路面半剛性基層抗沖刷性能試驗(yàn)研究

郭 瑞， 蔣 紅， 劉 沖， 陳維愿

(1.陜西理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 陜西 漢中 723000；2.西安公路研究院 道路養(yǎng)護(hù)研究所， 陜西 西安 710064)

道路基層在整個(gè)路面結(jié)構(gòu)中起著承受荷載和分散車(chē)輪壓力的作用，其強(qiáng)度大小直接影響路面的使用壽命。當(dāng)前，我國(guó)公路路面基層大多采用以水泥混凝土或二灰材料為主的半剛性穩(wěn)定基層。長(zhǎng)期使用實(shí)踐表明，盡管半剛性路面基層整體強(qiáng)度大，抗永久變形能力強(qiáng)，基本能夠滿(mǎn)足重交通路面通行要求，但很多由基層引起的路面損壞并非承載力不足，而是因半剛性基層材料抗沖刷能力不足導(dǎo)致的路面破壞。國(guó)內(nèi)外研究[1-3]表明，隨著交通量和汽車(chē)軸載的增加，基層材料的沖刷及由其引起的唧泥現(xiàn)象會(huì)日益加劇，因此，如何評(píng)價(jià)半剛性基層材料的抗沖刷性引起了道路研究人員的極大關(guān)注[4-7]。但現(xiàn)行路面基層評(píng)價(jià)體系中，對(duì)于半剛性基層材料在遭受動(dòng)水壓力作用后強(qiáng)度衰減快慢，至今還沒(méi)有一個(gè)較好的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

鑒于上述原因，本文通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)路面半剛性基層材料在循環(huán)動(dòng)水壓力荷載作用下其表觀強(qiáng)度衰減規(guī)律進(jìn)行了分析，并基于試驗(yàn)分析結(jié)果和對(duì)于路面半剛性基層病害的調(diào)研，提出了增強(qiáng)道路基層抗沖刷性能建議措施，對(duì)區(qū)域內(nèi)類(lèi)似工程施工具有借鑒作用。

1 材料性能及試驗(yàn)方法

1.1 原材料性能

1.1.1 水 泥

試驗(yàn)采用秦嶺牌P.C 32.5普通硅酸鹽水泥，根據(jù)《JTG E30—2005公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中的要求，經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 普通硅酸鹽水泥主要技術(shù)性能指標(biāo)

1.1.2 石料及級(jí)配組成

試驗(yàn)用礦料采用漢中地區(qū)某采石場(chǎng)生產(chǎn)的砂巖，按照《JTG E42—2005公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》中的試驗(yàn)方法，經(jīng)測(cè)定其主要技術(shù)性能見(jiàn)表2，滿(mǎn)足《JTJ034—2000公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》中的強(qiáng)度要求。為對(duì)比分析水泥穩(wěn)定碎石和二灰碎石半剛性基層的沖刷疲勞性能，試驗(yàn)采用相同礦料級(jí)配，其組成見(jiàn)表3。

表2 集料主要技術(shù)性能指標(biāo)

表3 礦料級(jí)配組成

1.1.3 石 灰

試驗(yàn)選用西安某公司生產(chǎn)的熟石灰，等級(jí)為三級(jí)，其主要技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 熟石灰主要技術(shù)性能指標(biāo)

1.1.4 粉煤灰

試驗(yàn)選用西安灞橋電廠的粉煤灰，其主要性能指標(biāo)如表5所示。

表5 粉煤灰主要技術(shù)性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試件成型

首先，根據(jù)《JTG D40—2011公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定分別確定水泥穩(wěn)定碎石和二灰碎石半剛性基層材料用量比例(水泥穩(wěn)定碎石中水泥計(jì)量為6%，二灰碎石中石灰、粉煤灰、碎石的比例為1∶4∶5)，按照設(shè)計(jì)比例精確稱(chēng)量材料并拌合均勻進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，分別確定兩種半剛性基層的最大干密度和最佳含水量。然后，依據(jù)最大干密度和最佳含水量以壓實(shí)度97%采用靜壓法制備模型試件(試件高度與直徑之比為1∶1)，采用與標(biāo)準(zhǔn)抗壓試驗(yàn)相同的Φ15 cm圓柱形試件，為減小試驗(yàn)誤差，每種工況制作6個(gè)平行試件。試件脫模后將其置于溫度(20±2) ℃、濕度>90%的養(yǎng)生室內(nèi)養(yǎng)生，直至設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)齡期。

