（道路与铁道工程专业论文）半刚性基层材料抗冲刷性能研究.pdf

s t u d yo na n t i - e r o s i o np r o p e r t i e s o fs e m i - r i g i db a s em a t e r i a l iyllllll1illl7llll3lllltliollll2lllllilll5lllly 17 3 0 2 1 5 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：w a n g b o s u p e r v i s o r ：p r o f z h e n gm u l i a n c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：之彳 厶，p 年期仙 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文a 接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 沙l 扫年f 窍f i e t z 幻t 口年易月t 矿日 ! 摘要 近年来，我国经济的快速发展对道路交通提出了越来越高的要求，车速快， 重载、超载行车比例大，加剧了水泥混凝土路面破坏。大量工程实践表明，很多 由基层引起的路面损坏并非基层的承载力不足，而是由其他的原因所致。其中半 刚性材料抗冲刷能力的不足是重要因素之一。因此，开展水泥板底脱空研究和基 层材料抗冲刷性能研究对于对有效地延长道路的使用寿命，使道路在其使用寿命 周期内为行车提供良好的服务有着非常重要的作用和意义。 因此，国内外对于基层材料抗冲刷性能方面进行了大量的研究工作。但是总 的来说，国内外目前尚没有统一的基层材料抗冲刷性能试验方法和指标，其中很 重要的原因之一是国内外都没有理想的基层材料抗冲刷试验仪器能很好的与实 际冲刷现象相联系。因此，对于水泥混凝土路面基层材料的抗冲刷性能研究首要 的是要研制一种新型的基层材料抗冲刷试验仪器 本论文在参阅和分析国内外有关半刚性材料抗冲刷性能研究的基础上，设计 出了更为合理的抗冲刷性能试验装置，并用该试验装置对我国典型半刚性材料进 行了抗冲刷性能试验，分析其冲刷试验规律、比较不同基层材料抗冲刷性能的优 劣。并依据试验数据提出冲刷系数k 表征不同材料的抗冲刷性能。在试验结果的 基础的上，通过板底脱空理论研究提出半刚性基层材料的抗冲刷性能指标，并依 据全国气温情况和潮湿系数进行自然区划，对不同地区提出了相应的抗冲刷评价 指标。本研究成果为今后深入开展基层材料抗冲刷性能室内试验研究和室外路面 的抗冲刷性能预测提供了必要的基础。 关键词：板底脱空半刚性基层材料抗冲刷自然区划试验装置评价指标 a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，c h i n a sr a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n th a sm a d et h er o a dt r a f f i c e v e r - i n c r e a s i n g h i g hs p e e d ，h e a v yl o a d ，al a r g ep r o p o r t i o no fo v e r l o a d e d v e h i c l e s ，a g g r a v a t et h ec e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n td a m a g e al a r g en u m b e ro f e n g i n e e r i n gp r a c t i c es h o w st h a tal o to fr o a dd a m a g ec a u s e db yt h er o a d b a s ec o m e s f r o mo t h e rr e a s o n sn o to n l yi n s u f f i c i e n tb e a t i n gc a p a c i t i e s 。