水泥穩定碎石基層材料旋轉沖刷性能及技術標準

王 龍，李鵬飛，朱月鵬

(1. 哈爾濱工業大學 交通科學與工程學院，哈爾濱 150090；2.黑龍江省交通運輸廳工程造價總站，哈爾濱 150090)

對于半剛性基層瀝青路面，當面層出現裂紋或者由于施工不均勻產生較大空隙時，外界水分進入路面結構內部，無法排出而聚集在基層頂面，行車荷載產生的動水壓力會使基層表面細集料剝離，骨料暴露，頂面軟化，使瀝青面層脫空，進而使瀝青面層產生疲勞破壞[1-3]。因此，半剛性基層的抗沖刷評價備受道路科研工作者關注。國內對于半剛性基層材料抗沖刷性能的評價設備的研究較晚，國外學者在20世紀90年代開始采用振動臺加旋轉刷的方式進行基層材料的抗沖刷評價[4]，文獻[5-6]從理論上分析了剛性路面的沖刷唧泥破壞，1991年美國Hansen通過室內試驗得出基層材料所受到的沖刷應力峰值為70 kPa。在國內，在試驗方法方面，文獻[7-9]提出以MTS作為加載設備對基層材料動水沖刷的泵吸作用進行模擬的方法；文獻[10-11]提出以振動電機作為加載設備的模擬方法。對于評價標準，文獻[12]通過試驗，提出建立沖刷次數N與沖刷深度dN的關系，以產生5 mm 沖刷深度的沖刷次數N5來評價基層材料的抗沖刷性能；文獻[13]以抗壓強度損失率α作為其抗沖刷性能評價指標；文獻[14]通過MTS對纖維水泥穩定碎石基層材料進行了沖刷試驗，結果表明20 min后沖刷質量損失逐漸穩定,因而可以采用20 min內單位時間的沖刷速率作為評價指標；文獻[15]通過灰度關聯原理以質量損失為指標建立沖刷量的預估模型。

綜上所述，目前半剛性基層沖刷試驗的評價標準并沒有與實際路面結構中基層被沖刷后對瀝青面層疲勞破壞的影響建立聯系，所提出的技術要求僅從材料角度入手，因此本文以新型高效抗沖刷設備的開發為基礎，研究相關因素對抗沖刷性能的影響，并結合其對瀝青面層疲勞壽命的影響分析，提出抗沖刷評價指標和技術標準。

1 半剛性基層材料旋轉沖刷試驗

現行規范提出的沖刷試驗是將沖刷桶安裝在MTS試驗機上，通過壓頭的上下重復加載把水擠壓進和抽離出試件，產生動水壓力的沖刷作用，試驗時間為30 min，沖刷荷載峰值為0.5 MPa，沖刷頻率為10 Hz，以沖刷質量損失率為評價指標，該試驗的優點是可以模擬車輪在路表行駛時，水分被輪胎壓進和吸出基層的“泵吸過程”，但是缺點在于試驗過程過于復雜，試驗效率低，試驗設備昂貴，難以推廣。

1.1 設備開發

在沖刷產生破壞的成因中，車輛荷載、路面結構和基層材料性能是影響半剛性基層材料沖刷破壞的主要因素。其中車輛荷載包括了車輛軸重和行駛速度，影響動水壓力和沖刷頻率的大小，路面結構主要影響了自由水的多少，而半剛性基層材料的強度和空隙率等是影響抗沖刷能力的主要因素。半剛性基層抗旋轉沖刷的工作原理是在直徑為1 m、高為0.5 m的沖刷桶內放入6個標準試件，注入一定固定高度的清水，通過電機帶動葉片旋轉，旋轉葉片帶動水流產生沖刷力，沖刷水流對基層材料產生沖刷作用，試驗設備結構如圖1所示。沖刷能力的影響因素主要有電機的旋轉頻率、試件的浸水高度和沖刷時間等，通過不同影響因素的相互組合，以沖刷前后6個試件的質量損失率平均值作為抗沖刷性能的評價指標，計算公式為

(1)

式中：p為沖刷質量損失率；m0為試件沖刷前干重，g；m1為試件沖刷后干重，g。

(a)設備剖面圖

(b)設備外觀照片

1.2 旋轉沖刷試驗最佳參數

影響沖刷效果的參數主要有3個，分別為沖刷頻率f、試件浸水高度h和沖刷時間t，沖刷頻率f采用變頻器控制旋轉電機的轉速進行調節，調節幅度以1 Hz為步長，在0～50 Hz之間可調，該參數決定單次沖刷水流對試件的作用強度；浸水高度h是指在靜止狀態沖刷桶內水浸沒試件的高度，通過液位顯示器進行控制，控制在0～20 cm之間，該參數影響沖刷力對試件作用的均勻程度；沖刷時間t是指旋轉沖刷對試件作用的時間，采用計時器控制，該參數是沖刷作用累計效果的表征。

