1.沈阳工业大学 建筑与土木工程学院 辽宁沈阳 110870
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摘要：为了探究水泥复合土中添加废弃混凝土后其疲劳性能的变化，本实验以废弃混凝土的掺量、加载频率以及疲劳次数为自变量。对实验结果进行极差与方差分析。研究表明：随着废弃混凝土掺量的逐步增加，水泥稳定土的抗压强度随之增强，随着加载频率以及疲劳次数的增加，水泥稳定土的抗压强度均逐渐降低；各因素对水泥稳定土抗压强度的影响依次为：废弃混凝土掺量、疲劳次数、加载频率。
关键词：水泥复合土；疲劳；抗压强度；废弃混凝土；加载频率；疲劳次数
1 引 言
水泥稳定土已在道路工程的地基处理、基坑防渗以及大坝的边坡加固等工程得到了广泛的应用[1]，技术基本成熟。近年来，我国城市建筑行业发展之快可谓日新月异，农村城区改造话题引起热议，同时废弃混凝土如何处理成为热点话题，引起国内外研究者的重视，废弃混凝土应用于道路工程中的实例越来越多。
江国龙[2]等开展了不同掺量、不同养护条件下水泥稳定土的力学特性研究，得出最佳配合比以及养护环境下水泥稳定土的抗压强度值、抗剪强度值以及抗拉强度值；何勤[3]等针对国内及国外的废弃混凝土利用情况进行了深度调研，并介绍了废弃混凝土的分离及应用；赫文秀[4]等将砂掺入水泥稳定土中探究其无侧限抗压强度，得出水泥掺量为10%的水泥稳定土强度达到最佳时掺砂量为50%；曹芙波[5]、赵百超[6]等将废弃混凝土掺入不同建筑材料中研究其力学特性，得出废弃混凝土应用于实际工程中的最佳配合比。
2 试验概况
2.1 试验原材料
试验采用的土样为粉质黏土，取自沈阳市经济技术开发区某路段的路基，其物理性能指标为：天然含水率26.3%、天然重度18.7KN/m3、液限34.6%、塑限18.4%、液性指数0.57、塑性指数15.5。为降低其它废物杂质对实验结果的影响，自配标准C30混凝土，过 5mm筛备用。水泥选用42.5R级普通硅酸盐水泥，试验清水取自沈阳市自来水。
2.2 试验方法
本实验采用正交试验方法，三因素分别为废弃混凝土掺量、疲劳次数以及加载频率，四水平如下表1所示，最终共16组的正交试验。
水泥稳定土试件中水泥掺量为18%，水灰比取1.6 ，根据《JGJT 233-2011 水泥稳定土配合比设计规程》，立方体试件边长为70.7mm，在清水环境中养护60d。
本试验采用MTS疲劳试验机。疲劳幅值荷载设置为41kN，疲劳加载模式为非对称正弦波恒幅加载模式，根据自编程序，疲劳加载初始波谷荷载设置为1kN，先以0.5kN/s的速度直线加载至幅值41kN的中值位置，进行疲劳循环加载，加载直至试验设定的疲劳循环次数，取下试件以0.01mm/s的速度在MTS疲劳机上进行无侧限抗压强度试验。
表1 正交表
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3 试验结果及分析
3.1极差与方差分析
通过对实验结果进行归纳、整理、分析得出极差分析。根据极差分析可知，废弃混凝土掺量、疲劳次数以及加载频率对水泥复合土抗压强度产生不同的影响，各因素对幅值一定的疲劳作用下水泥稳定土抗压强度影响依次为：废弃混凝土、疲劳次数、加载频率。
极差分析具有单一性，且为证实废弃混凝土、疲劳次数、加载频率三因素对实验结果的影响顺序以及各自影响的显著性，对试验结果进行方差分析，三因素的F比值均小于F0.05临界值，所以影响均不显著，如表2所示。
表2方差分析
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3.2 废弃混凝土掺量对力学特性影响分析
废弃混凝土掺量的极差值为2.810，在相同水灰比条件下，随着废弃混凝土掺量的（15%→20%→25%→30%）逐级增加，水泥复合土的抗压强度逐级增大，废弃混凝土掺量为30%时的抗压性能最大，相较于掺量为15%时的试验结果提高了27.8%，在该疲劳加载方式下，废弃混凝土最优掺量在25%-30%之间，并且接近25%。说明废弃混凝土的掺入可有效提高幅值荷载对水泥稳定土抗压强度影响的上限值。如图1所示。
3.3 疲劳次数对力学特性的影响
疲劳次数的极差值为2.283，在相同水灰比条件下，随着疲劳次数（5000→10000→15000→20000）逐级增加，水泥复合土的抗压强度逐步降低，水泥稳定土试件的疲劳次数为20000时与水泥稳定土试件的疲劳次数为5000时相比，其抗压强度降低了17.6%，试件剩余强度77.6%。说明在该疲劳加载方式下，水泥稳定土还可经受更多次数的疲劳循环作用。如图2所示。
3.4 加载频率对力学特性的影响
加载频率的极差值为0.343，在相同水灰比条件下，随着加载频率（3Hz→6Hz→9Hz→12Hz）逐级增加，水泥复合土的抗压强度逐渐降低，水泥稳定土试件的加载频率为12Hz时与水泥稳定土试件的加载频率为3Hz时相比，其抗压强度降低了2.8%，在该疲劳加载方式下，加载频率对水泥稳定土试件抗压强度影响很小，近似忽略不计，如图3所示。
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图1抗压强度随废弃混凝土掺量的变化规律
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图2 抗压强度随疲劳次数的变化规律
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图3 抗压强度随加载频率的变化规律
4 结论
本文采取三因素四水平正交试验方法，进行了水泥稳定土疲劳试验，探讨废弃混凝土掺量、加载频率以及疲劳次数三因素对水泥稳定土抗压强度的影响，并通过极差以及方差分析，研究了三因素对水泥稳定土的抗压强度的影响显著程度以及变化规律，主要结论如下：
（1）通过对试验结果的极差分析得出，三因素对掺入废弃混凝土的水泥稳定土抗压强度的影响程度为：废弃混凝土掺量>幅值荷载>疲劳次数。
（2）通过方差分析可知，三因素对水泥稳定土的抗压强度影响均不显著，相对而言，废弃混凝土的掺量较其他因素影响显著。
参考文献
[1]候芮，陈四利，马啸.铁尾矿砂水泥复合土的力学性能研究[J].中外公路，2019.
[2]江国龙，陈四利，毛学文,等．水泥稳定土劈裂抗拉强度试验研究[J]．公路交通科技，2017.
[3]何勤，谢曦，刘凤源,等.国内外废弃混凝土分离回收及应用技术[J].新型建筑材料,2013.
[4]赫文秀,申向东.掺砂水泥稳定土的力学特性研究[J].岩土力学,2011.
[5]曹芙波,邵剑涛,王晨霞,等.废弃混凝土再利用技术性能研究[J].混凝土,2020.
[6]赵百超.废弃混凝土对水泥稳定土疲劳特性影响研究[D].沈阳工业大学,2017.
本文是国家自然科学基金项目，课题编号：51279109,51608332