水泥粉煤灰穩定碎石基層抗沖刷試驗研究

黃 靜

(宜賓市投資集團有限責任公司，四川宜賓644000)

1 沖刷試驗儀器評價

目前，國內外對抗沖刷試驗儀器的研究還不夠深入，近些年也沒有研制出新的儀器，抗沖刷性能是基層路用性能中很重要的一個方面，為了對抗沖刷性能進行研究，文章首先對國內外現有的沖刷儀器作簡單介紹。

1.1 國內外現有儀器介紹

本文主要是對水泥粉煤灰穩定碎石的抗沖刷性能進行研究，作為一種半剛性基層材料，目前國內外對其抗沖刷性能的研究還不多，研究的時間也比較短。從近幾年的相關報道得知，法國與澳大利亞對于半剛性基層材料抗沖刷性能研究起步較早，他們都研發出了針對抗沖刷性能試驗的儀器設備，法國所研制出的設備有旋轉刷(圖1)和振動臺(圖2)，而澳大利亞所研制出來的同樣是振動臺(圖3)，試驗設備的工作原理基本相同，只是對于試驗設備的一些參數選擇以及所要求的試驗試件尺寸有所不同。

與國外相比，國內關于半剛性基層抗沖刷性能的研究相對比較晚。目前國內現有沖刷試驗設備做要有：MTS萬能材料試驗平臺、振動臺、路面材料試驗機以及沖刷模擬試驗機。但是這些試驗裝置都或多或少在設計或者功能上存在不足之處。比如：在以上這些試驗裝置中都沒有對試件的側面部分、底部采取保護措施，在沖刷試驗過程中，由于側面松散可能會出現細集料掉落的現象。還有就是在將試件取出的時候也難免會磕磕碰碰導致外表集料脫落，如果把這些因磕碰掉落的集料計算到沖刷量之中去，會導致試驗數據偏大。另外，在沖刷試驗中對裝置的試驗參數控制不精確，無法保證試驗的同一性。這些方面都是在實驗中需要多加注意的地方。

圖1 法國旋轉刷試驗裝置

圖2 法國振動臺試驗裝置

圖3 澳大利亞振動臺試驗裝置

1.2 UTM-100多功能材料試驗系統

為了能夠滿足水泥粉煤灰穩定碎石基層抗沖刷性能試驗的要求，更加真實的對路面基層受沖刷作用的實際情況進行模擬，試驗設備必須滿足以下要求。

(1)必須能夠提供沖擊荷載來模擬路面行車荷載對路面的作用。

(2)該試驗裝置必須能夠非常精確的對沖刷作用頻率、沖刷作用力大小進行控制。

(3)該沖刷試驗裝置試驗之后所得到的沖刷試驗數據的變異性必須控制在一個范圍內，并且必須要有足夠的穩定性。

為了達到以上幾點要求，選取沖刷試驗裝置時應該確定以下幾項原則。

(1)試驗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作用里的大小和頻率。

(2)為了防止在試驗過程中試件出現非沖刷作用所帶來的質量損失，必須對試件采取固定措施。

2 沖刷試驗方法研究

2.1 試驗準備

2.1.1 試驗試件準備

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

2.1.2 試驗儀器準備

本文中水泥粉煤灰穩定碎石基層抗沖刷試驗所使用的試驗設備是將UTM-100多功能材料試驗系統(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，擰緊四個角上面的羊角螺絲，向沖刷桶內注入清水至試件頂部超過10mm。

圖4 UTM-100伺服液壓多功能材料試驗系統

圖5 沖刷桶

2.2 實驗儀器主要原理與技術參數

UTM-100伺服液壓多功能材料試驗系統與MTS試驗平臺的工作原理相同，主要是通過上壓頭提供一個瞬時荷載，使沖刷桶內處于半封閉狀態的水快速壓縮從而產生一個比較大的動水壓力；而在試驗裝置上壓頭向上運動即一個瞬時向上的卸載過程，這時會出現一個很大負壓使半封閉狀態的水快速膨脹而產生向上的泵吸作用，這就完成了一個沖刷循環作用[5]。試驗裝置能夠提供周期性的瞬時加載與卸載作用，因此可以很真實的模擬路面行車荷載的重復沖刷。此試驗裝置的主要技術參數為：

(1)壓頭作用在十字形加力架上對試驗試件施加作用力，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這條鋸縫實現對圓柱形試件的沖刷作用；

(3)壓頭瞬時加載過程中會產生一個大小為60～100kPa左右大小的動水壓力對圓柱形試件的表面形成沖刷作用；

(4)在壓頭向上瞬時卸載時，之前加載所產生的動水壓力會馬上降為零，在這個變化過程中，水會從壓頭處向外排出，這時在水排出的過程中會對試件表面產生一次泵吸作用，將試件表面的松散細集料全部帶入到沖刷桶中；

