水泥穩(wěn)定碎石抗沖刷性能試驗研究

梁國烯， 王子昂， 劉宏富， 黃云涌

(1.保利長大工程有限公司， 廣東 廣州 510620；2.長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院， 湖南 長沙 410114)

中國高等級公路大多采用半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)。由于半剛性基層材料的透水能力極弱，水不易排除，瀝青路面結(jié)構(gòu)常出現(xiàn)早期病害。尤其是在南方潮濕多雨地區(qū)，在路面積水不能及時排除的情況下，路面水沿著裂縫滲入半剛性基層并滯留在其中，在車輛荷載作用下，半剛性基層與瀝青面層間產(chǎn)生高速水流與高孔隙水壓力而發(fā)生沖刷作用，細集料剝落并產(chǎn)生路面唧泥；唧泥導(dǎo)致瀝青面層底產(chǎn)生脫空，使瀝青路面受力不均勻，上面層和中下面層進一步在路面局部產(chǎn)生網(wǎng)裂。深入研究半剛性基層材料的抗沖刷特性對于提升瀝青路面的耐久性具有重要意義。該文研發(fā)半剛性基層材料沖刷試驗儀，以石灰、粉煤灰(二灰)穩(wěn)定碎石作為對比，研究不同水泥用量下水泥穩(wěn)定碎石的抗沖刷特性。

1 試驗儀器

考慮荷載和水的聯(lián)合作用對半剛性基層材料的作用，開發(fā)能較真實地模擬沖刷和抽吸循環(huán)狀況下水對半剛性基層材料沖刷作用的沖刷試驗儀，其組成見圖1。

圖1 沖刷試驗儀的結(jié)構(gòu)示意圖(單位：cm)

以沖刷試驗儀的水箱作為試驗平臺，水箱中注水以模擬半剛性基層材料在浸水時的工作環(huán)境。圓形沖壓頭由剛性圓板制成，半徑為20 cm，由電動機提供動力。試驗時偏心驅(qū)動輪可提供循環(huán)反復(fù)的加載沖壓，每次循環(huán)過程包含一次完整的加載、沖刷、卸載和抽吸，沖刷試驗儀每分鐘可加載162次。為模擬實際情況，并控制不產(chǎn)生過大的直接撞擊力，圓頭接觸處設(shè)置橡膠隔離層，循環(huán)加載時橡膠板與試件表面產(chǎn)生動水壓力，對試件表面形成沖刷作用。經(jīng)理論計算，結(jié)合實際調(diào)試，圓形沖壓頭和橡膠板的界面上產(chǎn)生的最大壓強為(0.7±0.5) MPa，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)軸載車輛通行時輪胎對路面產(chǎn)生的壓強。

2 沖刷試驗方案

2.1 材料及試驗配比方案

試驗采用韶峰牌425號普通硅酸鹽水泥、3級消石灰粉、株洲電廠生產(chǎn)的3級粉煤灰，集料為產(chǎn)自鄧家塘料場的石灰?guī)r石料。

試驗主要研究水泥穩(wěn)定碎石的抗沖刷性能，以不摻加水泥的二灰穩(wěn)定碎石作為對比方案。共設(shè)計9種基層試驗配比方案，各方案的材料配比見表1。9種方案均采用同一種級配設(shè)計，設(shè)計結(jié)果見表2。

表1 試驗材料配比方案

表2 半剛性基層材料的級配

2.2 試驗步驟

對9種配比方案分別進行擊實試驗，得到各配比方案下半剛性基層材料的最佳含水量和最大干密度(見表3)。

表3 半剛性基層材料的最大干密度及沖刷試驗結(jié)果

采用振動擊實法，按98%的壓實度成型30 cm(長)×30 cm(寬)×20 cm(高)的板狀試件進行沖刷試驗。每種方案成型3組試件進行平行試驗，以平均值作為試驗結(jié)果。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護環(huán)境下將試件養(yǎng)生3個月后，采用沖刷試驗儀進行7萬次沖刷，測量沖刷前后構(gòu)造深度的變化，計算沖刷深度。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 沖刷次數(shù)和沖刷量的關(guān)系