s e m i r i g i dr o a d b a s e m a t e r i a lo fw h i c ht h el a c ko fe r o s i o nr e s i s t a n c ei sa ni m p o r t a n tf a c t o r t h e r e f o r e c a r t i n go u tr e s e a r c ho na n t i - e r o s i o np r o p e r t i e s a b o u tc a v i t yb e n e a t hc o n c r e t es l a ba n d t h ea n t i - e r o s i o np r o p e r t i e so fb a s em a t e r i a l sh a sav e r yi m p o r t a n tr o l ea n ds i g n i f i c a n c e o ne x t e n i n gt h el i f eo ft h er o a de f f e c t i v e l ya n dp r o v i d i n gag o o ds e r v i c ef o rv e h i c l e s i ni t ss e r v i c el i f e t h e r e f o r e ，al o to f r e s e a r c hh a v eb e e nt ot h ea n t i e r o s i o np r o p e r t i e sa th o m ea n d a b r o a df o rt h eb a s em a t e r i a l s b u to v e r a l l ，t h e r ei sn ou n i f i e da n t i - e r o s i o np r o p e r t i e s o f b a s em a t e r i a l st e s t i n gm e t h o d sa n di n d i c a t o ra th o m ea n da b r o a dc u r r e n t l y , w h i c hi s o n ev e r yi m p o r t a n tr e a s o ni st h e r ei sm oi d e a la n t i - e r o s i o nt e s te q u i p m e n tf o rb a s e m a t e r i a l sw h i c hc a nb ew e l ll i n k e dt oa c t u a le r o s i o np h e n o m e n o n t h e r e f o r e ，t h e p r i m a r yt a s ka b o u tt h ec e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ta n t i - e r o s i o np r o p e r t i e so fb a s e m a t e r i a l si st o d e v e l o pan e wt y p eo ft e s t i n ge q u i p m e n ta b o u tt h ea n t i e r o s i o n p r o p e r t i e so fb a s em a t e r i a l s o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ed o m e s t i ca n df o r e i g na n t i e r o s i o np r o p e r t i e so f s e m i - r i g i dm a t e r i a l ，t h ep a p e rp u tf o r w a r dam o r er a t i o n a lt e s t i n ge q u i p m e n ta b o u tt h e a n t i - e r o s i o np r o p e r t i e sw i t ht h ee x p e r i m e n t i n ge q u i p m e n t ，a n t i - e r o s i o np e r f o r m a n c e t e s t sh a v eb e e nc a r d e do u to nt h es e m i - r i g i dm a t e r i a l i nt h em e a nt i m e ，t h ep a p e r a n a