的疲劳特性与最优配合比。通过将四点弯曲疲劳试验与Weibull分布模型及扫描电子显微镜（SEM）观测相结合，本研究旨在定量分析胶粉含量（0%、0.5%、1.0%、1.5%）与水泥含量（3%、4%、5%）对材料疲劳寿命的耦合效应。通过引入并标定Chaboche非线性连续损伤模型，首次实现了对RCSM在循环荷载作用下整个损伤演化过程的精细化数值模拟。结果表明，RCSM的疲劳寿命随胶粉含量呈现先增后减的非线性趋势，并确定了1.0%的最优含量阈值。在该含量下，不同水泥含量条件下RCSM的疲劳寿命相比CSM提高了33.6%–86%。当RCSM1.0的水泥含量从3%增加到5%时，疲劳寿命提高了58.7%。过量的胶粉（1.5%）由于胶粉团聚效应导致性能下降。标定后，Chaboche模型的模拟结果与实验数据吻合良好，精度约为传统Miner模型的4倍。该模型能够准确表征疲劳损伤的三阶段演化规律，即萌生、发展和扩展。此外，通过结合工程条件进行修正建立的疲劳方程表现出更强的适应性。本研究确定的"5%水泥含量+1.0%胶粉"最优配合比及相关模型为高等级公路基层抗疲劳设计及废旧轮胎的绿色高值化利用提供了可靠的理论基础和技术方案。

# 引言

半刚性基层由于其优越的承载能力和稳定性而被广泛应用于高等级公路建设[1], [2]。然而，在长期交通荷载和环境因素的影响下，半刚性基层容易产生反射裂缝和疲劳损伤，严重损害道路基础设施的使用寿命[3], [4], [5]。与此同时，全球汽车保有量持续上升，2024年达到13亿辆，年废旧轮胎产生量超过3.7亿条。传统的填埋和焚烧等处置方法会造成严重的环境污染[6], [7], [8]。将胶粉掺入水泥稳定碎石中以实现废弃资源的利用，其弹性特性有望提高材料的疲劳性能[9], [10]。

现有研究已获得RCSM力学性能和疲劳行为的初步见解。实验研究表明，添加适量胶粉可以有效提高RCSM的疲劳寿命和破坏应变[11], [12], [13]。然而，当胶粉含量超过临界阈值时，由于界面粘结减弱，即"空隙效应"，RCSM的材料性能会下降[11]。

Miner线性累积损伤准则在大多数研究中仍被广泛用于RCSM的疲劳寿命预测[14], [15]。尽管该模型计算简便，但无法捕捉RCSM损伤演化的非线性特征及其对荷载历史的依赖性，理论预测与实验测量之间存在显著差异。近年来，基于多轴应力状态的疲劳模型已被探索，Weibull分布也被用于表征RCSM疲劳试验数据的离散性[16], [17], [18], [19]。然而，能够将循环塑性与损伤耦合演化准确捕捉的高级本构模型系统地应用于此类复合材料的疲劳行为分析仍然有限。

Chaboche模型是一种经典的非线性疲劳损伤模型。在ABAQUS中建立了四点弯曲疲劳试验的有限元模拟，并通过UMAT子程序实现了基于Chaboche模型的三维损伤本构模型[20]。Chaboche模型在金属材料的疲劳分析中表现出优异的性能[21], [22], [23], [24]，能够对循环荷载作用下材料的非线性行为进行鲁棒描述。已有研究尝试将Chaboche模型应用于沥青混合料，并取得了满意的结果[25], [26], [27], [28]。然而，Chaboche模型在RCSM疲劳损伤分析中的应用仍然稀缺。

此外，当前关于RCSM疲劳性能的研究大多局限于实验室规模的试验，缺乏与工程实践的结合[29], [30], [31]。考虑到实际工程场景中的各种复杂因素——包括间歇性荷载、交通荷载横向分布和季节性气候变化，有必要对RCSM的疲劳方程进行完善以提高工程适用性[32]。综上所述，本研究聚焦于RCSM的疲劳特性。首次将Chaboche模型系统地应用于RCSM。通过实验测试、数值模拟和工程验证相结合，确定了RCSM的最优配合比，揭示了其疲劳寿命规律和损伤抑制机理，为半刚性基层的抗疲劳设计提供了新方法。

## 原始材料

本研究使用42.5级普通硅酸盐水泥，技术指标见表1。骨料采集自中国白安高速公路建设项目采石场，岩性为玄武岩，针片状颗粒含量≤6%，压碎值为18.6%，技术指标见表2。60目废旧轮胎胶粉由中国四川省都江堰市华艺橡胶有限公司生产，技术规格如下所示。

## 抗折强度试验结果

在进行疲劳试验之前，进行了抗折强度试验，结果如图7所示。水泥含量与抗折强度之间存在显著的正相关关系。当水泥含量从3%增加到5%时，所有试件的抗折强度均明显增加，无论是否掺入胶粉。这归因于较高水泥含量产生的水化产物增加，有效增强了材料性能。

## 荷载作用次数对基层模量变化的影响规律

基层材料的模量对路面结构的力学行为有显著影响。因此，通过提取损伤过程中基层模量的变化可以更好地分析不同胶粉含量水泥稳定碎石的损伤演化规律。在Chaboche损伤模型式(12)中，材料的有效模量通过以下关系表示：

$$E_0 = E_i(1-D)$$

其中$E_i$为有效模量。

## 结论

本研究通过四点弯曲疲劳试验、Weibull分布模型和SEM观测，系统分析了胶粉含量和水泥含量对RCSM疲劳性能的耦合效应。首次将Chaboche非线性连续损伤模型应用于RCSM疲劳损伤分析并进行标定。主要发现总结如下：

(1) RCSM的疲劳寿命随胶粉含量呈现先增后减的非线性趋势……

# CRediT作者贡献声明

张文琦：撰写—原稿、软件、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念化。张红：监督、资源、方法论、经费获取。赵心宇：撰写—审阅与编辑、数据整理。乔宇：验证、软件、数据整理。

# 利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争经济利益或个人关系可能会影响本文的内容。

# 致谢

本研究由中国国家自然科学基金（编号：52268071）、内蒙古自治区自然科学基金杰出青年计划（编号：2023JQ03）和内蒙古自治区教育厅科学技术人才计划（编号：NJYT22108）资助。

张文琦 | 张红 | 赵心宇 | 乔宇
内蒙古大学生态与环境学院，内蒙古自治区呼和浩特市赛罕区南一环路49号，010070，中国