水泥混凝土路面隔離層抗沖刷性能試驗研究

盤海斌

(廣州誠信公路建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司， 廣東 清遠　513400)

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水泥混凝土路面隔離層抗沖刷性能試驗研究

盤海斌

(廣州誠信公路建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司， 廣東 清遠513400)

摘要：介紹水泥混凝土路面隔離層常用材料，采用自行研制的沖刷試驗設(shè)備，對瀝青碎石、微表處、瀝青混凝土隔離層的沖刷性能進行對比分析和研究。研究結(jié)果表明：瀝青混凝土隔離層的抗沖刷性能要優(yōu)于其他抗沖刷材料，其隨隔離層厚度增長而增強，隨油石比增大而增強；微表處隔離層具有較好的抗沖刷性能，其隨厚度增長而增強。

關(guān)鍵詞：水泥混凝土路面；隔離層；抗沖刷性能；沖刷試驗

1水泥混凝土路面隔離層常用材料及應(yīng)用概況

在行車荷載作用下，水泥混凝土路面基層材料結(jié)構(gòu)層內(nèi)或?qū)娱g的自由水會產(chǎn)生相當(dāng)大的水壓力，其會不斷沖刷基層的細集料，而細集料受到長期沖刷后，會在接縫或裂縫表面形成大量細料漿。在行車荷載重復(fù)作用下，細料漿被逐漸壓擠出接縫或裂縫，形成唧泥和板底脫空[1]。

由此可知，在半剛性基層上設(shè)置隔離層非常必要，其在很大程度上可以阻止從面層接縫或裂縫滲入的自由水沖刷基層，防止面板出現(xiàn)唧泥或脫空病害。

目前，我國道路工程中常用水泥混凝土路面隔離層材料有:瀝青混凝土、瀝青砂、稀漿封層、土工材料、蠟質(zhì)養(yǎng)護劑等。稀漿封層是采用機械設(shè)備將乳化瀝青、粗細集料、填料、水和添加劑等按照設(shè)計配合比拌成稀漿混合料并攤鋪到原路面上形成的薄層。稀漿封層可分為如下幾類：1) 按照礦料級配分類?？煞譃榧毞鈱?Ⅰ型，采用ES-1型級配礦料)，中封層(Ⅱ型，采用ES-2型級配礦料)和粗封層(Ⅲ型，采用ES-3型級配礦料)；2) 根據(jù)是否添加改性劑分類?？煞譃楦男韵{封層和稀漿封層；3) 根據(jù)交通時間開放快慢分類?？煞譃榭扉_放交通型和慢開放交通型稀漿封層。

吳超凡[2]選用ES-1型、ES-2型和ES-3型3種稀漿封層，采用MS-2型和MS-3型2種常用微表處級配作為隔離層材料，利用其自行開發(fā)的沖刷試驗儀，對以上3種不同材料進行抗沖刷性能試驗。他認為，瀝青的性能、隔離層局部缺陷對隔離層的抗沖刷性能有顯著影響，而隔離層材料級配對隔離層抗沖刷性能的影響程度甚微。既有高速公路建設(shè)經(jīng)驗也表明，設(shè)置隔離層能有效消除層間接觸狀況對水泥路面使用性能的影響，能有效減少或延緩板底脫空、半剛性基層唧泥等病害的發(fā)生。因此，筆者建議，為了更好地防范層間過渡層斷裂破壞導(dǎo)致混凝土面板損傷，在混凝土面板和半剛性基層之間應(yīng)設(shè)置隔離層(隔離劑)。

筆者基于自行研制的沖刷試驗裝置，對目前我國道路工程中常用不同材料的隔離層如瀝青碎石、微表處、瀝青混凝土的沖刷性能進行對比研究，為水泥混凝土路面隔離層設(shè)計和選材提供理論依據(jù)和參考。

2沖刷試驗

在設(shè)置了不同類型隔離層的試驗路上，對未設(shè)置隔離層的水穩(wěn)定道路基層和設(shè)置瀝青碎石隔離層(滑動封層)、微表處隔離層及不同級配比例瀝青混合料土隔離層的水穩(wěn)定道路進行現(xiàn)場取芯，并在實驗室進行沖刷試驗。試驗裝置由華南理工大學(xué)道路研究所開發(fā)。

2.1動水壓力模擬方法和原理[3]

