山區(qū)特重交通等級(jí)高速公路水泥穩(wěn)定碎石抗沖刷性能研究

林 超

(山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心(有限公司) 太原市 030006)

水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層板體性好，整體強(qiáng)度大、剛度大，經(jīng)濟(jì)性好，廣泛應(yīng)用于高速公路底基層、基層[1-3]，尤其重載交通等級(jí)高速公路。國(guó)內(nèi)外研究[4-7]表明，由于基層引起的路面損壞并非由于承載力不足，而是抗沖刷能力不足導(dǎo)致。尤其重載交通等級(jí)的高速公路，基層材料的沖刷及其引起的唧泥現(xiàn)象日益加劇[8-9]。本研究結(jié)合廣東粵西山區(qū)云茂高速公路工程實(shí)例，通過研究水泥穩(wěn)定碎石不同成型方式、不同結(jié)構(gòu)類型、不同水泥劑量、不同壓實(shí)度情況下抗沖刷性能，為本工程及粵西山區(qū)公路水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)、施工提供指導(dǎo)。

本工程交通量大，重載車輛比例大，路面結(jié)構(gòu)為20cm級(jí)配碎石墊層+20cm水泥穩(wěn)定碎石底基層+38cm水泥穩(wěn)定碎石基層+8cmGAC-25C下面層+5.5cmGAC-20C(SBS改性)中面層+4.5cmGAC-16C(SBS改性)上面層。工程所處位置降雨量大，年平均降雨量1841.7mm，地下水和地表水發(fā)育豐富，各結(jié)構(gòu)層要求較高的抗水損害能力。根據(jù)預(yù)測(cè)交通量資料，考慮車型發(fā)展趨勢(shì)、超載現(xiàn)象、經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)交通增長(zhǎng)率的影響，將各級(jí)軸載換算為標(biāo)準(zhǔn)軸載100kN，15年內(nèi)一個(gè)車道上的累計(jì)當(dāng)量軸次為2.77×107次，屬于特重交通。

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 水泥

廣東云茂高速公路項(xiàng)目水泥采用金鷹牌P·O42.5緩凝型水泥，依據(jù)GB/T 1346-2011、GB/T 17671-1999、GB/T208-2014、GB/T 8074-2008對(duì)金鷹牌P·O42.5水泥進(jìn)行試驗(yàn)，具體檢測(cè)結(jié)果如表1。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)

1.2 粗、細(xì)集料

碎石、石粉由廣東云浮地區(qū)恒安石場(chǎng)加工而成，為便于備料，水穩(wěn)底基層、基層擬按照20～30mm、10～20mm、5～10mm、0～5mm四檔同時(shí)備料，依據(jù)JTG E42-2005、JTG E40-2007對(duì)粗、細(xì)集料進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2、表3。

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)

表3 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)

2 沖刷性能試驗(yàn)

2.1 不同成型方式

表4 合成級(jí)配

以4%水泥劑量對(duì)1#配合比和2#配合比分別進(jìn)行振動(dòng)成型和重型擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)得到振動(dòng)成型和重型擊實(shí)試驗(yàn)方法的最大干密度和最佳含水率如表5所示。

表5 不同成型方式無(wú)側(cè)限試件抗沖刷試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)JTG E51-2009 試驗(yàn)規(guī)程及上述試驗(yàn)得到的最大干密度和最佳含水率，以98%壓實(shí)度分別采用振動(dòng)成型方法、重型擊實(shí)方法、靜壓成型方法成型Φ150mm×150mm圓柱形無(wú)側(cè)限試件，靜壓成型方法成型試件時(shí)采用重型擊實(shí)的最大干密度，另兩種成型方法采用各自對(duì)應(yīng)的最大干密度，每種配合比成型6個(gè)試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28d，浸水1d后進(jìn)行抗沖刷試驗(yàn)，沖擊力峰值為0.5MPa，沖刷頻率為10Hz，沖刷時(shí)間30min。最大干密度、最佳含水率、抗沖刷試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

(1)由表5可知，采用振動(dòng)成型方法得到的最大干密度比重型擊實(shí)試驗(yàn)得到的最大干密度大5%左右，采用振動(dòng)成型方法得到的最佳含水率比重型擊實(shí)試驗(yàn)得到的最佳含水率小[10]。兩組配合比采用振動(dòng)成型的無(wú)側(cè)限試件抗沖刷性能最好，采用重型擊實(shí)成型的無(wú)側(cè)限試件抗沖刷性能次之，采用靜壓成型的無(wú)側(cè)限試件抗沖刷性能最差。切開芯樣，通過觀察芯樣內(nèi)部，振動(dòng)成型的無(wú)側(cè)限試件比重型擊實(shí)、靜壓成型的無(wú)側(cè)限試件密實(shí)程度高，空隙率小，通過激振力作用，粗、細(xì)集料顆粒不斷重新排列，碎石基本沒有被壓碎的現(xiàn)象，形成密實(shí)的結(jié)構(gòu)，抗沖刷性能最好。采用靜壓成型的無(wú)側(cè)限試件，粗、細(xì)集料在裝入試筒時(shí)位置已基本固定，不能移動(dòng)重新排列，且因加載速率以1mm/min保持恒定不變，部分碎石由于針、片狀顆粒含量較大、壓碎值較大的原因，有被壓碎的現(xiàn)象，合成級(jí)配已發(fā)生變化，粗集料減少，細(xì)集料增多，粗集料被壓碎后新產(chǎn)生的粗、細(xì)集料界面無(wú)水泥漿包裹，導(dǎo)致試件抗沖刷性能降低。

