《武汉工程大学学报》 2015年09期
57-61
出版日期：2015-09-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
水泥稳定碎石基层抗冲刷性能的试验研究
０ 引 言水泥稳定碎石具有强度高、刚度大、稳定性好、造价低廉等特点，是目前乃至今后相当长一段时期内各级公路主要的基层形式. 大量的路况调查表明，目前我国许多路面使用寿命严重不足，早期病害十分普遍. 其中，水泥稳定碎石基层抗冲刷性能不足是主要原因之一［１］，例如水泥混凝土路面的断板、错台、唧泥等病害，沥青路面的裂缝、唧浆、沉陷等破坏. 虽然《公路水泥混凝土路面设计规范》（ＪＴＧ Ｄ４０－２０１１）提到基层应具有足够的抗冲刷能力［２］，《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（ＪＴＧ Ｅ５１－２００９）介绍了无机结合料稳定材料抗冲刷试验方法［３］，但都没有给出抗冲刷性能的控制指标［４］，导致的结果是只重视水泥稳定碎石基层的强度，忽视对其抗冲刷性能的控制. 本研究采用自行研制的冲刷仪，对骨架密实与悬浮密实两种不同结构类型的水泥稳定碎石进行冲刷试验，并对比两者在不同时段以及不同水泥用量下的冲刷试验结果，从而分析出它们之间的影响规律，进而评价水泥稳定碎石基层的抗冲刷性能. １ 水泥稳定碎石基层配比设计１．１ 水泥稳定碎石基层级配设计对骨架密实结构的级配设计，借鉴沙庆林院士提出的ＳＡＣ系列矿料级配设计思想［５］，粗细集料的分界线统一定为４．７５ ｍｍ，做矿料级配时，采用三个控制点. 第一个控制点是公称最大粒径（２６．５ ｍｍ）的通过率，设定为９５％；４．７５ ｍｍ筛孔的通过率为第二个控制点，设定为２５％；第三个控制点为０．０７５ ｍｍ筛孔的通过率，设定为３％. 利用这３个控制点，可以计算得到一条级配曲线，以这条曲线作为参照，根据实际石料筛分结果，找到一条合适的级配曲线. 试验原材料：①水泥采用湖北宜昌华新水泥厂生产的３２．５普通硅酸盐缓凝水泥；②粗集料为颗粒形状良好、坚硬的石灰岩，产于湖北荆门；③细集料为石灰岩石屑. 经检验，试验所用水泥、粗细集料各项指标均满足《公路路面基层施工技术规范》（ＪＴＪ ０３４－２０００）［６］要求. 通过ＳＡＣ设计方法得到粗细集料各个筛孔的通过率如表１所示. 骨架密实结构（ＧＭ）与悬浮密实结构（ＸＭ）各自的合成级配如表２所示. 表1 基于SAC设计方法得到的粗细集料各个筛孔的通过率Table 1 The pass rate of each mesh of the coarse and fine aggregate based on the SAC design method表2 骨架密实结构与悬浮密实结构的合成级配Table 2 Synthesis gradation of skeleton dense structure and suspended dense structure１．２ 最佳含水率和最大干密度的确定参照《公路路面基层施工技术规范》（ＪＴＪ ０３４－２０００）中对中粒土和粗粒土水泥用量的建议范围［６］，并结合以往的工程经验，采用３．５％、４．０％、４．５％、５．０％四种水泥用量. 按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（ＪＴＧ Ｅ５１－２００９）［３］的击实试验方法，采用丙法分别对水泥用量为３．５％、４．０％、４．５％、５．０％的这两种级配进行重型击实，测得每种配合比的最佳含水率ω０与最大干密度ρｍａｘ. 试验结果列于表３中. 表3 击实试验结果Table 3 The results of compaction test２ 抗冲刷性能试验２．１ 冲刷仪的研制对基层材料的抗冲刷性能，国外的试验方法主要有旋转刷损试验法和旋转剪切试验法，但两者与实际的有压水流冲刷作用有很大差异［７］. 国内主要采用的试验方法有振动台试验法和利用ＭＴＳ（材料试验系统）施加冲击力的冲刷试验法［８－９］，但难以反映实际的冲刷原理. 按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（ＪＴＧ Ｅ５１－２００９）［３］规定的参数，本课题组自行研制了一种基层材料冲刷仪，如图１所示. 本冲刷试验仪的电机通过一系列传动装置，带动冲刷头上下往复运动产生激振力，在激振力的作用下产生动水压力对试件顶面进行冲刷；当冲刷头快速上升时，在试件顶面产生泵吸作用，将表面的细料带出，从而能较真实地模拟车轮荷载作用在路面上时动水压力对基层顶面的冲刷作用. ２．２ 抗冲刷试验按照击实试验测出的最佳含水率以及取９８％压实度用静压法成型试件，试件高和直径均为１５０ ｍｍ. 试件脱模后放置在标准养护箱内养生，养生温度为２０ ℃±２ ℃，养生湿度≥９５％. 选用７ ｄ、１４ ｄ、２８ ｄ三个养生期的试件，分别对不同水泥用量的水泥稳定碎石进行冲刷试验，并对比骨架密实与悬浮密实两种不同结构类型水泥稳定碎石在相同养护期的冲刷性能. 