水穩(wěn)基層材料優(yōu)化選擇及其對路面性能的影響

周尚來

（甘肅順達(dá)路橋建設(shè)有限公司，蘭州 730000）

1 引言

在當(dāng)今的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中， 道路工程涉及巨額的經(jīng)濟(jì)投入，關(guān)乎公眾的出行安全與舒適度，而道路工程中，水穩(wěn)基層的作用常常被低估， 實(shí)則其在確保路面持久穩(wěn)定中起到了舉足輕重的作用。 選擇合適的水穩(wěn)基層材料并進(jìn)行優(yōu)化，是確保路面長期性能和延長使用壽命的關(guān)鍵。

2 常用的水穩(wěn)基層材料

2.1 傳統(tǒng)材料及特性

水穩(wěn)基層材料是公路和道路工程的關(guān)鍵組成部分。 傳統(tǒng)的水穩(wěn)基層材料，如石灰石、砂、粉煤灰和水泥等，經(jīng)過特定的混合和壓實(shí)施工后，可以形成堅(jiān)固且持久的路面基層。 （1）石灰石因其堅(jiān)硬、 耐磨損且在各種環(huán)境條件下都表現(xiàn)良好而被廣泛使用，其天然的堿性也有助于抵抗某些化學(xué)腐蝕[1]；（2）砂則用于需要提高排水性的項(xiàng)目中， 其粒度和形狀可以提供良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性， 并有助于防止路面過于濕潤或出現(xiàn)積水；（3）粉煤灰作為工業(yè)副產(chǎn)品，可有效利用廢棄物，減少對環(huán)境的影響， 與其他材料混合時(shí)， 還能提高整體的穩(wěn)定性和耐久性；（4）水泥經(jīng)常被用于需要額外強(qiáng)度的項(xiàng)目中，與水混合后迅速固化形成堅(jiān)固的基層，提供優(yōu)異的耐久性。

2.2 新型材料及特性

隨著科技進(jìn)步和可持續(xù)發(fā)展的理念深入人心， 新型的水穩(wěn)基層材料逐漸受到工程師和研究者的青睞。 新型材料往往具有更強(qiáng)的性能、更好的耐久性或更佳的環(huán)境友好性。 其中，生態(tài)混凝土、再生材料、納米材料和高強(qiáng)度塑料格柵等材料已逐漸走入實(shí)踐。 （1）生態(tài)混凝土是兼具環(huán)境友好和結(jié)構(gòu)性能的基層材料，包含降解成分，可逐漸融入環(huán)境中，降低材料的碳排放，在破損或老化后更容易與自然環(huán)境融合，減少對生態(tài)的干擾。 （2）再生材料，如再生瀝青和再生混凝土等，充分利用工程中的廢舊材料，經(jīng)過處理和再生后能夠重新用于路面工程，有效節(jié)約資源并減少垃圾產(chǎn)生。 （3）納米材料已經(jīng)被證明可以顯著提高基層的性能，通過納米技術(shù)，材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能得到優(yōu)化，使基層具有更強(qiáng)的抗裂、抗老化和防水性能。 （4）高強(qiáng)度塑料格柵是合成材料， 能有效增強(qiáng)路面的負(fù)荷承載能力和耐久性。

3 選擇水穩(wěn)基層材料的標(biāo)準(zhǔn)

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

道路工程的預(yù)算和經(jīng)費(fèi)往往對材料選擇產(chǎn)生決定性的影響，要求工程師不僅考慮材料的初始成本，還要考慮其全生命周期成本。 材料的初始成本包括購買、運(yùn)輸和施工等費(fèi)用。 高性能的新型材料可能初始投資較高，從長期來看，其使用壽命往往相較傳統(tǒng)水穩(wěn)基層材料更長，并且由于其出色的耐久性和性能，可以減少未來的維修需求和頻率，節(jié)省大量的費(fèi)用。

3.2 工程施工條件

在水穩(wěn)基層材料的優(yōu)化選擇過程中， 不同材料的施工工藝和可行性直接影響到工程的成功實(shí)施和最終路面性能，要綜合考慮材料特性、施工設(shè)備和環(huán)境因素，以確保材料能夠被有效使用并實(shí)現(xiàn)預(yù)期的性能。 粉狀材料，如水泥和石灰，施工過程中可能涉及干混或潮濕混合施工， 以確保材料能夠均勻混合并達(dá)到所需的穩(wěn)定性； 碎石等顆粒狀材料應(yīng)采用適當(dāng)?shù)膶訅悍椒?，能有效提高材料的密?shí)度，增強(qiáng)基層的承載能力。施工工藝的可行性也與項(xiàng)目的時(shí)間和預(yù)算有關(guān)， 部分材料可能需要更多的時(shí)間來進(jìn)行固化或干燥； 材料的采購和處理成本可能會影響工程的可行性，因此，需要進(jìn)行成本效益分析，以確保材料的選擇能滿足技術(shù)要求。

