水稳基层材料优化选择及其对路面性能的影响

2024-06-10周尚来

工程建设与设计 2024年8期

周尚来

（甘肃顺达路桥建设有限公司，兰州 730000）

1 引言

在当今的基础设施建设中，道路工程涉及巨额的经济投入，关乎公众的出行安全与舒适度，而道路工程中，水稳基层的作用常常被低估，实则其在确保路面持久稳定中起到了举足轻重的作用。选择合适的水稳基层材料并进行优化，是确保路面长期性能和延长使用寿命的关键。

2 常用的水稳基层材料

2.1 传统材料及特性

水稳基层材料是公路和道路工程的关键组成部分。传统的水稳基层材料，如石灰石、砂、粉煤灰和水泥等，经过特定的混合和压实施工后，可以形成坚固且持久的路面基层。（1）石灰石因其坚硬、耐磨损且在各种环境条件下都表现良好而被广泛使用，其天然的碱性也有助于抵抗某些化学腐蚀[1]；（2）砂则用于需要提高排水性的项目中，其粒度和形状可以提供良好的结构稳定性，并有助于防止路面过于湿润或出现积水；（3）粉煤灰作为工业副产品，可有效利用废弃物，减少对环境的影响，与其他材料混合时，还能提高整体的稳定性和耐久性；（4）水泥经常被用于需要额外强度的项目中，与水混合后迅速固化形成坚固的基层，提供优异的耐久性。

2.2 新型材料及特性

随着科技进步和可持续发展的理念深入人心，新型的水稳基层材料逐渐受到工程师和研究者的青睐。新型材料往往具有更强的性能、更好的耐久性或更佳的环境友好性。其中，生态混凝土、再生材料、纳米材料和高强度塑料格栅等材料已逐渐走入实践。（1）生态混凝土是兼具环境友好和结构性能的基层材料，包含降解成分，可逐渐融入环境中，降低材料的碳排放，在破损或老化后更容易与自然环境融合，减少对生态的干扰。（2）再生材料，如再生沥青和再生混凝土等，充分利用工程中的废旧材料，经过处理和再生后能够重新用于路面工程，有效节约资源并减少垃圾产生。（3）纳米材料已经被证明可以显著提高基层的性能，通过纳米技术，材料的微观结构和性能得到优化，使基层具有更强的抗裂、抗老化和防水性能。（4）高强度塑料格栅是合成材料，能有效增强路面的负荷承载能力和耐久性。

3 选择水稳基层材料的标准

3.1 经济效益

道路工程的预算和经费往往对材料选择产生决定性的影响，要求工程师不仅考虑材料的初始成本，还要考虑其全生命周期成本。材料的初始成本包括购买、运输和施工等费用。高性能的新型材料可能初始投资较高，从长期来看，其使用寿命往往相较传统水稳基层材料更长，并且由于其出色的耐久性和性能，可以减少未来的维修需求和频率，节省大量的费用。

3.2 工程施工条件

在水稳基层材料的优化选择过程中，不同材料的施工工艺和可行性直接影响到工程的成功实施和最终路面性能，要综合考虑材料特性、施工设备和环境因素，以确保材料能够被有效使用并实现预期的性能。粉状材料，如水泥和石灰，施工过程中可能涉及干混或潮湿混合施工，以确保材料能够均匀混合并达到所需的稳定性；碎石等颗粒状材料应采用适当的层压方法，能有效提高材料的密实度，增强基层的承载能力。施工工艺的可行性也与项目的时间和预算有关，部分材料可能需要更多的时间来进行固化或干燥；材料的采购和处理成本可能会影响工程的可行性，因此，需要进行成本效益分析，以确保材料的选择能满足技术要求。

3.3 环境和可持续性

随着人们日益加强的环保意识和对可持续发展目标的追求，水稳基层材料的环保性和可持续性已成为材料选择的考量核心，反映了对自然资源的尊重。水稳基层材料的采集和生产过程中产生的碳足迹是核心考量点，应选择在生产过程中排放较少温室气体的材料，有效减少工程的整体碳足迹，缓解全球变暖问题。材料的来源方面，应关注其可持续性，优先使用当地可用的资源和再生材料，减少运输所需的能源，同时支持循环经济，延长资源使用寿命。鉴于水资源的日益缺乏，应选择生产和施工过程中消耗水资源较少的材料。水稳基层材料的排水性能对于地下水的保护也至关重要，优良的排水性能可以预防道路积水，减少地表径流，保护水源和生态环境[2]。

4 水稳基层材料优化选择的方法

4.1 试验方法与实验设计

为确保试验结果的准确性和一致性，必须采取标准化的材料制备和处理流程，所有样品应在相同的温度、湿度和压力条件下制备，所有的机械测试设备都要经过校准，以避免可能的误差。样品的数量和大小应保持一致，确保试验可以在多种情况下复现，增强结果的可靠性。进行实验设计时，随机化和分组是关键元素。随机化可以保证每个样品都有同样的机会受到任何可能的处理，消除偏见和偶然误差；分组则允许研究者对不同的变量或处理进行比较。为了评估材料的性能和耐久性，需要进行多种类型的试验，如压缩强度、抗拉强度和耐磨损性等，模拟材料在实际道路条件下可能遭受的各种应力和压力。环境试验可以评估材料在不同的气候和环境条件下的性能，如冻融循环、长时间的紫外线暴晒或化学侵蚀。数据分析是试验方法的核心组成部分，使用统计工具和技术，如方差分析或回归分析，帮助研究者识别那些对材料性能产生显著影响的因素，从而为优化提供有力的建议；对数据的解释和展示，可以帮助决策者和利益相关者理解研究结果，进而做出明智的选择[3]。

