沥青路面水泥稳定类基层材料抗冲刷性能试验及机理研究

文章编号:1001-7372(2003)01-0015-04

中　国　公　路　学　报

ChinaJournalofHighwayandTransport

Vol.16　No.1Jan.2003

沥青路面水泥稳定类基层材料抗冲刷

性能试验及机理研究

胡力群,沙爱民

(长安大学公路学院,陕西西安　710064)

摘　要:通过研究沥青路面基层冲刷破坏发展过程、破坏形式以及水泥稳定类基层材料内部结构特征,分析了沥青路面水泥稳定类基层冲刷破坏机理。利用大型材料测试系统MTS模拟道路基层在受到冲刷时的实际使用情况,对不同水泥用量的水泥土、水泥碎石、水泥砂砾开展了冲刷试验,研究分析了影响水泥稳定类基层材料抗冲刷性能的因素。

关键词:道路工程;水泥稳定类材料;抗冲刷性能试验;机理分析中图分类号:U416.217　　　文献标识码:A

Experimentandmechanismanalysisforanti-erosionofcement

stabilizedsoilmaterialbase-courseofbituminouspavement

HULi-qun,SHAAi-min

(SchoolofHighway,Chang′anUniversity,Xi′an710064,China)

Abstract:Inthispaper,erosionmechanismofcementstabilizedmaterialbase-courseofbitumi-nouspavementisanalyzedthroughthestudyoferosiondevelopmentprocess,erosionformsand

innerstructurecharacteristicofthematerial.UtilizingMTS,akindofmaterialtestsystem,tosimulateactualsituationwhichbase-courseiseroded,erosionexperimentofcementstabilizedsoil,crushstone,andgravelwithdifferentdoseofcementarecarriedouttostudyfactorswhichinfluenceanti-erosionperformanceofcementstabilizedbase-coursematerial.

Keywords:roadengineering;cementstabilizedsoilmaterial;anti-erosionexperiment;mecha-nismanalysis

1　道路使用中的冲刷现象

1.1　路面基层冲刷的发展过程

沥青路面建成初期,路面面层裂缝少,外界水分难以进入道路结构层内部,基层相对较为干燥。此时因为没有过多的水分,所以即便是在较重的交通条件下,道路的基层材料也不会发生冲刷现象。随着路面的使用,由于种种原因产生的面层裂缝变宽、变长,水分由裂缝处渗入路面基层,并向四周扩散。进入基层的水分很难蒸发,致使局部的基层始终处于潮湿状态,弹性模量降低,在行车荷载的作用下,基

收稿日期:2002-02-23

层顶面塑性变形增加,在个别基层水分处于饱和状态的地方,已有轻微的冲刷现象出现,但是由于冲刷量小,观察不到唧泥现象。

随着时间的推移,未处治的路面裂缝可能会进一步发展,每逢雨雪天气,水分就会大量进入路面结构

层并在脱空较严重的地方积聚成流动水。此时的路面具备了冲刷作用的几个条件:行车的荷载作用、大量的流动水以及由于基层的塑性变形而在路面面层底面与基层顶面形成的脱空(冲刷腔),路面基层的冲刷变得越来越严重,唧泥现象也开始出现,这种现象在寒冷冬季的雨雪天气中更加明显。在实际中,路面的

作者简介:胡力群(1971-),男,陕西西安人,长安大学讲师,工学博士研究生.

16　　　　　　　　　　　　　　　　中　国　公　路　学　报　　　　　　　　　　　　　　2003年冲刷作用与路面结构层之间脱空的形成与发展相辅相成,冲刷使脱空加剧,脱空又使得冲刷迅速发展,最终导致路面出现大面积网裂等结构性破坏[1]。1.2　路面基层冲刷的形式

由于沥青路面裂缝的特点,沥青路面结构中半刚性基层冲刷有以下几种形式:

(1)沥青面层的裂缝是由于面层自身低温脆裂而引起的,在面层裂缝下水泥稳定类基层没有裂缝与之对应。在这种情况下冲刷主要发生在面层底面与基层顶面之间。

(2)沥青路面面层的裂缝是基层引起的反射裂缝,这种情况引起的基层冲刷更严重。因为此时水不但会侵入面层与基层交界面之间,而且还会顺着裂缝进入到基层与底基层的交界面上。当冲刷严重时,底基层也会发生冲刷,细泥浆同样也会被挤出路面面层。