3.3 環(huán)境和可持續(xù)性

隨著人們?nèi)找婕訌?qiáng)的環(huán)保意識和對可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的追求， 水穩(wěn)基層材料的環(huán)保性和可持續(xù)性已成為材料選擇的考量核心，反映了對自然資源的尊重。 水穩(wěn)基層材料的采集和生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的碳足跡是核心考量點(diǎn)， 應(yīng)選擇在生產(chǎn)過程中排放較少溫室氣體的材料，有效減少工程的整體碳足跡，緩解全球變暖問題。 材料的來源方面，應(yīng)關(guān)注其可持續(xù)性，優(yōu)先使用當(dāng)?shù)乜捎玫馁Y源和再生材料，減少運(yùn)輸所需的能源，同時(shí)支持循環(huán)經(jīng)濟(jì)，延長資源使用壽命。 鑒于水資源的日益缺乏，應(yīng)選擇生產(chǎn)和施工過程中消耗水資源較少的材料。 水穩(wěn)基層材料的排水性能對于地下水的保護(hù)也至關(guān)重要， 優(yōu)良的排水性能可以預(yù)防道路積水，減少地表徑流，保護(hù)水源和生態(tài)環(huán)境[2]。

4 水穩(wěn)基層材料優(yōu)化選擇的方法

4.1 試驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性， 必須采取標(biāo)準(zhǔn)化的材料制備和處理流程，所有樣品應(yīng)在相同的溫度、濕度和壓力條件下制備，所有的機(jī)械測試設(shè)備都要經(jīng)過校準(zhǔn)，以避免可能的誤差。 樣品的數(shù)量和大小應(yīng)保持一致，確保試驗(yàn)可以在多種情況下復(fù)現(xiàn)，增強(qiáng)結(jié)果的可靠性。 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，隨機(jī)化和分組是關(guān)鍵元素。 隨機(jī)化可以保證每個(gè)樣品都有同樣的機(jī)會受到任何可能的處理，消除偏見和偶然誤差；分組則允許研究者對不同的變量或處理進(jìn)行比較。 為了評估材料的性能和耐久性，需要進(jìn)行多種類型的試驗(yàn)，如壓縮強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和耐磨損性等， 模擬材料在實(shí)際道路條件下可能遭受的各種應(yīng)力和壓力。 環(huán)境試驗(yàn)可以評估材料在不同的氣候和環(huán)境條件下的性能，如凍融循環(huán)、長時(shí)間的紫外線暴曬或化學(xué)侵蝕。 數(shù)據(jù)分析是試驗(yàn)方法的核心組成部分，使用統(tǒng)計(jì)工具和技術(shù)，如方差分析或回歸分析， 幫助研究者識別那些對材料性能產(chǎn)生顯著影響的因素，從而為優(yōu)化提供有力的建議；對數(shù)據(jù)的解釋和展示，可以幫助決策者和利益相關(guān)者理解研究結(jié)果，進(jìn)而做出明智的選擇[3]。

4.2 材料混合比優(yōu)化技術(shù)

材料混合比優(yōu)化技術(shù)對原材料成分進(jìn)行精確配比， 可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的性能和耐久性， 基于對材料的深入理解和多次實(shí)驗(yàn)測試的結(jié)果，找到最佳的配合比例，使得材料達(dá)到最佳的工程性能和環(huán)境適應(yīng)性。 每種材料都有其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，如粒度、黏性、強(qiáng)度和耐久性，決定了材料在混合體中的角色，以及對混合體總體性能的貢獻(xiàn)。 深入了解原材料的性質(zhì)是優(yōu)化混合比的前提。 除對材料性質(zhì)進(jìn)行考慮外，混合比的優(yōu)化還需要考慮實(shí)際施工條件和環(huán)境因素。

4.3 添加劑和改良劑的應(yīng)用

在水穩(wěn)基層材料的優(yōu)化選擇中， 添加劑和改良劑的應(yīng)用成為提升路面性能的重要策略。 聚合物能夠增強(qiáng)水穩(wěn)基層材料的可塑性和黏結(jié)性，使顆粒間的結(jié)合更加緊密，提高基層的抗剪強(qiáng)度和抗變形能力。 聚合物能在材料中形成彈性體系，使基層能夠更好地適應(yīng)荷載變化， 減少因荷載引起的損傷和變形，提升路面的耐久性。 纖維能夠有效提高材料的韌性和抗裂能力，形成內(nèi)部的支撐網(wǎng)絡(luò)，阻止裂縫的擴(kuò)展，提高基層的抗裂、抗風(fēng)化和抗水蝕能力，改善材料在潮濕環(huán)境下的穩(wěn)定性，減少路面的維修頻率和成本。 除了聚合物和纖維，其他添加劑和改良劑也在不斷的研究和應(yīng)用中，如礦物摻合料、化學(xué)穩(wěn)定劑等，彌補(bǔ)原有材料的不足，優(yōu)化材料的配合比例，實(shí)現(xiàn)更好的性能平衡。