旋轉沖刷最佳參數試驗中試件的級配采用《公路路面基層施工技術細則》JTG/T F20—2015中的C-B-1，水泥劑量為4.5%，按照試驗規程成型壓實度為98%的圓柱形試件，試件尺寸為φ15 cm×15 cm，養生7 d后進行沖刷試驗。沖刷試驗條件選取3種浸水高度，分別為5、10、15 cm，5種沖刷頻率分別為5、10、15、20、30 Hz，3種沖刷時間分別為5、10、20 min，計算沖刷試驗后質量損失率，不同試驗工藝下的沖刷質量損失率與沖刷時間的關系如圖2所示。

(a)浸水高度h=5 cm

(c)浸水高度h=15 cm

(b)浸水高度h=10 cm

(d)沖刷頻率f=30 Hz

圖2(a)～2(c)為試件在不同浸水高度和不同沖刷頻率下質量損失率與沖刷時間的關系，由圖可以看出，在不同沖刷頻率下，隨著沖刷時間的增加，質量損失率近似成直線增長，且增長的幅度較大，浸水高度分別為5、10、15 cm時，不同沖刷頻率下的平均增長率分別為3%、5%、4%；還可以看出，隨著沖刷頻率的增加，不同沖刷時間下的質量損失率在增加，相同沖刷時間下，30 Hz頻率下的質量損失率最大，頻率增加相當于有效沖刷次數增加，所以沖刷質量損失率就大，頻率分別為10、20、30 Hz時，不同沖刷時間的平均增長率分別為2%、4%、6%；沖刷時間和沖刷頻率均是影響沖刷質量損失率的關鍵因素，兩因素體現沖刷介質對試件沖刷作用的時間總量。由圖2(d)可以看出，浸水高度的增加，試件的沖刷效果會下降，浸水高度的作用有兩個：一是決定沖刷介質能否對試件進行滿高度沖刷作用，二是決定了沖刷阻力的大小。當試件浸水高度過小時，旋轉葉片旋轉阻力小，動水不會全高度覆蓋試件，沖刷效果不理想；當試件浸水高度過大時，葉片旋轉時沖刷介質可滿高度覆蓋試件，但葉片旋轉阻力大，沖刷效果也不理想。通過前面的分析可知，在相同沖刷時間里，當沖刷頻率為30 Hz時質量損失率最大，因此，最佳沖刷頻率確定為30 Hz，圖2(d)是沖刷頻率為30 Hz時不同浸水高度和沖刷時間下的質量損失率的對比，可以看出隨著試件浸水高度的增加，質量損失率呈降低的趨勢，沖刷時間為5、10、15 min情況下，質量損失率降低的幅度分別為5.7%、5.6%、4.3%。為提高試驗效率，快速區分不同試件的抗沖刷效果，確定最佳浸水高度為5 cm，為試件高度的1/3；因為質量損失率的增幅是隨著沖刷時間降低的，因此為節約試驗時間，最佳沖刷時間確定為10 min。至此，旋轉沖刷設備的最佳試驗參數確定為沖刷頻率f=30 Hz，試件浸水高度h=5 cm，沖刷時間t=10 min，在以上3個參數作用下，單個試件表面受到沖刷的次數為72 000次。

1.3 旋轉沖刷試驗有限元分析

應用FLUENT有限元軟件，采用k-ε模型，在浸水高度為5 cm，沖刷頻率分別為10、20和30 Hz情況下，分析試件表面受到的動水沖刷力大小，明確頻率對沖刷應力的影響。計算方法采用滑動網格方法，計算結果如圖3所示。從圖3中可以看出，作用在試件上的動水沖刷力既有壓力又有吸力，可以模擬實際中的泵吸作用；在沖刷頻率f=10 Hz時，試件表面的沖刷應力為8 kPa左右，當f=20 Hz時，沖刷應力為30 kPa左右，當f增加到30 Hz時，沖刷應力為50 kPa左右，進一步說明高沖刷頻率對半剛性基層沖刷損傷巨大。文獻[16-18]對瀝青路面的空隙水壓力的模擬表明，在標準軸載以80 km/h速度行駛時基層頂面空隙水內動水壓力為50 kPa左右，該模擬結果驗證了最佳浸水高度和最佳沖刷頻率取值的合理性；對于沖刷時間，沖刷質量損失情況與沖刷時間呈線性關系，且在沖刷10 min時效果已較為明顯，車輛荷載對路面的作用呈半正弦的形式，按設計速度的不同，作用時間在0.04～0.08 s之間，選取最佳沖刷時間為10 min，可以模擬路面基層初期所受到的動水沖刷作用，同時，還滿足試驗的快速性及試驗結果的區分度。

