郭 瑞， 蔣 紅， 劉 沖， 陳維愿

(1.陜西理工大學 土木工程與建筑學院， 陜西 漢中 723000；2.西安公路研究院 道路養(yǎng)護研究所， 陜西 西安 710064)

道路基層在整個路面結構中起著承受荷載和分散車輪壓力的作用，其強度大小直接影響路面的使用壽命。當前，我國公路路面基層大多采用以水泥混凝土或二灰材料為主的半剛性穩(wěn)定基層。長期使用實踐表明，盡管半剛性路面基層整體強度大，抗永久變形能力強，基本能夠滿足重交通路面通行要求，但很多由基層引起的路面損壞并非承載力不足，而是因半剛性基層材料抗沖刷能力不足導致的路面破壞。國內外研究[1-3]表明，隨著交通量和汽車軸載的增加，基層材料的沖刷及由其引起的唧泥現象會日益加劇，因此，如何評價半剛性基層材料的抗沖刷性引起了道路研究人員的極大關注[4-7]。但現行路面基層評價體系中，對于半剛性基層材料在遭受動水壓力作用后強度衰減快慢，至今還沒有一個較好的評價指標。

鑒于上述原因，本文通過室內模型試驗對路面半剛性基層材料在循環(huán)動水壓力荷載作用下其表觀強度衰減規(guī)律進行了分析，并基于試驗分析結果和對于路面半剛性基層病害的調研，提出了增強道路基層抗沖刷性能建議措施，對區(qū)域內類似工程施工具有借鑒作用。

1 材料性能及試驗方法

1.1 原材料性能

1.1.1 水 泥

試驗采用秦嶺牌P.C 32.5普通硅酸鹽水泥，根據《JTG E30—2005公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》中的要求，經室內試驗測試其主要性能指標見表1。

表1 普通硅酸鹽水泥主要技術性能指標

1.1.2 石料及級配組成

試驗用礦料采用漢中地區(qū)某采石場生產的砂巖，按照《JTG E42—2005公路工程集料試驗規(guī)程》中的試驗方法，經測定其主要技術性能見表2，滿足《JTJ034—2000公路路面基層施工技術規(guī)范》中的強度要求。為對比分析水泥穩(wěn)定碎石和二灰碎石半剛性基層的沖刷疲勞性能，試驗采用相同礦料級配，其組成見表3。

表2 集料主要技術性能指標

表3 礦料級配組成

1.1.3 石 灰

試驗選用西安某公司生產的熟石灰，等級為三級，其主要技術性能指標見表4。

表4 熟石灰主要技術性能指標

1.1.4 粉煤灰

試驗選用西安灞橋電廠的粉煤灰，其主要性能指標如表5所示。

表5 粉煤灰主要技術性能指標

1.2 試驗方法

1.2.1 試件成型

首先，根據《JTG D40—2011公路水泥混凝土路面設計規(guī)范》中的規(guī)定分別確定水泥穩(wěn)定碎石和二灰碎石半剛性基層材料用量比例(水泥穩(wěn)定碎石中水泥計量為6%，二灰碎石中石灰、粉煤灰、碎石的比例為1∶4∶5)，按照設計比例精確稱量材料并拌合均勻進行重型擊實試驗，分別確定兩種半剛性基層的最大干密度和最佳含水量。然后，依據最大干密度和最佳含水量以壓實度97%采用靜壓法制備模型試件(試件高度與直徑之比為1∶1)，采用與標準抗壓試驗相同的Φ15 cm圓柱形試件，為減小試驗誤差，每種工況制作6個平行試件。試件脫模后將其置于溫度(20±2) ℃、濕度>90%的養(yǎng)生室內養(yǎng)生，直至設計標準齡期。

1.2.2 沖刷試驗

本文研究結合陜南秦巴山區(qū)某高速公路所在地的降雨量、溫度及交通量等實際狀況，初選動水壓力、沖刷時間和溫度等進行試驗。根據初步試驗結果，最終確定本次試驗動水壓力為0.7 MPa，沖刷時間24 h，沖刷溫度20 ℃。試驗選用的沖刷儀器主要由沖刷筒、橡膠筒套、控制器及空壓機等組成。試驗基本原理(如圖1所示)為：首先，通過壓力可控空壓機向裝有試件、設計溫度和劑量水的密閉沖刷筒中注入壓力，迫使沖刷板向下運動，擠壓試件表面水體，模擬受輪載作用面層擠壓層間滯留水對半剛性基層的沖刷作用；其次，待壓力加至設計值后逐漸泄壓，沖刷板向上運動，帶動試件周圍水體運動，對試件表面產生吸力作用，以模擬車輛行駛過程中輪胎與路面接觸時產生的泵吸對基層的作用。沖刷模擬試驗結束后，取出試件檫干表面水分并稱完質量，將其置于標準壓力機上，測其沖刷后的抗壓強度。

