水泥混凝土路面基層材料抗沖刷性能及疲勞特性

劉金亮，汪 勝，史 柯，張 超

(1.中國雄安集團(tuán)基礎(chǔ)建設(shè)有限公司,河北 雄安 071700；2. 中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司,北京 100010； 3.長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710064；4. 長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引言

水泥混凝土路面具有強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好及經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，在我國城鄉(xiāng)各級公路路面結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛[1]。然而，相比瀝青路面，水泥混凝土路面較少作為高等級路面使用，其中一個重要原因即為水泥混凝土路面的早期病害。大量工程實(shí)踐表明，水泥混凝土路面受車輛荷載、氣候變化的影響，易過早出現(xiàn)如溫縮裂縫、濕縮裂縫等病害，尤其在一些重交通干道上的水泥混凝土公路往往通車4～5 a就產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性損傷。過早的路面損傷將大大降低路面服役水平，增加養(yǎng)護(hù)維修成本，降低行車安全性。研究表明，水泥混凝土路面早期病害多數(shù)與水有關(guān)，水損害已成為水泥混凝土路面影響最大、最主要的損害類型[2-3]。究其原因，主要是基層材料抗沖刷性能較差，不足以抵抗行車荷載作用下水流對基層形成的沖刷作用，導(dǎo)致唧泥與脫空等問題的發(fā)生，進(jìn)而基層出現(xiàn)破壞[4-7]。由此可見，研究基層抗沖刷性性能，對于減少水泥混凝土路面早期病害發(fā)生有著非常積極的意義。

從20世紀(jì)80年代起，美國等一些發(fā)達(dá)國家開始研究基層材料的抗沖刷性能。Dempsey[8]通過自行設(shè)計的沖刷試驗(yàn)儀器對各類不同級配基層的沖刷性能進(jìn)行了研究；Van[9]通過旋轉(zhuǎn)剪切、噴射沖刷等試驗(yàn)對水泥混凝土路面基層材料抗沖刷性；Yin等[10]開發(fā)了一種測試裝置，它將調(diào)速電機(jī)的圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線往復(fù)運(yùn)動，并從液壓部分提供垂直方向的力來沖洗；Sha等[11]開發(fā)了一種新的沖刷測試裝置，可以測量半剛性基層材料受動水沖刷后的強(qiáng)度損失；Guo等[12]研究了混合料的結(jié)構(gòu)類型對水泥穩(wěn)定碎石基層抗沖刷性能影響，表明懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)抗沖刷性能較為優(yōu)異；Xu等[13]對多孔混凝土基層性能進(jìn)行研究，表明粉煤灰能顯著提高多孔混凝土基層的抗壓強(qiáng)度和抗干縮性能。韓振強(qiáng)等[14]研究了不同基層材料的沖刷量，結(jié)果表明對于同種類型的無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土而言，抗沖刷能力隨結(jié)合料劑量增加而增強(qiáng)；王緒旺等[15]采用半剛性基層沖刷量灰色預(yù)估模型，分析得到水泥劑量為5%時基層材料抗沖刷性能較好且經(jīng)濟(jì)性良好。目前，研究人員關(guān)于基層沖刷性能方面已經(jīng)做了大量的研究，并得出了一定的規(guī)律。然而，沖刷是多種因素相互作用的共同結(jié)果，對起主導(dǎo)作用的因素還缺少理論證明。另外，現(xiàn)有研究缺乏對道路基層沖刷后疲勞損傷的分析。

基于此，為降低水泥混凝土路面病害的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)路面結(jié)構(gòu)的長壽命發(fā)展，本研究對基層材料的沖刷及疲勞特性展開進(jìn)一步研究，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)理論對基層的抗沖刷性能主要影響因素進(jìn)行分析研究，并采用疲勞損傷理論計算基層材料低于破壞強(qiáng)度時的沖刷疲勞應(yīng)力。

1 試驗(yàn)原材料及方案

1.1 原材料

本研究所用熟石灰等級為Ⅲ級，其指標(biāo)見表1；粉煤灰理化性質(zhì)見表2；水泥相關(guān)指標(biāo)見表3；粗細(xì)集料相關(guān)測試指標(biāo)見表4。