试验采用３０ ｍｉｎ、１８ ０００次的冲刷量作为代表值. 当水泥用量分别为３．５％、４．０％、４．５％、５．０％时，骨架密实结构与悬浮密实结构７ ｄ、１４ ｄ、２８ ｄ三个养生期３０ ｍｉｎ冲刷试验结果如表４和表５所示. 图１ 冲刷试验仪Ｆｉｇ．１ Ｅｒｏｓｉｏｎ ｔｅｓｔ ａｐｐａｒａｔｕｓ注：１—机架；２—电机；３—Ｖ带；４—带轮； ５—计数器；６—连杆；７—钢板；８—定位杆；９—冲刷头；１０—钢夹；１１—可升降钢板；１２—手轮；１３—冲刷桶；１４—试件；１５—水表4 骨架密实结构不同水泥用量、不同养生期的冲刷试验结果Table 4 Erosion test results of skeleton dense structure in different cement contents and different curing periods表5 悬浮密实结构不同水泥用量、不同养生期的冲刷试验结果Table 5 Erosion test results of suspended dense structure in different cement contents and different curing periods由表４和表５可知，两种结构的冲刷量随水泥用量增加总体呈下降趋势，且骨架密实结构的抗冲刷性能好于悬浮密实结构. 在相同养生期下，对于骨架密实结构，水泥用量由３．５％增加到４．０％时，冲刷量下降缓慢；水泥用量由４．０％增加到４．５％、５．０％时，冲刷量下降明显. 对于悬浮密实结构，水泥用量由３．５％增加到４．０％、４．５％、５．０％时，试件冲刷量下降较缓慢. 表明为提高水泥稳定碎石的抗冲刷性能，除了应适当增加水泥用量外，还应优先选择骨架密实结构. 养生期为２８ ｄ时，两种结构类型的冲刷量与时间关系如图２和图３所示. 图２ 骨架密实结构冲刷量与时间关系Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｑｕａｎｔｉｔｙ ａｎｄ the ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｋｅｌｅｔｏｎ ｄｅｎｓｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ图３ 悬浮密实结构冲刷量与时间关系Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｑｕａｎｔｉｔｙ ａｎｄ the ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ ｄｅｎｓｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 由图２和图３可知，养生期２８ ｄ时，骨架密实结构与悬浮密实结构的冲刷量均随冲刷时间增加而增大，从０到１５ ｍｉｎ内，混合料冲刷量明显增加，１５ ｍｉｎ后开始减弱，２５ ｍｉｎ后趋于平缓，表明《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（ＪＴＧ Ｅ５１－２００９）［３］中采用３０ ｍｉｎ的冲刷量评价水泥稳定碎石的抗冲刷性能是合理的. 表6 骨架密实结构各时段冲刷量Table 6 The erosion quantity of skeleton dense structure in various periods表7 悬浮密实结构各时段冲刷量Table 7 The erosion quantity of suspended dense structure in various periods养生期２８ ｄ时，骨架密实结构与悬浮密实结构各时段的冲刷量如表６、表７所示. 由表６、表７可见，两种结构类型的冲刷量在冲刷初期１５ ｍｉｎ内增加较快，此后逐渐减弱，这主要是由于水泥稳定碎石试件表面有一层细粒浆包裹，当冲刷到一定程度后，混合料的粗骨料起支承作用，从而使冲刷减弱［１０］. 因此，为节省试验时间，也可用初期１５ ｍｉｎ内的平均冲刷速率评价水泥稳定碎石的抗冲刷性能. ３ 结 语a.两种结构类型的水泥稳定碎石冲刷量随水泥用量增加总体呈下降趋势，且骨架密实结构的抗冲刷性能好于悬浮密实结构. 对于骨架密实结构，水泥用量由３．５％增加到４．０％时，冲刷量下降缓慢；水泥用量由４．０％增加到４．５％、５．０％时，冲刷量下降明显；对于悬浮密实结构，水泥用量由３．５％增加到４．０％、４．５％、５．０％时，冲刷量下降较缓慢. b.两种结构类型的水泥稳定碎石冲刷量均随冲刷时间增长而增大，初期１５ ｍｉｎ内冲刷量增加较快，而后逐渐减弱，达到２５ ｍｉｎ后趋于平缓，规范中采用３０ ｍｉｎ的冲刷量评价水泥稳定碎石的抗冲刷性能是合理的. 为节省试验时间，也可用初期１５ ｍｉｎ内的平均冲刷速率评价水泥稳定碎石的抗冲刷性能. 致 谢：本研究得到湖北省交通运输厅公路管理局的资金资助，在此表示感谢！