4.4 材料性質(zhì)與性能模型

材料性能模型可通過數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)方法建立， 描述材料性質(zhì)與性能之間的關(guān)系。 模型可以是經(jīng)驗(yàn)性的，基于歷史數(shù)據(jù)和觀測結(jié)果；也可以是理論性的，基于物理和化學(xué)原理。 其目的都是預(yù)測在給定的材料性質(zhì)和施工條件下，材料的性能表現(xiàn)。在現(xiàn)代道路工程中， 復(fù)雜的材料性能模型可通過高級軟件進(jìn)行模擬分析，處理大量的數(shù)據(jù)并進(jìn)行多次迭代和優(yōu)化，以提高模型準(zhǔn)確性和可靠性。 隨著人工智能技術(shù)的應(yīng)用，材料性能模型的建立和應(yīng)用也會得到進(jìn)一步推進(jìn)。

4.5 數(shù)值模擬和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

在水穩(wěn)基層材料優(yōu)化選擇中， 數(shù)值模擬和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已逐漸成為不可或缺的技術(shù)手段。 借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，工程師能夠在虛擬環(huán)境中模擬和分析材料的性質(zhì)及其與工程條件下的相互作用，得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。 數(shù)值模擬主要是通過建立數(shù)學(xué)模型來描述材料和結(jié)構(gòu)的行為，基于物理學(xué)、力學(xué)和化學(xué)原理精確地預(yù)測材料在各種工況下的性能表現(xiàn)。 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)則進(jìn)一步提供了完整的工具集， 使工程師能夠通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化，包括對單一材料或結(jié)構(gòu)的評估，以及道路工程的多個(gè)方面，如排水、交通流與其他基礎(chǔ)設(shè)施的相互作用。 例如，水穩(wěn)基層材料的設(shè)計(jì)中，CAD 技術(shù)使工程師能夠以數(shù)字化方式創(chuàng)建和編輯設(shè)計(jì)圖， 輕松繪制材料的分層結(jié)構(gòu)，確定不同材料的厚度、組合和排列順序；在設(shè)計(jì)過程中考慮不同荷載情況、氣候影響等條件，為材料的選擇和布置提供更科學(xué)的依據(jù)。 不僅如此，工程師還可以通過CAD 軟件模擬不同荷載下基層的受力分布和變形情況， 評估基層的穩(wěn)定性和抗變形能力，以確定合適的材料參數(shù)和厚度，滿足道路的性能要求。

5 水穩(wěn)基層材料對路面性能的影響

5.1 路面的耐久性

基層材料的穩(wěn)定性和強(qiáng)度直接關(guān)系到路面在承受交通荷載時(shí)的變形能力，穩(wěn)定性高的基層可以提供均勻的支撐，減少路面上的不均勻沉降或變形。基層材料應(yīng)有良好的滲水性，以保證雨水或地下水迅速排除，減少水分在基層中的積聚。長時(shí)間的水分積聚會破壞材料的結(jié)構(gòu)， 導(dǎo)致其強(qiáng)度下降， 影響路面的整體性能。 在凍融循環(huán)的地區(qū)，水分的凍結(jié)和融化會引發(fā)體積變化，對基層材料和上層路面造成嚴(yán)重破壞。 與路面材料的黏結(jié)性也是影響耐久性的關(guān)鍵因素， 良好的黏結(jié)能確保路面與基層之間形成連續(xù)、整體的結(jié)構(gòu)，從而提供更好的荷載承載和傳遞能力。

5.2 路面的反應(yīng)和舒適度

路面的舒適度不僅關(guān)乎駕駛者的體驗(yàn)， 還直接影響交通安全和運(yùn)輸效率。 舒適度與路面的平整度、變形性能和噪聲產(chǎn)生有密切關(guān)系， 均勻且穩(wěn)定的基層為上層路面提供了穩(wěn)固的支撐， 確保其在長期承受交通荷載的過程中能夠保持良好的平整性。 基層的彈性模量可以為路面提供一定的彈性支撐，使路面在承受交通荷載時(shí)具有一定的緩沖能力， 降低路面的振動和沖擊，提高舒適度。 具有良好孔隙結(jié)構(gòu)和吸聲性質(zhì)的基層材料可以有效地減少車輛行駛產(chǎn)生的噪聲， 提高駕駛者的舒適體驗(yàn)， 而不恰當(dāng)?shù)牟牧线x擇或施工方法可能會導(dǎo)致噪聲增加，對周邊環(huán)境和駕駛者造成困擾。

6 結(jié)語

綜上所述， 優(yōu)化選擇的水穩(wěn)基層材料不僅可以降低初期投資，更能減少長期的維護(hù)成本，為社會帶來持久的經(jīng)濟(jì)與安全效益。道路的基層決定了其上層的穩(wěn)定性與壽命。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和研究的深入， 道路工程能更加精準(zhǔn)地為不同條件和需求選擇并優(yōu)化水穩(wěn)基層材料，為建設(shè)更為持久、安全的交通道路提供助力。