(2)從1#配合比和2#配合比對(duì)比分析可知，1#配合比0～5mm摻配比例大，石粉偏多，相同成型方式情況下，沖刷作用下細(xì)集料被剝落，且有少許粗集料被剝落的現(xiàn)象，質(zhì)量損失大，同工況抗沖刷性能比2#配合比差。

2.2 不同結(jié)構(gòu)類型

本研究采用振動(dòng)成型方法設(shè)計(jì)三種不同結(jié)構(gòu)類型的配合比，分別為懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)、骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)、骨架空隙結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)得到三種結(jié)構(gòu)類型的最大干密度及最佳含水率。以振動(dòng)成型方式，98%壓實(shí)度對(duì)三種結(jié)構(gòu)類型成型無(wú)側(cè)限試件，分別進(jìn)行抗沖刷性能試驗(yàn)。配合比及沖刷試驗(yàn)結(jié)果如表6～表8所示。

表6 不同結(jié)構(gòu)類型的配合比

表7 合成級(jí)配

表8 不同結(jié)構(gòu)類型無(wú)側(cè)限試件抗沖刷試驗(yàn)結(jié)果

由表8試驗(yàn)結(jié)果可知，骨架空隙結(jié)構(gòu)的無(wú)側(cè)限試件抗沖刷性能最好，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的無(wú)側(cè)限試件抗沖刷性能次之，懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)的無(wú)側(cè)限試件抗沖刷性能最差。骨架空隙結(jié)構(gòu)中粗集料占比達(dá)到82%，起主要骨架作用，細(xì)集料摻量?jī)H為18%，雖空隙較多，細(xì)集料摻量少，沖刷作用下細(xì)集料被剝落的較少；骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)中粗集料形成骨架結(jié)構(gòu)，空隙完全由細(xì)集料填充密實(shí)，整體結(jié)構(gòu)密實(shí)性好，但細(xì)集料摻量較骨架空隙結(jié)構(gòu)中細(xì)集料摻量多16%，在沖刷作用下部分細(xì)集料被沖刷掉；懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)中細(xì)集料含量達(dá)到45%，沖刷作用下質(zhì)量損失最多。兼顧水泥穩(wěn)定碎石其他方面的路用性能，在多雨水地區(qū)，特重交通等級(jí)高速公路底基層、基層設(shè)計(jì)時(shí)，建議優(yōu)先選用骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)類型，抵抗水損害性能最佳。

2.3 不同水泥劑量

采用骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)礦料的摻配比例，20～30mm∶10～20mm∶5～10mm∶0～5mm =19%∶29%∶18%∶34%，設(shè)計(jì)3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%水泥劑量，以最大干密度2.465g/cm3，最佳含水率5%，98%壓實(shí)度振動(dòng)成型五組無(wú)側(cè)限試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28d、浸水1d后進(jìn)行抗沖刷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 不同水泥劑量無(wú)側(cè)限試件抗沖刷試驗(yàn)結(jié)果

由表9試驗(yàn)結(jié)果可知：

基于中央空調(diào)主機(jī)是主要的耗電設(shè)備，由于人為管理的不及時(shí)可能造成電能的浪費(fèi)。中央空調(diào)主機(jī)智能節(jié)電系統(tǒng)提供了很好的節(jié)電解決辦法：智能管理系統(tǒng)。中央空調(diào)主機(jī)智能節(jié)電系統(tǒng)的基本原理是把空調(diào)主機(jī)以往的工作方式，改變成根據(jù)使用環(huán)境的需要來進(jìn)行合理匹配調(diào)節(jié)工作的方式，讓所有供給都反映為實(shí)際需求，從而不浪費(fèi)供給，達(dá)到節(jié)能的目的。

(1)隨著水泥劑量的增大，沖刷質(zhì)量損失逐漸變小，抵抗沖刷的能力逐漸變強(qiáng)。

(2)4.0%水泥劑量比3.5%水泥劑量無(wú)側(cè)限試件的沖刷質(zhì)量損失降低了34.1%，但4.5%水泥劑量比4%水泥劑量無(wú)側(cè)限試件的沖刷質(zhì)量損失僅降低了15.4%，降低幅度不明顯。在山區(qū)特重交通等級(jí)高速公路底基層設(shè)計(jì)時(shí)，考慮經(jīng)濟(jì)性及抗水損害的能力，建議采用4.0%的水泥劑量。