l y z e st h el a w so fe r o s i o nt e s ta n dc o m p a r e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f a n t i e r o s i o np e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tb a s em a t e r i a l s a c c o d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a l d a t a , t h ee r o s i o ni n d e xkt h a tr e p r e s e n t sd i f f e r e n tm a t e r i a l s a n t i - e r o s i o np r o p e r t i e si s p r o p o s e d o nt h eb a s i so ft h et e s tr e s u l t s ，t h ea n t i - e r o s i o ni n d e xo fs e m i - r i g i db a s e c o u r s em a t e r i a l si sp r o p o s e dt h r o u g ht h et h e o r yo fc a v i t yb e n e a t hr o a ds l a b s n a t u r a l d i v i s i o ni sp e r f o r m e db a s eo nt h et e m p e r a t u r e sa n dm o i s tc o e f f i c i e n t ，d i f f e r e n t r e g i o n s a n t i e r o s i o ne v a l u a t i o ni n d e x e sa r ep r o p o s e d t h er e s e a r c hr e s u l t sw i l lb et h e b a s i sf o rt h eb a s ec o u r s em a t e r i a l s a n t i - e r o s i o np r o p e r t i e sl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t a l s t u d ya n dt h ea n t i e r o s i o np r o p e r t i e sp r e d i c t i o no fp a v e m e n ti no u t d o o ri nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：v o i d sb e n e a t hp a v e m e n ts l a b s e m i r i g i db a s ec o u r s em a t e r i a l a n t i - e r o s i o n h y d r o d y n a m i cp r e s s u r ee r o s i o nm e c h a n i s m t e s td e v i c e 目录 第一章绪论1 1 1 问题的提出l 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 国外研究现状3 1 2 2 国内研究现状3 1 3 主要研究内容5 第二章基层材料抗冲刷试验方法研究7 2 1 现有试验装置的评述7 2 2 新试验装置的研发1 0 2 2 1 新试验装置的设计思路1 0 2 2 2 新冲刷试验装置的提出1 0 2 3 试验方法的提出1 2 2 3 1 试件的制备1 2 2 3 2 试验过程1 3 2 3 3 试验中应注意的问题1 3 2 3 4 试验结果的处理1 4 2 4 试验参数的选择1 5 2 4 1 半刚性基层使用状况调查分析1 5 2 4 2 冲刷影响因素分析1 9 2 4 3 参数的确定2 0 2 5 小结2 4 第三章半刚性基层抗冲刷性能试验2 5 3 1 原材料性质混合料配合比试验2 5 3 1 1 原材料性质试验2 5 3 1 2 半刚性基层材料配合比的确定2 6 3 1 3 击实试验2 7 3 1 4 无侧限抗压结果2 