(3)路面面层有许多微裂缝,水分由面层微裂缝渗入后,在基层表面局部的地方积聚,在渗水初期,水分被基层吸收,伴随着基层逐渐饱和,局部基层的弹性模量也同时降低,在行车荷载作用下,此部分比其它地方更易出现面层与基层之间的脱空,当脱空和水分积累达到一定程度时,便开始了冲刷作用,因为路面面层无明显裂缝,所以在路面上看不到唧泥现象,但这种基层的冲刷作用很快就能导致路面面层局部开裂,继而路面出现低洼、坑洞。

相对于稳定碎石或砾土等粗粒土而言较为一致,所以在冲刷条件不变时,冲刷量随时间的变化趋势应该呈线性增长,且只要冲刷不断进行,冲刷总量也会随之增加。在这种情况下水泥土基层被一层一层地

冲刷掉[2]。

当水泥土中水泥剂量增加时其抗冲刷能力会随之提高,而在通常情况下水泥剂量的增加也使得抗压强度增加,所以水泥土的抗冲刷能力与其抗压强度之间应有较好的相关性,对于水泥稳定细粒土而言,凡是影响到其抗压强度的因素都会影响到它的抗冲刷性能,由此可以得出:要使水泥土不发生冲刷破坏,对其抗压强度应该有一个最低的要求,当材料强度高于此强度时,冲刷作用中的荷载很难对水泥土表层造成损坏,材料冲刷的程度就会非常的轻微,相反强度低于此强度,发生冲刷的可能性越大,冲刷也会越严重。

2.2　水泥稳定碎石、砂砾冲刷机理

当用水泥稳定碎石或砂砾时,所发生的物理、化学反应与在水泥稳定细粒土中的反应有所不同。水泥遇水后先形成水泥浆,在搅拌的过程中水泥浆附着在大小不一的颗粒上,并将它们包裹起来。由于水泥稳定碎石或砂砾中各种集料的粒径大小都有,因此被水泥浆所包覆的细颗粒,经过压实作用后被挤入大颗粒间形成的空隙之中,起到填充和粘结作用,从而共同形成具有一定功能的结构。

对于水泥稳定碎石或砂砾来说,其冲刷量随冲刷时间的变化与水泥土有很大的差异。水泥稳定碎石或砂砾在冲刷开始的阶段冲刷量较大,随着冲刷时间的延长,冲刷量增长缓慢。其原因在于冲刷开始时,由路面传递下来的荷载作用在基层表面,此时水泥稳定粗粒土表面细颗粒较多,虽然这些细颗粒表面被水泥裹附,颗粒与颗粒之间具有一定的粘聚力,但在荷载和动水压力的共同作用下仍然会被冲掉。当冲刷作用进行到一定的程度时,随着基层表面的细颗粒损失,粗颗粒所形成的骨架在承受作用力的方面起到了主要作用,此时对于粗颗粒间隙的细颗粒来说,不再直接受到荷载的作用,受到的只有运动水流的冲刷作用,而且这种作用因试件表面粗颗粒之间无规则的空隙对运动水流的阻挡而变得相当弱,这时冲刷量减少。应说明的是虽然冲刷量减少,但冲刷作用不会停止。

在水泥稳定粒料的结构中水泥与细颗粒所形成的结合物填充在粗颗粒之间并将粗颗粒粘结在一起,构成了稳定的结构,当遇到的冲刷作用到一定程2　水泥稳定类基层材料冲刷机理

水泥稳定类材料的抗冲刷性能,与其强度形成过程、材料组成及空间结构有关。水泥稳定类基层材料中,水泥稳定细粒土与水泥稳定砂砾、水泥稳定碎石和近些年出现的透水性基层,因其结构组成不同,冲刷机理也不同。

2.1　水泥稳定细粒土冲刷机理

水泥稳定细粒土时,水泥颗粒相对较为广泛地分布于土中。在机械压实和水泥水化作用之下,土中形成了水泥石骨架。当发生冲刷时,作用在基层上的荷载首先将最表层的水泥骨架破坏,水泥骨架中的土颗粒虽然在水泥土的压实及物理、化学反应中强度有所提高,但在失去了水泥石骨架的保护和支撑后,仍然无法抵抗冲刷作用中冲击力、“泵吸作用”和高速水流冲刷的共同作用。由于水泥的含量对水泥土中的水泥石骨架的发育程度有决定性的作用,所以水泥稳定细粒土中水泥剂量的大小对其抗冲刷能力有很大影响。

