李將偉，鄭小平，李洪震，許荊衛(wèi)，沈衛(wèi)國(guó)，張 正

(1.武漢理工大學(xué)，武漢 430070；2.荊門(mén)市公路管理局，荊門(mén) 448004;3.中國(guó)三峽建工(集團(tuán))有限公司，成都 610041)

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國(guó)的道路交通所面臨的考驗(yàn)與挑戰(zhàn)也越來(lái)越大，車(chē)速快、載重大、通行量大、超載車(chē)輛比例高等因素成為了路面產(chǎn)生快速破壞的主要原因。我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的公路通車(chē)?yán)锍檀?，道路的水損害問(wèn)題亦十分嚴(yán)重。在我國(guó)半剛性基層材料憑借其顯著的工程特性和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，成為了混凝土路面主要的基層材料，但是半剛性路面基層往往會(huì)產(chǎn)生大量的收縮開(kāi)裂進(jìn)而形成反射裂縫，在雨水的作用下發(fā)生沖刷和唧泥，并且破壞隨著交通量和車(chē)輛載重的增加而呈現(xiàn)不斷加劇的趨勢(shì)，成為我國(guó)公路最為普遍的病害類(lèi)型[1]。盡管我國(guó)的公路瀝青和水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范[2，3]都提出路面基層應(yīng)具備較強(qiáng)(足夠)的抗沖刷能力，但是都沒(méi)提出統(tǒng)一的抗沖刷的技術(shù)指標(biāo)要求。國(guó)內(nèi)外就道路基層材料抗沖刷性能方面做了大量的工作[4,5]，我國(guó)針對(duì)無(wú)機(jī)結(jié)合料路面基層的抗沖刷性實(shí)驗(yàn)制訂了規(guī)程[6]，但是目前尚沒(méi)有理想的基層材料抗沖刷實(shí)驗(yàn)儀器能夠很好地與實(shí)際沖刷相聯(lián)系，所以有必要對(duì)能夠評(píng)價(jià)路面材料抗沖刷性能的試驗(yàn)方法進(jìn)行研究。

1 半剛性基層材料的沖刷機(jī)理

路面產(chǎn)生沖刷破壞的機(jī)理可以分為三個(gè)階段：1)自由水的浸泡軟化：當(dāng)降水接觸到路面表面時(shí)后，大部分水會(huì)經(jīng)由路面排水設(shè)施排除，但降水量較大或者降水沒(méi)有被及時(shí)排出時(shí)[7]，水分會(huì)沿著路面的縫隙進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部。自由水的浸泡會(huì)使基層表面材料軟化，降低顆粒材料和基體的粘接力。2)靜水壓力下的溶蝕：行車(chē)載荷的作用會(huì)使自由水在基層產(chǎn)生靜水壓力，從而使水分沿著微裂紋向更深處進(jìn)行遷移，在加速磨蝕作用的同時(shí)直接導(dǎo)致表面顆粒脫落，形成一定厚度的表面松散顆粒，為動(dòng)水壓力的沖刷奠定基礎(chǔ)[8]。3)動(dòng)水壓力下的沖刷：當(dāng)行車(chē)載荷作用在混凝土路面板上的時(shí)候，承載的面板會(huì)向下彎曲，積聚的自由水受壓產(chǎn)生脈動(dòng)水壓力，流向相鄰的板塊(如圖1(a)、圖1(b)所示)。如果基層抗沖刷能力較差，基層表面松散的顆粒水流沖刷而帶走，當(dāng)水流壓力足夠大的時(shí)候自由水甚至?xí)刂访娼涌p噴射到道路表面，即典型的唧泥現(xiàn)象。當(dāng)行車(chē)載荷離開(kāi)受力面板之后，駛?cè)氚逑蛏戏磸棧姘宓撞繒?huì)形成負(fù)壓，將之前擠出去的自由水重新吸回板底[9]。在這個(gè)過(guò)程中，自由水快速地返回板底，再次沖蝕基層表面的松散顆粒(如圖1(c)、圖1(d)所示)，即“泵吸”現(xiàn)象。板底積聚的自由水隨著行車(chē)荷載的反復(fù)作用，反復(fù)地沖刷、磨蝕基層材料，將基層中的細(xì)漿料帶出路面結(jié)構(gòu)，形成路面板底的脫空現(xiàn)象[10,11]。在沖刷過(guò)程中，這三個(gè)階段交替進(jìn)行，并相互加速影響。行車(chē)載荷和溫度的重復(fù)作用會(huì)加速路面脫空的發(fā)展，而路面脫空會(huì)使自由水的滲入量大幅增加，從而導(dǎo)致動(dòng)水沖刷中基層材料更加快速地流失，使路面脫空更加嚴(yán)重，加劇路面破壞進(jìn)程。