1.2.2 沖刷試驗(yàn)

本文研究結(jié)合陜南秦巴山區(qū)某高速公路所在地的降雨量、溫度及交通量等實(shí)際狀況，初選動(dòng)水壓力、沖刷時(shí)間和溫度等進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)初步試驗(yàn)結(jié)果，最終確定本次試驗(yàn)動(dòng)水壓力為0.7 MPa，沖刷時(shí)間24 h，沖刷溫度20 ℃。試驗(yàn)選用的沖刷儀器主要由沖刷筒、橡膠筒套、控制器及空壓機(jī)等組成。試驗(yàn)基本原理(如圖1所示)為：首先，通過(guò)壓力可控空壓機(jī)向裝有試件、設(shè)計(jì)溫度和劑量水的密閉沖刷筒中注入壓力，迫使沖刷板向下運(yùn)動(dòng)，擠壓試件表面水體，模擬受輪載作用面層擠壓層間滯留水對(duì)半剛性基層的沖刷作用；其次，待壓力加至設(shè)計(jì)值后逐漸泄壓，沖刷板向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)試件周?chē)w運(yùn)動(dòng)，對(duì)試件表面產(chǎn)生吸力作用，以模擬車(chē)輛行駛過(guò)程中輪胎與路面接觸時(shí)產(chǎn)生的泵吸對(duì)基層的作用。沖刷模擬試驗(yàn)結(jié)束后，取出試件檫干表面水分并稱(chēng)完質(zhì)量，將其置于標(biāo)準(zhǔn)壓力機(jī)上，測(cè)其沖刷后的抗壓強(qiáng)度。

圖1 沖刷試驗(yàn)原理

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層試驗(yàn)結(jié)果與分析

水泥穩(wěn)定碎石作為公路工程中使用最為廣泛的半剛性基層形式之一，是由水泥膠結(jié)料和不同粒徑集料組合而成的一種復(fù)合體，其抗沖刷強(qiáng)度水泥膠結(jié)料、沖刷次數(shù)及壓實(shí)度等密切相關(guān)[5-9]。為分析不同因素對(duì)水泥碎石半剛性基層材料抗沖刷性能的影響，選取水泥摻量6%，壓實(shí)度98%和96%，沖刷次數(shù)0、5000、10 000、15 000、20 000次5種沖刷次數(shù)等條件進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，不同工況條件下的試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 水泥穩(wěn)定碎石剩余表觀強(qiáng)度與沖刷次數(shù)關(guān)系曲線

從圖2可以看出，在其他試驗(yàn)條件相同的情況下，隨著沖刷次數(shù)的增加，水泥穩(wěn)定碎石基層試件的沖刷剩余表觀強(qiáng)度隨之不斷減小，二者間呈現(xiàn)出線性變化規(guī)律，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.95以上；沖刷次數(shù)每增加5000次，不同壓實(shí)度混合料的剩余表觀強(qiáng)度分別平均降低約0.19 MPa和0.59 MPa；與不沖刷相比，沖刷次數(shù)從5000次增加至20 000次，不同壓實(shí)度水泥碎石混合料的剩余表觀強(qiáng)度分別降低0.28～0.86 MPa和0.7～2.46 MPa。對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果，究其原因：在沖刷流水循環(huán)作用下，位于試件表面粘附于粗集料顆粒上起填充作用的細(xì)集料顆粒由于得不到水泥膠漿的有效包裹，粘附力較小，首先被剝蝕，試件表面出現(xiàn)斑點(diǎn)狀缺陷；隨著沖刷次數(shù)增加，試件表面缺陷由斑點(diǎn)狀逐漸演變成蜂窩狀，沖刷深度加深，粘附于粗集料顆粒表面的細(xì)集料顆粒被剝落數(shù)量逐漸增多，甚至部分粗集顆粒也被剝落，致使混合料中粗集料骨架結(jié)構(gòu)裸露，表觀強(qiáng)度降低。相同沖刷次數(shù)條件下，隨著壓實(shí)度提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的剩余表觀強(qiáng)度增大，且壓實(shí)度由96%提高到98%時(shí)試件沖刷剩余表觀強(qiáng)度平均增大5.1 MPa。究其原因：隨著壓實(shí)度提高細(xì)集料顆粒間的空隙逐漸被水泥漿液填充，而粗集料顆粒間空隙則被細(xì)集料和水泥漿液形成的砂漿擠壓填充，隨著壓實(shí)度提高混合料結(jié)構(gòu)整體趨于密實(shí)，其抗沖刷能力增強(qiáng)，剩余表觀強(qiáng)度亦隨之提高。

