盤海斌

(廣州誠信公路建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司， 廣東 清遠(yuǎn)　513400)

?

水泥混凝土路面隔離層抗沖刷性能試驗(yàn)研究

盤海斌

(廣州誠信公路建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司， 廣東 清遠(yuǎn)513400)

摘要：介紹水泥混凝土路面隔離層常用材料，采用自行研制的沖刷試驗(yàn)設(shè)備，對瀝青碎石、微表處、瀝青混凝土隔離層的沖刷性能進(jìn)行對比分析和研究。研究結(jié)果表明：瀝青混凝土隔離層的抗沖刷性能要優(yōu)于其他抗沖刷材料，其隨隔離層厚度增長而增強(qiáng)，隨油石比增大而增強(qiáng)；微表處隔離層具有較好的抗沖刷性能，其隨厚度增長而增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：水泥混凝土路面；隔離層；抗沖刷性能；沖刷試驗(yàn)

1水泥混凝土路面隔離層常用材料及應(yīng)用概況

在行車荷載作用下，水泥混凝土路面基層材料結(jié)構(gòu)層內(nèi)或?qū)娱g的自由水會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的水壓力，其會(huì)不斷沖刷基層的細(xì)集料，而細(xì)集料受到長期沖刷后，會(huì)在接縫或裂縫表面形成大量細(xì)料漿。在行車荷載重復(fù)作用下，細(xì)料漿被逐漸壓擠出接縫或裂縫，形成唧泥和板底脫空[1]。

由此可知，在半剛性基層上設(shè)置隔離層非常必要，其在很大程度上可以阻止從面層接縫或裂縫滲入的自由水沖刷基層，防止面板出現(xiàn)唧泥或脫空病害。

目前，我國道路工程中常用水泥混凝土路面隔離層材料有:瀝青混凝土、瀝青砂、稀漿封層、土工材料、蠟質(zhì)養(yǎng)護(hù)劑等。稀漿封層是采用機(jī)械設(shè)備將乳化瀝青、粗細(xì)集料、填料、水和添加劑等按照設(shè)計(jì)配合比拌成稀漿混合料并攤鋪到原路面上形成的薄層。稀漿封層可分為如下幾類：1) 按照礦料級配分類?？煞譃榧?xì)封層(Ⅰ型，采用ES-1型級配礦料)，中封層(Ⅱ型，采用ES-2型級配礦料)和粗封層(Ⅲ型，采用ES-3型級配礦料)；2) 根據(jù)是否添加改性劑分類?？煞譃楦男韵{封層和稀漿封層；3) 根據(jù)交通時(shí)間開放快慢分類。可分為快開放交通型和慢開放交通型稀漿封層。

吳超凡[2]選用ES-1型、ES-2型和ES-3型3種稀漿封層，采用MS-2型和MS-3型2種常用微表處級配作為隔離層材料，利用其自行開發(fā)的沖刷試驗(yàn)儀，對以上3種不同材料進(jìn)行抗沖刷性能試驗(yàn)。他認(rèn)為，瀝青的性能、隔離層局部缺陷對隔離層的抗沖刷性能有顯著影響，而隔離層材料級配對隔離層抗沖刷性能的影響程度甚微。既有高速公路建設(shè)經(jīng)驗(yàn)也表明，設(shè)置隔離層能有效消除層間接觸狀況對水泥路面使用性能的影響，能有效減少或延緩板底脫空、半剛性基層唧泥等病害的發(fā)生。因此，筆者建議，為了更好地防范層間過渡層斷裂破壞導(dǎo)致混凝土面板損傷，在混凝土面板和半剛性基層之間應(yīng)設(shè)置隔離層(隔離劑)。

筆者基于自行研制的沖刷試驗(yàn)裝置，對目前我國道路工程中常用不同材料的隔離層如瀝青碎石、微表處、瀝青混凝土的沖刷性能進(jìn)行對比研究，為水泥混凝土路面隔離層設(shè)計(jì)和選材提供理論依據(jù)和參考。

2沖刷試驗(yàn)

在設(shè)置了不同類型隔離層的試驗(yàn)路上，對未設(shè)置隔離層的水穩(wěn)定道路基層和設(shè)置瀝青碎石隔離層(滑動(dòng)封層)、微表處隔離層及不同級配比例瀝青混合料土隔離層的水穩(wěn)定道路進(jìn)行現(xiàn)場取芯，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行沖刷試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置由華南理工大學(xué)道路研究所開發(fā)。