此外,由于水泥土经压实后内部物理、力学性质第1期　　　　胡力群,等:沥青路面水泥稳定类基层材料抗冲刷性能试验及机理研究　　　　　　　　17度时,这些较大的粗颗粒又保护细颗粒免受过度的冲刷,使得冲刷作用减缓,从这方面来说水泥稳定粒料的抗冲刷能力应该好于水泥稳定细粒土。由于水泥稳定粗粒土与水泥稳定细粒土之间结构上的差异,影响水泥稳定粗粒土抗冲刷性能的因素也是不同的。其中混合料中水泥剂量的大小、集料的级配、空隙率的大小、混合料中粗集料的压碎值、内摩阻力以及细料的含量和细料的细度对其抗冲刷能力都有影响。

对水泥稳定细粒土而言,随着水泥剂量的增加其抗冲刷能力是明显增强的。对于水泥砂砾和水泥碎石等水泥稳定粒料来说,由于水泥剂量的增加使得细颗粒之间的粘聚力以及细颗粒在粗颗粒上的粘附力随之增强,所以水泥剂量的增加也同样会提高其抗冲刷性能。

水泥稳定粗粒土基层表面的冲刷总量与混合料中细粒部分的含量和细度有很大关系。实际上在冲刷作用中被冲掉的正是粒径较小的细颗粒,而且混合料中细颗粒的含量越多、粒径越小,基层的冲刷现象越明显,对路面的破坏越大。此外,当集料的压碎值较小时,在荷载的作用下粗颗粒易被压碎成细颗粒,而这些细颗粒表面没有被水泥浆所裹附,所以更容易在冲刷过程中被冲掉。

从材料结构上分析,水泥稳定碎石或砂砾的抗冲刷能力与其抗压强度之间没有确定的关系。这是因为水泥稳定粗粒土的抗压强度由两部分构成:颗粒与颗粒之间的粘聚力和粗颗粒之间的嵌挤力,而与它们的抗冲刷能力密切相关的是细料之间的“粘聚力”及其在粗颗粒上的“粘附力”。如果一种水泥稳定粗粒土基层材料,由于水泥用量小使混合料中细颗粒之间粘聚力较小,而粗颗粒的骨架作用是很好的,虽然它可能有很高的强度,但其抗冲刷能力不一定好,相反有的水泥稳定粗粒土基层材料虽然级配不好,导致整体强度不高,但因结合料用量稍大,细料之间的粘聚力较大,其抗冲刷能力却会较好。

2.3　透水性基层材料

为了使渗入道路的水分能够及时排除,目前各国研究应用透水性半刚性基层。一般说来,透水性基层可分为水泥稳定类和沥青稳定类,作为对比,这里研究的是水泥稳定类透水性基层。水泥稳定类透水性基层也属于水泥稳定碎石,只不过为了满足排水的要求,在配制混合料时粗颗粒在集料中所占的比例大,细料的成份较少。

从混合料的结构上来说,透水性基层的孔隙率材料

透水系数

透水基层A透水基层B

16.2%16.0%

空隙率0.98cm/s1.12cm/s

[3]

都比较大,因此从路面面层裂缝渗入的水能够及时排除,使得路面结构层之间在荷载作用下只有极小的动水压力,加上细集料含量少,因此这种材料的抗冲刷性能应该比较好。

3　水泥稳定类材料抗冲刷性能试验

3.1　试验方法及结果

为了对冲刷现象和冲刷机理的分析加以证明,分别对水泥土、水泥砂砾、水泥碎石和透水性基层材料作了抗冲刷性能试验[4]。试验中利用MTS材料试验平台设备,在有水的条件下模拟实际路面基层的冲刷状态,试验时荷载取0.5MPa,加载频率取10Hz,试验时间为6个时段,每个时段5min,共计30min。试件为10cm×10cm圆柱体,按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》静压法成型。试件的养生采取了60℃下高温快速养生,养生时间为3d,在测试前饱水1d。

试验中所用的水泥为425号。试验中所用的土为西安地区黄土,为了比较不同水泥剂量下水泥土的抗冲刷能力,水泥土的水泥剂量取4%、6%、8%。在水泥稳定粗粒土抗冲刷试验中,为了比较水泥剂量对水泥砂砾与水泥碎石抗冲刷能力的影响,分别取4%、6%、8%,此外为了比较水泥稳定粗粒土中集料颗粒形状对抗冲刷性能的影响,分别用水泥稳定级配相同的碎石和砂砾进行试验,级配范围见表1。