8 3 2 抗冲刷性能试验2 8 3 2 1 冲刷试验2 9 3 2 2 冻融冲刷试验3 3 3 3 半刚性基层抗冲刷性能机理4 1 3 4 提高半刚性基层抗冲刷性能的措施4 5 3 5 小结4 6 第四章半刚性基层材料抗冲刷性能评价4 7 4 1 评价方法研究4 7 4 1 1 冲刷试验4 7 4 1 2 冻融冲刷试验4 7 4 2 混凝土路面板底冲刷脱空形态分析4 8 4 3 路面板底冲刷脱空预估分析4 9 4 3 1 圆锥体脱空模型分析4 9 4 3 2 圆锥体脱空初始阶段分析5 2 4 3 3 棱锥体脱空分析5 3 4 4 全国公路自然区划5 5 4 4 1 气温划分5 6 4 4 2 水热划分5 7 4 5 半刚性基层抗冲刷性能评价指标6 0 4 5 1 全年不冻区6 0 4 5 2 季节性冻土区6 1 4 6 小结6 3 第五章主要结论以及进一步研究的问题6 4 主要结论6 4 进一步研究的问题6 4 参考文献6 6 致谢6 8 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 我国现今高等级公路建设中广泛使用了半刚性基层。半刚性基层材料之所以 被越来越多的作用来作为道路的基层使用，主要在于它有以下几个特性： 首先，近年来我国经济发展迅速，行车载重增加和交通量迅猛发展，对路面 承载能力的要求也越来越高。半刚性基层的特性更能适应现代交通的重载要求。 其次，优质的级配碎石和优质的级配砾石的来源越来越少，采用水硬性无机 结合料处治各类材料时，对石料的要求相对原先的级配碎石、砾石要低一些，可 以就地取材，避免了大量的远运石材。 最后，半刚性材料在使用性能方面有更大的灵活性和适应性，其7 d 无侧限 抗压强度可以在1 m p a - - 6 m p a 之间变化。 水泥混凝土路面是高等级路面的重要结构形式。与沥青路面相比具有寿命 长、养护工作量小、能源消耗小、施工简便以及对交通等级和环境适应性强等优 点。长期以来，水泥混凝土路面都是世界各国广泛应用的路面结构形式，我国从 2 0 世纪8 0 年代以来，水泥混凝土路面的建设得到迅猛的发展。据统计，1 9 8 0 年 全国水泥混凝土路面的通车里程仅有1 6 0 0 多公里，到1 9 8 8 年底已经增加到8 2 6 4 公里，平均每年增加8 0 0 多公里；在这之后的1 0 多年间，水泥混凝土路面每年 通车里程增加近1 0 0 0 0 公里，到2 0 0 9 年底，全国水泥混凝土路面总里程己达3 0 多万公里，占高级路面的一半以上。 但是，我国早期修建的水泥混凝土路面使用状况并不好，尤其在一些重交通 干道上水泥混凝土路面的早期病害非常严重，在通车2 5 年经常就会发生断板、 断角和碎裂等路面病害。也就是说，目前一些水泥混凝土路面非但没有体现出使 用寿命长、养护费用低等优点，反而暴露出水泥混凝土路面维修困难的弱点来。 这甚至使得有些省市行政主管部门明令限制在干线公路中使用水泥混凝土路面。 不管是沥青路面还是水泥路面面层出现裂缝后，表面水都不可避免的会以多 种途径通过面层上的各种缝隙进入路面结构内部。而且由于蒸发困难，进入结构 层的水分往往难以及时地排出，这些停留在面层与基层之间的水分使得基层局部 变得潮湿以至于接近饱和状态。 第一章绪论 这种情况在季冻地区的冬春季节会因基层的冻融破坏更加严重。冻融使得基 层结构强度降低，孔隙增大。雨雪天气中，降水由面层裂缝不断渗入，不但会使 裂缝附近面层下的基层材料吸水饱和，而且裂缝附近面层与无机结合料基层之间 也会渗入自由水。在行车荷载尤其是在吨位较大的重车作用下，这些自由水会产 生非常大的动水压力，并使得基层材料中的细料部分受到冲刷。虽然每一次的冲 刷量很小，但是在行车荷载的多次反复作用下就会积少成多，在面层和基层之间 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 渐压出路面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，这样情况使得路面唧泥 现象更加严重。 行车荷载在路面结构层内部引起的水压力是非常大的，它不但能够冲刷级配 集料中的细料，而且可以冲刷石灰稳定基层材料中的细料，即使是7 d 龄期无侧 限抗压强度超过2 m p a 的水泥稳定基层材料，只要在原材料中细料的比例达到一 定的程度，仍然会产生冲刷现象。 一旦基层材料产生冲刷，并由此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，道路破坏的进程也就会越来越快，破坏程度也就会越来越严 重。 