(a)網格劃分 (b)f=30 Hz沖刷儀應力分布 (c)f=30 Hz試件應力分布

2 抗沖刷性能影響因素研究

影響水泥穩定碎石基層材料抗沖刷性能的因素主要有試件的抗壓強度、空隙率和壓實度等，試驗采用如圖4所示的5種級配，主要調控細集料的用量，使級配曲線幾乎涵蓋了常用的級配范圍，包含了3種級配類型，級配a、b屬骨架-空隙結構，級配c屬骨架-密實結構，級配d、e屬懸浮-密實結構。

圖4 試驗采用的級配曲線

2.1 無側限抗壓強度對抗沖刷性能的影響

無側限抗壓強度對沖刷性能的影響試驗研究采用級配a、級配c和級配e進行，通過摻加不同水泥劑量來調整試件的強度，水泥劑量分別采用3.5%、4.5%、5.5%、6.5%，抗壓強度均值從2.2 MPa到6.9 MPa，抗壓強度與沖刷質量損失率、水泥劑量與強度損失率關系如圖5所示。

(a)抗壓強度與質量損失率的關系

(b)水泥劑量與強度損失率的關系

圖5(a)為抗壓強度與質量損失率的關系，可以看出各個級配的沖刷質量損失率均隨著無側向抗壓強度的增加呈減小趨勢，當試件強度較低時，各級配質量損失率減小的幅度較小，當強度較高時，則降低的幅度有大幅度提高，在水泥劑量不大于3.5%時，3個級配的平均降低幅度為20%，當水泥劑量大于3.5%時，3個級配的平均降低幅度增加到了60%，前者是后者的3倍。通過回歸可以看出，抗壓強度與質量損失率的關系呈良好的拋物線規律，就質量損失率絕對值來看，由大到小的順序為級配e、級配c、級配a，這與動水沖刷作用有關，動水對試件的沖刷作用主要包括3個階段：第1階段試件表面層細集料在動水沖刷作用下剝落，質量損失率變化較??；第2階段是在細集料剝落后，內部空隙漏出，動水開始沖刷材料的骨架結構，骨架結構中產生微小裂縫，質量損失率處于較穩定狀態；第3階段是在動水沖刷下骨架結構開始破壞，局部骨架松散，粗骨料從試件上脫落，質量損失率增幅加劇。因此，在質量損失率的排序上懸浮-密實級配質量損失最大，而骨架-空隙級配波動性最大，主要是粗顆粒的松散對質量損失影響巨大。從抗沖刷角度而言，水穩碎石的抗壓強度不宜小于4.0 MPa。

圖5(b)為水泥劑量與強度損失率的關系，可以看出：隨著水泥劑量的增加，各級配的強度損失率均呈下降趨勢，說明高水泥劑量對提高抗沖刷能力具有重要作用；級配e強度下降幅度較均勻，而級配a與級配c當水泥劑量超過4.5%時，沖刷后試件的強度損失幾乎為零，從強度的形成機理來看，隨著水泥劑量的增加，細集料與水泥形成的膠漿材料的黏結力加大，這就保證了材料在動水沖刷作用下材料更不易剝落；骨架結構相對于懸浮結構，表面有著更少的細集料，粗骨料與粗骨料之間的黏結作用要比懸浮的水泥細集料膠漿強度要大，所以集料顆粒更不易剝落，但是由于骨架結構的空隙較多較大，在動水沖刷下骨架之間的黏結雖沒被完全破壞，但也受到一定沖擊，導致其強度有所下降，從抗沖刷角度而言，水泥穩定碎石的水泥(P.O 42.5)劑量不宜小于4.5%。

2.2 空隙率對抗沖刷性能的影響

基層材料的空隙率是影響動水沖刷破壞的另一個重要因素。在相同水泥劑量(4.5%)的情況下，級配a到級配e 五種級配的空隙率在5.9%～1.5%之間變動，該空隙率區間基本覆蓋了水泥穩定碎石基層的空隙率范圍，分別對該組試件進行旋轉沖刷試驗，試件的破壞情況如圖6所示。

