水穩基層材料優化選擇及其對路面性能的影響

周尚來

（甘肅順達路橋建設有限公司，蘭州 730000）

1 引言

在當今的基礎設施建設中， 道路工程涉及巨額的經濟投入，關乎公眾的出行安全與舒適度，而道路工程中，水穩基層的作用常常被低估， 實則其在確保路面持久穩定中起到了舉足輕重的作用。 選擇合適的水穩基層材料并進行優化，是確保路面長期性能和延長使用壽命的關鍵。

2 常用的水穩基層材料

2.1 傳統材料及特性

水穩基層材料是公路和道路工程的關鍵組成部分。 傳統的水穩基層材料，如石灰石、砂、粉煤灰和水泥等，經過特定的混合和壓實施工后，可以形成堅固且持久的路面基層。 （1）石灰石因其堅硬、 耐磨損且在各種環境條件下都表現良好而被廣泛使用，其天然的堿性也有助于抵抗某些化學腐蝕[1]；（2）砂則用于需要提高排水性的項目中， 其粒度和形狀可以提供良好的結構穩定性， 并有助于防止路面過于濕潤或出現積水；（3）粉煤灰作為工業副產品，可有效利用廢棄物，減少對環境的影響， 與其他材料混合時， 還能提高整體的穩定性和耐久性；（4）水泥經常被用于需要額外強度的項目中，與水混合后迅速固化形成堅固的基層，提供優異的耐久性。

2.2 新型材料及特性

隨著科技進步和可持續發展的理念深入人心， 新型的水穩基層材料逐漸受到工程師和研究者的青睞。 新型材料往往具有更強的性能、更好的耐久性或更佳的環境友好性。 其中，生態混凝土、再生材料、納米材料和高強度塑料格柵等材料已逐漸走入實踐。 （1）生態混凝土是兼具環境友好和結構性能的基層材料，包含降解成分，可逐漸融入環境中，降低材料的碳排放，在破損或老化后更容易與自然環境融合，減少對生態的干擾。 （2）再生材料，如再生瀝青和再生混凝土等，充分利用工程中的廢舊材料，經過處理和再生后能夠重新用于路面工程，有效節約資源并減少垃圾產生。 （3）納米材料已經被證明可以顯著提高基層的性能，通過納米技術，材料的微觀結構和性能得到優化，使基層具有更強的抗裂、抗老化和防水性能。 （4）高強度塑料格柵是合成材料， 能有效增強路面的負荷承載能力和耐久性。

3 選擇水穩基層材料的標準

3.1 經濟效益

道路工程的預算和經費往往對材料選擇產生決定性的影響，要求工程師不僅考慮材料的初始成本，還要考慮其全生命周期成本。 材料的初始成本包括購買、運輸和施工等費用。 高性能的新型材料可能初始投資較高，從長期來看，其使用壽命往往相較傳統水穩基層材料更長，并且由于其出色的耐久性和性能，可以減少未來的維修需求和頻率，節省大量的費用。

3.2 工程施工條件

在水穩基層材料的優化選擇過程中， 不同材料的施工工藝和可行性直接影響到工程的成功實施和最終路面性能，要綜合考慮材料特性、施工設備和環境因素，以確保材料能夠被有效使用并實現預期的性能。 粉狀材料，如水泥和石灰，施工過程中可能涉及干混或潮濕混合施工， 以確保材料能夠均勻混合并達到所需的穩定性； 碎石等顆粒狀材料應采用適當的層壓方法，能有效提高材料的密實度，增強基層的承載能力。施工工藝的可行性也與項目的時間和預算有關， 部分材料可能需要更多的時間來進行固化或干燥； 材料的采購和處理成本可能會影響工程的可行性，因此，需要進行成本效益分析，以確保材料的選擇能滿足技術要求。

3.3 環境和可持續性

隨著人們日益加強的環保意識和對可持續發展目標的追求， 水穩基層材料的環保性和可持續性已成為材料選擇的考量核心，反映了對自然資源的尊重。 水穩基層材料的采集和生產過程中產生的碳足跡是核心考量點， 應選擇在生產過程中排放較少溫室氣體的材料，有效減少工程的整體碳足跡，緩解全球變暖問題。 材料的來源方面，應關注其可持續性，優先使用當地可用的資源和再生材料，減少運輸所需的能源，同時支持循環經濟，延長資源使用壽命。 鑒于水資源的日益缺乏，應選擇生產和施工過程中消耗水資源較少的材料。 水穩基層材料的排水性能對于地下水的保護也至關重要， 優良的排水性能可以預防道路積水，減少地表徑流，保護水源和生態環境[2]。

4 水穩基層材料優化選擇的方法

4.1 試驗方法與實驗設計

為確保試驗結果的準確性和一致性， 必須采取標準化的材料制備和處理流程，所有樣品應在相同的溫度、濕度和壓力條件下制備，所有的機械測試設備都要經過校準，以避免可能的誤差。 樣品的數量和大小應保持一致，確保試驗可以在多種情況下復現，增強結果的可靠性。 進行實驗設計時，隨機化和分組是關鍵元素。 隨機化可以保證每個樣品都有同樣的機會受到任何可能的處理，消除偏見和偶然誤差；分組則允許研究者對不同的變量或處理進行比較。 為了評估材料的性能和耐久性，需要進行多種類型的試驗，如壓縮強度、抗拉強度和耐磨損性等， 模擬材料在實際道路條件下可能遭受的各種應力和壓力。 環境試驗可以評估材料在不同的氣候和環境條件下的性能，如凍融循環、長時間的紫外線暴曬或化學侵蝕。 數據分析是試驗方法的核心組成部分，使用統計工具和技術，如方差分析或回歸分析， 幫助研究者識別那些對材料性能產生顯著影響的因素，從而為優化提供有力的建議；對數據的解釋和展示，可以幫助決策者和利益相關者理解研究結果，進而做出明智的選擇[3]。

