山區(qū)特重交通等級高速公路水泥穩(wěn)定碎石抗沖刷性能研究

林 超

(山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心(有限公司) 太原市 030006)

水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層板體性好，整體強度大、剛度大，經(jīng)濟(jì)性好，廣泛應(yīng)用于高速公路底基層、基層[1-3]，尤其重載交通等級高速公路。國內(nèi)外研究[4-7]表明，由于基層引起的路面損壞并非由于承載力不足，而是抗沖刷能力不足導(dǎo)致。尤其重載交通等級的高速公路，基層材料的沖刷及其引起的唧泥現(xiàn)象日益加劇[8-9]。本研究結(jié)合廣東粵西山區(qū)云茂高速公路工程實例，通過研究水泥穩(wěn)定碎石不同成型方式、不同結(jié)構(gòu)類型、不同水泥劑量、不同壓實度情況下抗沖刷性能，為本工程及粵西山區(qū)公路水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計、施工提供指導(dǎo)。

本工程交通量大，重載車輛比例大，路面結(jié)構(gòu)為20cm級配碎石墊層+20cm水泥穩(wěn)定碎石底基層+38cm水泥穩(wěn)定碎石基層+8cmGAC-25C下面層+5.5cmGAC-20C(SBS改性)中面層+4.5cmGAC-16C(SBS改性)上面層。工程所處位置降雨量大，年平均降雨量1841.7mm，地下水和地表水發(fā)育豐富，各結(jié)構(gòu)層要求較高的抗水損害能力。根據(jù)預(yù)測交通量資料，考慮車型發(fā)展趨勢、超載現(xiàn)象、經(jīng)濟(jì)發(fā)展對交通增長率的影響，將各級軸載換算為標(biāo)準(zhǔn)軸載100kN，15年內(nèi)一個車道上的累計當(dāng)量軸次為2.77×107次，屬于特重交通。

1 原材料及配合比設(shè)計

1.1 水泥

廣東云茂高速公路項目水泥采用金鷹牌P·O42.5緩凝型水泥，依據(jù)GB/T 1346-2011、GB/T 17671-1999、GB/T208-2014、GB/T 8074-2008對金鷹牌P·O42.5水泥進(jìn)行試驗，具體檢測結(jié)果如表1。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)

1.2 粗、細(xì)集料

碎石、石粉由廣東云浮地區(qū)恒安石場加工而成，為便于備料，水穩(wěn)底基層、基層擬按照20～30mm、10～20mm、5～10mm、0～5mm四檔同時備料，依據(jù)JTG E42-2005、JTG E40-2007對粗、細(xì)集料進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果如表2、表3。

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)

表3 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)

2 沖刷性能試驗

2.1 不同成型方式

表4 合成級配

以4%水泥劑量對1#配合比和2#配合比分別進(jìn)行振動成型和重型擊實試驗，試驗得到振動成型和重型擊實試驗方法的最大干密度和最佳含水率如表5所示。

表5 不同成型方式無側(cè)限試件抗沖刷試驗結(jié)果

依據(jù)JTG E51-2009 試驗規(guī)程及上述試驗得到的最大干密度和最佳含水率，以98%壓實度分別采用振動成型方法、重型擊實方法、靜壓成型方法成型Φ150mm×150mm圓柱形無側(cè)限試件，靜壓成型方法成型試件時采用重型擊實的最大干密度，另兩種成型方法采用各自對應(yīng)的最大干密度，每種配合比成型6個試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28d，浸水1d后進(jìn)行抗沖刷試驗，沖擊力峰值為0.5MPa，沖刷頻率為10Hz，沖刷時間30min。最大干密度、最佳含水率、抗沖刷試驗結(jié)果如表5所示。

(1)由表5可知，采用振動成型方法得到的最大干密度比重型擊實試驗得到的最大干密度大5%左右，采用振動成型方法得到的最佳含水率比重型擊實試驗得到的最佳含水率小[10]。兩組配合比采用振動成型的無側(cè)限試件抗沖刷性能最好，采用重型擊實成型的無側(cè)限試件抗沖刷性能次之，采用靜壓成型的無側(cè)限試件抗沖刷性能最差。切開芯樣，通過觀察芯樣內(nèi)部，振動成型的無側(cè)限試件比重型擊實、靜壓成型的無側(cè)限試件密實程度高，空隙率小，通過激振力作用，粗、細(xì)集料顆粒不斷重新排列，碎石基本沒有被壓碎的現(xiàn)象，形成密實的結(jié)構(gòu)，抗沖刷性能最好。采用靜壓成型的無側(cè)限試件，粗、細(xì)集料在裝入試筒時位置已基本固定，不能移動重新排列，且因加載速率以1mm/min保持恒定不變，部分碎石由于針、片狀顆粒含量較大、壓碎值較大的原因，有被壓碎的現(xiàn)象，合成級配已發(fā)生變化，粗集料減少，細(xì)集料增多，粗集料被壓碎后新產(chǎn)生的粗、細(xì)集料界面無水泥漿包裹，導(dǎo)致試件抗沖刷性能降低。

