山区特重交通等级高速公路水泥稳定碎石抗冲刷性能研究

林 超

(山西省交通建设工程质量检测中心(有限公司) 太原市 030006)

水泥稳定碎石半刚性基层板体性好，整体强度大、刚度大，经济性好，广泛应用于高速公路底基层、基层[1-3]，尤其重载交通等级高速公路。国内外研究[4-7]表明，由于基层引起的路面损坏并非由于承载力不足，而是抗冲刷能力不足导致。尤其重载交通等级的高速公路，基层材料的冲刷及其引起的唧泥现象日益加剧[8-9]。本研究结合广东粤西山区云茂高速公路工程实例，通过研究水泥稳定碎石不同成型方式、不同结构类型、不同水泥剂量、不同压实度情况下抗冲刷性能，为本工程及粤西山区公路水泥稳定碎石配合比设计、施工提供指导。

本工程交通量大，重载车辆比例大，路面结构为20cm级配碎石垫层+20cm水泥稳定碎石底基层+38cm水泥稳定碎石基层+8cmGAC-25C下面层+5.5cmGAC-20C(SBS改性)中面层+4.5cmGAC-16C(SBS改性)上面层。工程所处位置降雨量大，年平均降雨量1841.7mm，地下水和地表水发育丰富，各结构层要求较高的抗水损害能力。根据预测交通量资料，考虑车型发展趋势、超载现象、经济发展对交通增长率的影响，将各级轴载换算为标准轴载100kN，15年内一个车道上的累计当量轴次为2.77×107次，属于特重交通。

1 原材料及配合比设计

1.1 水泥

广东云茂高速公路项目水泥采用金鹰牌P·O42.5缓凝型水泥，依据GB/T 1346-2011、GB/T 17671-1999、GB/T208-2014、GB/T 8074-2008对金鹰牌P·O42.5水泥进行试验，具体检测结果如表1。

表1 水泥技术指标

1.2 粗、细集料

碎石、石粉由广东云浮地区恒安石场加工而成，为便于备料，水稳底基层、基层拟按照20～30mm、10～20mm、5～10mm、0～5mm四档同时备料，依据JTG E42-2005、JTG E40-2007对粗、细集料进行试验，试验结果如表2、表3。

表2 粗集料技术指标

表3 细集料技术指标

2 冲刷性能试验

2.1 不同成型方式

表4 合成级配

以4%水泥剂量对1#配合比和2#配合比分别进行振动成型和重型击实试验，试验得到振动成型和重型击实试验方法的最大干密度和最佳含水率如表5所示。

表5 不同成型方式无侧限试件抗冲刷试验结果

依据JTG E51-2009 试验规程及上述试验得到的最大干密度和最佳含水率，以98%压实度分别采用振动成型方法、重型击实方法、静压成型方法成型Φ150mm×150mm圆柱形无侧限试件，静压成型方法成型试件时采用重型击实的最大干密度，另两种成型方法采用各自对应的最大干密度，每种配合比成型6个试件，标准养生28d，浸水1d后进行抗冲刷试验，冲击力峰值为0.5MPa，冲刷频率为10Hz，冲刷时间30min。最大干密度、最佳含水率、抗冲刷试验结果如表5所示。

(1)由表5可知，采用振动成型方法得到的最大干密度比重型击实试验得到的最大干密度大5%左右，采用振动成型方法得到的最佳含水率比重型击实试验得到的最佳含水率小[10]。两组配合比采用振动成型的无侧限试件抗冲刷性能最好，采用重型击实成型的无侧限试件抗冲刷性能次之，采用静压成型的无侧限试件抗冲刷性能最差。切开芯样，通过观察芯样内部，振动成型的无侧限试件比重型击实、静压成型的无侧限试件密实程度高，空隙率小，通过激振力作用，粗、细集料颗粒不断重新排列，碎石基本没有被压碎的现象，形成密实的结构，抗冲刷性能最好。采用静压成型的无侧限试件，粗、细集料在装入试筒时位置已基本固定，不能移动重新排列，且因加载速率以1mm/min保持恒定不变，部分碎石由于针、片状颗粒含量较大、压碎值较大的原因，有被压碎的现象，合成级配已发生变化，粗集料减少，细集料增多，粗集料被压碎后新产生的粗、细集料界面无水泥浆包裹，导致试件抗冲刷性能降低。

(2)从1#配合比和2#配合比对比分析可知，1#配合比0～5mm掺配比例大，石粉偏多，相同成型方式情况下，冲刷作用下细集料被剥落，且有少许粗集料被剥落的现象，质量损失大，同工况抗冲刷性能比2#配合比差。

2.2 不同结构类型

本研究采用振动成型方法设计三种不同结构类型的配合比，分别为悬浮密实结构、骨架密实结构、骨架空隙结构，试验得到三种结构类型的最大干密度及最佳含水率。以振动成型方式，98%压实度对三种结构类型成型无侧限试件，分别进行抗冲刷性能试验。配合比及冲刷试验结果如表6～表8所示。