(a)級配a (b) 級配b (c) 級配c (d)級配d (e) 級配e

圖7為質量損失率與空隙率的關系，其中圖7(a)為基于實測強度下的質量損失率與空隙率的關系，可以看出，當空隙率較小和較大時，質量損失率均較大，當空隙率處于2.5%～5.0%時，質量損失率最小，說明存在最佳空隙率范圍，因為當空隙率較大時，細集料少，粗顆粒間的黏附性不足，粗顆粒的散落導致質量損失率增加，當空隙率小時，細集料較多，而沖刷作用的前期是以細集料脫離試件為主，因而，質量損失率也大；當空隙率適中時，級配中粗、細集料比例適當，粗顆粒周邊有足夠的水泥膠漿包裹，在相同沖刷力的作用下質量損失率會減?。灰虼?，從試驗結果看，抗沖刷最佳的空隙率在2.5%～5.0%之間。

相同水泥劑量下的試件，級配不同，其強度也不同，抗沖刷能力也不同，為消除抗壓強度的影響，按照強度與質量損失率的二次函數關系，將不同級配換算到同一強度進行比較，圖7(b)為基于強度相同原則下空隙率與沖刷質量損失率的關系，可以看出，其變化規律為反S曲線，在空隙率較小和較大時，質量損失率的變化率均很大，當空隙率在2.5%～5.0%之間時，質量損失率變化較小，一方面是材料的骨架結構影響了試件的強度，使其表面更不易剝落，另一方面是材料表面細集料含量的多少影響其抗沖刷性能。

(a)基于實測強度原則

(b)基于強度相同原則

2.3 壓實度對抗沖刷性能的影響

考慮壓實度對抗沖刷性能的影響，試驗選取級配a、級配c、級配e 三種級配，壓實度分別選取100%、98%、95%進行抗沖刷試驗，水泥劑量均采用4.5%，圖8為壓實度與質量損失率和強度損失率的關系。從圖8可以看出，相同級配情況下，材料在旋轉沖刷作用下的質量損失率和強度損失率隨著壓實度的增加而減小，一方面是由于壓實度較小造成強度的減小，另一方面是由于壓實度較小，材料整體更加不密實，空隙增加，有更多動水可以進入到空隙中。對比不同級配的質量損失率，由大到小的排序為級配e、級配c、級配a，即細集料較多的級配類型，壓實度減小所帶來的質量損失率更大；而在強度損失率方面，其排序則完全相反，由大到小排序為級配a、級配c、級配e，骨架-密實級配仍處于中間狀態，說明其優越性。從施工控制角度來講，對于密實-懸浮級配要加強壓實，最低壓實度應大于98%，對于骨架-空隙級配則要提高水泥劑量以增加強度來滿足抗沖刷要求，而骨架-密實型級配，其抗沖刷的穩定性最好。

(a)質量損失率

(b)強度損失率

3 抗沖刷性能技術標準

水泥穩定碎石基層材料的抗沖刷技術要求必須考慮道路服役地區的氣候特征，而且還要考慮沖刷質量損失對瀝青面層疲勞壽命的影響，結合兩因素提出技術標準。

3.1 沖刷質量損失對瀝青層疲勞壽命影響分析

由于動水沖刷作用所帶來的質量損失和強度損失，表現在路面結構中主要會帶來路表唧泥和基層表面出現軟化從而導致瀝青面層疲勞破壞，所以在材料設計階段，要對基層材料的抗沖刷性能提出要求。采用Abaqus有限元二維模型分析基層材料表面在不同脫空面積下，路表彎沉值的變化和瀝青面層疲勞壽命衰減情況來提出質量損失率控制標準，幾何尺寸采用單車道3.75 m寬，各層材料參數[19]見表1。基層頂面脫空區域采用圓錐形狀，結構模型如圖9所示。加載形式采用靜力加載，標準軸載為0.7 MPa?；鶎硬牧蠜_刷損失按照質量與體積的等量換算，沖刷損壞區域寬度等于荷載作用寬度的1.5倍，基層材料被沖刷松散后仍留存在結構中，松散部分取模量為100 MPa(松散未壓實集料模量)，得到在不同質量損失情況下的瀝青面層層底拉應變與頂面豎向彎沉見表2，質量損失率與彎沉和瀝青層底拉應變的關系如圖10所示。

表1 模擬分析中路面結構與材料參數

(a)路面結構三維模型圖

(b)路面結構剖面圖

表2 不同質量損失率下的彎沉和拉應變

從圖10可以看出隨著沖刷質量損失率的增加，基層頂面脫空的深度和面積逐步擴大，彎沉與瀝青層底拉應變在增加，在質量損傷率較小時，彎沉和層底拉應變均有大幅度增加，當質量損失率在0.5%～6%之間時，彎沉和層底拉應變的增幅趨勢變緩，當質量損失率超過6%時，彎沉和層底拉應變均趨于穩定，即脫空后的彎沉和層底拉應變主要受松散的基層材料影響。

