基于抗沖刷性能的半剛性基層材料組成設計方法

盛燕萍，李海濱，陳拴發(fā)

(1.長安大學材料科學與工程學院，陜西西安710064;2.交通鋪面材料教育部工程研究中心，陜西西安710064;3.西安科技大學 建工學院，陜西 西安710064)

0 引言

半剛性基層材料不耐沖刷造成的面板脫空是造成水泥路面破壞的主要原因，因此水泥路面半剛性基層材料的設計有別于瀝青路面.目前，國內外對半剛性基層材料組成設計進行了較為深入的研究，還專門針對基層材料的抗沖刷性能、抗裂性能等提出了相應的材料組成設計方法［1－5］.但是，目前的研究僅僅是針對半剛性基層材料本身的特性，或是針對半剛性基層瀝青路面的技術要求進行的，尚未有專門針對水泥混凝土路面特性的相關研究.

半剛性基層水泥混凝土路面的結構特性決定了其對基層材料的性能要求有一定特殊性，且與瀝青路面對基層材料的性能要求也不完全相同.對水泥混凝土路面來說，基層的抗沖刷性能是最重要的，現行公路水泥混凝土路面設計規(guī)范雖然對基層提出了抗沖刷能力及剛度要求，但僅局限于定性建議，材料組成設計中并未提出定量的指標.因此，有必要針對水泥混凝土路面對基層的性能要求，研究并提出適宜水泥混凝土路面半剛性基層的材料設計指標及組成設計方法.

1 材料組成設計指標與標準建議值

1.1 抗沖刷性能

現行公路水泥混凝土路面設計規(guī)范沒有提出對基層抗沖刷性能的定量指標，因此也沒有相對應的抗沖刷性能試驗方法.基層材料抗沖刷性能評價指標應該滿足兩個要求，一是能夠評價不同基層材料的抗沖刷性能，二是能得出在標準軸載作用下該材料的真實損失量，以便能夠預測路面板底脫空.長安大學張擎［6］對路面基層進行沖刷分析，提出用材料的沖刷系數Kc作為基層材料抗沖刷評價指標，如式(1)來表示.

式中：Kc為基層材料抗沖刷系數，m3/m2·萬次;m為材料沖刷損失量，kg;g為加速度，10 m/s2;ρ為材料體積，kg/m3;A為材料試件沖刷面積，m2;n為材料沖刷次數.

以標準軸載沖刷50萬次后，板底脫空半徑不大于0.5 m為準，計算得到材料沖刷系數不大于1.05 ×10－4.據此，他提出以材料沖刷系數≤1.05×10－4作為基層材料的設計標準.

通過式(1)可以計算得到材料沖刷的損失量m為

根據上述分析，交通等級高的水泥混凝土路面宜采用骨架密實結構半剛性基層，而交通等級低的宜采用懸浮密實結構半剛性基層.若交通等級高的水泥路面以標準軸載沖刷50萬次后，板底脫空半徑不大于0.5 m為準，由公式(2)計算得到材料沖刷損失量不大于23.0 g;若交通等級低的水泥路面以標準軸載沖刷25萬次后，板底脫空半徑不大于0.5 m為準，計算得到材料沖刷損失量不大于 40.0 g.

結合已有文獻和前期的抗沖刷試驗研究［8］，筆者提出28 d沖刷量為評價基層材料抗沖刷性能的有效指標.根據前期大量試驗結果，對于懸浮密實結構，其沖刷量值域在20.0～50.0 g;對于骨架密實結構，其沖刷量值域在8.0～30.0 g.綜合以上計算分析、已有文獻和試驗研究，筆者依據《公路水泥混凝土路面設計規(guī)范》中的交通分級，提出水泥混凝土路面半剛性基層的沖刷量設計標準建議值如表1所示.

表1 水泥混凝土路面半剛性基層的設計沖刷量建議值Tab.1 Design erosion value of semi-rigid base for concrete pavement

1.2 力學強度

水泥混凝土路面基層的受力狀況不同于瀝青路面，因此目前水泥混凝土路面基層的取值方法完全等同于瀝青路面是不可取的.水泥混凝土路面結構中，路面層是主要承重層，因此對基層的結構功能要求相對弱些，無論是作為結構設計指標的彎拉強度還是材料設計指標的抗壓強度都要低于瀝青路面基層的要求.從結構設計考慮，如果彎拉強度過高，會使面板造成溫度翹曲應力過大，引起板角斷裂并逐步發(fā)展為嚴重斷裂和破碎板.從材料設計考慮，如果由于水泥劑量過大產生的抗壓強度過高，會使基層造成很大的收縮裂縫，引起面板的反射裂縫并逐步發(fā)展成橫向裂縫和網裂縫等.