2.1動(dòng)水壓力模擬方法和原理[3]

試驗(yàn)時(shí)，將試件慢慢均勻浸沒在溫水中，使用于試驗(yàn)的容器上空的氣壓均勻作用于溫水表面。由于氣壓變化波動(dòng)小，故水體承受相同的壓力。水在試件開口孔隙中的流動(dòng)方向是發(fā)散的，稱為非定向動(dòng)水沖刷。試驗(yàn)以沖刷前后試件的質(zhì)量變化作為瀝青混合料試件抗沖刷性能的指標(biāo)。瀝青混凝土試件采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀制成。試件高135 mm，直徑100 mm，空隙率為1.976%。瀝青混合料動(dòng)水壓力沖刷裝置見圖1。

圖1　瀝青混合料動(dòng)水壓力沖刷裝置

2.2試驗(yàn)步驟

1) 測量沖刷試驗(yàn)前試件的重量。

2) 將試件放入密閉容器內(nèi)并浸沒在水中。

3) 測量容器內(nèi)水溫為常溫25 ℃，先向密閉容器中充入壓縮空氣至0.68～0.7 MPa，即向水和試件施加正壓力；再將密閉容器泄壓到常壓，并將所述密閉容器抽真空至-0.095～-0.1 MPa，即向水和試件施加負(fù)壓力。循環(huán)操作，從而完成瀝青混合料動(dòng)水壓力沖刷的模擬過程。

4) 測量沖刷試驗(yàn)后試件的重量，以沖刷試驗(yàn)前后試件的質(zhì)量變化作為評價(jià)試件抗沖刷性能的指標(biāo)，并按式(1)計(jì)算。

Δm=m1-m2

(1)

式中：△m為沖刷后損失的質(zhì)量；m1為沖刷前的質(zhì)量；m2為沖刷后的質(zhì)量。

3沖涮試驗(yàn)結(jié)果分析

不同類型、不同級配瀝青混合料隔離層的抗沖刷性能分別見圖2、圖3。

圖2　不同類型瀝青混合料隔離層的抗沖刷性能

圖3　不同級配瀝青混合料隔離層的抗沖刷性能

由圖2和圖3可以看出：

1) 相同條件下，未設(shè)置隔離層的試件要比設(shè)置隔離層的試件沖刷量大。分析其原因，是因?yàn)樗喾€(wěn)定粒料基層級配中的細(xì)料在縫隙處高壓水的泵吸作用下不耐沖刷，高壓水流會(huì)使細(xì)料遷移，因此其沖刷量較大。在沖刷試驗(yàn)開始階段，水泥穩(wěn)定碎石沖刷量較大，但隨著沖刷時(shí)間慢慢延長，沖刷量基本上沒增長。主要原因是，對水泥穩(wěn)定碎石而言，作用在粗顆粒表面的骨架強(qiáng)度較大，在沖刷試驗(yàn)過程中，沖刷作用時(shí)間不斷增加，當(dāng)沖刷作用達(dá)到一定程度時(shí)，粗顆粒所形成的骨架承受著主要的作用力。而此時(shí)，對于粗顆粒間隙的細(xì)料部分，受到的僅僅只有運(yùn)動(dòng)水流的沖刷作用，且因試件表面粗顆粒之間無規(guī)則的空隙對運(yùn)動(dòng)水流的“消力”作用，這種沖刷作用會(huì)變得相當(dāng)弱小。待試驗(yàn)至此階段時(shí)，盡管沖刷作用的頻率保持不變，但沖刷下來的細(xì)料卻明顯減少，并逐漸趨于穩(wěn)定。因此，可以這樣認(rèn)為，在水泥穩(wěn)定粒料結(jié)構(gòu)中，尺寸較大的粗顆粒被細(xì)料與水泥所形成的結(jié)合物膠結(jié)在一起構(gòu)成了穩(wěn)定的水泥穩(wěn)定粒料結(jié)構(gòu)，當(dāng)遇到較大沖刷作用時(shí)，這些較大的粗顆粒能很好地起到保護(hù)細(xì)顆粒的作用，從而可有效避免細(xì)顆粒受到過度的沖刷[6]。

2) 相同條件下，鋪設(shè)瀝青碎石隔離層(滑動(dòng)封層)試件的抗沖刷時(shí)間較未設(shè)置隔離層的抗沖刷時(shí)間要短，而隨著沖刷時(shí)間的延長，瀝青碎石隔離層的抗沖刷性能衰減很快。說明瀝青碎石隔離層(滑動(dòng)封層)有一定的抗沖刷性[7]。

