梁國(guó)烯， 王子昂， 劉宏富， 黃云涌

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

中國(guó)高等級(jí)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(shí)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(xì)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(jìn)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(duì)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(yàn)儀，以石灰、粉煤灰(二灰)穩(wěn)定碎石作為對(duì)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(yàn)儀器

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

圖1 沖刷試驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)示意圖(單位：cm)

以沖刷試驗(yàn)儀的水箱作為試驗(yàn)平臺(tái)，水箱中注水以模擬半剛性基層材料在浸水時(shí)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(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。試驗(yàn)時(shí)偏心驅(qū)動(dòng)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(yàn)儀每分鐘可加載162次。為模擬實(shí)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(shí)橡膠板與試件表面產(chǎn)生動(dòng)水壓力，對(duì)試件表面形成沖刷作用。經(jīng)理論計(jì)算，結(jié)合實(shí)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(qiáng)為(0.7±0.5) MPa，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)軸載車輛通行時(shí)輪胎對(duì)路面產(chǎn)生的壓強(qiáng)。

2 沖刷試驗(yàn)方案

2.1 材料及試驗(yàn)配比方案

試驗(yàn)采用韶峰牌425號(hào)普通硅酸鹽水泥、3級(jí)消石灰粉、株洲電廠生產(chǎn)的3級(jí)粉煤灰，集料為產(chǎn)自鄧家塘料場(chǎng)的石灰?guī)r石料。

試驗(yàn)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(duì)比方案。共設(shè)計(jì)9種基層試驗(yàn)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(jí)配設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果見表2。

表1 試驗(yàn)材料配比方案

表2 半剛性基層材料的級(jí)配

2.2 試驗(yàn)步驟

對(duì)9種配比方案分別進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，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(yàn)結(jié)果

采用振動(dòng)擊實(shí)法，按98%的壓實(shí)度成型30 cm(長(zhǎng))×30 cm(寬)×20 cm(高)的板狀試件進(jìn)行沖刷試驗(yàn)。每種方案成型3組試件進(jìn)行平行試驗(yàn)，以平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下將試件養(yǎng)生3個(gè)月后，采用沖刷試驗(yàn)儀進(jìn)行7萬次沖刷，測(cè)量沖刷前后構(gòu)造深度的變化，計(jì)算沖刷深度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 沖刷次數(shù)和沖刷量的關(guān)系

對(duì)9種方案的試件分別進(jìn)行沖刷試驗(yàn)，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(zhǎng)趨勢(shì)，且這種趨勢(shì)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(yàn)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(qiáng)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(gè)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(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。9種方案的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值見表3，水泥穩(wěn)定碎石7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度更高；進(jìn)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(qiáng)度提高，且增長(zhǎng)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(qiáng)，但水泥用量超過3.5%時(shí)沖刷深度減小趨勢(shì)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(qiáng)度與沖刷深度的關(guān)系曲線(見圖4)，采用最小二乘法進(jìn)行回歸分析，建立水泥穩(wěn)定碎石7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(xì)則》，重交通等級(jí)高速公路和一級(jí)公路所使用的水泥穩(wěn)定材料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為4～6 MPa。綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素和與水泥穩(wěn)定碎石的抗沖刷性能，建議在進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石材料配合比設(shè)計(jì)時(shí)采用4.3%～6.0%的水泥用量。

4 結(jié)論

(1) 開發(fā)的沖刷試驗(yàn)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(qiáng)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(qiáng)度的增大而減小。

(3) 配合比設(shè)計(jì)時(shí)建議采用4.3%～6.0%水泥用量，此時(shí)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(qiáng)度，也具有較好的經(jīng)濟(jì)性。