水泥混凝土路面隔离层抗冲刷性能试验研究

盘海斌

(广州诚信公路建设监理咨询有限公司， 广东 清远　513400)



水泥混凝土路面隔离层抗冲刷性能试验研究

盘海斌

(广州诚信公路建设监理咨询有限公司， 广东 清远513400)

摘要：介绍水泥混凝土路面隔离层常用材料，采用自行研制的冲刷试验设备，对沥青碎石、微表处、沥青混凝土隔离层的冲刷性能进行对比分析和研究。研究结果表明：沥青混凝土隔离层的抗冲刷性能要优于其他抗冲刷材料，其随隔离层厚度增长而增强，随油石比增大而增强；微表处隔离层具有较好的抗冲刷性能，其随厚度增长而增强。

关键词：水泥混凝土路面；隔离层；抗冲刷性能；冲刷试验

1水泥混凝土路面隔离层常用材料及应用概况

在行车荷载作用下，水泥混凝土路面基层材料结构层内或层间的自由水会产生相当大的水压力，其会不断冲刷基层的细集料，而细集料受到长期冲刷后，会在接缝或裂缝表面形成大量细料浆。在行车荷载重复作用下，细料浆被逐渐压挤出接缝或裂缝，形成唧泥和板底脱空[1]。

由此可知，在半刚性基层上设置隔离层非常必要，其在很大程度上可以阻止从面层接缝或裂缝渗入的自由水冲刷基层，防止面板出现唧泥或脱空病害。

目前，我国道路工程中常用水泥混凝土路面隔离层材料有:沥青混凝土、沥青砂、稀浆封层、土工材料、蜡质养护剂等。稀浆封层是采用机械设备将乳化沥青、粗细集料、填料、水和添加剂等按照设计配合比拌成稀浆混合料并摊铺到原路面上形成的薄层。稀浆封层可分为如下几类：1) 按照矿料级配分类。可分为细封层(Ⅰ型，采用ES-1型级配矿料)，中封层(Ⅱ型，采用ES-2型级配矿料)和粗封层(Ⅲ型，采用ES-3型级配矿料)；2) 根据是否添加改性剂分类。可分为改性稀浆封层和稀浆封层；3) 根据交通时间开放快慢分类。可分为快开放交通型和慢开放交通型稀浆封层。

吴超凡[2]选用ES-1型、ES-2型和ES-3型3种稀浆封层，采用MS-2型和MS-3型2种常用微表处级配作为隔离层材料，利用其自行开发的冲刷试验仪，对以上3种不同材料进行抗冲刷性能试验。他认为，沥青的性能、隔离层局部缺陷对隔离层的抗冲刷性能有显著影响，而隔离层材料级配对隔离层抗冲刷性能的影响程度甚微。既有高速公路建设经验也表明，设置隔离层能有效消除层间接触状况对水泥路面使用性能的影响，能有效减少或延缓板底脱空、半刚性基层唧泥等病害的发生。因此，笔者建议，为了更好地防范层间过渡层断裂破坏导致混凝土面板损伤，在混凝土面板和半刚性基层之间应设置隔离层(隔离剂)。

笔者基于自行研制的冲刷试验装置，对目前我国道路工程中常用不同材料的隔离层如沥青碎石、微表处、沥青混凝土的冲刷性能进行对比研究，为水泥混凝土路面隔离层设计和选材提供理论依据和参考。

2冲刷试验

在设置了不同类型隔离层的试验路上，对未设置隔离层的水稳定道路基层和设置沥青碎石隔离层(滑动封层)、微表处隔离层及不同级配比例沥青混合料土隔离层的水稳定道路进行现场取芯，并在实验室进行冲刷试验。试验装置由华南理工大学道路研究所开发。

2.1动水压力模拟方法和原理[3]