(2)從1#配合比和2#配合比對比分析可知，1#配合比0～5mm摻配比例大，石粉偏多，相同成型方式情況下，沖刷作用下細(xì)集料被剝落，且有少許粗集料被剝落的現(xiàn)象，質(zhì)量損失大，同工況抗沖刷性能比2#配合比差。

2.2 不同結(jié)構(gòu)類型

本研究采用振動成型方法設(shè)計三種不同結(jié)構(gòu)類型的配合比，分別為懸浮密實結(jié)構(gòu)、骨架密實結(jié)構(gòu)、骨架空隙結(jié)構(gòu)，試驗得到三種結(jié)構(gòu)類型的最大干密度及最佳含水率。以振動成型方式，98%壓實度對三種結(jié)構(gòu)類型成型無側(cè)限試件，分別進(jìn)行抗沖刷性能試驗。配合比及沖刷試驗結(jié)果如表6～表8所示。

表6 不同結(jié)構(gòu)類型的配合比

表7 合成級配

表8 不同結(jié)構(gòu)類型無側(cè)限試件抗沖刷試驗結(jié)果

由表8試驗結(jié)果可知，骨架空隙結(jié)構(gòu)的無側(cè)限試件抗沖刷性能最好，骨架密實結(jié)構(gòu)的無側(cè)限試件抗沖刷性能次之，懸浮密實結(jié)構(gòu)的無側(cè)限試件抗沖刷性能最差。骨架空隙結(jié)構(gòu)中粗集料占比達(dá)到82%，起主要骨架作用，細(xì)集料摻量僅為18%，雖空隙較多，細(xì)集料摻量少，沖刷作用下細(xì)集料被剝落的較少；骨架密實結(jié)構(gòu)中粗集料形成骨架結(jié)構(gòu)，空隙完全由細(xì)集料填充密實，整體結(jié)構(gòu)密實性好，但細(xì)集料摻量較骨架空隙結(jié)構(gòu)中細(xì)集料摻量多16%，在沖刷作用下部分細(xì)集料被沖刷掉；懸浮密實結(jié)構(gòu)中細(xì)集料含量達(dá)到45%，沖刷作用下質(zhì)量損失最多。兼顧水泥穩(wěn)定碎石其他方面的路用性能，在多雨水地區(qū)，特重交通等級高速公路底基層、基層設(shè)計時，建議優(yōu)先選用骨架密實型結(jié)構(gòu)類型，抵抗水損害性能最佳。

2.3 不同水泥劑量

采用骨架密實結(jié)構(gòu)礦料的摻配比例，20～30mm∶10～20mm∶5～10mm∶0～5mm =19%∶29%∶18%∶34%，設(shè)計3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%水泥劑量，以最大干密度2.465g/cm3，最佳含水率5%，98%壓實度振動成型五組無側(cè)限試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28d、浸水1d后進(jìn)行抗沖刷試驗，試驗結(jié)果如表9所示。

表9 不同水泥劑量無側(cè)限試件抗沖刷試驗結(jié)果

由表9試驗結(jié)果可知：

基于中央空調(diào)主機(jī)是主要的耗電設(shè)備，由于人為管理的不及時可能造成電能的浪費。中央空調(diào)主機(jī)智能節(jié)電系統(tǒng)提供了很好的節(jié)電解決辦法：智能管理系統(tǒng)。中央空調(diào)主機(jī)智能節(jié)電系統(tǒng)的基本原理是把空調(diào)主機(jī)以往的工作方式，改變成根據(jù)使用環(huán)境的需要來進(jìn)行合理匹配調(diào)節(jié)工作的方式，讓所有供給都反映為實際需求，從而不浪費供給，達(dá)到節(jié)能的目的。

(1)隨著水泥劑量的增大，沖刷質(zhì)量損失逐漸變小，抵抗沖刷的能力逐漸變強。

(2)4.0%水泥劑量比3.5%水泥劑量無側(cè)限試件的沖刷質(zhì)量損失降低了34.1%，但4.5%水泥劑量比4%水泥劑量無側(cè)限試件的沖刷質(zhì)量損失僅降低了15.4%，降低幅度不明顯。在山區(qū)特重交通等級高速公路底基層設(shè)計時，考慮經(jīng)濟(jì)性及抗水損害的能力，建議采用4.0%的水泥劑量。

