半刚性基层抗冲刷性能分析

摘要：文章分析半刚性基层的裂缝产生原因，大多数并非承载力不足引起，而是抗冲刷能力不足导致使用寿命缩短，进一步通过冲刷试验来分析基层抗冲刷性能特点，同时得出从冲刷试验到数据处理方面相关建议。

关键词：半刚性基层；抗冲刷性能

中图分类号：U414

文献标识码：A

文章编号：1000-8136(2009)20-0008-03

半刚性基层材料的抗冲刷能力不足是在面层出现裂缝后导致路面使用寿命迅速缩短的另一个主要原因。大量的工程实践表明，很多由基层引起的路面损坏并非承载力不足，而是由其他的原因所致。其中。半刚性基层材料抗冲刷能力的不足是加速路面破坏的重要因素之一。

国内外的调查和研究显示，由于基层材料的抗冲刷性不能满足要求而导致路面唧泥、碎裂的情况普遍存在，而且这种现象在沥青类路面和水泥混凝土路面中都有发生。在行车荷载尤其是在吨位较大的重车作用下，自由水会产生非常大的动水压力，并使得基层材料中的细料部分会受到冲刷。虽然每一次的冲刷量很小，但在行车重载的多次重复作用下就会积少成多，在面层与基层之间形成细料浆，随着细料浆的不断增加，再加上行车荷载的反复作用，细料浆被逐渐唧出面层的裂缝形成唧泥现象。如果面层上的裂缝是由基层裂缝反射而引起的，那么，由于面层和基层的裂缝相互贯通，渗入路面的水还会很快地进入基层的内部，这样在冲刷过程中基层内部的细料同样会损失，这种情况使得路面唧泥现象更加严重。基层一旦受到冲刷，必将导致面层与基层之间形成脱空现象，接下来便会进入恶性循环，路面破坏的进程也就会越来越快，破坏程度也会越来越严重，因此有必要对基层抗冲刷性能进行分析。

1　机理分析

1.1水泥稳定类基层材料

水泥稳定土的抗冲刷性能，与其强度形成过程、材料组成物质及其空间结构有关。水泥的主要成分有：硅酸三钙、铝酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、和硫酸钙。水泥加入土中并被搅拌之后，水泥中的各个成分与土中所含的水分发生强烈的水解和水化反应，产生了碱性的硅酸钙、铝酸钙，这两种物质是水泥稳定土中主要的胶结成分，它们在土中随时间的推移逐渐硬化，从而形成水泥石骨架结构。与此同时从溶液中分解出的氢氧化钙又和土中的其他物质发生反应并形成别的水化物。对于水泥稳定土而言，作用在试件表面上的力先将表层的水泥骨架破坏，水泥骨架中的土颗粒虽然在水泥稳定土的物理、化学反应中强度有所提高，但在失去了水泥石骨架的保护、支撑后，仍然无法抵抗冲刷作用中冲击力、“泵吸作用”和高速水流冲刷的共同作用，在这种情况下水泥稳定土被一层一层的冲刷掉。

随着水泥剂量的增加水泥稳定土的抗冲刷能力是增强的，这是因为水泥稳定土中水泥的含量直接影响到水泥石骨架结构的形成与发育，而对于水泥稳定土而言，水泥石骨架的作用是其抗冲刷能力大小的关键所在。当用水泥稳定粒料土时，所发生的物理、化学反应与在水泥稳定细粒土中的反应是一样的，所不同的是混合料的结构有差异：粒料土中土颗粒的粒径不均匀，因此被水泥浆所包覆的颗粒大小不一，大颗粒间形成的空隙被水泥所包裹的细颗粒所填充。在冲刷作用时被冲掉的也正是此部分。

与水泥稳定土相比，水泥稳定砂砾和水泥稳定碎石等水泥稳定粒料随着水泥剂量的增加其抗冲刷能力增强趋势并不太明显。这主要是因为对于水泥稳定砂砾和水泥稳定碎石来说，粗颗粒的骨架作用在其强度的大小方面占有很大的比重，在冲刷试验时，当冲刷作用进行到一定的程度时粗颗粒所形成的骨架在承受作用力的方面起到了主要的作用，此时对于粗颗粒间隙的细料部分来说，受到的只有运动水流的冲刷作用，而且这种作用因试件表面粗颗粒之间无规则的空隙对运动水流的“消力”作用而变得相当的弱。到了这个阶段虽然维持作用力和冲刷作用的频率不变，但冲刷下来的细料却明显的减少，并趋近于稳定。可以这样认为。在水泥稳定粒料的结构中水泥与细料所形成的结合物将尺寸较大的粗颗粒胶结在一起，构成了稳定的结构，当遇到冲刷作用时这些较大的粗颗粒又起到保护细颗粒免受过度冲刷的作用，这正是在一般情况下水泥稳定粒料的抗冲刷能力好于水泥稳定细粒土的原因。

1.2二灰稳定类基层材料

二灰稳定粒料中的物理、化学反应与水泥稳定土中的物理、化学反应基本相同，只是在反应量上有所不同，二灰稳定粒料中土的成份很少，火山灰反应主要是在石灰与粉煤灰之间进行，在被压实的初期，混合料的强度主要来自于粗颗粒之间的嵌挤作用，随着时间的推移，火山灰反应的产物逐渐形成，此时，二灰粒料的强度由嵌挤作用和细料之间的黏结力共同组成。这一点与水泥稳定粒料土非常相似。