表1 熟石灰基本指標(biāo)Tab.1 Basic indcators of hydrated lime

表2 粉煤灰理化性質(zhì)Tab.2 Physical and chemical properties of fly ash

表3 水泥的技術(shù)指標(biāo)Tab.3 Technical indcators of cement

表4 粗細(xì)集料相關(guān)指標(biāo)Tab.4 Technical indcators of coarse and fine aggregate

1.2 配合比

水泥穩(wěn)定碎石與二灰穩(wěn)定碎石級配調(diào)整計算表見表5，調(diào)整計算表采用骨架所用4檔規(guī)格集料配比為0～4.75∶4.75～9.5∶9.5～19∶19～26.5=38∶14∶32∶16。水泥穩(wěn)定碎石中水泥劑量為6%，二灰穩(wěn)定碎石中二灰摻量為20%，石灰與粉煤灰比為1∶3。采用靜壓法制備試件。采用直徑∶高度=1∶1的圓柱形試件，試件直徑為15 cm。

表5 水泥穩(wěn)定碎石與二灰穩(wěn)定碎石級配調(diào)整計算表Tab.5 Calculation table of gradation adjustment for cement stabilized macadam and lime fly ash stabilized macadam

1.3 試驗(yàn)方法

本研究采用的沖刷試驗(yàn)機(jī)由沖刷裝置、壓力控制裝置及控制器構(gòu)成。利用橡膠沖刷套筒模擬車輛行駛時產(chǎn)生的車輪泵吸，并通過控制動水壓力實(shí)現(xiàn)對試件的反復(fù)沖刷，達(dá)到實(shí)際路面動水沖刷的效果。通過測定壓力控制裝置氣壓(外壓)與沖刷桶內(nèi)實(shí)測氣壓(動水壓力)的關(guān)系，兩者關(guān)系如圖1所示。所測外壓與桶內(nèi)動水壓力具有良好的相關(guān)性。試驗(yàn)中根據(jù)二者相關(guān)性，調(diào)節(jié)壓力控制裝置氣壓，以達(dá)到試驗(yàn)所需的動水壓力。

圖1 外壓與動水壓力相關(guān)性Fig.1 Correlation between external pressure and hydrodynamic pressure

本研究根據(jù)最佳含水量與最大干密度，按照靜壓法成型試件，每組配合比制備6組試件。在試件養(yǎng)生結(jié)束前1 d將試件浸水24 h后保持表干，稱其質(zhì)量m0;將試件置于沖刷試驗(yàn)機(jī)，分別以5.0×103，1.0×104，1.5×104，2.0×104次沖刷次數(shù)進(jìn)行注水沖刷試驗(yàn),而后取出試件保持表干，稱其質(zhì)量m1。沖刷量即為m1與m0之差。隨后對沖刷試驗(yàn)后的試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測定。

2 抗沖刷性能影響因素分析

2.1 單因素分析

本研究以水泥穩(wěn)定碎石基層為例，研究影響基層抗沖刷性能的主要因素。從材料組成設(shè)計角度考慮，對壓實(shí)度、水泥強(qiáng)度與劑量、集料級配、混合料結(jié)構(gòu)與集料性質(zhì)等方面進(jìn)行單因素分析。

2.1.1 水泥劑量

水泥劑量可顯著影響水泥穩(wěn)定碎石基層抗沖刷性能，圖2所示為水泥劑量與基層沖刷量的變化曲線。當(dāng)水泥劑量低于2.1%時，基層呈現(xiàn)出較大的沖刷量，這是由于基層中水泥劑量過低，無法形成良好的水泥漿體結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致基層結(jié)構(gòu)受到動水沖刷后易松散脫落。當(dāng)水泥劑量超過2.1%時，基層抗沖刷性能提升顯著。這是由于水泥水化產(chǎn)物利于增強(qiáng)基層強(qiáng)度，提升基層材料黏聚力，與碎石形成良好的骨架結(jié)構(gòu)[16]。當(dāng)水泥劑量大于4%時，平均沖刷量下降斜率逐漸放緩，且較高的水泥劑量易導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脆裂，對基層材料耐久性存在不利影響[17]。