4.2 材料混合比優化技術

材料混合比優化技術對原材料成分進行精確配比， 可以實現預期的性能和耐久性， 基于對材料的深入理解和多次實驗測試的結果，找到最佳的配合比例，使得材料達到最佳的工程性能和環境適應性。 每種材料都有其獨特的物理和化學性質，如粒度、黏性、強度和耐久性，決定了材料在混合體中的角色，以及對混合體總體性能的貢獻。 深入了解原材料的性質是優化混合比的前提。 除對材料性質進行考慮外，混合比的優化還需要考慮實際施工條件和環境因素。

4.3 添加劑和改良劑的應用

在水穩基層材料的優化選擇中， 添加劑和改良劑的應用成為提升路面性能的重要策略。 聚合物能夠增強水穩基層材料的可塑性和黏結性，使顆粒間的結合更加緊密，提高基層的抗剪強度和抗變形能力。 聚合物能在材料中形成彈性體系，使基層能夠更好地適應荷載變化， 減少因荷載引起的損傷和變形，提升路面的耐久性。 纖維能夠有效提高材料的韌性和抗裂能力，形成內部的支撐網絡，阻止裂縫的擴展，提高基層的抗裂、抗風化和抗水蝕能力，改善材料在潮濕環境下的穩定性，減少路面的維修頻率和成本。 除了聚合物和纖維，其他添加劑和改良劑也在不斷的研究和應用中，如礦物摻合料、化學穩定劑等，彌補原有材料的不足，優化材料的配合比例，實現更好的性能平衡。

4.4 材料性質與性能模型

材料性能模型可通過數學和統計方法建立， 描述材料性質與性能之間的關系。 模型可以是經驗性的，基于歷史數據和觀測結果；也可以是理論性的，基于物理和化學原理。 其目的都是預測在給定的材料性質和施工條件下，材料的性能表現。在現代道路工程中， 復雜的材料性能模型可通過高級軟件進行模擬分析，處理大量的數據并進行多次迭代和優化，以提高模型準確性和可靠性。 隨著人工智能技術的應用，材料性能模型的建立和應用也會得到進一步推進。

4.5 數值模擬和計算機輔助設計

在水穩基層材料優化選擇中， 數值模擬和計算機輔助設計已逐漸成為不可或缺的技術手段。 借助先進的計算機技術，工程師能夠在虛擬環境中模擬和分析材料的性質及其與工程條件下的相互作用，得到最優的設計方案。 數值模擬主要是通過建立數學模型來描述材料和結構的行為，基于物理學、力學和化學原理精確地預測材料在各種工況下的性能表現。 計算機輔助設計則進一步提供了完整的工具集， 使工程師能夠通過計算機進行設計、分析和優化，包括對單一材料或結構的評估，以及道路工程的多個方面，如排水、交通流與其他基礎設施的相互作用。 例如，水穩基層材料的設計中，CAD 技術使工程師能夠以數字化方式創建和編輯設計圖， 輕松繪制材料的分層結構，確定不同材料的厚度、組合和排列順序；在設計過程中考慮不同荷載情況、氣候影響等條件，為材料的選擇和布置提供更科學的依據。 不僅如此，工程師還可以通過CAD 軟件模擬不同荷載下基層的受力分布和變形情況， 評估基層的穩定性和抗變形能力，以確定合適的材料參數和厚度，滿足道路的性能要求。

5 水穩基層材料對路面性能的影響

5.1 路面的耐久性

基層材料的穩定性和強度直接關系到路面在承受交通荷載時的變形能力，穩定性高的基層可以提供均勻的支撐，減少路面上的不均勻沉降或變形。基層材料應有良好的滲水性，以保證雨水或地下水迅速排除，減少水分在基層中的積聚。長時間的水分積聚會破壞材料的結構， 導致其強度下降， 影響路面的整體性能。 在凍融循環的地區，水分的凍結和融化會引發體積變化，對基層材料和上層路面造成嚴重破壞。 與路面材料的黏結性也是影響耐久性的關鍵因素， 良好的黏結能確保路面與基層之間形成連續、整體的結構，從而提供更好的荷載承載和傳遞能力。

5.2 路面的反應和舒適度

路面的舒適度不僅關乎駕駛者的體驗， 還直接影響交通安全和運輸效率。 舒適度與路面的平整度、變形性能和噪聲產生有密切關系， 均勻且穩定的基層為上層路面提供了穩固的支撐， 確保其在長期承受交通荷載的過程中能夠保持良好的平整性。 基層的彈性模量可以為路面提供一定的彈性支撐，使路面在承受交通荷載時具有一定的緩沖能力， 降低路面的振動和沖擊，提高舒適度。 具有良好孔隙結構和吸聲性質的基層材料可以有效地減少車輛行駛產生的噪聲， 提高駕駛者的舒適體驗， 而不恰當的材料選擇或施工方法可能會導致噪聲增加，對周邊環境和駕駛者造成困擾。

6 結語

綜上所述， 優化選擇的水穩基層材料不僅可以降低初期投資，更能減少長期的維護成本，為社會帶來持久的經濟與安全效益。道路的基層決定了其上層的穩定性與壽命。隨著科學技術的進步和研究的深入， 道路工程能更加精準地為不同條件和需求選擇并優化水穩基層材料，為建設更為持久、安全的交通道路提供助力。