基于抗冲刷性能的半刚性基层材料组成设计方法

盛燕萍，李海滨，陈拴发

(1.长安大学材料科学与工程学院，陕西西安710064;2.交通铺面材料教育部工程研究中心，陕西西安710064;3.西安科技大学 建工学院，陕西 西安710064)

0 引言

半刚性基层材料不耐冲刷造成的面板脱空是造成水泥路面破坏的主要原因，因此水泥路面半刚性基层材料的设计有别于沥青路面.目前，国内外对半刚性基层材料组成设计进行了较为深入的研究，还专门针对基层材料的抗冲刷性能、抗裂性能等提出了相应的材料组成设计方法［1－5］.但是，目前的研究仅仅是针对半刚性基层材料本身的特性，或是针对半刚性基层沥青路面的技术要求进行的，尚未有专门针对水泥混凝土路面特性的相关研究.

半刚性基层水泥混凝土路面的结构特性决定了其对基层材料的性能要求有一定特殊性，且与沥青路面对基层材料的性能要求也不完全相同.对水泥混凝土路面来说，基层的抗冲刷性能是最重要的，现行公路水泥混凝土路面设计规范虽然对基层提出了抗冲刷能力及刚度要求，但仅局限于定性建议，材料组成设计中并未提出定量的指标.因此，有必要针对水泥混凝土路面对基层的性能要求，研究并提出适宜水泥混凝土路面半刚性基层的材料设计指标及组成设计方法.

1 材料组成设计指标与标准建议值

1.1 抗冲刷性能

现行公路水泥混凝土路面设计规范没有提出对基层抗冲刷性能的定量指标，因此也没有相对应的抗冲刷性能试验方法.基层材料抗冲刷性能评价指标应该满足两个要求，一是能够评价不同基层材料的抗冲刷性能，二是能得出在标准轴载作用下该材料的真实损失量，以便能够预测路面板底脱空.长安大学张擎［6］对路面基层进行冲刷分析，提出用材料的冲刷系数Kc作为基层材料抗冲刷评价指标，如式(1)来表示.

式中：Kc为基层材料抗冲刷系数，m3/m2·万次;m为材料冲刷损失量，kg;g为加速度，10 m/s2;ρ为材料体积，kg/m3;A为材料试件冲刷面积，m2;n为材料冲刷次数.

以标准轴载冲刷50万次后，板底脱空半径不大于0.5 m为准，计算得到材料冲刷系数不大于1.05 ×10－4.据此，他提出以材料冲刷系数≤1.05×10－4作为基层材料的设计标准.

通过式(1)可以计算得到材料冲刷的损失量m为

根据上述分析，交通等级高的水泥混凝土路面宜采用骨架密实结构半刚性基层，而交通等级低的宜采用悬浮密实结构半刚性基层.若交通等级高的水泥路面以标准轴载冲刷50万次后，板底脱空半径不大于0.5 m为准，由公式(2)计算得到材料冲刷损失量不大于23.0 g;若交通等级低的水泥路面以标准轴载冲刷25万次后，板底脱空半径不大于0.5 m为准，计算得到材料冲刷损失量不大于 40.0 g.

结合已有文献和前期的抗冲刷试验研究［8］，笔者提出28 d冲刷量为评价基层材料抗冲刷性能的有效指标.根据前期大量试验结果，对于悬浮密实结构，其冲刷量值域在20.0～50.0 g;对于骨架密实结构，其冲刷量值域在8.0～30.0 g.综合以上计算分析、已有文献和试验研究，笔者依据《公路水泥混凝土路面设计规范》中的交通分级，提出水泥混凝土路面半刚性基层的冲刷量设计标准建议值如表1所示.

表1 水泥混凝土路面半刚性基层的设计冲刷量建议值Tab.1 Design erosion value of semi-rigid base for concrete pavement

1.2 力学强度

水泥混凝土路面基层的受力状况不同于沥青路面，因此目前水泥混凝土路面基层的取值方法完全等同于沥青路面是不可取的.水泥混凝土路面结构中，路面层是主要承重层，因此对基层的结构功能要求相对弱些，无论是作为结构设计指标的弯拉强度还是材料设计指标的抗压强度都要低于沥青路面基层的要求.从结构设计考虑，如果弯拉强度过高，会使面板造成温度翘曲应力过大，引起板角断裂并逐步发展为严重断裂和破碎板.从材料设计考虑，如果由于水泥剂量过大产生的抗压强度过高，会使基层造成很大的收缩裂缝，引起面板的反射裂缝并逐步发展成横向裂缝和网裂缝等.