(a)彎沉變化

(b)層底拉應變變化

在2017版瀝青路面設計規范中，要對瀝青路面層的疲勞開裂進行驗算，疲勞開裂驗算公式為

(2)

根據此公式計算在不同質量損失率的情況下的瀝青路面疲勞壽命降低率[20]，不同質量損失率下的疲勞壽命與未破壞的疲勞壽命比值變化趨勢如圖11所示。

從圖11中可以看出，在質量損失率較小時，基層被軟化的初期，瀝青面層的疲勞壽命較高，但隨著質量損失率逐漸加大，疲勞壽命比下降非常快，當質量損失率在1%左右，疲勞壽命比下降了0.4左右，疲勞壽命有所降低；當沖刷質量損失率達到4%時，疲勞壽命比的變化趨于平緩，此時的疲勞壽命比約為0.3，即瀝青面層的疲勞壽命約為基層良好狀態下的30%；當沖刷質量損失為10%時，疲勞壽命比約為0.2。這就是為什么基層頂面出現沖刷翻漿現象后，若不及時維修封水，翻漿區域瀝青面層就會很快出現疲勞破壞的原因。

圖11 基層沖刷質量損失率與瀝青面層疲勞壽命的關系

3.2 抗沖刷設計技術標準

水泥穩定碎石基層材料的沖刷問題不僅與降雨量的大小有關，還與冰凍有關，在兩因素的耦合作用下，通過凍融循環后的沖刷試驗可知，水泥穩定碎石的沖刷質量損失會提高1.2～1.5倍。因此，根據年平均降雨量(400 mm)和1月份最低氣溫把全國分為4個區：東北季凍區(Ⅰ區包括黑龍江、吉林、遼寧和內蒙古東北區域)，西北半干旱區(Ⅱ區包括西藏、新疆、青海、寧夏、甘肅和內蒙古中西部等地區)，中部半濕潤區(Ⅲ區包括四川、陜西、山西、河南、河北和山東等)，東南部濕潤地區(Ⅳ區包括云南、貴州、湖北、湖南、江西、安徽、江蘇、浙江、福建、廣東、廣西和海南等)。

各地區可根據本地區的氣候特征，根據圖11的關系，確定本地區的容許疲勞壽命比，進而確定半剛性基層材料的抗沖刷技術標準，即容許沖刷質量損失率。以黑龍江為例全年有90 d左右的降雨時間，而基層材料處于飽和水-荷載共同作用的時間較短，同時考慮冰凍的影響，擬定疲勞壽命比不應小于60%，則容許的質量損失率為1.0%。所以在只考慮沖刷作用對路面的破壞時，對于性能要求高或降雨時間長的環境，確定容許試驗質量損失率為1%，對于降雨時間短的地區或無冰凍地區，容許質量損失率不超過1.5%?；诖嗽瓌t，提出水泥穩定碎石基層抗沖刷技術要求，即Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區、Ⅳ區，沖刷質量損失率應分別小于1.0%、1.5%、1.5%、1.3%。

4 結 論

1)通過不同參數下的沖刷試驗和理論模擬，提出水泥穩定碎石旋轉沖刷試驗的最佳試驗參數，參數組合：浸水高度為5 cm，沖刷頻率為30 Hz，沖刷時間為10 min。

2)對不同無側限抗壓強度的水泥穩定碎石基層試件進行沖刷試驗，各個級配的沖刷質量損失率隨著無側向抗壓強度的增加呈拋物線趨勢減小，從抗沖刷角度而言，水泥穩定碎石的水泥(P.O 42.5)劑量不宜小于4.5%，材料設計強度不應小于4.5 MPa。

3)對不同空隙率和壓實度的半剛性基層材料進行沖刷試驗，試驗結果表明，抗沖刷最佳空隙率在2.5%～5%之間，壓實度應大于98%。

4)有限元結構分析表明，在質量損失率小于0.5%時，彎沉和層底拉應變均有大幅度增加，當質量損失率在0.5%～6%之間時，增幅趨勢變緩，當質量損失率超過6%時，彎沉和層底拉應變均趨于穩定。

5)根據瀝青路面疲勞驗算公式，得到疲勞壽命比和質量損失率之間的關系，基于此，提出水泥穩定碎石基層抗沖刷技術要求區劃，并提出不同區劃抗沖刷技術標準。