基于灰色关联法的振动成型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)，山西 太原 030006)

0 前 言

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，尤其重载交通等级高速公路。国内外研究表明，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。本研究结合广东粤西山区云茂高速公路工程实例，基于灰色关联法分析混合料结构类型、不同水泥剂量、不同混合料含水率、不同压实度情况、不同强度等级水泥对水泥稳定碎石抗冲刷性能影响的关联程度。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20 cm级配碎石垫层+20 cm水泥稳定碎石底基层+38 cm水泥稳定碎石基层+8 cmGAC-25C下面层+5.5 cmGAC-20C(SBS改性)中面层+4.5 cmGAC-16C(SBS改性)上面层。工程所处位置降雨量大，年平均降雨量1 841.7 mm，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，考虑车厢发展趋势、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10 KN，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·C32.5、P·O42.5、P·Ⅱ52.5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，具体检测结果如下表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20～30 mm、10～20 mm、5～10 mm、0～5 mm四档同时备料，依据JTG E42-2005、JTG E40-2007对粗、细集料进行试验，试验结果如下表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

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，矿料掺配比例和合成级配如下表4和下表5所示。每种结构类型水泥剂量分别为：3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%；混合料含水率分别为：4.5%、4.7%、4.9%、5.1%、5.3%；压实度标准分别为：96%、97%、98%、99%、100%；水泥强度等级分别为：32.5、42.5、52.5。依据JTG E51-2009试验规程，对三种结构类型，在不同水泥剂量、含水率、压实度、水泥强度等级条件下成型φ150 mm×150 mm圆柱形无侧限试件，标准养生28 d后，浸水1 d后进行抗冲刷试验，冲击力峰值为0.5 MPa，冲刷频率为10 Hz，冲刷时间30 min。为方便基于灰色关联法进行计算，将三种结构类型简化表示为细集料掺量进行计算，悬浮密实结构、骨架密实结构、骨架空隙结构细集料掺量分别为45%、34%、18%。抗冲刷试验结果如表6所示。

表4 不同结构类型的配合比

表5 合成级配

表6 抗冲刷性能试验结果

由表6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。随着水泥剂量的增大，冲刷质量损失逐渐变小，低抗冲刷的能力逐渐变强；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；水泥强度等级越高，冲刷质量损失越少，抗冲刷性能越好，但水泥强度等级变化后，冲刷质量损失变化不明显。

3 抗冲刷性能影响因素分析

灰色理论可以避免回归分析方法的不足，采用灰色关联法对抗冲刷性能试验结果进行分析，将冲刷质量损失指定为参考数列，将抗冲刷性能影响因素中：结构类型(细集料掺量)、水泥剂量、含水率、压实度、水泥强度等级指定为比较数列。然后对参考数列和比较数列进行无量纲化处理，计算关联系数、计算关联度。

表7 抗冲刷性能试验结果无量纲化处理

逐个计算参考数列冲刷质量损失和比较数列结构类型(细集料掺量、水泥剂量、含水率、压实度、水泥强度等级对应的绝对差值，如下表8所示，得出△min=0，△max=1.103，取ρ=0.5，计算关联系数，如表9所示。

由表10可知，γ1>γ4>γ3>γ2>γ5，对水泥稳定碎石抗冲刷性能影响最大的因素是混合料结构类型，其次是压实度、混合料含水率、水泥剂量，影响程度最小的是水泥强度等级。

4 结 论

(1)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型结构类型。

表8 参考数列与比较数列绝对差值

表9 抗冲刷性能各影响因素关联系数

表10 抗冲刷性能不同影响因素关联度

(2)随着水泥剂量的增大，冲刷质量损失逐渐变小，低抗冲刷的能力逐渐变强。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；水泥强度等级越高，冲刷质量损失越少，抗冲刷性能越好。

(3)通过灰色关联理论分析计算，水泥稳定碎石抗冲刷性能关联度最大的是混合料结构类型，其次是压实度、混合料含水率、水泥剂量，关联度最小的是水泥强度等级。

(4)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。