试验时，将试件慢慢均匀浸没在温水中，使用于试验的容器上空的气压均匀作用于温水表面。由于气压变化波动小，故水体承受相同的压力。水在试件开口孔隙中的流动方向是发散的，称为非定向动水冲刷。试验以冲刷前后试件的质量变化作为沥青混合料试件抗冲刷性能的指标。沥青混凝土试件采用旋转压实仪制成。试件高135 mm，直径100 mm，空隙率为1.976%。沥青混合料动水压力冲刷装置见图1。

图1　沥青混合料动水压力冲刷装置

2.2试验步骤

1) 测量冲刷试验前试件的重量。

2) 将试件放入密闭容器内并浸没在水中。

3) 测量容器内水温为常温25 ℃，先向密闭容器中充入压缩空气至0.68～0.7 MPa，即向水和试件施加正压力；再将密闭容器泄压到常压，并将所述密闭容器抽真空至-0.095～-0.1 MPa，即向水和试件施加负压力。循环操作，从而完成沥青混合料动水压力冲刷的模拟过程。

4) 测量冲刷试验后试件的重量，以冲刷试验前后试件的质量变化作为评价试件抗冲刷性能的指标，并按式(1)计算。

Δm=m1-m2

(1)

式中：△m为冲刷后损失的质量；m1为冲刷前的质量；m2为冲刷后的质量。

3冲涮试验结果分析

不同类型、不同级配沥青混合料隔离层的抗冲刷性能分别见图2、图3。

图2　不同类型沥青混合料隔离层的抗冲刷性能

图3　不同级配沥青混合料隔离层的抗冲刷性能

由图2和图3可以看出：

1) 相同条件下，未设置隔离层的试件要比设置隔离层的试件冲刷量大。分析其原因，是因为水泥稳定粒料基层级配中的细料在缝隙处高压水的泵吸作用下不耐冲刷，高压水流会使细料迁移，因此其冲刷量较大。在冲刷试验开始阶段，水泥稳定碎石冲刷量较大，但随着冲刷时间慢慢延长，冲刷量基本上没增长。主要原因是，对水泥稳定碎石而言，作用在粗颗粒表面的骨架强度较大，在冲刷试验过程中，冲刷作用时间不断增加，当冲刷作用达到一定程度时，粗颗粒所形成的骨架承受着主要的作用力。而此时，对于粗颗粒间隙的细料部分，受到的仅仅只有运动水流的冲刷作用，且因试件表面粗颗粒之间无规则的空隙对运动水流的“消力”作用，这种冲刷作用会变得相当弱小。待试验至此阶段时，尽管冲刷作用的频率保持不变，但冲刷下来的细料却明显减少，并逐渐趋于稳定。因此，可以这样认为，在水泥稳定粒料结构中，尺寸较大的粗颗粒被细料与水泥所形成的结合物胶结在一起构成了稳定的水泥稳定粒料结构，当遇到较大冲刷作用时，这些较大的粗颗粒能很好地起到保护细颗粒的作用，从而可有效避免细颗粒受到过度的冲刷[6]。

2) 相同条件下，铺设沥青碎石隔离层(滑动封层)试件的抗冲刷时间较未设置隔离层的抗冲刷时间要短，而随着冲刷时间的延长，沥青碎石隔离层的抗冲刷性能衰减很快。说明沥青碎石隔离层(滑动封层)有一定的抗冲刷性[7]。

3) 相对于沥青碎石隔离层，微表处隔离层具有较好的抗冲刷性能，且10 mm厚微表处的抗冲刷性能优于5 mm厚微表处。说明隔离层抗冲刷性能随隔离层厚度增长而增强。

4) 相对于其他类型隔离层，沥青混合料隔离层的抗冲刷性能最佳。相对于集料级配，沥青用量对沥青混凝土隔离层的抗冲刷性能影响较大，且沥青用量越大，沥青混合料隔离层的抗冲刷性能就越好。由上述分析可以得出，在半刚性基层水泥混凝土路面设置沥青混合料隔离层十分必要[8]。