(5)瞬時荷載的作用頻率為10Hz，也就是每0.6s完成一次沖刷循環；

(6)試驗裝置能夠提供反復的加載與卸載過程，這樣可以真實的模擬行車荷載對路面基層的沖刷作用，經過一定時間的沖刷作用之后，統計出試件在整個過程中的沖刷損失量，這個值的大小就是評價水泥粉煤灰穩定碎石基層抗沖刷性能的指標。

3 試驗結果及其分析

本文在室內成型不同粉煤灰與水泥摻量的沖刷試件，就是為了通過沖刷試驗結果分析出兩者對水泥粉煤灰穩定碎石基層抗沖刷性能的影響，得出一個抗沖刷性能最佳且能滿足各項基本指標的最優配合比，以便其推廣應用。試驗的總體思路是先對配合比不同的各組試件直接進行抗沖刷性能試驗，然后對試驗結果進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它的其他路用性能指標進行試驗研究，驗證該配比試件各路用性能指標能否滿足規范要求。

3.1 沖刷后試件外觀與分析

根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》每個試驗試件的沖刷時間為30min，如圖6為180d齡期不同水泥粉煤灰穩定碎石配合比試件沖刷結束后外觀圖。

圖6 180 d 齡期沖刷試驗后的水泥粉煤灰穩定碎石試件

3.2 試件沖刷結果與分析

表1為不同配合比在不同齡期受沖刷作用后質量損失情況。

表1 不同齡期和配合比的混合料沖刷質量損失

對表1的試驗數據進行分析可知，水泥粉煤灰穩定碎石基層的抗沖刷性能會隨著混合料中水泥含量的增加而有所提高，一般來說水泥含量高則抗沖刷能力必然比較好。本文分別對水泥含量為1%、3%、5%、7%的混合料進行了沖刷試驗，從試驗數據來看，水泥含量為7%的混合料的在沖刷試驗過程中試件的質量損失最小，因此抗沖刷能力最強的是水泥含量為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。

綜合以上結果，混合料中水泥劑量的多少會對其干縮性能產生很大的影響，7%的水泥含量對基層的抗裂性能不利。另外，本章對粉煤灰的再回收利用主要目的是達到經濟節約的效果，但是過高的水泥含量會增加成本。還有，從表1中的數據中可以看出，在水泥含量從3%增加到5%的過程中，水泥粉煤灰穩定碎石基層的抗沖刷性能得到了很大的提高，但是當水泥含量又5%增加到7%的過程中，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%是一個比較合理的選擇。

圖7 180 d沖刷質量損失

對水泥含量為5%的四組混合料試件受沖刷情況進行分析，上圖7為齡期180d四組試件的質量損失情況，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可以看出當粉煤灰含量為10%的混合料試件質量損失最少，而同樣的情況也出現在齡期分別為7d、28d、90d的試件當中，因此，可以認為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足規范要求，以后將對其進行驗證。

4 結束語

針對目前水泥粉煤灰穩定碎石基層抗沖刷性能研究較少的情況，本文首先對國外的各種沖刷儀器進行了介紹，提出采用UTM-100多功能材料試驗系統對試驗試件進行抗沖刷性能研究。為了方便試驗的進行，本文特制作了一個用于配合UTM-100多功能材料試驗系統的沖刷桶，并對試驗系統的一些主要參數及原理進行了介紹。

本文先對16組配合比的抗沖刷性能進行試驗研究并對沖刷試驗結果進行分析，得到了水泥粉煤灰穩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%。本文實驗結果為水泥粉煤灰碎石基層各項路用性能指標進行試驗提供了試件配制依據，為驗證其在沖刷性能最優的前提下其他指標是否能達到規范要求創造了可靠的實驗條件。

[1]J.Adamsone，Effectofoilshaleashapplicationonleachingbehaviorofarablesoils：Anexperimentalstudy，EstonianAcademyPublishers，2010

[2] 聶午龍.水泥混凝土路面基層材料抗沖刷性能研究[D].長安大學，2009

[3] 沙愛民，胡力群.半剛性基層材料抗沖刷性能試驗方法研究[J].中國公路學報，2002，15(2)

[4] 黎霞.公路基層材料抗沖刷試驗研究[J].公路工程，2007，32(6)

[5]Béatrice，LevasseurMetalsRemovalfromMunicipalWasteIncineratorFlyAshesandReuseofTreatedLeachates[J].UdergroundSystem，2006