水泥混凝土路面基层材料抗冲刷性能及疲劳特性

2022-08-03刘金亮

公路交通科技 2022年6期

刘金亮，汪胜，史柯，张超

(1.中国雄安集团基础建设有限公司,河北雄安 071700；2. 中交公路规划设计院有限公司,北京 100010； 3.长安大学材料科学与工程学院，陕西西安 710064；4. 长安大学公路学院，陕西西安 710064)

0 引言

水泥混凝土路面具有强度高，稳定性好及经济效益高等优点，在我国城乡各级公路路面结构中应用广泛[1]。然而，相比沥青路面，水泥混凝土路面较少作为高等级路面使用，其中一个重要原因即为水泥混凝土路面的早期病害。大量工程实践表明，水泥混凝土路面受车辆荷载、气候变化的影响，易过早出现如温缩裂缝、湿缩裂缝等病害，尤其在一些重交通干道上的水泥混凝土公路往往通车4～5 a就产生结构性损伤。过早的路面损伤将大大降低路面服役水平，增加养护维修成本，降低行车安全性。研究表明，水泥混凝土路面早期病害多数与水有关，水损害已成为水泥混凝土路面影响最大、最主要的损害类型[2-3]。究其原因，主要是基层材料抗冲刷性能较差，不足以抵抗行车荷载作用下水流对基层形成的冲刷作用，导致唧泥与脱空等问题的发生，进而基层出现破坏[4-7]。由此可见，研究基层抗冲刷性性能，对于减少水泥混凝土路面早期病害发生有着非常积极的意义。

从20世纪80年代起，美国等一些发达国家开始研究基层材料的抗冲刷性能。Dempsey[8]通过自行设计的冲刷试验仪器对各类不同级配基层的冲刷性能进行了研究；Van[9]通过旋转剪切、喷射冲刷等试验对水泥混凝土路面基层材料抗冲刷性；Yin等[10]开发了一种测试装置，它将调速电机的圆周运动转化为直线往复运动，并从液压部分提供垂直方向的力来冲洗；Sha等[11]开发了一种新的冲刷测试装置，可以测量半刚性基层材料受动水冲刷后的强度损失；Guo等[12]研究了混合料的结构类型对水泥稳定碎石基层抗冲刷性能影响，表明悬浮密实结构抗冲刷性能较为优异；Xu等[13]对多孔混凝土基层性能进行研究，表明粉煤灰能显著提高多孔混凝土基层的抗压强度和抗干缩性能。韩振强等[14]研究了不同基层材料的冲刷量，结果表明对于同种类型的无机结合料稳定土而言，抗冲刷能力随结合料剂量增加而增强；王绪旺等[15]采用半刚性基层冲刷量灰色预估模型，分析得到水泥剂量为5%时基层材料抗冲刷性能较好且经济性良好。目前，研究人员关于基层冲刷性能方面已经做了大量的研究，并得出了一定的规律。然而，冲刷是多种因素相互作用的共同结果，对起主导作用的因素还缺少理论证明。另外，现有研究缺乏对道路基层冲刷后疲劳损伤的分析。

基于此，为降低水泥混凝土路面病害的发生，实现路面结构的长寿命发展，本研究对基层材料的冲刷及疲劳特性展开进一步研究，应用灰色关联理论对基层的抗冲刷性能主要影响因素进行分析研究，并采用疲劳损伤理论计算基层材料低于破坏强度时的冲刷疲劳应力。

1 试验原材料及方案

1.1 原材料

本研究所用熟石灰等级为Ⅲ级，其指标见表1；粉煤灰理化性质见表2；水泥相关指标见表3；粗细集料相关测试指标见表4。

表1 熟石灰基本指标Tab.1 Basic indcators of hydrated lime

表2 粉煤灰理化性质Tab.2 Physical and chemical properties of fly ash

表3 水泥的技术指标Tab.3 Technical indcators of cement

表4 粗细集料相关指标Tab.4 Technical indcators of coarse and fine aggregate

1.2 配合比

水泥稳定碎石与二灰稳定碎石级配调整计算表见表5，调整计算表采用骨架所用4档规格集料配比为0～4.75∶4.75～9.5∶9.5～19∶19～26.5=38∶14∶32∶16。水泥稳定碎石中水泥剂量为6%，二灰稳定碎石中二灰掺量为20%，石灰与粉煤灰比为1∶3。采用静压法制备试件。采用直径∶高度=1∶1的圆柱形试件，试件直径为15 cm。

表5 水泥稳定碎石与二灰稳定碎石级配调整计算表Tab.5 Calculation table of gradation adjustment for cement stabilized macadam and lime fly ash stabilized macadam