圖1 沖刷試驗原理

2 試驗結果與分析

2.1 水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層試驗結果與分析

水泥穩(wěn)定碎石作為公路工程中使用最為廣泛的半剛性基層形式之一，是由水泥膠結料和不同粒徑集料組合而成的一種復合體，其抗沖刷強度水泥膠結料、沖刷次數及壓實度等密切相關[5-9]。為分析不同因素對水泥碎石半剛性基層材料抗沖刷性能的影響，選取水泥摻量6%，壓實度98%和96%，沖刷次數0、5000、10 000、15 000、20 000次5種沖刷次數等條件進行對比試驗，不同工況條件下的試驗結果如圖2所示。

圖2 水泥穩(wěn)定碎石剩余表觀強度與沖刷次數關系曲線

從圖2可以看出，在其他試驗條件相同的情況下，隨著沖刷次數的增加，水泥穩(wěn)定碎石基層試件的沖刷剩余表觀強度隨之不斷減小，二者間呈現出線性變化規(guī)律，相關系數高達0.95以上；沖刷次數每增加5000次，不同壓實度混合料的剩余表觀強度分別平均降低約0.19 MPa和0.59 MPa；與不沖刷相比，沖刷次數從5000次增加至20 000次，不同壓實度水泥碎石混合料的剩余表觀強度分別降低0.28～0.86 MPa和0.7～2.46 MPa。對上述試驗結果，究其原因：在沖刷流水循環(huán)作用下，位于試件表面粘附于粗集料顆粒上起填充作用的細集料顆粒由于得不到水泥膠漿的有效包裹，粘附力較小，首先被剝蝕，試件表面出現斑點狀缺陷；隨著沖刷次數增加，試件表面缺陷由斑點狀逐漸演變成蜂窩狀，沖刷深度加深，粘附于粗集料顆粒表面的細集料顆粒被剝落數量逐漸增多，甚至部分粗集顆粒也被剝落，致使混合料中粗集料骨架結構裸露，表觀強度降低。相同沖刷次數條件下，隨著壓實度提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的剩余表觀強度增大，且壓實度由96%提高到98%時試件沖刷剩余表觀強度平均增大5.1 MPa。究其原因：隨著壓實度提高細集料顆粒間的空隙逐漸被水泥漿液填充，而粗集料顆粒間空隙則被細集料和水泥漿液形成的砂漿擠壓填充，隨著壓實度提高混合料結構整體趨于密實，其抗沖刷能力增強，剩余表觀強度亦隨之提高。

2.2 二灰碎石半剛性基層試驗結果與分析

基于上述水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層沖刷試驗思路，分別選取0、5000、10 000、15 000、20 000次5種沖刷次數，采用質量比石灰∶煤灰∶碎石=1∶3∶6配合比，98%和96%兩種壓實度等試驗條件進行二灰碎石抗沖刷試驗，試驗結果如圖3所示。

圖3 二灰碎石剩余表觀強度與沖刷次數關系曲線

從圖3可以看出，在其他試驗條件相同的情況下，隨著沖刷次數增加，不同壓實度二灰碎石混合料的剩余表觀強度均呈不斷減小的變化趨勢，二者間關系曲線整體呈直線變化，具有良好的線性關系，線性相關系數大于0.89，究其原因與水泥穩(wěn)定碎石混合料基層沖刷試驗結果分析相同。相同沖刷次數條件下，隨著壓實度提高二灰碎石混合料剩余表觀強度隨之增大，壓實度由96%提高到98%時試件沖刷剩余表觀強度平均增大2.8 MPa。壓實度98%和96%的二灰碎石半剛性基層混合料，沖刷次數每增加5000次，試件沖刷剩余表觀強度分別平均降低0.29 MPa和0.7 MPa；與不沖刷相比，沖刷次數從5000次增加至20 000次，不同壓實度二灰碎石混合料的剩余表觀強度分別降低0.56～1.17 MPa和1.02～2.81 MPa。分析其原因：與壓實度98%相比，壓實度96%時由于碾壓次數過小，集料顆粒間的空隙未被碾壓密實，受到動水循環(huán)沖刷作用，位于粗集料間隙內的細集料顆粒更易被淘刷出來，試件的抗沖刷性較弱，表觀強度損失率亦較快，相同外荷載作用下更容易發(fā)生破壞，其再次表明壓實度對半鋼性基層材料的抗沖刷性能具有重要影響。