抗壓強度是衡量半剛性基層材料路用性能的最基本指標，其試驗方法簡單易行，并且在我國已使用多年，各地的設計和施工單位已積累了大量的寶貴經驗.我國《公路路面基層施工技術規(guī)范》規(guī)定水泥穩(wěn)定集料作為高速公路和一級公路基層時的7 d抗壓強度不低于3～5 MPa，對于二級和二級公路不低于2.5～3.0 MPa.我國《公路瀝青路面設計規(guī)范》規(guī)定水泥穩(wěn)定集料作為特重交通公路基層時的7 d抗壓強度不低于4.0～5.0 MPa，對于重交通、中交通公路基層不低于3.0～4.0 MPa，對于輕交通、特輕交通公路基層不低于2.0 ～3.0 MPa.結合以上兩者，筆者依據《公路水泥混凝土路面設計規(guī)范》中的交通分級，提出水泥混凝土路面半剛性基層的7 d抗壓強度設計標準建議值如表2所示.

表2 水泥混凝土路面半剛性基層的設計強度建議值Tab.2 Design strength value of semi-rigid base for concrete pavement

2 半剛性基層設計指標預測模型

水泥穩(wěn)定碎石是多種材料的復合體，其抗沖刷性能和強度特性會受到多種因素的制約.筆者選取對半剛性基層抗沖刷性能和強度特性影響最為顯著的4個因素做為建模參數(集料分形維數D、水泥28 d砂膠強度 f28d、水泥劑量 p、含水量w).筆者利用灰色系統(tǒng)理論的方法原理，通過試驗建立樣本數據庫，經過數據檢驗及預處理、模型形式的選取、模型的參數估計、模型精度檢驗等過程，建立了水泥穩(wěn)定碎石28 d沖刷量預測模型和7 d強度預測模型，分別提出了預測簡化式(式3 ～6)，并進行了適用性驗證［7］.

2.1 沖刷量預測模型

出于精度要求考慮，從沖刷量原始試驗27組數據中抽出17組作為樣本數據庫，具體如表3所示.

通過建模計算，分別得出水泥穩(wěn)定碎石28 d沖刷量的預測模型簡化式，如式(3)和(4)所示.懸浮密實：

骨架密實：

表3 選取的沖刷量樣本Tab.3 Sample of erosion

2.2 強度預測模型

同理，出于精度要求考慮，從強度原始試驗27組數據［7］抽出17組作為樣本數據庫，具體如表4所示.

同理，得出懸浮密實和骨架密實兩種結構水泥穩(wěn)定碎石7 d強度的預測模型簡化式，如式(5)和(6)所示.

表4 選取的強度樣本Tab.4 Sample of strength

懸浮密實：

骨架密實：

3 基于抗沖刷性能的材料組成設計

在大量試驗的基礎上，提出基于抗沖刷性能的半剛性基層材料組成設計方法，該設計方法主要針對懸浮密實和骨架密實結構.具體設計流程如圖1所示.

4 性能試驗

根據表1選擇適宜的結構類型，并根據表2和表3分別選擇適宜要求的沖刷量和強度設計值.筆者分別采用骨架密實(1#，2#)和懸浮密實(3#，4#)兩種不同結構類型的水泥穩(wěn)定碎石進行性能試驗，4種級配的篩孔通過率見表5.根據以上材料組成設計步驟，靜壓成型15 cm×15 cm的圓柱形試件，強度試件標準養(yǎng)生7 d，沖刷量試件標準養(yǎng)生28 d，分別進行性能測試，結果如表6所示.

由表6可以看到，4種配比的7 d強度和28 d沖刷量基本滿足設計標準.

圖1 基于抗沖刷性能的水泥混凝土路面半剛性基層組成設計流程圖Fig.1 Mix design of semi-rigid base for concrete pavement based on anti-erosion performance

表5 級配篩孔通過率Tab.5 Passing rate of aggregate gradation %

表6 7 d強度和28 d沖刷量的實測值和預測值Tab.6 Measured value and predictive value of 7 d strength and 28d erosion

5 結論

(1)結合已有文獻和試驗研究，提出28 d沖刷量和7 d強度作為水泥混凝土路面半剛性基層材料的組成設計指標，并提出對于特重交通28 d沖刷量不低于10.0 g，重交通28 d沖刷量不低于20.0 g，中輕交通28 d沖刷量不低于30.0 g的技術標準建議值;結合現行設計規(guī)范要求，提出對于特重交通、重交通、中輕交通7 d抗壓強度值分別為 4.0 ～5.0 MPa，3.0 ～ 4.0 MPa，2.0 ～ 3.0 MPa的技術標準建議值.

(2)選擇集料分形維數D、水泥28 d膠砂強度f28d，水泥劑量p，含水量w作為影響水泥混凝土路面半剛性基層28 d沖刷量和7 d強度特征值的關聯因子集.利用灰色系統(tǒng)理論建立其28d沖刷量和7d強度的灰色預測模型.

(3)基于28 d沖刷量和7 d強度灰色預測模型，針對水泥混凝土路面對基層的技術要求，提出了基于抗沖刷性能的水泥混凝土路面半剛性基層材料組成設計方法.性能試驗表明，運用該方法設計的半剛性基層混合料具有良好的性能.

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