5) 10 mm厚微表处的抗冲刷性和5 mm厚微表处的抗冲刷特性基本相似，走势图也基本一致。但对于累积抗冲刷性能而言，10 mm厚微表处的抗冲刷性优势主要显示在初期，而对后期抗冲刷的优势有限(几乎没有)。由此可知，水泥混凝土路面隔离层抗冲刷性能的前期预防尤为重要。

4结论

本文简要介绍了我国水泥混凝土路面隔离层常用材料及其工程应用情况，阐述了设置隔离层以防治层间冲刷的必要性。采用自行设计的冲刷试验仪器对不同材料隔离层的冲刷性能进行了对比试验研究，并得出以下结论。

1) 相同条件下，未设置隔离层的试件要比设置隔离层试件的冲刷量大，沥青混合料的抗冲刷性能要优于其他材料。

2) 相对于沥青碎石隔离层，微表处隔离层具有较好的抗冲刷性能，且其随隔离层厚度增长而增强。

3) 沥青混合料隔离层抗冲刷性随沥青隔离层厚度增长而增强，随油石比增大而增强。

4) 沥青混凝土隔离层的抗冲刷性能要优于其他类型隔离层，其抗冲刷性随隔离层厚度增长而增强，随油石比增大而增强。

5) 沥青的性能、隔离层局部缺陷对隔离层的抗冲刷性能有显著影响，而隔离层材料级配对隔离层的抗冲刷性能的影响程度甚微。既有高速公路建设经验也表明，设置隔离层能有效消除层间接触状况对路面使用性能的影响，能有效减少或延缓板底脱空、半刚性基层唧泥等水泥混凝土路面病害的发生。因此，为了更好地防范层间过渡层断裂破坏导致混凝土面板损伤，建议在混凝土面板和半刚性基层之间设置隔离层(隔离剂)。

参 考 文 献

[1]杨锡武，王在善，谢强.水泥混凝土路面早期破坏的力学机理研究[J].重庆交通学院学报，2002，121(2)：96-100.

[2]同济大学，中交公路规划设计院，重庆市公路局.水泥混凝土路面断板分析及防治技术研究报告[R].上海：同济大学学报，2005.

[3]吴超凡.贫混凝土基层水泥混凝土路面层间处理技术研究[D].西安：长安大学，2009.

[4]姚海龙，朱子义.蜡制养护剂作贫混凝土基层隔离层的应用研究[J].山西建筑，2008，21(3)：61-64.

[5]姜旺恒，李智，张肖宁.级配离析对沥青混合料抗水损坏能力的影响研究[J].公路交通科技，2010，36(2)：12 -16

[6]聂午龙.水泥混凝土路面基层材料抗冲刷性能研究[D].西安：长安大学，2006.

[7]易志坚,唐伯明，李祖伟，等.水泥砼路面面层与基层相互作用引起的基本破坏形式及重要影响[J]. 重庆交通学院学报，2001(S1)：34-38.

[8]许晓锋，陈斌.混凝土箱型梁桥的温度和应力分布[J].国外桥梁，1994(2)：109-118.

Experimental Research on Anti-erosion Property of Separating Layer on Cement Concrete Pavement

PAN Haibin

Abstract:This paper introduces common materials for separating layer on cement concrete pavement, and performs comparative analysis and study of the anti-erosion property of asphalt macadam, micro-surfacing and asphalt concrete separating layer by means of self-developed washout test equipment. The results of research show that the anti-erosion property of asphalt concrete separating layer are superior to other anti-erosion materials, it enhances with increase of the thickness of separating layer and increase of the asphalt-aggregate ratio; the separating layer at micro-surfacing exhibits good anti-erosion property and enhances with increases of the thickness.

Keywords:cement concrete pavement; separating layer; anti-erosion property; washout test

文章编号：1009-6477(2016)01-0010-03

中图分类号：U416.216

文献标识码：A

作者简介：盘海斌(1975-)，男，广东省清远市人，大专，工程师。

收稿日期：2015-06-11

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.003