基于灰色關聯法的振動成型水泥穩定碎石抗沖刷性能研究

林 超

(山西省交通建設工程質量檢測中心(有限公司)，山西 太原 030006)

0 前 言

水泥穩定碎石半剛性基層板體性好，整體強度大、剛度大，經濟性好，廣泛應用于高速公路底基層、基層，尤其重載交通等級高速公路。國內外研究表明，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象日益加劇。本研究結合廣東粵西山區云茂高速公路工程實例，基于灰色關聯法分析混合料結構類型、不同水泥劑量、不同混合料含水率、不同壓實度情況、不同強度等級水泥對水泥穩定碎石抗沖刷性能影響的關聯程度。為本工程及粵西山區公路水泥穩定碎石配合比設計、施工提供指導。

本工程交通量大，重載車輛比例大，路面結構為20 cm級配碎石墊層+20 cm水泥穩定碎石底基層+38 cm水泥穩定碎石基層+8 cmGAC-25C下面層+5.5 cmGAC-20C(SBS改性)中面層+4.5 cmGAC-16C(SBS改性)上面層。工程所處位置降雨量大，年平均降雨量1 841.7 mm，地下水和地表水發育豐富，各結構層要求較高的抗水損害能力。根據預測交通量資料，考慮車廂發展趨勢、超載現象、經濟發展對交通增長率的影響，將各級軸載換算為標準軸載10 KN，15年內一個車道上的累計當量軸次為2.77×107次，屬于特重交通。

1 原材料及配合比設計

1.1 水泥

廣東云茂高速公路項目水泥采用金鷹牌P·C32.5、P·O42.5、P·Ⅱ52.5緩凝型水泥，依據GB/T 1346-2011、GB/T 17671-1999、GB/T208-2014、GB/T 8074-2008對金鷹牌P·O42.5水泥進行試驗，具體檢測結果如下表1。

表1 水泥技術指標

1.2 粗、細集料

碎石、石粉由廣東云浮地區恒安石場加工而成，為便于備料，水穩底基層、基層擬按照20～30 mm、10～20 mm、5～10 mm、0～5 mm四檔同時備料，依據JTG E42-2005、JTG E40-2007對粗、細集料進行試驗，試驗結果如下表2、表3。

表2 粗集料技術指標

表3 細集料技術指標

2 沖刷性能試驗

本研究采用振動成型方法設計三種不同結構類型的配合比，分別為懸浮密實結構、骨架密實結構、骨架空隙結構，礦料摻配比例和合成級配如下表4和下表5所示。每種結構類型水泥劑量分別為：3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%；混合料含水率分別為：4.5%、4.7%、4.9%、5.1%、5.3%；壓實度標準分別為：96%、97%、98%、99%、100%；水泥強度等級分別為：32.5、42.5、52.5。依據JTG E51-2009試驗規程，對三種結構類型，在不同水泥劑量、含水率、壓實度、水泥強度等級條件下成型φ150 mm×150 mm圓柱形無側限試件，標準養生28 d后，浸水1 d后進行抗沖刷試驗，沖擊力峰值為0.5 MPa，沖刷頻率為10 Hz，沖刷時間30 min。為方便基于灰色關聯法進行計算，將三種結構類型簡化表示為細集料摻量進行計算，懸浮密實結構、骨架密實結構、骨架空隙結構細集料摻量分別為45%、34%、18%。抗沖刷試驗結果如表6所示。

表4 不同結構類型的配合比

表5 合成級配

表6 抗沖刷性能試驗結果

由表6試驗結果可知，骨架空隙結構的無側限試件抗沖刷性能最好，骨架密實結構的無側限試件抗沖刷性能次之，懸浮密實結構的無側限試件抗沖刷性能最差。骨架空隙結構中粗集料占比達到82%，起主要骨架作用，細集料摻量僅為18%，雖空隙較多，細集料摻量少，沖刷作用下細集料被剝落的較少；骨架密實結構中粗集料形成骨架結構，空隙完全由細集料填充密實，整體結構密實性好，但細集料摻量較骨架空隙結構中細集料摻量多16%，在沖刷作用下部分細集料被沖刷掉；懸浮密實結構中細集料含量達到45%，沖刷作用下質量損失最多。隨著水泥劑量的增大，沖刷質量損失逐漸變小，低抗沖刷的能力逐漸變強；成型壓實度越大，無側限試件越密實，沖刷質量損失越少，抗沖刷性能越好；水泥強度等級越高，沖刷質量損失越少，抗沖刷性能越好，但水泥強度等級變化后，沖刷質量損失變化不明顯。

3 抗沖刷性能影響因素分析

灰色理論可以避免回歸分析方法的不足，采用灰色關聯法對抗沖刷性能試驗結果進行分析，將沖刷質量損失指定為參考數列，將抗沖刷性能影響因素中：結構類型(細集料摻量)、水泥劑量、含水率、壓實度、水泥強度等級指定為比較數列。然后對參考數列和比較數列進行無量綱化處理，計算關聯系數、計算關聯度。

表7 抗沖刷性能試驗結果無量綱化處理

逐個計算參考數列沖刷質量損失和比較數列結構類型(細集料摻量、水泥劑量、含水率、壓實度、水泥強度等級對應的絕對差值，如下表8所示，得出△min=0，△max=1.103，取ρ=0.5，計算關聯系數，如表9所示。

由表10可知，γ1>γ4>γ3>γ2>γ5，對水泥穩定碎石抗沖刷性能影響最大的因素是混合料結構類型，其次是壓實度、混合料含水率、水泥劑量，影響程度最小的是水泥強度等級。

4 結 論

(1)骨架空隙結構的無側限試件抗沖刷性能最好，骨架密實結構的無側限試件抗沖刷性能次之，懸浮密實結構的無側限試件抗沖刷性能最差。兼顧水泥穩定碎石其他方面的路用性能，在多雨水地區，特重交通等級高速公路底基層、基層設計時，建議優先選用骨架密實型結構類型。

表8 參考數列與比較數列絕對差值

表9 抗沖刷性能各影響因素關聯系數

表10 抗沖刷性能不同影響因素關聯度

(2)隨著水泥劑量的增大，沖刷質量損失逐漸變小，低抗沖刷的能力逐漸變強。成型壓實度越大，無側限試件越密實，沖刷質量損失越少，抗沖刷性能越好；水泥強度等級越高，沖刷質量損失越少，抗沖刷性能越好。

(3)通過灰色關聯理論分析計算，水泥穩定碎石抗沖刷性能關聯度最大的是混合料結構類型，其次是壓實度、混合料含水率、水泥劑量，關聯度最小的是水泥強度等級。

(4)通過研究山區特重交通等級高速公路水泥穩定碎石抗沖刷性能，為本工程及粵西山區公路水泥穩定碎石配合比設計、施工提供指導依據。