表1　砂砾、碎石级配范围

筛孔尺寸/mm通过百分率/%

30100

2080.5

1060.2

544.0

236.0

128.6

0.520

0.2510

　　为了了解不同孔隙率对透水性基层材料抗冲刷

性能的影响,按不同的级配配制了两种透水性基层,两种透水性基层材料的集料级配及相应试件的孔隙率见表2、3。

表2　透水基层级配范围

筛孔尺寸/mm通过方孔筛百分率/%

AB

26.5100100

19——

13.26060

9.532.7—

4.75510

2.360.0751.55

02

表3　透水基层透水性指标

项目

　　透水基层A:水泥∶碎石=10∶90

透水基层B:水泥∶碎石=10∶9018　　　　　　　　　　　　　　　　中　国　公　路　学　报　　　　　　　　　　　　　　2003年在试验中首先确定了各种配合比下基层材料的最大干密度和最佳含水量,并用同一批试件测抗压强度,试件成型及强度测定均采用《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行。最大干密度、最佳含水量和抗压强度试验结果见表4。冲刷曲线见图1。

3.2　试验结果分析

通过水泥稳定类基层材料抗冲刷性能试验,作用在试件表面的冲击力首先在有水分参与的条件下将试件表层的微结构破坏,被破坏的碎屑在“泵吸作用”和高速水流的冲刷下被冲走,如果仅有水的泵吸作用和动水的冲刷,而没有冲击力,冲刷作用的进展将会非常缓慢。

从抗冲刷试验结果中

图1　水泥稳定类材料冲刷曲线

关键所在。

　　在试验中,剂量相同的水泥稳定砂砾和水泥稳定碎石抗冲刷能力虽然相近(开始的5min～10min冲刷量很接近,10min～15min后水泥砂砾的冲刷量稍大于水泥碎石的冲刷量),但相比之下水泥砂砾的抗冲刷能力不如水泥碎石的抗冲刷能力,这是因为水泥砂砾中的粗颗粒比水泥碎石中的粗颗粒圆滑,棱角少,一方面粗颗粒与粗颗粒间的结合力不及水泥碎石,另一方面在试验中试件表面运动水流所受的阻力比较小,水流更具冲刷力。

水泥稳定细粒土试件经过冲刷后试件的高度均有所降低,随着试验时间的延续,冲刷量不断增加,对于水泥稳定碎石或水泥稳定砂砾,当试验进行到一定程度时,作用力和冲刷作用的频率不变,但冲刷下来的细料却明显减少,并趋近于稳定。试件经过冲刷后其表面凹凸不平,细料被冲走后暴露出骨料。透水性基层材料具有较好的抗冲刷性能,但同时由于大孔隙的存在,导致材料结构整体性下降。

4　结　语

(1)影响水泥细粒土抗冲刷性能的材料组成因素主要是水泥剂量,影响水泥稳定碎石或砂砾的材料组成因素有细料被结合状况、粗料的骨架作用、透水状态等。

(2)水泥稳定细粒土材料的抗冲刷性能主要取决于其中水泥石骨架网在空间的分布密度,水泥石网的密度增加,抗冲刷性能增强,与抗压强度相关性大。

(3)水泥稳定碎石或砂砾的抗冲刷性能主要取决于其中细颗粒的含量被稳定程度和粗颗粒的骨架作用,冲刷初期受细颗粒状况影响,冲刷后期受粗颗粒状况影响,与抗压强度相关性小。

(4)在相同的水泥剂量及集料配比之下,水泥碎石在各时间段的冲刷量均小于水泥砂砾。一般情况下,水泥稳定粗粒土的抗冲刷能力好于水泥土。参考文献:

[1]　沙庆林.高等级道路半刚性路面[M].北京:中国建筑

工业出版社,1993.

[2]　张登良.加固土原理[M].北京:人民交通出版社,

1990.

[3]　沙爱民.半刚性路面材料结构与性能[M].北京:人民

交通出版社,1998.

[4]　胡力群.半刚性基层材料抗冲刷性能试验研究[D].西

安:长安大学公路学院,2000./MPa2.863.423.883.754.445.464.084.765.663.715.24

也可以看出:随着水泥剂量的增加,水泥土的抗冲刷能力是增强的,这是因为水泥土中水泥的含量直接

表4　各种配合比下的混合料击实

结果及抗压强度

基层类型水泥土(4%)水泥土(6%)水泥土(8%)水泥砂砾(4%)水泥砂砾(6%)水泥砂砾(8%)水泥碎石(4%)水泥碎石(6%)水泥碎石(8%)透水基层

AB

最大干容重/g・cm-3

1.861.881.922.072.222.302.202.262.292.062.06

最佳含水量

/%15.415.716.15.636.256.506.506.556.64

抗压强度

影响到水泥石骨架结构的形成与发育,而对于水泥土而言,水泥石骨架的作用是其抗冲刷能力大小的