2 沖刷試驗(yàn)儀器的發(fā)展

早在20世紀(jì)50年代，美國(guó)等西方國(guó)家就開(kāi)始關(guān)注道路在行車(chē)作用下產(chǎn)生的唧泥現(xiàn)象，但是真正開(kāi)展基層材料抗沖刷性能的研究是從20世紀(jì)80年代開(kāi)始的，而且國(guó)內(nèi)外相應(yīng)的報(bào)道屈指可數(shù)。按照抗沖刷試驗(yàn)儀器的研制時(shí)間以及模擬方式可以將實(shí)驗(yàn)儀器分為三代。

第一代儀器對(duì)道路的沖刷情況進(jìn)行了簡(jiǎn)單的模擬；第二代儀器結(jié)合了沖刷原理考慮了回吸沖刷作用，可以比較合理地評(píng)價(jià)路面抗沖刷的狀況；第三代儀器在第二代的基礎(chǔ)上不采用昂貴的MTS驅(qū)動(dòng)，采用了偏心輪或空壓機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2.1 第一代實(shí)驗(yàn)儀器

第一代實(shí)驗(yàn)儀器包括法國(guó)旋轉(zhuǎn)刷試驗(yàn)裝置、法國(guó)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)裝置以及澳大利亞振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)裝置。

法國(guó)作為較早開(kāi)始研究半剛性基層材料抗沖刷性能的國(guó)家，較早開(kāi)始使用旋轉(zhuǎn)刷裝置來(lái)測(cè)試材料的抗沖刷性能(見(jiàn)圖2)。它依靠旋轉(zhuǎn)的鋼絲刷磨刷試件表面來(lái)模擬實(shí)際中基層材料所受的沖刷狀況，通過(guò)測(cè)量試件磨刷后質(zhì)量的減少量來(lái)評(píng)價(jià)路面抗沖刷能力的強(qiáng)弱。該試驗(yàn)方法雖然在一定程度上模擬了沖刷狀況，但是試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有涉及到水分參與。該儀器更偏重于測(cè)試材料的抗磨性能，而對(duì)于浸泡軟化、靜水溶蝕以及動(dòng)水沖刷等情況完全沒(méi)有模擬，不能真實(shí)地反映材料抵抗沖刷的實(shí)際情況。

法國(guó)振動(dòng)臺(tái)裝置主要由振動(dòng)臺(tái)和鋼桶兩大部分組成(見(jiàn)圖3)，將試件置于有水的鋼桶中，通過(guò)震動(dòng)模擬行車(chē)載荷的作用。澳大利亞的振動(dòng)臺(tái)裝置的基本結(jié)構(gòu)和法國(guó)振動(dòng)臺(tái)的結(jié)構(gòu)基本相似(見(jiàn)圖4)，只是增加了配重以達(dá)到增大壓力的目的。振動(dòng)臺(tái)裝置有水參與沖刷，并且模擬了“泵吸作用”，相比旋轉(zhuǎn)刷裝置有了很大的進(jìn)步。但是經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，試件的振動(dòng)頻率與振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率不一致，而且試件所受的作用力和振幅也并不是一個(gè)固定值，當(dāng)試件質(zhì)量或者剛度發(fā)生改變后，試件的運(yùn)動(dòng)情況和受力狀況也會(huì)隨之發(fā)生變化。除此之外，試件與鋼桶壁之間的縫隙較寬，試件上下運(yùn)動(dòng)難以保證垂直，而且試件的邊緣容易在震動(dòng)中被破壞，加大沖刷損失量，造成較大的實(shí)驗(yàn)誤差。

長(zhǎng)安大學(xué)的王博經(jīng)過(guò)對(duì)道路抗沖刷試驗(yàn)機(jī)的研究[12]，提出使用高壓水柱沖擊試件頂面的方式來(lái)模擬行車(chē)對(duì)路面產(chǎn)生的動(dòng)水壓力。該試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，將試件放置在旋轉(zhuǎn)支座上，由位于機(jī)器頂端的噴頭噴出高壓水柱，水柱作用于試件頂面，模擬實(shí)際情況中的行車(chē)載荷。試件為φ15 cm×15 cm的圓柱體，噴頭在試件頂面的作用面積為一個(gè)扇形，試驗(yàn)時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)支座旋轉(zhuǎn)，確保試件全部頂面受到相同的水壓沖刷。通過(guò)調(diào)節(jié)水流的沖刷時(shí)間和沖刷壓力來(lái)模擬一定時(shí)間、一定交通量下的沖刷破壞。