1.3 试验方法

本研究采用的冲刷试验机由冲刷装置、压力控制装置及控制器构成。利用橡胶冲刷套筒模拟车辆行驶时产生的车轮泵吸，并通过控制动水压力实现对试件的反复冲刷，达到实际路面动水冲刷的效果。通过测定压力控制装置气压(外压)与冲刷桶内实测气压(动水压力)的关系，两者关系如图1所示。所测外压与桶内动水压力具有良好的相关性。试验中根据二者相关性，调节压力控制装置气压，以达到试验所需的动水压力。

图1 外压与动水压力相关性Fig.1 Correlation between external pressure and hydrodynamic pressure

本研究根据最佳含水量与最大干密度，按照静压法成型试件，每组配合比制备6组试件。在试件养生结束前1 d将试件浸水24 h后保持表干，称其质量m0;将试件置于冲刷试验机，分别以5.0×103，1.0×104，1.5×104，2.0×104次冲刷次数进行注水冲刷试验,而后取出试件保持表干，称其质量m1。冲刷量即为m1与m0之差。随后对冲刷试验后的试件进行抗压强度测定。

2 抗冲刷性能影响因素分析

2.1 单因素分析

本研究以水泥稳定碎石基层为例，研究影响基层抗冲刷性能的主要因素。从材料组成设计角度考虑，对压实度、水泥强度与剂量、集料级配、混合料结构与集料性质等方面进行单因素分析。

2.1.1 水泥剂量

水泥剂量可显著影响水泥稳定碎石基层抗冲刷性能，图2所示为水泥剂量与基层冲刷量的变化曲线。当水泥剂量低于2.1%时，基层呈现出较大的冲刷量，这是由于基层中水泥剂量过低，无法形成良好的水泥浆体结构，从而导致基层结构受到动水冲刷后易松散脱落。当水泥剂量超过2.1%时，基层抗冲刷性能提升显著。这是由于水泥水化产物利于增强基层强度，提升基层材料黏聚力，与碎石形成良好的骨架结构[16]。当水泥剂量大于4%时，平均冲刷量下降斜率逐渐放缓，且较高的水泥剂量易导致整体结构产生脆裂，对基层材料耐久性存在不利影响[17]。

图2 水泥剂量对基层平均冲刷量影响Fig.2 Influence of cement dosage on average scouring volume of base course

2.1.2 水泥强度等级

本研究采用32.5和42.5两种强度的水泥，水泥剂量定为4%，水泥胶砂3 d和28 d强度分别表示为f3 d和f28 d，采用骨架密实结构成型试件。如图3所示为水泥胶砂强度对水泥稳定碎石基层冲刷量影响，当龄期一致时，大致呈现出水泥胶砂强度越高其冲刷量越小的趋势。同时，养生龄期达28 d的水泥其抗冲刷性能更优异，这说明水泥水化反应的产物有利于提升混合料抗动水冲刷能力。从结构角度考虑，强度较高的水泥其抗冲刷性能越好。

图3 水泥胶砂强度对基层冲刷量影响 Fig.3 Influence of cement mortar strength on scouring capacity of base course

2.1.3 细集料含量

细集料含量对基层冲刷量有较大影响，基层受动水冲刷时首先从表面脱落的为细集料，较高的细集料含量意味着较差的抗冲刷性能。图4表明细集料含量对基层冲刷量的影响，水泥稳定碎石细集料含量对基层抗冲刷性能影响较大，基层中细集料含量越高，冲刷量随之增大。当细集料含量大于35%时，基层冲刷量呈现大幅增长态势，这是因为较高的细集料含量导致混合料呈现悬浮密实结构，较多的细集料与水泥形成水泥细集料胶砂，当受到动水冲刷时氢氧化钙出现溶蚀现象，导致基层强度减弱，大量的细集料开始脱空剥落。当细集料含量低于35%时，基层表现出较小的冲刷量，这时混合料结构主要表现为骨架密实结构，粗集料能够在混合料中形成良好的嵌挤骨架结构，细集料能够起到良好的骨架空间填充作用。当受到动水冲刷时，由于结构良好的稳定性，混合料的冲刷量较小。

图4 细集料含量对基层冲刷量影响Fig.4 Influence of fine aggregate content on scouring volume of base course

2.1.4 压实度

对于水泥稳定碎石基层，适宜的压实度可为其提供优异的抗压与抗变形能力。较低的压实度可能导致基层强度不达标，而较高的压实度则可能导致部分集料被压碎，使得基层内摩擦角降低，进而影响其强度与耐久性。如图5所示为压实度对基层冲刷量影响，随冲刷次数增加，冲刷量也显著增加。而后随冲刷次数增加，冲刷量增加趋势降低，这是因为表面薄弱位置均被动水冲落。当压实度为98%时，水泥稳定碎石基层强度较大，整体不易冲刷；当压实度为94%时，水泥稳定碎石基层较为松散，故其冲刷量较大。

