黃 靜

(宜賓市投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川宜賓644000)

1 沖刷試驗(yàn)儀器評(píng)價(jià)

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)抗沖刷試驗(yàn)儀器的研究還不夠深入，近些年也沒(méi)有研制出新的儀器，抗沖刷性能是基層路用性能中很重要的一個(gè)方面，為了對(duì)抗沖刷性能進(jìn)行研究，文章首先對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的沖刷儀器作簡(jiǎn)單介紹。

1.1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有儀器介紹

本文主要是對(duì)水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的抗沖刷性能進(jìn)行研究，作為一種半剛性基層材料，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)其抗沖刷性能的研究還不多，研究的時(shí)間也比較短。從近幾年的相關(guān)報(bào)道得知，法國(guó)與澳大利亞對(duì)于半剛性基層材料抗沖刷性能研究起步較早，他們都研發(fā)出了針對(duì)抗沖刷性能試驗(yàn)的儀器設(shè)備，法國(guó)所研制出的設(shè)備有旋轉(zhuǎn)刷(圖1)和振動(dòng)臺(tái)(圖2)，而澳大利亞所研制出來(lái)的同樣是振動(dòng)臺(tái)(圖3)，試驗(yàn)設(shè)備的工作原理基本相同，只是對(duì)于試驗(yàn)設(shè)備的一些參數(shù)選擇以及所要求的試驗(yàn)試件尺寸有所不同。

與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)關(guān)于半剛性基層抗沖刷性能的研究相對(duì)比較晚。目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有沖刷試驗(yàn)設(shè)備做要有：MTS萬(wàn)能材料試驗(yàn)平臺(tái)、振動(dòng)臺(tái)、路面材料試驗(yàn)機(jī)以及沖刷模擬試驗(yàn)機(jī)。但是這些試驗(yàn)裝置都或多或少在設(shè)計(jì)或者功能上存在不足之處。比如：在以上這些試驗(yàn)裝置中都沒(méi)有對(duì)試件的側(cè)面部分、底部采取保護(hù)措施，在沖刷試驗(yàn)過(guò)程中，由于側(cè)面松散可能會(huì)出現(xiàn)細(xì)集料掉落的現(xiàn)象。還有就是在將試件取出的時(shí)候也難免會(huì)磕磕碰碰導(dǎo)致外表集料脫落，如果把這些因磕碰掉落的集料計(jì)算到?jīng)_刷量之中去，會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏大。另外，在沖刷試驗(yàn)中對(duì)裝置的試驗(yàn)參數(shù)控制不精確，無(wú)法保證試驗(yàn)的同一性。這些方面都是在實(shí)驗(yàn)中需要多加注意的地方。

圖1 法國(guó)旋轉(zhuǎn)刷試驗(yàn)裝置

圖2 法國(guó)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)裝置

圖3 澳大利亞振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)裝置

1.2 UTM-100多功能材料試驗(yàn)系統(tǒng)

為了能夠滿(mǎn)足水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層抗沖刷性能試驗(yàn)的要求，更加真實(shí)的對(duì)路面基層受沖刷作用的實(shí)際情況進(jìn)行模擬，試驗(yàn)設(shè)備必須滿(mǎn)足以下要求。

(1)必須能夠提供沖擊荷載來(lái)模擬路面行車(chē)荷載對(duì)路面的作用。

(2)該試驗(yàn)裝置必須能夠非常精確的對(duì)沖刷作用頻率、沖刷作用力大小進(jìn)行控制。

(3)該沖刷試驗(yàn)裝置試驗(yàn)之后所得到的沖刷試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變異性必須控制在一個(gè)范圍內(nèi)，并且必須要有足夠的穩(wěn)定性。

為了達(dá)到以上幾點(diǎn)要求，選取沖刷試驗(yàn)裝置時(shí)應(yīng)該確定以下幾項(xiàng)原則。

(1)試驗(yàn)裝置所提供的沖擊荷載作用方向必須是自上而下，并且要能夠精確的控制這個(gè)作用里的大小和頻率。

(2)為了防止在試驗(yàn)過(guò)程中試件出現(xiàn)非沖刷作用所帶來(lái)的質(zhì)量損失，必須對(duì)試件采取固定措施。

2 沖刷試驗(yàn)方法研究

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1.1 試驗(yàn)試件準(zhǔn)備

試驗(yàn)所需要的試件養(yǎng)生齡期分別為7d、28d、90d，在試件達(dá)到養(yǎng)生齡期前1d，將試件取出置于水中飽水24h。在飽水試件達(dá)到要求之后，用水沖去試件表面松散的細(xì)集料并用抹布將表面的水分拭干，稱(chēng)取每個(gè)試件的初始質(zhì)量以備試驗(yàn)使用。