該試驗(yàn)裝置使用的設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且易于獲得，對(duì)于制造工藝沒(méi)有很高的要求，節(jié)省了成本，在推廣方面具有其他儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。但是該儀器采用水流沖刷的方式進(jìn)行模擬，在試驗(yàn)的過(guò)程中會(huì)消耗大量的水，造成很大的浪費(fèi)，并且高壓水流直接作用于試件的頂面，在沖刷過(guò)程中高壓水流不僅可能會(huì)直接對(duì)試件產(chǎn)生破壞，而且加劇沖刷破壞的效果，增加沖刷破壞的損失量，影響試驗(yàn)的結(jié)果。

2.2 第二代實(shí)驗(yàn)儀器

2000年，我國(guó)的沙愛(ài)民教授在總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上[13]，創(chuàng)造性地提出了基于MTS平臺(tái)的道路抗沖刷試驗(yàn)裝置(見(jiàn)圖6)。

該試驗(yàn)裝置將試件固定在一個(gè)盛水的沖刷桶中，依靠MTS平臺(tái)采取自上而下的加載方式模擬行車(chē)載荷的作用。在試驗(yàn)過(guò)程中，MTS壓頭對(duì)試件頂面進(jìn)行加載，將試件中的細(xì)漿料擠壓出來(lái)，模擬實(shí)際情況中路面面層與基層間的細(xì)漿料被擠出來(lái)的情況。當(dāng)MTS壓頭上升的時(shí)候，壓頭與試件頂面之間產(chǎn)生負(fù)壓，將自由水迅速地吸入壓頭底面和試件頂面之間，將試件頂面微結(jié)構(gòu)中的細(xì)顆粒和漿料帶出，模擬實(shí)際中車(chē)輪經(jīng)過(guò)后路面回彈造成沖刷的情況。

MTS平臺(tái)較好地模擬了實(shí)際沖刷狀況，可以很方便地控制加載速率、間隔和加載時(shí)間，加載作用力也很穩(wěn)定，相比之前的儀器有了很大的進(jìn)步。MTS裝置為之后的儀器開(kāi)發(fā)提供了重要的思路，之后的儀器大都采用和MTS平臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置相似的加載原理和模擬方式，只是在驅(qū)動(dòng)方式以及沖刷桶的設(shè)計(jì)上進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，所以將MTS平臺(tái)抗沖刷試驗(yàn)裝置單獨(dú)劃分為第二代試驗(yàn)儀器。MTS平臺(tái)雖然有其無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但是該儀器屬于大型的儀器平臺(tái)設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，只有少數(shù)的專(zhuān)業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)以及高等學(xué)校有能力配備，而且不容易進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，難以進(jìn)行推廣應(yīng)用，所以有必要設(shè)計(jì)出更簡(jiǎn)便易推廣的試驗(yàn)裝置。

2013年重慶交通大學(xué)的陸超使用UTM-100伺服液壓多功能材料試驗(yàn)系統(tǒng)(UTM-100系統(tǒng)包括：加載架、液壓泵、液壓分流器、溫控箱、IMACS控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、試驗(yàn)組件、UTS 試驗(yàn)軟件)結(jié)合自制的沖刷桶對(duì)路面基層材料進(jìn)行了抗沖刷性能的測(cè)試。

該試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)原理大致與MTS平臺(tái)試驗(yàn)機(jī)的原理相似，采用液壓系統(tǒng)代替MTS系統(tǒng)進(jìn)行加載。液壓系統(tǒng)比較容易實(shí)現(xiàn)沖刷水流壓力的調(diào)節(jié)控制,及沖刷和泵吸循環(huán)過(guò)程,對(duì)于壓力的控制以及數(shù)據(jù)的采集都有比較好的表現(xiàn)，整體性能來(lái)講十分出色。但采用液壓動(dòng)力的缺點(diǎn)是沖刷試驗(yàn)機(jī)生產(chǎn)的成本依然很高,雖然與MTS平臺(tái)相比已經(jīng)降低了很大的成本，但絕對(duì)成本依然很高。采用液壓系統(tǒng)做動(dòng)力，加載與卸載的時(shí)間比較長(zhǎng)，而且當(dāng)沖刷壓力較大時(shí),還需要為液壓系統(tǒng)配備冷卻設(shè)備,這種方法不適宜在道路建設(shè)單位推廣使用。