試驗時，將試件慢慢均勻浸沒在溫水中，使用于試驗的容器上空的氣壓均勻作用于溫水表面。由于氣壓變化波動小，故水體承受相同的壓力。水在試件開口孔隙中的流動方向是發(fā)散的，稱為非定向動水沖刷。試驗以沖刷前后試件的質(zhì)量變化作為瀝青混合料試件抗沖刷性能的指標(biāo)。瀝青混凝土試件采用旋轉(zhuǎn)壓實儀制成。試件高135 mm，直徑100 mm，空隙率為1.976%。瀝青混合料動水壓力沖刷裝置見圖1。

圖1　瀝青混合料動水壓力沖刷裝置

2.2試驗步驟

1) 測量沖刷試驗前試件的重量。

2) 將試件放入密閉容器內(nèi)并浸沒在水中。

3) 測量容器內(nèi)水溫為常溫25 ℃，先向密閉容器中充入壓縮空氣至0.68～0.7 MPa，即向水和試件施加正壓力；再將密閉容器泄壓到常壓，并將所述密閉容器抽真空至-0.095～-0.1 MPa，即向水和試件施加負壓力。循環(huán)操作，從而完成瀝青混合料動水壓力沖刷的模擬過程。

4) 測量沖刷試驗后試件的重量，以沖刷試驗前后試件的質(zhì)量變化作為評價試件抗沖刷性能的指標(biāo)，并按式(1)計算。

Δm=m1-m2

(1)

式中：△m為沖刷后損失的質(zhì)量；m1為沖刷前的質(zhì)量；m2為沖刷后的質(zhì)量。

3沖涮試驗結(jié)果分析

不同類型、不同級配瀝青混合料隔離層的抗沖刷性能分別見圖2、圖3。

圖2　不同類型瀝青混合料隔離層的抗沖刷性能

圖3　不同級配瀝青混合料隔離層的抗沖刷性能

由圖2和圖3可以看出：

1) 相同條件下，未設(shè)置隔離層的試件要比設(shè)置隔離層的試件沖刷量大。分析其原因，是因為水泥穩(wěn)定粒料基層級配中的細料在縫隙處高壓水的泵吸作用下不耐沖刷，高壓水流會使細料遷移，因此其沖刷量較大。在沖刷試驗開始階段，水泥穩(wěn)定碎石沖刷量較大，但隨著沖刷時間慢慢延長，沖刷量基本上沒增長。主要原因是，對水泥穩(wěn)定碎石而言，作用在粗顆粒表面的骨架強度較大，在沖刷試驗過程中，沖刷作用時間不斷增加，當(dāng)沖刷作用達到一定程度時，粗顆粒所形成的骨架承受著主要的作用力。而此時，對于粗顆粒間隙的細料部分，受到的僅僅只有運動水流的沖刷作用，且因試件表面粗顆粒之間無規(guī)則的空隙對運動水流的“消力”作用，這種沖刷作用會變得相當(dāng)弱小。待試驗至此階段時，盡管沖刷作用的頻率保持不變，但沖刷下來的細料卻明顯減少，并逐漸趨于穩(wěn)定。因此，可以這樣認為，在水泥穩(wěn)定粒料結(jié)構(gòu)中，尺寸較大的粗顆粒被細料與水泥所形成的結(jié)合物膠結(jié)在一起構(gòu)成了穩(wěn)定的水泥穩(wěn)定粒料結(jié)構(gòu)，當(dāng)遇到較大沖刷作用時，這些較大的粗顆粒能很好地起到保護細顆粒的作用，從而可有效避免細顆粒受到過度的沖刷[6]。

2) 相同條件下，鋪設(shè)瀝青碎石隔離層(滑動封層)試件的抗沖刷時間較未設(shè)置隔離層的抗沖刷時間要短，而隨著沖刷時間的延長，瀝青碎石隔離層的抗沖刷性能衰減很快。說明瀝青碎石隔離層(滑動封層)有一定的抗沖刷性[7]。

3) 相對于瀝青碎石隔離層，微表處隔離層具有較好的抗沖刷性能，且10 mm厚微表處的抗沖刷性能優(yōu)于5 mm厚微表處。說明隔離層抗沖刷性能隨隔離層厚度增長而增強。

4) 相對于其他類型隔離層，瀝青混合料隔離層的抗沖刷性能最佳。相對于集料級配，瀝青用量對瀝青混凝土隔離層的抗沖刷性能影響較大，且瀝青用量越大，瀝青混合料隔離層的抗沖刷性能就越好。由上述分析可以得出，在半剛性基層水泥混凝土路面設(shè)置瀝青混合料隔離層十分必要[8]。