图5 不同压实度对冲刷量影响Fig.5 Influence of different compactnesses on scouring volume

2.2 多因素分析

影响水泥稳定碎石抗冲刷性能的主要因素构成一个复杂的系统，这一系统中，有多种可能导致抗冲刷性能受影响。本研究通过灰色关联理论探究影响道路基层抗冲刷性能的主要因素，并确定影响道路基层抗冲刷性能的因素的相关性。基层主要影响因素为压实度，冲刷次数与压力，水泥剂量与强度，含水率等。研究表明对水泥稳定碎石抗冲刷性能影响最大的为水泥剂量与强度，其次为含水量。本研究对影响水泥稳定碎石其他因素进行补充说明，主要为压实度，动水压力与冲刷时间，冲刷试验结果如表6所示。

表6 冲刷试验结果Tab.6 Result of scouring test

通过灰色关联理论计算各影响因素与主列的关联度γ，计算过程如公式(1)～(3)所示：

(1)

(2)

(3)

式中，xi为系统变量；Xi为第i个变量平均值；L0i(k)为x0和xi在k点的关联系数；ξ为0.5，r0i为关联度。

通过灰色关联理论计算得到各影响因素与主列的关联度γ分别为：γ1=0.701，γ2=0.625，γ3=0.612 ，γ1，γ2及γ3分别为压实度，动水压力及冲刷时间与抗冲刷性能之间的关联度。故影响基层抗冲刷性能相关性排序为γ1，γ2及γ3。这在一定程度上可反映影响基层抗冲刷性能的其余因素中压实度影响显著。然而动水压力与冲刷时间在路面基层材料服役使用过程中无法得到精准控制。因而，压实度为保证基层材料抗冲刷能力与耐久性能的主要因素。

3 半刚性基层材料冲刷疲劳特性

3.1 疲劳损伤理论模型

基层在整个路面结构中担任着承受路面荷载并将荷载传给土基的作用。半刚性基层由于受到路面反复动水冲刷作用，导致基层材料强度降低，水泥面板因而出现错台断裂等病害。为更加全面掌握基层冲刷损伤程度，本研究采用疲劳损伤理论分析基层冲刷后疲劳损伤。

现行道路工程试验理论缺乏基层受冲刷作用后强度降低的评价体系，本研究采用疲劳损伤理论计算在材料低于破坏强度时的冲刷疲劳应力。图6为表征应力水平与疲劳寿命的S-N曲线，其中S为强度，N为疲劳寿命。利用疲劳损伤理论对基层材料进行全寿命评估，该理论基础有利于提高路面抗冲刷能力。当动水压力作用于材料表面时，由于动水冲刷的反复作用，会导致基层材料强度降低，疲劳寿命相应衰减。该形式与小应力作用下疲劳效应类似。当应力反复施加N次后，基层强度降低，可评价基层材料的损伤程度。S-N曲线主要为：指数函数型、幂函数型、三参幂函数型。用指数模型S=a-b·logN分析道路基层材料冲刷特性较好。

图6 S-N曲线[18] Fig.6 S-N curve

3.2 疲劳寿命与强度关系模型

本研究对水泥稳定碎石疲劳寿命与强度损失关系进行研究，利用指数模型S=a-b·logN对道路基层材料冲刷疲劳相关参数进行拟合，不同压实度的水泥稳定碎石与二灰稳定碎石的冲刷次数与抗压强度关系如图7所示。随冲刷次数增加，基层材料抗压强度均不同程度下降。相较于其他基层材料，压实度为98%的水泥稳定碎石抗冲刷性能较好，在相同冲刷次数作用下抗压强度较高，耐久性优于其他材料。压实度为96%的二灰稳定碎石基层因其自身结构较为松散，表现出较差的抗冲刷性能与较小的抗压强度。整体来看，不同压实度的水泥稳定碎石与二灰稳定碎石基层抗压强度表现在前期降幅较大后期降幅放缓的趋势，这可能是因为随冲刷次数增加，基层材料表面先冲刷掉较为疏松的集料，而剩余的集料由于内摩阻力较大，故不易被动水冲刷所破坏。

根据指数模型S=a-b·logN拟合相关参数所知，不同压实度不同材料其强度衰减斜率不同。压实度均为98%时，基层材料有着优异的抗压强度，此时水泥稳定碎石抗压强度优于二灰稳定碎石，且其衰减斜率较慢，表现为较好的抗冲刷性能；压实度为96%时，可看出基层材料抗压强度衰减斜率显著增大。图7所示为不同基层材料冲刷次数与抗压强度衰减趋势，压实度对抗压强度及衰减斜率有着重要影响。