抗压强度是衡量半刚性基层材料路用性能的最基本指标，其试验方法简单易行，并且在我国已使用多年，各地的设计和施工单位已积累了大量的宝贵经验.我国《公路路面基层施工技术规范》规定水泥稳定集料作为高速公路和一级公路基层时的7 d抗压强度不低于3～5 MPa，对于二级和二级公路不低于2.5～3.0 MPa.我国《公路沥青路面设计规范》规定水泥稳定集料作为特重交通公路基层时的7 d抗压强度不低于4.0～5.0 MPa，对于重交通、中交通公路基层不低于3.0～4.0 MPa，对于轻交通、特轻交通公路基层不低于2.0 ～3.0 MPa.结合以上两者，笔者依据《公路水泥混凝土路面设计规范》中的交通分级，提出水泥混凝土路面半刚性基层的7 d抗压强度设计标准建议值如表2所示.

表2 水泥混凝土路面半刚性基层的设计强度建议值Tab.2 Design strength value of semi-rigid base for concrete pavement

2 半刚性基层设计指标预测模型

水泥稳定碎石是多种材料的复合体，其抗冲刷性能和强度特性会受到多种因素的制约.笔者选取对半刚性基层抗冲刷性能和强度特性影响最为显著的4个因素做为建模参数(集料分形维数D、水泥28 d砂胶强度 f28d、水泥剂量 p、含水量w).笔者利用灰色系统理论的方法原理，通过试验建立样本数据库，经过数据检验及预处理、模型形式的选取、模型的参数估计、模型精度检验等过程，建立了水泥稳定碎石28 d冲刷量预测模型和7 d强度预测模型，分别提出了预测简化式(式3 ～6)，并进行了适用性验证［7］.

2.1 冲刷量预测模型

出于精度要求考虑，从冲刷量原始试验27组数据中抽出17组作为样本数据库，具体如表3所示.

通过建模计算，分别得出水泥稳定碎石28 d冲刷量的预测模型简化式，如式(3)和(4)所示.悬浮密实：

骨架密实：

表3 选取的冲刷量样本Tab.3 Sample of erosion

2.2 强度预测模型

同理，出于精度要求考虑，从强度原始试验27组数据［7］抽出17组作为样本数据库，具体如表4所示.

同理，得出悬浮密实和骨架密实两种结构水泥稳定碎石7 d强度的预测模型简化式，如式(5)和(6)所示.

表4 选取的强度样本Tab.4 Sample of strength

悬浮密实：

骨架密实：

3 基于抗冲刷性能的材料组成设计

在大量试验的基础上，提出基于抗冲刷性能的半刚性基层材料组成设计方法，该设计方法主要针对悬浮密实和骨架密实结构.具体设计流程如图1所示.

4 性能试验

根据表1选择适宜的结构类型，并根据表2和表3分别选择适宜要求的冲刷量和强度设计值.笔者分别采用骨架密实(1#，2#)和悬浮密实(3#，4#)两种不同结构类型的水泥稳定碎石进行性能试验，4种级配的筛孔通过率见表5.根据以上材料组成设计步骤，静压成型15 cm×15 cm的圆柱形试件，强度试件标准养生7 d，冲刷量试件标准养生28 d，分别进行性能测试，结果如表6所示.

由表6可以看到，4种配比的7 d强度和28 d冲刷量基本满足设计标准.

图1 基于抗冲刷性能的水泥混凝土路面半刚性基层组成设计流程图Fig.1 Mix design of semi-rigid base for concrete pavement based on anti-erosion performance

表5 级配筛孔通过率Tab.5 Passing rate of aggregate gradation %

表6 7 d强度和28 d冲刷量的实测值和预测值Tab.6 Measured value and predictive value of 7 d strength and 28d erosion

5 结论

(1)结合已有文献和试验研究，提出28 d冲刷量和7 d强度作为水泥混凝土路面半刚性基层材料的组成设计指标，并提出对于特重交通28 d冲刷量不低于10.0 g，重交通28 d冲刷量不低于20.0 g，中轻交通28 d冲刷量不低于30.0 g的技术标准建议值;结合现行设计规范要求，提出对于特重交通、重交通、中轻交通7 d抗压强度值分别为 4.0 ～5.0 MPa，3.0 ～ 4.0 MPa，2.0 ～ 3.0 MPa的技术标准建议值.

(2)选择集料分形维数D、水泥28 d胶砂强度f28d，水泥剂量p，含水量w作为影响水泥混凝土路面半刚性基层28 d冲刷量和7 d强度特征值的关联因子集.利用灰色系统理论建立其28d冲刷量和7d强度的灰色预测模型.

(3)基于28 d冲刷量和7 d强度灰色预测模型，针对水泥混凝土路面对基层的技术要求，提出了基于抗冲刷性能的水泥混凝土路面半刚性基层材料组成设计方法.性能试验表明，运用该方法设计的半刚性基层混合料具有良好的性能.

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