圖2 水泥劑量對基層平均沖刷量影響Fig.2 Influence of cement dosage on average scouring volume of base course

2.1.2 水泥強(qiáng)度等級

本研究采用32.5和42.5兩種強(qiáng)度的水泥，水泥劑量定為4%，水泥膠砂3 d和28 d強(qiáng)度分別表示為f3 d和f28 d，采用骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)成型試件。如圖3所示為水泥膠砂強(qiáng)度對水泥穩(wěn)定碎石基層沖刷量影響，當(dāng)齡期一致時，大致呈現(xiàn)出水泥膠砂強(qiáng)度越高其沖刷量越小的趨勢。同時，養(yǎng)生齡期達(dá)28 d的水泥其抗沖刷性能更優(yōu)異，這說明水泥水化反應(yīng)的產(chǎn)物有利于提升混合料抗動水沖刷能力。從結(jié)構(gòu)角度考慮，強(qiáng)度較高的水泥其抗沖刷性能越好。

圖3 水泥膠砂強(qiáng)度對基層沖刷量影響 Fig.3 Influence of cement mortar strength on scouring capacity of base course

2.1.3 細(xì)集料含量

細(xì)集料含量對基層沖刷量有較大影響，基層受動水沖刷時首先從表面脫落的為細(xì)集料，較高的細(xì)集料含量意味著較差的抗沖刷性能。圖4表明細(xì)集料含量對基層沖刷量的影響，水泥穩(wěn)定碎石細(xì)集料含量對基層抗沖刷性能影響較大，基層中細(xì)集料含量越高，沖刷量隨之增大。當(dāng)細(xì)集料含量大于35%時，基層沖刷量呈現(xiàn)大幅增長態(tài)勢，這是因?yàn)檩^高的細(xì)集料含量導(dǎo)致混合料呈現(xiàn)懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，較多的細(xì)集料與水泥形成水泥細(xì)集料膠砂，當(dāng)受到動水沖刷時氫氧化鈣出現(xiàn)溶蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致基層強(qiáng)度減弱，大量的細(xì)集料開始脫空剝落。當(dāng)細(xì)集料含量低于35%時，基層表現(xiàn)出較小的沖刷量，這時混合料結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，粗集料能夠在混合料中形成良好的嵌擠骨架結(jié)構(gòu)，細(xì)集料能夠起到良好的骨架空間填充作用。當(dāng)受到動水沖刷時，由于結(jié)構(gòu)良好的穩(wěn)定性，混合料的沖刷量較小。

圖4 細(xì)集料含量對基層沖刷量影響Fig.4 Influence of fine aggregate content on scouring volume of base course

2.1.4 壓實(shí)度

對于水泥穩(wěn)定碎石基層，適宜的壓實(shí)度可為其提供優(yōu)異的抗壓與抗變形能力。較低的壓實(shí)度可能導(dǎo)致基層強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)，而較高的壓實(shí)度則可能導(dǎo)致部分集料被壓碎，使得基層內(nèi)摩擦角降低，進(jìn)而影響其強(qiáng)度與耐久性。如圖5所示為壓實(shí)度對基層沖刷量影響，隨沖刷次數(shù)增加，沖刷量也顯著增加。而后隨沖刷次數(shù)增加，沖刷量增加趨勢降低，這是因?yàn)楸砻姹∪跷恢镁粍铀疀_落。當(dāng)壓實(shí)度為98%時，水泥穩(wěn)定碎石基層強(qiáng)度較大，整體不易沖刷；當(dāng)壓實(shí)度為94%時，水泥穩(wěn)定碎石基層較為松散，故其沖刷量較大。