2.2 二灰碎石半剛性基層試驗(yàn)結(jié)果與分析

基于上述水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層沖刷試驗(yàn)思路，分別選取0、5000、10 000、15 000、20 000次5種沖刷次數(shù)，采用質(zhì)量比石灰∶煤灰∶碎石=1∶3∶6配合比，98%和96%兩種壓實(shí)度等試驗(yàn)條件進(jìn)行二灰碎石抗沖刷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 二灰碎石剩余表觀強(qiáng)度與沖刷次數(shù)關(guān)系曲線

從圖3可以看出，在其他試驗(yàn)條件相同的情況下，隨著沖刷次數(shù)增加，不同壓實(shí)度二灰碎石混合料的剩余表觀強(qiáng)度均呈不斷減小的變化趨勢(shì)，二者間關(guān)系曲線整體呈直線變化，具有良好的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)大于0.89，究其原因與水泥穩(wěn)定碎石混合料基層沖刷試驗(yàn)結(jié)果分析相同。相同沖刷次數(shù)條件下，隨著壓實(shí)度提高二灰碎石混合料剩余表觀強(qiáng)度隨之增大，壓實(shí)度由96%提高到98%時(shí)試件沖刷剩余表觀強(qiáng)度平均增大2.8 MPa。壓實(shí)度98%和96%的二灰碎石半剛性基層混合料，沖刷次數(shù)每增加5000次，試件沖刷剩余表觀強(qiáng)度分別平均降低0.29 MPa和0.7 MPa；與不沖刷相比，沖刷次數(shù)從5000次增加至20 000次，不同壓實(shí)度二灰碎石混合料的剩余表觀強(qiáng)度分別降低0.56～1.17 MPa和1.02～2.81 MPa。分析其原因：與壓實(shí)度98%相比，壓實(shí)度96%時(shí)由于碾壓次數(shù)過(guò)小，集料顆粒間的空隙未被碾壓密實(shí)，受到動(dòng)水循環(huán)沖刷作用，位于粗集料間隙內(nèi)的細(xì)集料顆粒更易被淘刷出來(lái)，試件的抗沖刷性較弱，表觀強(qiáng)度損失率亦較快，相同外荷載作用下更容易發(fā)生破壞，其再次表明壓實(shí)度對(duì)半鋼性基層材料的抗沖刷性能具有重要影響。

2.3 不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型半剛性基層試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

為對(duì)比分析不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型半剛性基層的抗沖刷性能，選取水泥穩(wěn)定碎石和二灰碎石兩種典型半剛性基層進(jìn)行研究。分別選取兩種結(jié)構(gòu)類(lèi)型混合料的最佳水泥摻量6%、最佳壓實(shí)度98%等制作試件，不同沖刷次數(shù)條件下兩種混合料的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型半剛性基層沖刷試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從圖4中可以看出，不同沖刷次數(shù)條件下，水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層材料的沖刷剩余表觀強(qiáng)度均大于二灰碎石，二者相差3.6～4.04 MPa，表明水泥穩(wěn)定碎石的抗沖刷性能優(yōu)于二灰碎石。究其原因：相同壓實(shí)度條件下，水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層材料密實(shí)度較大，結(jié)構(gòu)整體性較強(qiáng)，且水泥水化產(chǎn)物，即水化硅酸鈣的膠凝性?xún)?yōu)于二灰類(lèi)材料的火山灰反應(yīng)產(chǎn)物，因此其抗沖刷剪切性能優(yōu)于二灰碎石。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，二灰碎石試件遇水后，混合料中的石灰產(chǎn)生膨脹，受撐脹力作用，集料顆粒間空隙增大，顆粒間的有效接觸面積減小，相互粘附和支撐作用亦隨之降低，混合料結(jié)構(gòu)的整體密實(shí)性遭到破壞，受循環(huán)動(dòng)水壓力作用集料顆粒逐漸被沖刷掉，試件整體穩(wěn)定性和強(qiáng)度降低，沖刷后承受外荷載能力降低，故在進(jìn)行路面基層設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層。