深入地研究半刚性基层材料的冲刷性能及其机理，找到一种合适的试验装置 和指标用来定量地测定其抗冲刷能力的大小，据此对我国现有的典型半刚性基层 材料进行评价分析，找出其中的规律，并加以控制，以便在半刚性材料的组合设 计中、道路工程的实践中起到指导作用。这将对有效地延长道路的使用寿命，并 使道路在其使用寿命中为行车提供良好的服务有着非常重要的作用和意义。 目前国内外关于道路基层抗冲刷性能的试验装置在结构设计及功能设计上 都存在不同程度的缺陷。很多试验装置与实际冲刷现象联系较少，很难准确地对 半刚性基层材料进行定量研究。正因为如此，我国现行规范也没有提出关于基层 材料抗冲刷性能的具体评价标准以及规范化的试验，只是简单的提出道路基层材 料应具有一定的抗冲刷性能。 2 长安大学硕士学位论文 状 尽管早在5 0 年代，美国等一些国家就有报道，在水泥混凝土路面混凝土板 的接缝处，由于板在行车作用下所产生的泵吸作用会造成道路基层的唧泥现象。 继而由于唧泥使混凝土板的边、角脱空而造成路面板边、角的断裂。但是开展基 层材料抗冲刷性能研究真正是始于8 0 年代。 迄今为至，世界各国对行车荷载作用引起的基层冲刷作用的作了大量的研究 工作。2 0 世纪8 0 9 0 年代，美国的蒂阿( t i a ，1 9 8 6 ) ，邓普西( d e m p s e y ，1 9 8 2 ) q 2 1 ，冯威吉克( v a nw i j k ，1 9 8 5 ，1 9 8 9 ) 【3 】【4 1 ，亨森( h a n s e n1 9 9 1 ) 【5 1 等人采用 观察和现场试验方法，对脱空区滞留水的压力和流速进行研究。 法国道路部门利用旋转刷盒振动台试验装置开展了许多道路冲刷试验。利用 这些试验装置他们对以水泥为结合料的水泥处置基层的抗冲刷性进行了试验，得 出如下结论： ( 1 ) 有一个临界的水泥含量，在此含量下半刚性基层材料的冲刷量会急剧的 增加。 ( 2 ) 强度试验与基层材料的冲刷性之间没有相关性不是很强。 ( 3 ) 在法国用于重交通道路基层的粒料矿渣，即1 的石灰，1 5 - - 2 0 的 粒状矿渣，和8 5 - - - 9 0 的集料，在相同的条件下，其受冲刷较2 的水泥处治材 料要大得多。 虽然这些国家较早的开始研究无机结合料处治材料的抗冲刷能力，但总的来 说由于试验方法和试验装置的原因，至今没有哪种室内试验方法能与现实道路的 实用性能较好的联系起来。而且他们大部分研究水泥处治类材料，对我国常用二 灰稳定类、石灰稳定类半刚性材料的研究相对较少。 1 2 2 国内研究现状 在我国，以水泥、石灰、粉煤灰为主要结合料的稳定土、粒料以及工业废渣 的半刚性材料，因具有较高的强度、良好的水稳性和明显的经济效益被广泛地用 作各类道路的基层，相应的施工技术也在不断完善。 然而与道路面层的材料组成设计相比，半刚性基层材料的组成设计控制指标 第一章绪论 相对单一。到目前为止，明确被用来作为半刚性材料组成设计控制的指标仍然只 有7 d 浸水后无侧限抗压强度，但在实际中路面的破坏往往并非抗压强度不够， 而是由其它原因所致，其中半刚性材料抗冲刷能力不足就是其中重要原因之一。 鉴于上述问题，1 9 8 5 年交通部颁布的公路路面基层施工技术规范中就 考虑了基层材料的抗冲刷能力。例如，对一些抗冲刷能力比较弱的无机结合料稳 定土的适用范围作出限制，并规定了无机结合料稳定粒料中细料的粒径大小及其 含量，但是，这些都缺乏相关研究成果的支持。这与半刚性基层材料的抗冲刷性 能试验方法和指标尚未建立有一定关系。 以下就国内关于半刚性基层材料的抗冲刷性能研究现状作简单介绍。 长安大学沙爱民教授【6 】等人在分析评价现有试验方法的基础上，提出了新的 试验装置和试验方法，并通过对水泥土( 6 ) 和水泥砂砾( 6 ) 的试验进一步确定了 试验条件【7 】 长安大学的郝培文和胡长顺【8 】等人在室内利用冲刷试验仪研究不同类型半 刚性材料的抗冲刷特性，分析了半刚性基层材料冲刷现象的形成机理，结果表明： 水泥土的抗冲刷性能最好，二灰土、石灰土相对较差：对于稳定粒料类，水泥粉 煤灰类要优于二灰类，但不同级配对抗冲刷性影响较大，与此同时提出了利用 5 m i n 内冲刷速率作为半刚性基层材料抗冲刷性能的评价指标。 长安大学滕旭秋【9 】等利用冲刷试验仪进行了不同材料、不同级配二灰碎石混 合料的冲刷试验研究，并通过试验确定了二灰碎石混合料的预冲刷时间，提出了 在扣除预冲刷时间对试验结果的影响后，可利用7 m i n 内的单位时间冲刷率来作 为评价二灰碎石混合料抗冲刷性能的指标。