2.1.2 試驗(yàn)儀器準(zhǔn)備

本文中水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層抗沖刷試驗(yàn)所使用的試驗(yàn)設(shè)備是將UTM-100多功能材料試驗(yàn)系統(tǒng)(圖4)與自制的沖刷桶(圖5)固定在一起配合使用。將飽水之后的試件放在自制沖刷桶的底部支座上面，在其上方放置一塊橡膠墊塊，將十字形加力架罩在墊塊上方，擰緊四個(gè)角上面的羊角螺絲，向沖刷桶內(nèi)注入清水至試件頂部超過(guò)10mm。

圖4 UTM-100伺服液壓多功能材料試驗(yàn)系統(tǒng)

圖5 沖刷桶

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器主要原理與技術(shù)參數(shù)

UTM-100伺服液壓多功能材料試驗(yàn)系統(tǒng)與MTS試驗(yàn)平臺(tái)的工作原理相同，主要是通過(guò)上壓頭提供一個(gè)瞬時(shí)荷載，使沖刷桶內(nèi)處于半封閉狀態(tài)的水快速壓縮從而產(chǎn)生一個(gè)比較大的動(dòng)水壓力；而在試驗(yàn)裝置上壓頭向上運(yùn)動(dòng)即一個(gè)瞬時(shí)向上的卸載過(guò)程，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)很大負(fù)壓使半封閉狀態(tài)的水快速膨脹而產(chǎn)生向上的泵吸作用，這就完成了一個(gè)沖刷循環(huán)作用[5]。試驗(yàn)裝置能夠提供周期性的瞬時(shí)加載與卸載作用，因此可以很真實(shí)的模擬路面行車(chē)荷載的重復(fù)沖刷。此試驗(yàn)裝置的主要技術(shù)參數(shù)為：

(1)壓頭作用在十字形加力架上對(duì)試驗(yàn)試件施加作用力，作用力大小取0.5～0.7MPa；

(2)在試件頂面與十字形加力架之間放置一塊有鋸縫的橡膠墊塊來(lái)模擬路面面層以及裂縫，面層與基層之間的自由水就是通過(guò)這條鋸縫實(shí)現(xiàn)對(duì)圓柱形試件的沖刷作用；

(3)壓頭瞬時(shí)加載過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大小為60～100kPa左右大小的動(dòng)水壓力對(duì)圓柱形試件的表面形成沖刷作用；

(4)在壓頭向上瞬時(shí)卸載時(shí)，之前加載所產(chǎn)生的動(dòng)水壓力會(huì)馬上降為零，在這個(gè)變化過(guò)程中，水會(huì)從壓頭處向外排出，這時(shí)在水排出的過(guò)程中會(huì)對(duì)試件表面產(chǎn)生一次泵吸作用，將試件表面的松散細(xì)集料全部帶入到?jīng)_刷桶中；

(5)瞬時(shí)荷載的作用頻率為10Hz，也就是每0.6s完成一次沖刷循環(huán)；

(6)試驗(yàn)裝置能夠提供反復(fù)的加載與卸載過(guò)程，這樣可以真實(shí)的模擬行車(chē)荷載對(duì)路面基層的沖刷作用，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的沖刷作用之后，統(tǒng)計(jì)出試件在整個(gè)過(guò)程中的沖刷損失量，這個(gè)值的大小就是評(píng)價(jià)水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層抗沖刷性能的指標(biāo)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