3) 相對于瀝青碎石隔離層，微表處隔離層具有較好的抗沖刷性能，且10 mm厚微表處的抗沖刷性能優(yōu)于5 mm厚微表處。說明隔離層抗沖刷性能隨隔離層厚度增長而增強(qiáng)。

4) 相對于其他類型隔離層，瀝青混合料隔離層的抗沖刷性能最佳。相對于集料級配，瀝青用量對瀝青混凝土隔離層的抗沖刷性能影響較大，且瀝青用量越大，瀝青混合料隔離層的抗沖刷性能就越好。由上述分析可以得出，在半剛性基層水泥混凝土路面設(shè)置瀝青混合料隔離層十分必要[8]。

5) 10 mm厚微表處的抗沖刷性和5 mm厚微表處的抗沖刷特性基本相似，走勢圖也基本一致。但對于累積抗沖刷性能而言，10 mm厚微表處的抗沖刷性優(yōu)勢主要顯示在初期，而對后期抗沖刷的優(yōu)勢有限(幾乎沒有)。由此可知，水泥混凝土路面隔離層抗沖刷性能的前期預(yù)防尤為重要。

4結(jié)論

本文簡要介紹了我國水泥混凝土路面隔離層常用材料及其工程應(yīng)用情況，闡述了設(shè)置隔離層以防治層間沖刷的必要性。采用自行設(shè)計(jì)的沖刷試驗(yàn)儀器對不同材料隔離層的沖刷性能進(jìn)行了對比試驗(yàn)研究，并得出以下結(jié)論。

1) 相同條件下，未設(shè)置隔離層的試件要比設(shè)置隔離層試件的沖刷量大，瀝青混合料的抗沖刷性能要優(yōu)于其他材料。

2) 相對于瀝青碎石隔離層，微表處隔離層具有較好的抗沖刷性能，且其隨隔離層厚度增長而增強(qiáng)。

3) 瀝青混合料隔離層抗沖刷性隨瀝青隔離層厚度增長而增強(qiáng)，隨油石比增大而增強(qiáng)。

4) 瀝青混凝土隔離層的抗沖刷性能要優(yōu)于其他類型隔離層，其抗沖刷性隨隔離層厚度增長而增強(qiáng)，隨油石比增大而增強(qiáng)。

5) 瀝青的性能、隔離層局部缺陷對隔離層的抗沖刷性能有顯著影響，而隔離層材料級配對隔離層的抗沖刷性能的影響程度甚微。既有高速公路建設(shè)經(jīng)驗(yàn)也表明，設(shè)置隔離層能有效消除層間接觸狀況對路面使用性能的影響，能有效減少或延緩板底脫空、半剛性基層唧泥等水泥混凝土路面病害的發(fā)生。因此，為了更好地防范層間過渡層斷裂破壞導(dǎo)致混凝土面板損傷，建議在混凝土面板和半剛性基層之間設(shè)置隔離層(隔離劑)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]楊錫武，王在善，謝強(qiáng).水泥混凝土路面早期破壞的力學(xué)機(jī)理研究[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，121(2)：96-100.

[2]同濟(jì)大學(xué)，中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院，重慶市公路局.水泥混凝土路面斷板分析及防治技術(shù)研究報(bào)告[R].上海：同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005.

[3]吳超凡.貧混凝土基層水泥混凝土路面層間處理技術(shù)研究[D].西安：長安大學(xué)，2009.

[4]姚海龍，朱子義.蠟制養(yǎng)護(hù)劑作貧混凝土基層隔離層的應(yīng)用研究[J].山西建筑，2008，21(3)：61-64.

[5]姜旺恒，李智，張肖寧.級配離析對瀝青混合料抗水損壞能力的影響研究[J].公路交通科技，2010，36(2)：12 -16

[6]聶午龍.水泥混凝土路面基層材料抗沖刷性能研究[D].西安：長安大學(xué)，2006.

[7]易志堅(jiān),唐伯明，李祖?zhèn)ィ?水泥砼路面面層與基層相互作用引起的基本破壞形式及重要影響[J]. 重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2001(S1)：34-38.

[8]許曉鋒，陳斌.混凝土箱型梁橋的溫度和應(yīng)力分布[J].國外橋梁，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

文章編號：1009-6477(2016)01-0010-03

中圖分類號：U416.216

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：盤海斌(1975-)，男，廣東省清遠(yuǎn)市人，大專，工程師。

收稿日期：2015-06-11

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.003