至于不同无机结合料稳定细粒土之间的冲刷量大小，与它们的强度关系很大，这是因为无机结合料细粒土抗冲刷能力的大小主要取决于混合料中颗粒与颗粒之间的黏聚力，而无机结合料稳定细粒土的强度与颗粒之间的粘聚力也有很大的关系。而且在现行规范中规定强度测试之前都要饱水24h，所以水分对材料的破坏作用在强度测试中已有所体现。在试验中可以看出：无论是石灰土、水泥稳定土还是二灰稳定土，随着结合料剂量的增加它们的抗冲刷能力也是增加的，而通常结合料剂量的增加意味着强度的增加(石灰土例外，石灰土中石灰的含量存在一个最佳值)，可以说凡是影响到无机结合料稳定细粒土的因素都不同程度地对其抗冲刷性能有影响。

由此可以得出这样的结论：对于无机结合料稳定细粒土而言，要使材料不发生冲刷，对材料的强度应该有一个最低的要求，当材料强度高于此极限强度时，冲刷作用中的冲击力很难对材料表层造成损坏，材料冲刷的程度就会非常轻微，相反强度越低，发生冲刷的可能性越大，冲刷也会越严重。

与无机结合料稳定细粒土相比，对无机结合料稳定粗粒土的抗冲刷性影响的因素较多。混合料中集料的级配、空隙率的大小、混合料中石料的压碎值、细颗粒与细颗粒之间的黏聚力、细颗粒在粗颗粒上的黏附力、混合料中细料的含量及细料的细度对无机结合料稳定粒料土都有影响。

对于无机结合料稳定粗粒土来说，其冲刷量随冲刷时间的变化与稳定细粒土有很大的差异，在冲刷开始的阶段冲刷量较大，随着冲刷时间的延长，冲刷量增长缓慢，并趋于稳定。室内试验表明无机结合料稳定粒料的试件经过冲刷后其表面凹凸不平，细料被冲走后暴露出骨料。其冲刷总量与混合料中细粒部分的含量有很大关系。从前面对无机结合料稳定土的分析得出：无机结合料稳定粗粒土的强度由两部分组成：黏聚力和颗粒之间的嵌挤力，这是无机结合料稳定粗粒土与无机结合料稳定细粒土在抗冲刷能力与其无侧限抗压强度之间的关系不同的原因所在。一般说，无机结合料稳定粗粒土的抗冲刷能力与其无侧限强度关系不是很大，这是因为无论在实际中还是在试验中作用在基层材料上的力在0.1MPa～0.6MPa之间，这样的力远小于无机结合料稳定粗粒土的破坏荷载。在这个荷载水平内与抗冲刷能

力密切相关的是细料之间的“黏聚力”及其在粗颗粒上的“黏附力”。也就是说，如果无机结合料稳定粗粒土基层材料其细料之间的粘聚力较小，而粗颗粒的骨架作用很好。虽然它可能由很高的强度，但其抗冲刷能力不一定好。相反，有的基层材料虽然由于级配不好，导致整体强度不高，但因结合料用量较大，细料之间的黏聚力较大，其抗冲刷能力却较好。

2　半刚性基层材料抗冲刷性能评价方法及试验结果

目前，我国各级公路大都采用半刚性基层材料修筑路面基层。半刚性基层材料有着显著的工程特性和经济优势的同时，也暴露出一些缺点。国内外的调查研究表明，基层材料的冲刷及由之而产生的唧泥现象是经常存在的，这些现象均与半刚性基层材料组成特性有关。随着交通量和汽车轴载的增加，这种破坏现象亦呈现加剧的趋势。显然，路面结构层内自由水的水压力随行车荷载的增加而增大，同时冲刷量随行车反复作用次数而增加。在相同条件下，路面结构层的冲刷作用随其与面层表面距离的增加而减弱，因此要求半刚性基层材料具有一定的抗冲刷性能。

采用φ15cm×h15cm的试件，在标准养生环境下养生90d。试验时将试件在养生到期的前一天浸水，饱水24h，然后取出放在钢容器中，向钢容器中加水至50mm，然后开动振动台，测定不同时间的冲刷量。冲刷后将钢容器中残留物收集到容器中，然后将残留物烘干，称其质量，并计算冲刷量。

冲刷试验的装置见图1。

因为试件是在饱水24h以后进行试验，并且在试件的搬运过程中，试件的表面要与外界相接触，难免造成试件表面的破损，这样在试件表面会形成相对薄弱面，当振动台开启后，试件在钢容器中在振动的同时也在接受钢容器中受振水的冲刷作用，所以试件表面的薄弱层会很快被冲刷下来，如果把这部分冲刷残留物也计算在内，则冲刷量会较实际偏大，因此在试验中对试件进行预冲刷，减小因为上述原因而造成的冲刷量过大。如果预冲刷时间过长，这会导致最后试件的冲刷量偏小；如果预冲刷时间过短，则起不到预冲刷的作用，因此具体预冲刷时间由试验确定。

对二灰稳定碎石和水泥稳定碎石抗冲刷性能进行试验，试验结果见表1。

由表1可以看出，与水泥稳定碎石基层相比，二灰稳定碎石抗冲刷性能较差，这与二灰稳定碎石中含有大量粉煤灰及细集料有关。

3　结论

从本文得知，随着冲刷时间的增加，冲刷置逐渐降低，然后经过最低点又呈上升趋势。这主要是因为刚开始时，由于试件饱水24h，然后再进行冲刷试验，试件的表面相对于其内部，必然是相对较弱的，所以在最开始时的冲刷量比较大，随着试验的进行，表面的薄弱面被冲刷掉以后，整个冲刷量逐渐降低。为了正确评价半刚性基层材料的抗冲刷性能，应将最开始的不稳定因素排出，然后再测量其冲刷量。大量试验表明，在3min时，冲刷量最小，试件表面的薄弱面基本被冲刷干净，同时试件也处于较稳定时期。因此，建议冲刷试验数据处理过程中将前3min的冲刷量排出，不计入总的冲刷量中。