圖5 不同壓實(shí)度對沖刷量影響Fig.5 Influence of different compactnesses on scouring volume

2.2 多因素分析

影響水泥穩(wěn)定碎石抗沖刷性能的主要因素構(gòu)成一個復(fù)雜的系統(tǒng)，這一系統(tǒng)中，有多種可能導(dǎo)致抗沖刷性能受影響。本研究通過灰色關(guān)聯(lián)理論探究影響道路基層抗沖刷性能的主要因素，并確定影響道路基層抗沖刷性能的因素的相關(guān)性?；鶎又饕绊懸蛩貫閴簩?shí)度，沖刷次數(shù)與壓力，水泥劑量與強(qiáng)度，含水率等。研究表明對水泥穩(wěn)定碎石抗沖刷性能影響最大的為水泥劑量與強(qiáng)度，其次為含水量。本研究對影響水泥穩(wěn)定碎石其他因素進(jìn)行補(bǔ)充說明，主要為壓實(shí)度，動水壓力與沖刷時間，沖刷試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 沖刷試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Result of scouring test

通過灰色關(guān)聯(lián)理論計算各影響因素與主列的關(guān)聯(lián)度γ，計算過程如公式(1)～(3)所示：

(1)

(2)

(3)

式中，xi為系統(tǒng)變量；Xi為第i個變量平均值；L0i(k)為x0和xi在k點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)；ξ為0.5，r0i為關(guān)聯(lián)度。

通過灰色關(guān)聯(lián)理論計算得到各影響因素與主列的關(guān)聯(lián)度γ分別為：γ1=0.701，γ2=0.625，γ3=0.612 ，γ1，γ2及γ3分別為壓實(shí)度，動水壓力及沖刷時間與抗沖刷性能之間的關(guān)聯(lián)度。故影響基層抗沖刷性能相關(guān)性排序?yàn)棣?，γ2及γ3。這在一定程度上可反映影響基層抗沖刷性能的其余因素中壓實(shí)度影響顯著。然而動水壓力與沖刷時間在路面基層材料服役使用過程中無法得到精準(zhǔn)控制。因而，壓實(shí)度為保證基層材料抗沖刷能力與耐久性能的主要因素。

3 半剛性基層材料沖刷疲勞特性

3.1 疲勞損傷理論模型

基層在整個路面結(jié)構(gòu)中擔(dān)任著承受路面荷載并將荷載傳給土基的作用。半剛性基層由于受到路面反復(fù)動水沖刷作用，導(dǎo)致基層材料強(qiáng)度降低，水泥面板因而出現(xiàn)錯臺斷裂等病害。為更加全面掌握基層沖刷損傷程度，本研究采用疲勞損傷理論分析基層沖刷后疲勞損傷。

現(xiàn)行道路工程試驗(yàn)理論缺乏基層受沖刷作用后強(qiáng)度降低的評價體系，本研究采用疲勞損傷理論計算在材料低于破壞強(qiáng)度時的沖刷疲勞應(yīng)力。圖6為表征應(yīng)力水平與疲勞壽命的S-N曲線，其中S為強(qiáng)度，N為疲勞壽命。利用疲勞損傷理論對基層材料進(jìn)行全壽命評估，該理論基礎(chǔ)有利于提高路面抗沖刷能力。當(dāng)動水壓力作用于材料表面時，由于動水沖刷的反復(fù)作用，會導(dǎo)致基層材料強(qiáng)度降低，疲勞壽命相應(yīng)衰減。該形式與小應(yīng)力作用下疲勞效應(yīng)類似。當(dāng)應(yīng)力反復(fù)施加N次后，基層強(qiáng)度降低，可評價基層材料的損傷程度。S-N曲線主要為：指數(shù)函數(shù)型、冪函數(shù)型、三參冪函數(shù)型。用指數(shù)模型S=a-b·logN分析道路基層材料沖刷特性較好。