(3)5%水泥劑量比4.5%水泥劑量無側(cè)限試件的沖刷質(zhì)量損失降低了39.7%，但5.5%水泥劑量比5%水泥劑量無側(cè)限試件的沖刷質(zhì)量損失僅降低了6.6%。5%水泥劑量和5.5%水泥劑量的試件抗沖刷性能相差不大，考慮經(jīng)濟(jì)性、抗水損害性能及減少水泥穩(wěn)定碎石裂縫，在山區(qū)特重交通等級高速公路基層設(shè)計時，建議采用5.0%的水泥劑量。

2.4 不同壓實度

采用骨架密實結(jié)構(gòu)配合比，20～30mm∶10～20mm∶5～10mm∶0～5mm∶水泥 =19%∶29%∶18%∶34%∶4%，以最大干密度2.465g/cm3，最佳含水率5%，96%、97%、98%、99%、100%的壓實度分別振動成型五組無側(cè)限試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28d，浸水1d后進(jìn)行抗沖刷試驗，試驗結(jié)果如表10所示。

由表10試驗結(jié)果可知：

(1)97%壓實度比96%壓實度無側(cè)限試件的沖刷質(zhì)量損失降低了37.9%，成型壓實度越大，無側(cè)限試件越密實，沖刷質(zhì)量損失越少，抗沖刷性能越好。

表10 不同壓實度無側(cè)限試件抗沖刷試驗結(jié)果

(2)98%壓實度比97%壓實度無側(cè)限試件的沖刷質(zhì)量損失降低了38.7%，98%壓實度成型的無側(cè)限試件抗沖刷性能明顯提高，在年平均降雨量較大、地下水和地表水發(fā)育豐富的山區(qū)特重交通等級高速公路底基層設(shè)計時，底基層壓實度建議按照98%控制。

(3)99%壓實度比98%壓實度無側(cè)限試件的沖刷質(zhì)量損失降低了28.5%，100%壓實度比99%壓實度無側(cè)限試件的沖刷質(zhì)量損失降低了5.1%。100%壓實度比99%壓實度的無側(cè)限試件抗沖刷性能相比較降低幅度不大，但99%壓實度比98%壓實度無側(cè)限試件抗沖刷性能提高較大。基層做為路面結(jié)構(gòu)的主要承重層，水損害將嚴(yán)重影響路面性能及使用年限，在年平均降雨量較大、地下水和地表水發(fā)育豐富的山區(qū)特重交通等級高速公路基層設(shè)計時，基層壓實度建議按照99%控制。

3 結(jié)論

(1)振動成型、重型擊實、靜壓成型三種成型方式相比，振動成型法通過激振力作用，粗、細(xì)集料顆粒不斷重新排列，形成密實的結(jié)構(gòu)，抗沖刷性能最好，重型擊實法成型的無側(cè)限試件抗沖刷性能次之，靜壓成型法成型的試件抗沖刷性能最差。相同成型方式情況下，配合比中細(xì)集料摻量越多，抗沖刷性能越差。

(2)骨架空隙結(jié)構(gòu)的無側(cè)限試件抗沖刷性能最好，骨架密實結(jié)構(gòu)的無側(cè)限試件抗沖刷性能次之，懸浮密實結(jié)構(gòu)的無側(cè)限試件抗沖刷性能最差。兼顧水泥穩(wěn)定碎石其他方面的路用性能，在多雨水地區(qū)，特重交通等級高速公路底基層、基層設(shè)計時，建議優(yōu)先選用骨架密實結(jié)構(gòu)類型。

(3)隨著水泥劑量的增大，沖刷質(zhì)量損失逐漸變小，抵抗沖刷的能力逐漸變強。考慮經(jīng)濟(jì)性、抗水損害性能及減少水泥穩(wěn)定碎石裂縫，在山區(qū)特重交通等級高速公路水泥穩(wěn)定碎石基層設(shè)計時，建議采用5.0%的水泥劑量；水泥穩(wěn)定碎石底基層設(shè)計時，建議采用4.0%的水泥劑量。

(4)成型壓實度越大，無側(cè)限試件越密實，沖刷質(zhì)量損失越少，抗沖刷性能越好；在年平均降雨量較大、地下水和地表水發(fā)育豐富的山區(qū)特重交通等級高速公路水泥穩(wěn)定碎石施工質(zhì)量控制時，底基層壓實度建議按照98%控制，基層壓實度建議按照99%控制。底基層與基層壓實度均比《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》中的壓實度要求提高一個百分點。

(5)通過研究山區(qū)特重交通等級高速公路水泥穩(wěn)定碎石抗沖刷性能，為本工程及粵西山區(qū)公路水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計、施工提供指導(dǎo)依據(jù)。