本文在室內(nèi)成型不同粉煤灰與水泥摻量的沖刷試件，就是為了通過(guò)沖刷試驗(yàn)結(jié)果分析出兩者對(duì)水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層抗沖刷性能的影響，得出一個(gè)抗沖刷性能最佳且能滿(mǎn)足各項(xiàng)基本指標(biāo)的最優(yōu)配合比，以便其推廣應(yīng)用。試驗(yàn)的總體思路是先對(duì)配合比不同的各組試件直接進(jìn)行抗沖刷性能試驗(yàn)，然后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得出一組抗沖刷性能最好的配合比，再按這一配合比成型試件對(duì)它的其他路用性能指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)研究，驗(yàn)證該配比試件各路用性能指標(biāo)能否滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3.1 沖刷后試件外觀與分析

根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》每個(gè)試驗(yàn)試件的沖刷時(shí)間為30min，如圖6為180d齡期不同水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石配合比試件沖刷結(jié)束后外觀圖。

圖6 180 d 齡期沖刷試驗(yàn)后的水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石試件

3.2 試件沖刷結(jié)果與分析

表1為不同配合比在不同齡期受沖刷作用后質(zhì)量損失情況。

表1 不同齡期和配合比的混合料沖刷質(zhì)量損失

對(duì)表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層的抗沖刷性能會(huì)隨著混合料中水泥含量的增加而有所提高，一般來(lái)說(shuō)水泥含量高則抗沖刷能力必然比較好。本文分別對(duì)水泥含量為1%、3%、5%、7%的混合料進(jìn)行了沖刷試驗(yàn)，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，水泥含量為7%的混合料的在沖刷試驗(yàn)過(guò)程中試件的質(zhì)量損失最小，因此抗沖刷能力最強(qiáng)的是水泥含量為7%的四組配合比，其次為水泥含量為5%、3%的混合料，最差的是水泥含量為1%的混合料。

綜合以上結(jié)果，混合料中水泥劑量的多少會(huì)對(duì)其干縮性能產(chǎn)生很大的影響，7%的水泥含量對(duì)基層的抗裂性能不利。另外，本章對(duì)粉煤灰的再回收利用主要目的是達(dá)到經(jīng)濟(jì)節(jié)約的效果，但是過(guò)高的水泥含量會(huì)增加成本。還有，從表1中的數(shù)據(jù)中可以看出，在水泥含量從3%增加到5%的過(guò)程中，水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層的抗沖刷性能得到了很大的提高，但是當(dāng)水泥含量又5%增加到7%的過(guò)程中，混合料的抗沖刷性能提高并不明顯。所以，混合料中的水泥劑量定為5%是一個(gè)比較合理的選擇。

圖7 180 d沖刷質(zhì)量損失

對(duì)水泥含量為5%的四組混合料試件受沖刷情況進(jìn)行分析，上圖7為齡期180d四組試件的質(zhì)量損失情況，以1、2、3、4分別表示粉煤灰含量為8%、9%、10%、11%的混合料，從圖7可以看出當(dāng)粉煤灰含量為10%的混合料試件質(zhì)量損失最少，而同樣的情況也出現(xiàn)在齡期分別為7d、28d、90d的試件當(dāng)中，因此，可以認(rèn)為10%為粉煤灰的最佳含量。

綜合以上，水泥∶粉煤灰∶碎石配合比5%∶10%∶85%定為抗沖刷性能最佳的配合比。該配合比試件的其他路用性能是否滿(mǎn)足規(guī)范要求，以后將對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層抗沖刷性能研究較少的情況，本文首先對(duì)國(guó)外的各種沖刷儀器進(jìn)行了介紹，提出采用UTM-100多功能材料試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)試件進(jìn)行抗沖刷性能研究。為了方便試驗(yàn)的進(jìn)行，本文特制作了一個(gè)用于配合UTM-100多功能材料試驗(yàn)系統(tǒng)的沖刷桶，并對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)的一些主要參數(shù)及原理進(jìn)行了介紹。

本文先對(duì)16組配合比的抗沖刷性能進(jìn)行試驗(yàn)研究并對(duì)沖刷試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到了水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層抗沖刷的最佳配合比為水泥∶粉煤灰∶碎石=5%∶10%∶85%。本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果為水泥粉煤灰碎石基層各項(xiàng)路用性能指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)提供了試件配制依據(jù)，為驗(yàn)證其在沖刷性能最優(yōu)的前提下其他指標(biāo)是否能達(dá)到規(guī)范要求創(chuàng)造了可靠的實(shí)驗(yàn)條件。

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