圖6 S-N曲線[18] Fig.6 S-N curve

3.2 疲勞壽命與強(qiáng)度關(guān)系模型

本研究對水泥穩(wěn)定碎石疲勞壽命與強(qiáng)度損失關(guān)系進(jìn)行研究，利用指數(shù)模型S=a-b·logN對道路基層材料沖刷疲勞相關(guān)參數(shù)進(jìn)行擬合，不同壓實(shí)度的水泥穩(wěn)定碎石與二灰穩(wěn)定碎石的沖刷次數(shù)與抗壓強(qiáng)度關(guān)系如圖7所示。隨沖刷次數(shù)增加，基層材料抗壓強(qiáng)度均不同程度下降。相較于其他基層材料，壓實(shí)度為98%的水泥穩(wěn)定碎石抗沖刷性能較好，在相同沖刷次數(shù)作用下抗壓強(qiáng)度較高，耐久性優(yōu)于其他材料。壓實(shí)度為96%的二灰穩(wěn)定碎石基層因其自身結(jié)構(gòu)較為松散，表現(xiàn)出較差的抗沖刷性能與較小的抗壓強(qiáng)度。整體來看，不同壓實(shí)度的水泥穩(wěn)定碎石與二灰穩(wěn)定碎石基層抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)在前期降幅較大后期降幅放緩的趨勢，這可能是因?yàn)殡S沖刷次數(shù)增加，基層材料表面先沖刷掉較為疏松的集料，而剩余的集料由于內(nèi)摩阻力較大，故不易被動水沖刷所破壞。

根據(jù)指數(shù)模型S=a-b·logN擬合相關(guān)參數(shù)所知，不同壓實(shí)度不同材料其強(qiáng)度衰減斜率不同。壓實(shí)度均為98%時，基層材料有著優(yōu)異的抗壓強(qiáng)度，此時水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度優(yōu)于二灰穩(wěn)定碎石，且其衰減斜率較慢，表現(xiàn)為較好的抗沖刷性能；壓實(shí)度為96%時，可看出基層材料抗壓強(qiáng)度衰減斜率顯著增大。圖7所示為不同基層材料沖刷次數(shù)與抗壓強(qiáng)度衰減趨勢，壓實(shí)度對抗壓強(qiáng)度及衰減斜率有著重要影響。

圖7 不同基層材料沖刷次數(shù)與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度衰減趨勢Fig.7 Scouring times of different base materials and attenuation trend of unconfined compressive strength

圖8所示為二灰穩(wěn)定碎石動水沖刷1.5×104次前后對比，未沖刷時試件表面平整；沖刷1.5×104次后，試件表面出現(xiàn)坑槽，邊緣破壞較為嚴(yán)重，細(xì)集料從表面脫落，粗集料裸露在外。邊緣破壞比中間破壞更為嚴(yán)重，這可能是沖刷試驗(yàn)機(jī)邊緣動水壓力較中間更大所致。

圖8 動水沖刷作用前后的二灰穩(wěn)定碎石Fig.8 Lime fly ash stabilized macadam before and after hydrodynamic scouring

4 結(jié)論

本研究對水泥穩(wěn)定碎石基層抗沖刷性能的主要影響因素進(jìn)行綜合評價，并研究了水泥穩(wěn)定碎石與二灰穩(wěn)定碎石基層結(jié)構(gòu)衰減特性，主要結(jié)論如下：

(1)水泥劑量、細(xì)集料含量及壓實(shí)度等因素對水泥穩(wěn)定碎石基層抗沖刷性能影響較大。水泥劑量越大，水泥穩(wěn)定碎石基層抗沖刷性能越好；較高的壓實(shí)度有利于提高水泥穩(wěn)定碎石抗沖刷性能，但各因素應(yīng)取適宜值，避免過度提升某一影響因素進(jìn)而導(dǎo)致基層其他性能的損傷。

(2)對影響基層抗沖刷性能的可能因素進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，壓實(shí)度與抗沖刷性能關(guān)聯(lián)度為0.701，表明壓實(shí)度為影響基層抗沖刷性能的關(guān)鍵因素。動水壓力與沖刷時間在路面攤鋪與服役時較難確定，因此可通過改善壓實(shí)度以提升基層抗沖刷性能，保證路面服役性能。

(3)路面基層結(jié)構(gòu)在動水沖刷長期作用下造成的疲勞損傷近似服從指數(shù)模型S=a-b·logN，擬合結(jié)果表明沖刷次數(shù)與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相關(guān)性較高。相同材料基層壓實(shí)度較大其抗沖刷性能較好，進(jìn)一步說明基層壓實(shí)度的重要性；水泥穩(wěn)定碎石相較二灰穩(wěn)定碎石表現(xiàn)出較小的強(qiáng)度損傷，抗沖刷性能良好。