表6 不同结构类型的配合比

表7 合成级配

表8 不同结构类型无侧限试件抗冲刷试验结果

由表8试验结果可知，骨架空隙结构的无侧限试件抗冲刷性能最好，骨架密实结构的无侧限试件抗冲刷性能次之，悬浮密实结构的无侧限试件抗冲刷性能最差。骨架空隙结构中粗集料占比达到82%，起主要骨架作用，细集料掺量仅为18%，虽空隙较多，细集料掺量少，冲刷作用下细集料被剥落的较少；骨架密实结构中粗集料形成骨架结构，空隙完全由细集料填充密实，整体结构密实性好，但细集料掺量较骨架空隙结构中细集料掺量多16%，在冲刷作用下部分细集料被冲刷掉；悬浮密实结构中细集料含量达到45%，冲刷作用下质量损失最多。兼顾水泥稳定碎石其他方面的路用性能，在多雨水地区，特重交通等级高速公路底基层、基层设计时，建议优先选用骨架密实型结构类型，抵抗水损害性能最佳。

2.3 不同水泥剂量

采用骨架密实结构矿料的掺配比例，20～30mm∶10～20mm∶5～10mm∶0～5mm =19%∶29%∶18%∶34%，设计3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%水泥剂量，以最大干密度2.465g/cm3，最佳含水率5%，98%压实度振动成型五组无侧限试件，标准养生28d、浸水1d后进行抗冲刷试验，试验结果如表9所示。

表9 不同水泥剂量无侧限试件抗冲刷试验结果

由表9试验结果可知：

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(1)随着水泥剂量的增大，冲刷质量损失逐渐变小，抵抗冲刷的能力逐渐变强。

(2)4.0%水泥剂量比3.5%水泥剂量无侧限试件的冲刷质量损失降低了34.1%，但4.5%水泥剂量比4%水泥剂量无侧限试件的冲刷质量损失仅降低了15.4%，降低幅度不明显。在山区特重交通等级高速公路底基层设计时，考虑经济性及抗水损害的能力，建议采用4.0%的水泥剂量。

(3)5%水泥剂量比4.5%水泥剂量无侧限试件的冲刷质量损失降低了39.7%，但5.5%水泥剂量比5%水泥剂量无侧限试件的冲刷质量损失仅降低了6.6%。5%水泥剂量和5.5%水泥剂量的试件抗冲刷性能相差不大，考虑经济性、抗水损害性能及减少水泥稳定碎石裂缝，在山区特重交通等级高速公路基层设计时，建议采用5.0%的水泥剂量。

2.4 不同压实度

采用骨架密实结构配合比，20～30mm∶10～20mm∶5～10mm∶0～5mm∶水泥 =19%∶29%∶18%∶34%∶4%，以最大干密度2.465g/cm3，最佳含水率5%，96%、97%、98%、99%、100%的压实度分别振动成型五组无侧限试件，标准养生28d，浸水1d后进行抗冲刷试验，试验结果如表10所示。

由表10试验结果可知：

(1)97%压实度比96%压实度无侧限试件的冲刷质量损失降低了37.9%，成型压实度越大，无侧限试件越密实，冲刷质量损失越少，抗冲刷性能越好。

表10 不同压实度无侧限试件抗冲刷试验结果

(2)98%压实度比97%压实度无侧限试件的冲刷质量损失降低了38.7%，98%压实度成型的无侧限试件抗冲刷性能明显提高，在年平均降雨量较大、地下水和地表水发育丰富的山区特重交通等级高速公路底基层设计时，底基层压实度建议按照98%控制。

(3)99%压实度比98%压实度无侧限试件的冲刷质量损失降低了28.5%，100%压实度比99%压实度无侧限试件的冲刷质量损失降低了5.1%。100%压实度比99%压实度的无侧限试件抗冲刷性能相比较降低幅度不大，但99%压实度比98%压实度无侧限试件抗冲刷性能提高较大。基层做为路面结构的主要承重层，水损害将严重影响路面性能及使用年限，在年平均降雨量较大、地下水和地表水发育丰富的山区特重交通等级高速公路基层设计时，基层压实度建议按照99%控制。

3 结论

(1)振动成型、重型击实、静压成型三种成型方式相比，振动成型法通过激振力作用，粗、细集料颗粒不断重新排列，形成密实的结构，抗冲刷性能最好，重型击实法成型的无侧限试件抗冲刷性能次之，静压成型法成型的试件抗冲刷性能最差。相同成型方式情况下，配合比中细集料掺量越多，抗冲刷性能越差。

(2)骨架空隙结构的无侧限试件抗冲刷性能最好，骨架密实结构的无侧限试件抗冲刷性能次之，悬浮密实结构的无侧限试件抗冲刷性能最差。兼顾水泥稳定碎石其他方面的路用性能，在多雨水地区，特重交通等级高速公路底基层、基层设计时，建议优先选用骨架密实结构类型。

(3)随着水泥剂量的增大，冲刷质量损失逐渐变小，抵抗冲刷的能力逐渐变强。考虑经济性、抗水损害性能及减少水泥稳定碎石裂缝，在山区特重交通等级高速公路水泥稳定碎石基层设计时，建议采用5.0%的水泥剂量；水泥稳定碎石底基层设计时，建议采用4.0%的水泥剂量。

(4)成型压实度越大，无侧限试件越密实，冲刷质量损失越少，抗冲刷性能越好；在年平均降雨量较大、地下水和地表水发育丰富的山区特重交通等级高速公路水泥稳定碎石施工质量控制时，底基层压实度建议按照98%控制，基层压实度建议按照99%控制。底基层与基层压实度均比《公路路面基层施工技术细则》中的压实度要求提高一个百分点。

(5)通过研究山区特重交通等级高速公路水泥稳定碎石抗冲刷性能，为本工程及粤西山区公路水泥稳定碎石配合比设计、施工提供指导依据。