2.3 第三代實(shí)驗(yàn)儀器

為了進(jìn)一步改進(jìn)抗沖刷試驗(yàn)儀器，國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究人員結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，開(kāi)始相繼考慮使用不同的裝置作為儀器的動(dòng)力來(lái)源。要想達(dá)到?jīng)_刷試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)指標(biāo)，試驗(yàn)機(jī)的動(dòng)力選擇有MTS平臺(tái)、電動(dòng)、液壓以及氣動(dòng)等方式。

沙愛(ài)民教授在總結(jié)國(guó)內(nèi)外基層沖刷試驗(yàn)方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上[14]，開(kāi)發(fā)出了新型的抗沖刷性能試驗(yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)的模擬原理與MTS平臺(tái)比較相似，采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)(其結(jié)構(gòu)如圖7所示)，通過(guò)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)偏心輪，從而推動(dòng)沖刷頭產(chǎn)生上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試件的加壓和卸載的過(guò)程。該沖刷試驗(yàn)機(jī)模擬程度較好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，可以很方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)沖刷次數(shù)的計(jì)數(shù)，而且這種加載方式減小了側(cè)向振動(dòng)和試模摩擦對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，具有比較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。但是該試驗(yàn)機(jī)由于采用機(jī)械加載，加載壓力值是外部機(jī)械的施加壓力，無(wú)法準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)沖刷桶內(nèi)的真實(shí)水流沖刷壓力，并且采用機(jī)械加載的加載間隔比較短，這與實(shí)際中加載速度快、回流時(shí)間長(zhǎng)的情況相差較大，“泵吸”作用還沒(méi)有完全完成就已經(jīng)開(kāi)始了下一輪的循環(huán)，水分的回流不充分，模擬的效果不是很好。

為了進(jìn)一步改進(jìn)抗沖刷試驗(yàn)儀器，國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究人員開(kāi)始相繼考慮使用空氣壓縮機(jī)作為提供壓力的動(dòng)力裝置。2009年，長(zhǎng)安大學(xué)的張擎博士制造出了新型的抗沖刷試驗(yàn)機(jī)并使用該儀器對(duì)沖刷脫空的混凝土路面進(jìn)行了研究，該儀器的原理圖見(jiàn)圖8。

沖刷試驗(yàn)機(jī)工作原理：首先向氣缸內(nèi)輸入高壓氣體,推動(dòng)氣缸活塞向下運(yùn)動(dòng),氣缸活塞與沖刷筒內(nèi)剛性沖刷板連接,由沖刷板向沖刷筒內(nèi)的水施加加壓過(guò)程,沖刷筒內(nèi)產(chǎn)生正的沖刷壓力,這個(gè)過(guò)程相當(dāng)于行車(chē)荷載開(kāi)始作用到路面的沖刷過(guò)程。當(dāng)氣缸活塞達(dá)到最大行程后,沖刷過(guò)程結(jié)束，此時(shí)自動(dòng)控制閥門(mén)打開(kāi),氣缸內(nèi)的氣體排出,壓力降低,拉動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)沖刷板對(duì)沖刷筒內(nèi)水施加減壓過(guò)程,沖刷筒內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓力,這個(gè)過(guò)程相當(dāng)于車(chē)輛荷載離開(kāi)路面產(chǎn)生的泵吸過(guò)程，當(dāng)氣缸活塞達(dá)到起始位置后,泵吸過(guò)程結(jié)束,一個(gè)沖刷循環(huán)過(guò)程完成，之后再充氣加壓開(kāi)始第二個(gè)沖刷泵吸過(guò)程。

采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)在于可以調(diào)節(jié)氣缸內(nèi)氣體的壓力控制沖刷筒內(nèi)沖刷水流壓力,通過(guò)氣缸充氣和放氣循環(huán)過(guò)程實(shí)現(xiàn)沖刷板的上下運(yùn)動(dòng),達(dá)到控制沖刷筒內(nèi)水流的沖刷和泵吸循環(huán)作用。而且氣動(dòng)設(shè)備成本低,只需要為沖刷試驗(yàn)機(jī)配備一個(gè)空氣氣泵，不需要像液壓系統(tǒng)配備冷卻系統(tǒng),因此沖刷試驗(yàn)機(jī)的體積非常小巧,便于運(yùn)輸和安裝。就目前的情況來(lái)看，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的儀器優(yōu)勢(shì)更加明顯。長(zhǎng)安大學(xué)的盛燕萍也曾研制出使用空氣壓縮機(jī)做動(dòng)力的氣動(dòng)抗沖刷試驗(yàn)裝置，其基本原理與上述裝置相似。