试验结果表明，影响二灰碎石混合料 抗冲刷性能的主要因素是集料的级配状况，但水泥的影响较小。 胜利油田的安博生【1 0 】利用冲刷试验仪对g m ( 骨架密实型级配) 和g f ( 规范推 荐级配的中值) 级配的二灰碎石基层混合料进行了室内冲刷试验研究。他的研究 得出的结论与滕旭秋、陈忠达等人的结论相似。 交通部公路科学研究院的杜天玲【1 1 】等采用沙爱民教授研制的抗冲刷试验机， 针对黄土地区常用的几种半刚性基层材料( 水泥稳定碎石、二灰稳定碎石、水泥 粉煤灰稳定碎石) 进行了抗冲刷试验研究，通过分析不同水泥剂量、不同二灰含 量和二灰比对基层材料抗冲刷性能的影响规律。长安大学的胡力群【1 2 】利用m t s 4 长安大学硕士学位论文 材料试验平台设备，在有水的条件下模拟实际路面基层的冲刷状态，试验时荷载 取0 5 m p a ，加载频率取l o h z ，试验时间为6 个时段，每个时段5 m i n ，共计3 0 m i n ， 分别对水泥土、水泥砂砾、水泥碎石和透水性基层材料作了抗冲刷性能试验。 s 压力头 试肄 承 m t s 压力传感嚣 匿定钢条 钢蛹 薹垂n 茎茎n 1 ) 挣副试验装置 b ) 神磁试验状态 图1 1m t s 试验装置 总的来说，国内外目前尚没有统一基层材料抗冲刷性能试验的方法及其指 标，其中很重要的原因之一是国内外都没有理想的基层材料抗冲刷试验仪器设 备，这些设备在使用过程中由于功能上的缺陷或多或少存在不足，不能很好的与 实际冲刷现象相联系，无法定量进行研究分析，同时不能为设计部门提供有效的 设计参数。对于水泥混凝土路面基层材料的抗冲刷性能研究首要的是要研制一种 新型的基层材料抗冲刷试验机仪器。 1 3 主要研究内容 本文针对目前许多路面结构因基层抗冲刷能力不足而导致路面破坏的实际 情况以及现有的半刚性基层材料抗冲刷试验方法不能很好地和实际路用性能相 联系的矛盾，对现有的抗冲刷试验装置及试验方法进行分析，指出其中的不足之 处。提出更为合理的半刚性基层材料抗冲刷性能试验装置和试验方法。并通过正 交分析科学选择与试验装置配套的试验参数。利用新的抗冲刷试验装置对国内几 种典型的半刚性基层材料进行抗冲刷性能方面的试验，并对试验结果进行较为详 细的分析，在此基础上总结出一些规律。 主要的研究内容如下： 第一章绪论 1 分析国内外对路面基层抗冲刷性能研究的现状，评价比较现有冲刷试验装 置，扬长避短，提出新的冲刷试验装置并确定试验方法。参考路面实地调查结果 冲刷破坏状况，分析冲刷各影响因素。结合本试验装置提出冲刷试验参数。 2 用新设计冲刷试验装置对我国常用半刚性基层材料：水泥稳定材料，石灰、 二灰稳定材料进行冲刷和冻融冲刷试验。依据试验所得数据，分析比较各类 型基层材料抗冲刷性能及其冲刷规律以及各个因素对抗冲刷性能的影响。 3 根据各地气候条件将全国公路区域划分为季节冻土区和全年不冻区，季节 冻土区考虑冻融对路基破坏的影响，全年不冻区只考虑冲刷破坏。 4 分析不同的潮湿系数对所在区域路基冲刷性能的影响程度，提出满足当地 路面基层施工需要的抗冲刷强度指标。 6 大学硕士学位论文 料抗冲刷试验方法研究 对于半刚性基层材料的抗冲刷性能试验研究国外主要有法国和澳大利亚两 国对冲刷试验方法有过报道，法国主要采用旋转刷( 图2 1 ) 和振动台( 图2 2 ) 进行冲刷试验，澳大利亚采用的也是振动台( 图2 4 ) ，试验装置与法国的基本相 同，只是试件尺寸、振动频率等试验条件的规定不同。 国内虽然对道路基层材料的抗冲刷性能的研究起步相对晚些，但是已有很多 道路基层材料的抗冲刷性能试验装置出现，且基本都获得了国家专利。目前为止， 国内用于路面基层材料抗冲刷性能试验的装置主要有：振动台、沙爱民教授研制 的m t s 试验机冲刷试验装置( 图2 3 ) 、长沙理工大学开发的路面材料试验机、 丁晓冬等人发明的沥青路面基层冲刷作用模拟试验机数据采集系统等。由于结构 设计及功能设计上存在的缺陷，它们在使用过程中存在着或多或少的不足。如： 现有的装置均没有对试件侧面进行保护，在试验过程中，侧面松散颗粒容易脱落， 这些颗粒也算在冲刷量中，最终导致结果偏大：其次对力和冲刷频率控制不精确， 不能保证试验的同一性，如旋转刷和振动台试验装置。 由1 6 0 _ h 图2 1 法国旋转刷试验装置图2 2 法国振动台试验装置 7 第二章基层材料抗冲刷试验方法研究 1 - m t s 压力头2 试件3 水4 - m t s 压力传感器5 固定钢条6 - 冲刷桶 图2 3m t s 冲刷试验装置图 图2 4 澳大利亚振动台试验装置 台 旋转刷( 图2 1 ) 是较早用于路面基层材料抗冲刷性能试验装置，它依靠旋 转着的钢丝刷对试件表面的磨刷作用，以不同试件被钢丝刷刷下的质量多少来评 价它们抗冲刷能力的强弱。