4.2 材料混合比优化技术

材料混合比优化技术对原材料成分进行精确配比，可以实现预期的性能和耐久性，基于对材料的深入理解和多次实验测试的结果，找到最佳的配合比例，使得材料达到最佳的工程性能和环境适应性。每种材料都有其独特的物理和化学性质，如粒度、黏性、强度和耐久性，决定了材料在混合体中的角色，以及对混合体总体性能的贡献。深入了解原材料的性质是优化混合比的前提。除对材料性质进行考虑外，混合比的优化还需要考虑实际施工条件和环境因素。

4.3 添加剂和改良剂的应用

在水稳基层材料的优化选择中，添加剂和改良剂的应用成为提升路面性能的重要策略。聚合物能够增强水稳基层材料的可塑性和黏结性，使颗粒间的结合更加紧密，提高基层的抗剪强度和抗变形能力。聚合物能在材料中形成弹性体系，使基层能够更好地适应荷载变化，减少因荷载引起的损伤和变形，提升路面的耐久性。纤维能够有效提高材料的韧性和抗裂能力，形成内部的支撑网络，阻止裂缝的扩展，提高基层的抗裂、抗风化和抗水蚀能力，改善材料在潮湿环境下的稳定性，减少路面的维修频率和成本。除了聚合物和纤维，其他添加剂和改良剂也在不断的研究和应用中，如矿物掺合料、化学稳定剂等，弥补原有材料的不足，优化材料的配合比例，实现更好的性能平衡。

4.4 材料性质与性能模型

材料性能模型可通过数学和统计方法建立，描述材料性质与性能之间的关系。模型可以是经验性的，基于历史数据和观测结果；也可以是理论性的，基于物理和化学原理。其目的都是预测在给定的材料性质和施工条件下，材料的性能表现。在现代道路工程中，复杂的材料性能模型可通过高级软件进行模拟分析，处理大量的数据并进行多次迭代和优化，以提高模型准确性和可靠性。随着人工智能技术的应用，材料性能模型的建立和应用也会得到进一步推进。

4.5 数值模拟和计算机辅助设计

在水稳基层材料优化选择中，数值模拟和计算机辅助设计已逐渐成为不可或缺的技术手段。借助先进的计算机技术，工程师能够在虚拟环境中模拟和分析材料的性质及其与工程条件下的相互作用，得到最优的设计方案。数值模拟主要是通过建立数学模型来描述材料和结构的行为，基于物理学、力学和化学原理精确地预测材料在各种工况下的性能表现。计算机辅助设计则进一步提供了完整的工具集，使工程师能够通过计算机进行设计、分析和优化，包括对单一材料或结构的评估，以及道路工程的多个方面，如排水、交通流与其他基础设施的相互作用。例如，水稳基层材料的设计中，CAD 技术使工程师能够以数字化方式创建和编辑设计图，轻松绘制材料的分层结构，确定不同材料的厚度、组合和排列顺序；在设计过程中考虑不同荷载情况、气候影响等条件，为材料的选择和布置提供更科学的依据。不仅如此，工程师还可以通过CAD 软件模拟不同荷载下基层的受力分布和变形情况，评估基层的稳定性和抗变形能力，以确定合适的材料参数和厚度，满足道路的性能要求。

5 水稳基层材料对路面性能的影响

5.1 路面的耐久性

基层材料的稳定性和强度直接关系到路面在承受交通荷载时的变形能力，稳定性高的基层可以提供均匀的支撑，减少路面上的不均匀沉降或变形。基层材料应有良好的渗水性，以保证雨水或地下水迅速排除，减少水分在基层中的积聚。长时间的水分积聚会破坏材料的结构，导致其强度下降，影响路面的整体性能。在冻融循环的地区，水分的冻结和融化会引发体积变化，对基层材料和上层路面造成严重破坏。与路面材料的黏结性也是影响耐久性的关键因素，良好的黏结能确保路面与基层之间形成连续、整体的结构，从而提供更好的荷载承载和传递能力。

5.2 路面的反应和舒适度

路面的舒适度不仅关乎驾驶者的体验，还直接影响交通安全和运输效率。舒适度与路面的平整度、变形性能和噪声产生有密切关系，均匀且稳定的基层为上层路面提供了稳固的支撑，确保其在长期承受交通荷载的过程中能够保持良好的平整性。基层的弹性模量可以为路面提供一定的弹性支撑，使路面在承受交通荷载时具有一定的缓冲能力，降低路面的振动和冲击，提高舒适度。具有良好孔隙结构和吸声性质的基层材料可以有效地减少车辆行驶产生的噪声，提高驾驶者的舒适体验，而不恰当的材料选择或施工方法可能会导致噪声增加，对周边环境和驾驶者造成困扰。