對9種方案的試件分別進行沖刷試驗，記錄9種半剛性基層材料在0.0、0.5萬次、1.5萬次、2.5萬次、3.5萬次、4.5萬次、6.0萬次、7.0萬次沖刷次數(shù)下的沖刷深度。圖2為9種材料的沖刷深度隨沖刷次數(shù)的變化。

圖2 沖刷次數(shù)與沖刷深度的關(guān)系

由圖2可知：隨著沖刷次數(shù)的增多，二灰穩(wěn)定碎石與水泥穩(wěn)定碎石的沖刷深度均增大，兩者呈現(xiàn)相似的類似于線性的增長趨勢，且這種趨勢與半剛性基層材料種類及水泥用量無關(guān)。說明開發(fā)的沖刷試驗儀可較好地模擬浸水條件下半剛性基層材料在車輪荷載作用下的沖刷過程。

3.2 沖刷量與7 d無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系

每種方案分別成型直徑為150 mm、高度為150 mm的9個圓柱形平行試件，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)生7 d后，按JTG E51—2009《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》進行7 d無側(cè)限抗壓強度試驗。9種方案的7 d無側(cè)限抗壓強度平均值見表3，水泥穩(wěn)定碎石7 d無側(cè)限抗壓強度及沖刷深度隨水泥用量的變化見圖3。

圖3 水泥穩(wěn)定碎石7 d無側(cè)限抗壓強度及沖刷深度與水泥用量的關(guān)系

由表3可知：相比于二灰穩(wěn)定碎石(方案1、方案2)，水泥穩(wěn)定碎石(方案3～9)的7 d無側(cè)限抗壓強度更高；進行7萬次沖刷后，相比于二灰穩(wěn)定碎石，水泥穩(wěn)定碎石的沖刷深度更小，抗沖刷性能顯著優(yōu)于二灰穩(wěn)定碎石。

由圖3可知：隨著水泥用量的提高，水泥穩(wěn)定碎石的7 d無側(cè)限抗壓強度提高，且增長速度沒有明顯變緩；隨著水泥用量的增加，水泥穩(wěn)定碎石的沖刷深度減小，抗沖刷能力增強，但水泥用量超過3.5%時沖刷深度減小趨勢放緩。

通過數(shù)值擬合建立水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強度與沖刷深度的關(guān)系曲線(見圖4)，采用最小二乘法進行回歸分析，建立水泥穩(wěn)定碎石7 d無側(cè)限抗壓強度x與沖刷深度y的關(guān)系式：

圖4 水泥穩(wěn)定碎石7 d無側(cè)限抗壓強度與沖刷深度的關(guān)系

y=A1×exp(-x/t1)+y0

(1)

式中：A1、t1和y0為常數(shù)，y0=0.530 07±6.113 91×10-4，A1=0.768 9±0.008 46，t1=1.733 98±0.015 29。

由圖4可知：水泥穩(wěn)定碎石的7 d無側(cè)限抗壓強度與7萬次沖刷深度呈非線性指數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨著7 d無側(cè)限抗壓強度的增大，7萬次沖刷深度減小，且逐漸趨于穩(wěn)定。

根據(jù)JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細則》，重交通等級高速公路和一級公路所使用的水泥穩(wěn)定材料的7 d無側(cè)限抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值為4～6 MPa。綜合考慮經(jīng)濟因素和與水泥穩(wěn)定碎石的抗沖刷性能，建議在進行水泥穩(wěn)定碎石材料配合比設(shè)計時采用4.3%～6.0%的水泥用量。

4 結(jié)論

(1) 開發(fā)的沖刷試驗儀可較好地模擬浸水條件下半剛性基層材料在車輪荷載作用下的沖刷過程。

(2) 水泥穩(wěn)定碎石的抗沖刷性能顯著優(yōu)于二灰穩(wěn)定碎石。水泥穩(wěn)定碎石的7 d無側(cè)限抗壓強度與沖刷深度呈非線性指數(shù)函數(shù)關(guān)系，沖刷深度隨著7 d無側(cè)限抗壓強度的增大而減小。

(3) 配合比設(shè)計時建議采用4.3%～6.0%水泥用量，此時水泥穩(wěn)定碎石具有良好的抗沖刷能力和7 d無側(cè)限抗壓強度，也具有較好的經(jīng)濟性。