3 關(guān)于抗沖刷試驗(yàn)的新思路

設(shè)計(jì)的試驗(yàn)機(jī)器應(yīng)該滿(mǎn)足以下幾個(gè)基本要素：1)試驗(yàn)裝置應(yīng)該能夠合理地模擬實(shí)際路面板產(chǎn)生沖刷破壞的過(guò)程，考慮水和荷載的聯(lián)合作用效果，尤其是動(dòng)水壓力的影響，使之與實(shí)際沖刷聯(lián)系更加緊密。2)試驗(yàn)裝置應(yīng)該能夠穩(wěn)定控制試驗(yàn)的沖刷頻率和沖刷作用力，保證試驗(yàn)的穩(wěn)定性。3)裝置的設(shè)備結(jié)構(gòu)和使用流程應(yīng)該盡可能簡(jiǎn)便，方便在道路建設(shè)單位應(yīng)用。

在實(shí)際服役環(huán)境下，基層的沖刷破壞有個(gè)重要的影響因素是排水性能，但以往的方法沒(méi)有考慮到好的排水性能可以減少基面層間水的富集，減少?zèng)_刷破壞的程度。為了在進(jìn)行抗沖刷試驗(yàn)的同時(shí)對(duì)試件的排水性能進(jìn)行測(cè)試，可以使用定量的水對(duì)試件進(jìn)行抗沖刷試驗(yàn)的測(cè)試，沖刷桶采用內(nèi)外套筒結(jié)構(gòu)，沖刷內(nèi)筒的底部做一定的排水處理，來(lái)模擬水分透過(guò)路面基層后滲透進(jìn)入基層下部的狀況，以此來(lái)彌補(bǔ)路面排水性能的優(yōu)劣對(duì)試件抗沖刷性能造成的影響，減少試驗(yàn)誤差。該沖刷桶大體的結(jié)構(gòu)如圖9和圖10所示。

為了衡量路面排水性能對(duì)試驗(yàn)的影響，可以在試驗(yàn)開(kāi)始向沖刷桶內(nèi)注入一定量的水，如果試件的排水性能非常好，水分會(huì)快速地通過(guò)試件內(nèi)部，然后通過(guò)桶底部的排水孔被排出，沖刷作用較弱；如果試件的排水性能較差，水分會(huì)在試件內(nèi)部積聚較長(zhǎng)時(shí)間，難以從沖刷桶的底部排出，相應(yīng)的沖刷作用也較為強(qiáng)烈。要想在進(jìn)行抗沖刷實(shí)試驗(yàn)的同時(shí)考慮路面排水性對(duì)試驗(yàn)的影響，新的沖刷桶采用兩個(gè)半桶連接而成，桶內(nèi)采用橡膠材料裹附試件，橡膠材料的內(nèi)徑略小于試件的直徑，在連接固定好后可以有效地貼緊試件外表面，防止水分沿著外表面滲透到桶底，并且可以方便地連接量水槽，見(jiàn)圖11。采用兩個(gè)半桶的結(jié)構(gòu)可以使試件非常方便地裝入桶中，同時(shí)由于其結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，操作也比較方便。建議采用空壓機(jī)驅(qū)動(dòng)沖刷橡膠墊以降低成本，也可以采用MTS驅(qū)動(dòng)。

4 結(jié)論與展望

1)第一代儀器對(duì)道路的沖刷情況進(jìn)行了簡(jiǎn)單的模擬。

2)第二代儀器結(jié)合了沖刷原理考慮了回吸沖刷作用，可以比較合理地評(píng)價(jià)路面抗沖刷的狀況。

3)第三代儀器在第二代的基礎(chǔ)上不采用昂貴的MTS驅(qū)動(dòng)，采用偏心輪或空壓機(jī)驅(qū)動(dòng)。

4)該文提出的沖刷試驗(yàn)機(jī)在第三代機(jī)的基礎(chǔ)上考慮了路面基層材料排水性對(duì)沖刷破壞的減輕作用。