5) 10 mm厚微表處的抗沖刷性和5 mm厚微表處的抗沖刷特性基本相似，走勢圖也基本一致。但對于累積抗沖刷性能而言，10 mm厚微表處的抗沖刷性優(yōu)勢主要顯示在初期，而對后期抗沖刷的優(yōu)勢有限(幾乎沒有)。由此可知，水泥混凝土路面隔離層抗沖刷性能的前期預(yù)防尤為重要。

4結(jié)論

本文簡要介紹了我國水泥混凝土路面隔離層常用材料及其工程應(yīng)用情況，闡述了設(shè)置隔離層以防治層間沖刷的必要性。采用自行設(shè)計的沖刷試驗儀器對不同材料隔離層的沖刷性能進行了對比試驗研究，并得出以下結(jié)論。

1) 相同條件下，未設(shè)置隔離層的試件要比設(shè)置隔離層試件的沖刷量大，瀝青混合料的抗沖刷性能要優(yōu)于其他材料。

2) 相對于瀝青碎石隔離層，微表處隔離層具有較好的抗沖刷性能，且其隨隔離層厚度增長而增強。

3) 瀝青混合料隔離層抗沖刷性隨瀝青隔離層厚度增長而增強，隨油石比增大而增強。

4) 瀝青混凝土隔離層的抗沖刷性能要優(yōu)于其他類型隔離層，其抗沖刷性隨隔離層厚度增長而增強，隨油石比增大而增強。

5) 瀝青的性能、隔離層局部缺陷對隔離層的抗沖刷性能有顯著影響，而隔離層材料級配對隔離層的抗沖刷性能的影響程度甚微。既有高速公路建設(shè)經(jīng)驗也表明，設(shè)置隔離層能有效消除層間接觸狀況對路面使用性能的影響，能有效減少或延緩板底脫空、半剛性基層唧泥等水泥混凝土路面病害的發(fā)生。因此，為了更好地防范層間過渡層斷裂破壞導(dǎo)致混凝土面板損傷，建議在混凝土面板和半剛性基層之間設(shè)置隔離層(隔離劑)。

參 考 文 獻

[1]楊錫武，王在善，謝強.水泥混凝土路面早期破壞的力學(xué)機理研究[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報，2002，121(2)：96-100.

[2]同濟大學(xué)，中交公路規(guī)劃設(shè)計院，重慶市公路局.水泥混凝土路面斷板分析及防治技術(shù)研究報告[R].上海：同濟大學(xué)學(xué)報，2005.

[3]吳超凡.貧混凝土基層水泥混凝土路面層間處理技術(shù)研究[D].西安：長安大學(xué)，2009.

[4]姚海龍，朱子義.蠟制養(yǎng)護劑作貧混凝土基層隔離層的應(yīng)用研究[J].山西建筑，2008，21(3)：61-64.

[5]姜旺恒，李智，張肖寧.級配離析對瀝青混合料抗水損壞能力的影響研究[J].公路交通科技，2010，36(2)：12 -16

[6]聶午龍.水泥混凝土路面基層材料抗沖刷性能研究[D].西安：長安大學(xué)，2006.

[7]易志堅,唐伯明，李祖?zhèn)?，?水泥砼路面面層與基層相互作用引起的基本破壞形式及重要影響[J]. 重慶交通學(xué)院學(xué)報，2001(S1)：34-38.

[8]許曉鋒，陳斌.混凝土箱型梁橋的溫度和應(yīng)力分布[J].國外橋梁，1994(2)：109-118.

Experimental Research on Anti-erosion Property of Separating Layer on Cement Concrete Pavement

PAN Haibin

Abstract:This paper introduces common materials for separating layer on cement concrete pavement, and performs comparative analysis and study of the anti-erosion property of asphalt macadam, micro-surfacing and asphalt concrete separating layer by means of self-developed washout test equipment. The results of research show that the anti-erosion property of asphalt concrete separating layer are superior to other anti-erosion materials, it enhances with increase of the thickness of separating layer and increase of the asphalt-aggregate ratio; the separating layer at micro-surfacing exhibits good anti-erosion property and enhances with increases of the thickness.

Keywords:cement concrete pavement; separating layer; anti-erosion property; washout test

文章編號：1009-6477(2016)01-0010-03

中圖分類號：U416.216

文獻標(biāo)識碼：A

作者簡介：盤海斌(1975-)，男，廣東省清遠市人，大專，工程師。

收稿日期：2015-06-11

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.003