3 半剛性基層材料抗沖刷性能改進(jìn)措施

基于對(duì)不同路面半剛性基層材料抗沖刷性能試驗(yàn)結(jié)果的分析，為提高路面基層抗沖刷性能，建議在進(jìn)行路面基層設(shè)計(jì)和施工時(shí)采取以下措施。

3.1 基層材料選擇

應(yīng)優(yōu)先考慮采用耐沖刷材料，建議采用水泥穩(wěn)定碎石路面基層，且進(jìn)行路面基層鋪筑時(shí)應(yīng)確保其壓實(shí)度不低于98%。在路面半剛性基層和面層中間加鋪一層厚度3～5 cm的瀝青混合料功能層，減小水流對(duì)基層的沖刷作用，功能層模量不應(yīng)過(guò)大也不宜過(guò)小，以防止功能層由于脆性增加而產(chǎn)生裂縫或產(chǎn)生壓縮變形，模量一般為800～1400 MPa為宜。采用膠粉瀝青設(shè)置應(yīng)力吸收層，以阻止水流沿路面裂縫滲入基層，對(duì)基層表面起到保護(hù)作用。

3.2 路面排水設(shè)計(jì)

做好路面排水設(shè)計(jì)，完善排水設(shè)施，確保邊溝和盲溝等路面排水設(shè)施的設(shè)計(jì)和施工符合規(guī)范要求。為阻止毛細(xì)水浸入道路基層，在地下水位較高路段應(yīng)考慮設(shè)置墊層，在基層上設(shè)置瀝青下封層，不但可以減少基層受到水侵蝕，且可以防止面層水滲入基層表面后滯留使基層表面軟化。同時(shí)為使路面橫向流水及時(shí)排出道路，硬路肩橫坡坡度應(yīng)不小于3%。

3.3 路面裂縫處理

為防止水流沿路面面層裂縫滲入基層內(nèi)，應(yīng)采用環(huán)氧樹(shù)脂等粘合劑將縫隙及時(shí)填補(bǔ)。在灌入粘合劑前應(yīng)確保裂縫內(nèi)部干燥，可采取加熱燈等設(shè)備對(duì)潮濕的裂縫進(jìn)行烘干，但當(dāng)縫隙內(nèi)無(wú)法避免水分存在時(shí)，可以采用LLB68或LSB38等材料進(jìn)行裂縫粘合處理。在使用粘合劑進(jìn)行裂縫填補(bǔ)處理時(shí)，其固化溫度不應(yīng)過(guò)高，一般應(yīng)在常溫(23 ℃)條件下固化3～5 h，待粘合劑完全固化后即可開(kāi)放交通。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型路面半剛性基層表面材料沖刷剩余強(qiáng)度的試驗(yàn)分析，得出以下結(jié)論：

(1)相同試驗(yàn)條件下，隨著沖刷次數(shù)增加水泥穩(wěn)定碎石和二灰碎石基層材料沖刷剩余表觀強(qiáng)度均呈現(xiàn)不斷減小的變化趨勢(shì)，二者間關(guān)系曲線呈線性變化，且具有良好的相關(guān)性。

(2)壓實(shí)度和結(jié)構(gòu)類(lèi)型對(duì)半鋼性基層材料抗沖刷性能影響較大，壓實(shí)度由96%提高到98%時(shí)水泥穩(wěn)定碎石和二灰碎石的沖刷剩余表觀強(qiáng)度分別平均增大5.1 MPa和2.8 MPa；進(jìn)行路面基層設(shè)計(jì)時(shí)建議優(yōu)先采用水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)。

(3)為改善路面半剛性基層抗沖刷性能，建議從基層材料選擇、路面排水設(shè)計(jì)及路面裂縫處理等方面進(jìn)行改進(jìn)。

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