这种试验方法在一定程度上模拟了基层的冲刷过程， 但在整个的试验过程中都没有涉及水分。试验方法用于评价半刚性基层表面的耐 磨性能似乎更恰当一些，但用它来评价半刚性基层材料的抗冲刷能力似乎有欠周 8 有就是，基层结构孔隙饱水后，在行车荷载作用下产生的“泵吸作用 会将材料 中的细颗粒冲走。在旋转刷试验中都没有考虑到这些因素的影响，因此，这种试 验方法应该进一步完善。 振动台冲刷试验装置主要是振动台、钢桶两大部分构成，澳大利亚的振动台 在试件上面装置了一配重，在国内的一些振动台装置也设有类似的装置，目的是 增加压力。振动台与旋转刷冲刷试验装置相比，更为合理一些，有水参与试验过 程，同时还模拟冲刷产生时的“泵吸作用”。但是其还存在一些的不足。沙爱民 教授利用美国用于机械制造和设计的一种动态仿真软件a d m s 进行试件与振动台 相互作用的运动特性仿真研究。结果发现： ( 1 ) 在振动板的频率与振幅恒定不变时，球体与振动板的频率也并不一致， 球体运动频率的范围很宽，且大部分低于振动板5 0 h z 的振动频率。因此，在振 动板的带动下，球体的振幅也不是固定的。 ( 2 ) 每次球体下落与振动板表面发生碰撞时，球体受到的振动力同样不尽相 同，作用力的大小也不是一个固定值。 ( 3 ) 当球体质量或刚度发生变动后，振动板上球体的运动状态及其受力情况 也会随着发生变动。 同时他还认为振动台冲刷试验装置在结构上还有不足的地方，试件四周与钢 筒壁之间有较宽的缝隙，在试验过程中振动台的带动下，试件在钢筒中上下运动 很难一直保持垂直，这很容易使试件的边缘在运动中被破坏，从而加剧试验结果 的误差。因此，振动台冲刷试验装置用于基层材料的冲刷试验在冲刷频率和冲刷 作用力都是不确定的，不能保证不同试件试验的同一性。 2 0 0 0 年，沙爱民教授【l3 j 提出了新的用来模拟道路基层在实际中受冲刷情况 的试验装置和试验方法。该试验装置依靠m t s 平台采用自上而下的加载方式，为 避免试验误差，将试件固定起来，放在一个能固定试件的同时又可以与m t s 底座 相连的盛水冲刷桶中。试验过程中，m t s 压头向下作用对试件顶面进行加载时， 压头底面与试件顶面之间的细泥浆被迅速挤出，这种情况模拟行车荷载作用于路 面上，面层底面与基层顶面间的细泥浆被挤出的情况：当m t s 压头上升时，在压 9 第二章基层材料抗冲刷试验方法研究 头底面与试件的顶面之间形成负压：这种负压会将水迅速地吸入压头底面与试件 顶面之间：同时还会对试件顶面产生“泵吸作用”将试件顶面微结构中的细 颗粒吸出并将加载时冲击下来的细颗粒带起：这种情况模拟发生冲刷时车轮经过 后，路面面层回弹时的冲刷情形。 虽然冲刷性能试验装置尽量模拟路面基层的实际冲刷状态，半刚性基层材料 抗冲刷性能试验方法具备自身的完整性和与其他相关试验方法的协调性和配套 性。但是对于此仪器，它明显属于大型平台试验装置，占地面积大，制造费用高。 因此，用它来做冲刷试验仪器推广困难，有必要设计出更为简便的抗冲刷试验装 置。 2 2 新试验装置的研发 2 2 1 新试验装置的设计思路 合理的试验装置应该尽可能使试验条件与道路实际使用情况相符合，同时试 验装置和试验方法应尽可能的简便。 对于抗冲刷试验来说，要能够合理模拟道路基层在实际中的冲刷情形，试验 装置应该可以满足以下几个基本要素： ( 1 ) 新的试验装置应可以合理地模拟实际路面板对水的作用而产生的冲刷， 考虑荷载和水的联合作用效果，主要考虑动水压力的影响，使之与实际冲刷现象 联系更加紧密： ( 2 ) 新的试验装置应能稳定控制试验的冲刷频率和冲刷作用力，保证试验的 稳定性。同时，可以依据试验要求调节这两个试验参数，以满足不同试验要求； ( 3 ) 新装置在设备结构和使用流程两方面都应尽可能的简易方便，以便于 试验的各个地方的使用。 2 2 2 新冲刷试验装置的提出 按照上面的设计思路设计新的试验装置，首先面临一个问题就是选择何种方 式模拟冲刷试验环境。经过仔细研究分析，利用高压水柱冲击试件顶面来模拟行 车经过路面时所产生的动水压力是一个比较合理可行的选择。由此设计如图2 5 试验装置。在试验装置圆形顶盘上安置两个高压水喷头，喷头位置分别在距顶盘 圆心1 8 7 5 c m 和5 6 2 5 c m 处。其下方为旋转支座，距上方喷头口距离2 6 c m ，经 1 0 长安大学硕士学位论文 过传动轴穿过底盘将其与底盘下安置的电机连接带动支座旋转，由于路面实际冲 刷中每次冲刷作用的瞬时时间大致是一定的，所以可以采用冲刷时间来控制试验 冲刷次数。