(3)5%水泥劑量比4.5%水泥劑量無(wú)側(cè)限試件的沖刷質(zhì)量損失降低了39.7%，但5.5%水泥劑量比5%水泥劑量無(wú)側(cè)限試件的沖刷質(zhì)量損失僅降低了6.6%。5%水泥劑量和5.5%水泥劑量的試件抗沖刷性能相差不大，考慮經(jīng)濟(jì)性、抗水損害性能及減少水泥穩(wěn)定碎石裂縫，在山區(qū)特重交通等級(jí)高速公路基層設(shè)計(jì)時(shí)，建議采用5.0%的水泥劑量。

2.4 不同壓實(shí)度

采用骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)配合比，20～30mm∶10～20mm∶5～10mm∶0～5mm∶水泥 =19%∶29%∶18%∶34%∶4%，以最大干密度2.465g/cm3，最佳含水率5%，96%、97%、98%、99%、100%的壓實(shí)度分別振動(dòng)成型五組無(wú)側(cè)限試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28d，浸水1d后進(jìn)行抗沖刷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

由表10試驗(yàn)結(jié)果可知：

(1)97%壓實(shí)度比96%壓實(shí)度無(wú)側(cè)限試件的沖刷質(zhì)量損失降低了37.9%，成型壓實(shí)度越大，無(wú)側(cè)限試件越密實(shí)，沖刷質(zhì)量損失越少，抗沖刷性能越好。

表10 不同壓實(shí)度無(wú)側(cè)限試件抗沖刷試驗(yàn)結(jié)果

(2)98%壓實(shí)度比97%壓實(shí)度無(wú)側(cè)限試件的沖刷質(zhì)量損失降低了38.7%，98%壓實(shí)度成型的無(wú)側(cè)限試件抗沖刷性能明顯提高，在年平均降雨量較大、地下水和地表水發(fā)育豐富的山區(qū)特重交通等級(jí)高速公路底基層設(shè)計(jì)時(shí)，底基層壓實(shí)度建議按照98%控制。

(3)99%壓實(shí)度比98%壓實(shí)度無(wú)側(cè)限試件的沖刷質(zhì)量損失降低了28.5%，100%壓實(shí)度比99%壓實(shí)度無(wú)側(cè)限試件的沖刷質(zhì)量損失降低了5.1%。100%壓實(shí)度比99%壓實(shí)度的無(wú)側(cè)限試件抗沖刷性能相比較降低幅度不大，但99%壓實(shí)度比98%壓實(shí)度無(wú)側(cè)限試件抗沖刷性能提高較大?；鶎幼鰹槁访娼Y(jié)構(gòu)的主要承重層，水損害將嚴(yán)重影響路面性能及使用年限，在年平均降雨量較大、地下水和地表水發(fā)育豐富的山區(qū)特重交通等級(jí)高速公路基層設(shè)計(jì)時(shí)，基層壓實(shí)度建議按照99%控制。

3 結(jié)論

(1)振動(dòng)成型、重型擊實(shí)、靜壓成型三種成型方式相比，振動(dòng)成型法通過激振力作用，粗、細(xì)集料顆粒不斷重新排列，形成密實(shí)的結(jié)構(gòu)，抗沖刷性能最好，重型擊實(shí)法成型的無(wú)側(cè)限試件抗沖刷性能次之，靜壓成型法成型的試件抗沖刷性能最差。相同成型方式情況下，配合比中細(xì)集料摻量越多，抗沖刷性能越差。

(2)骨架空隙結(jié)構(gòu)的無(wú)側(cè)限試件抗沖刷性能最好，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的無(wú)側(cè)限試件抗沖刷性能次之，懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)的無(wú)側(cè)限試件抗沖刷性能最差。兼顧水泥穩(wěn)定碎石其他方面的路用性能，在多雨水地區(qū)，特重交通等級(jí)高速公路底基層、基層設(shè)計(jì)時(shí)，建議優(yōu)先選用骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)類型。

(3)隨著水泥劑量的增大，沖刷質(zhì)量損失逐漸變小，抵抗沖刷的能力逐漸變強(qiáng)?？紤]經(jīng)濟(jì)性、抗水損害性能及減少水泥穩(wěn)定碎石裂縫，在山區(qū)特重交通等級(jí)高速公路水泥穩(wěn)定碎石基層設(shè)計(jì)時(shí)，建議采用5.0%的水泥劑量；水泥穩(wěn)定碎石底基層設(shè)計(jì)時(shí)，建議采用4.0%的水泥劑量。

(4)成型壓實(shí)度越大，無(wú)側(cè)限試件越密實(shí)，沖刷質(zhì)量損失越少，抗沖刷性能越好；在年平均降雨量較大、地下水和地表水發(fā)育豐富的山區(qū)特重交通等級(jí)高速公路水泥穩(wěn)定碎石施工質(zhì)量控制時(shí)，底基層壓實(shí)度建議按照98%控制，基層壓實(shí)度建議按照99%控制。底基層與基層壓實(shí)度均比《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》中的壓實(shí)度要求提高一個(gè)百分點(diǎn)。

(5)通過研究山區(qū)特重交通等級(jí)高速公路水泥穩(wěn)定碎石抗沖刷性能，為本工程及粵西山區(qū)公路水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)、施工提供指導(dǎo)依據(jù)。