2.3 不同結構類型半剛性基層試驗結果對比分析

為對比分析不同結構類型半剛性基層的抗沖刷性能，選取水泥穩(wěn)定碎石和二灰碎石兩種典型半剛性基層進行研究。分別選取兩種結構類型混合料的最佳水泥摻量6%、最佳壓實度98%等制作試件，不同沖刷次數條件下兩種混合料的試驗結果如圖4所示。

圖4 不同結構類型半剛性基層沖刷試驗結果對比

從圖4中可以看出，不同沖刷次數條件下，水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層材料的沖刷剩余表觀強度均大于二灰碎石，二者相差3.6～4.04 MPa，表明水泥穩(wěn)定碎石的抗沖刷性能優(yōu)于二灰碎石。究其原因：相同壓實度條件下，水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層材料密實度較大，結構整體性較強，且水泥水化產物，即水化硅酸鈣的膠凝性優(yōu)于二灰類材料的火山灰反應產物，因此其抗沖刷剪切性能優(yōu)于二灰碎石。進一步分析發(fā)現，二灰碎石試件遇水后，混合料中的石灰產生膨脹，受撐脹力作用，集料顆粒間空隙增大，顆粒間的有效接觸面積減小，相互粘附和支撐作用亦隨之降低，混合料結構的整體密實性遭到破壞，受循環(huán)動水壓力作用集料顆粒逐漸被沖刷掉，試件整體穩(wěn)定性和強度降低，沖刷后承受外荷載能力降低，故在進行路面基層設計時應優(yōu)先采用水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層。

3 半剛性基層材料抗沖刷性能改進措施

基于對不同路面半剛性基層材料抗沖刷性能試驗結果的分析，為提高路面基層抗沖刷性能，建議在進行路面基層設計和施工時采取以下措施。

3.1 基層材料選擇

應優(yōu)先考慮采用耐沖刷材料，建議采用水泥穩(wěn)定碎石路面基層，且進行路面基層鋪筑時應確保其壓實度不低于98%。在路面半剛性基層和面層中間加鋪一層厚度3～5 cm的瀝青混合料功能層，減小水流對基層的沖刷作用，功能層模量不應過大也不宜過小，以防止功能層由于脆性增加而產生裂縫或產生壓縮變形，模量一般為800～1400 MPa為宜。采用膠粉瀝青設置應力吸收層，以阻止水流沿路面裂縫滲入基層，對基層表面起到保護作用。

3.2 路面排水設計

做好路面排水設計，完善排水設施，確保邊溝和盲溝等路面排水設施的設計和施工符合規(guī)范要求。為阻止毛細水浸入道路基層，在地下水位較高路段應考慮設置墊層，在基層上設置瀝青下封層，不但可以減少基層受到水侵蝕，且可以防止面層水滲入基層表面后滯留使基層表面軟化。同時為使路面橫向流水及時排出道路，硬路肩橫坡坡度應不小于3%。

3.3 路面裂縫處理

為防止水流沿路面面層裂縫滲入基層內，應采用環(huán)氧樹脂等粘合劑將縫隙及時填補。在灌入粘合劑前應確保裂縫內部干燥，可采取加熱燈等設備對潮濕的裂縫進行烘干，但當縫隙內無法避免水分存在時，可以采用LLB68或LSB38等材料進行裂縫粘合處理。在使用粘合劑進行裂縫填補處理時，其固化溫度不應過高，一般應在常溫(23 ℃)條件下固化3～5 h，待粘合劑完全固化后即可開放交通。

4 結 論

通過對不同結構類型路面半剛性基層表面材料沖刷剩余強度的試驗分析，得出以下結論：

(1)相同試驗條件下，隨著沖刷次數增加水泥穩(wěn)定碎石和二灰碎石基層材料沖刷剩余表觀強度均呈現不斷減小的變化趨勢，二者間關系曲線呈線性變化，且具有良好的相關性。

(2)壓實度和結構類型對半鋼性基層材料抗沖刷性能影響較大，壓實度由96%提高到98%時水泥穩(wěn)定碎石和二灰碎石的沖刷剩余表觀強度分別平均增大5.1 MPa和2.8 MPa；進行路面基層設計時建議優(yōu)先采用水泥穩(wěn)定碎石結構。

(3)為改善路面半剛性基層抗沖刷性能，建議從基層材料選擇、路面排水設計及路面裂縫處理等方面進行改進。

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