整个装置通过高压喷头模拟动水压力大小，旋转支座使得试件顶面在 一定时间内受到冲刷以此模拟一定路面寿命内行车荷载作用冲刷次数。 图2 5 冲刷仪器示意图 试验时将试件置于旋转支座上，由水压力机提供设定水压，从顶盘喷头喷出 作用于试件顶面，模拟路面实际冲刷中的动水压力。试件为1 5 c m * 1 5 c m 圆柱体， 喷头在试件顶面作用面积为一扇形，通过旋转支座使试件顶面每个点位都在一定 时间内受到冲刷，支座旋转一周试件全部顶面全部受到水压冲刷作用。再通过固 定的试验时间使得试件顶面受到反复冲刷来模拟半刚性基层材料在一定时间、一 定交通量下的冲刷破坏。 第二章基层材料抗冲刷试验方法研究 2 3 试验方法的提出 图2 6 冲刷装置实物 新的抗冲刷性能试验装置确定后，对其相对的试验方法也要认真考量，主要 是以下几个方面：试件的制备方法和养生环境及时间、试验的流程、试验中应当 注意的一些问题以及对试验结果的处理。 2 3 1 试件的制备 1 试件的形状 为了便于抗压强度等指标的测量，同时考虑室内成型方便，在冲刷试验中， 采用了与半刚性基层材料的无侧限抗压强度试验、间接抗拉强度试验和室内回弹 模量试验相同的试件，即选用l ：1 高度、直径的圆柱体试件，采用静压成型法 进行试验制备。 2 试件的尺寸 我国1 9 9 3 年颁布的公路路面基层施工技术规范中规定水泥稳定类材料 和二灰稳定类材料用作高速公路和一级公路的基层时，集料的最大粒径不应超过 3 0 m m ，用作底集料时集料的最大粒径不应超过4 0 m m ，集料的颗粒组合应该符合 表2 1 ： 表2 1 基层材料集料级配 1 2 长安大学硕士学位论文 水泥稳定材料 二灰稳定材料 编号基层 底基层基层底基层 4 0i 0 01 0 0 3 0 1 0 0 9 0 - 1 0 0 1 0 09 0 - 1 0 0 通过下列 2 09 0 1 0 07 5 - 9 09 0 1 0 06 0 - 8 5 筛孔( i i i i l l ) 1 06 0 8 0 5 0 7 05 5 8 05 0 - 7 0 的重量分 53 0 一5 03 0 5 54 0 - 6 54 0 - 6 0 21 5 - 3 01 5 - 3 0 2 8 - 5 02 7 - 4 7 布率 12 0 - 4 02 0 - 4 0 o 51 0 2 01 0 2 01 0 - 2 01 0 - 3 0 0 0 7 50 - 70 - 70 - i 00 - 1 5 液限( ) 2 5 2 5 塑性指数 6 2 米，由于取土位置距地 表较深，所以土中几乎不含用其它有机成分。据土的物理性质及化学性质( 表 3 1 、表3 2 ) 该土属粉质亚粘土。 表3 1 土的物理性质 项目粘土 颜色比重 最大干密度最佳含水量 塑限液限 塑性指 士名 ( g c m 3 ) ( )数 含量 ( ) 西安黄 土 浅黄色2 6 2 11 7 51 8 42 9 61 6 51 3 12 3 2 表3 2 土的化学性质 项目 化学成分( ) s i 0 2 f e 2 0 3 a 1 2 0 3c a o m g o k 2 0 t i q 有机未知烧矢 p h 值 土名 n a 2 0质物量 黄土6 2 45 8 71 6 38 3 71 9 60 9 31 7 80 0 2o 1 02 2 79 6 7 ( 2 ) 石灰 本试验采用熟石灰，其物理化学性质见表3 3 ： 第三章半刚性基层抗冲刷性能试验 表3 3 熟石灰的物理化学性质 项目 材料 c a o + m g o ( )比重( g c m 3 ) 烧失量( ) 熟石灰 5 9 9 02 5 62 4 5 0 根据试验结果，该石灰等级为i i i 级。 ( 3 ) 粉煤灰 试验所用粉煤灰取自西安灞桥电厂的湿排粉煤灰，其物理化学性质的分析 结果( 表3 4 、表3 5 、表3 6 ) 符合规范要求。 表3 4 粉煤灰物理性质 目 颜色比重最佳含水量( ) 最大干密度 材料 ( g c m 3 ) 粉煤灰深灰色 2 1 03 5 41 0 1 2 表3 5 粉煤灰的化学性质 目s i 0 2 h 1 2 0 3f e 2 0 3 c a o m g o烧失量 材料 粉煤灰 5 0 3 52 8 7 37 4 23 7 81 3 05 8 2 表3 6 粉煤灰的筛分结果 筛空孔径 ( m m ) 21 20 60 3o 1 50 0 7 4比重 通过量 ( ) 1 0 09 8 7 59 6 6 98 9 6 77 8 3 55 3 2 72 1 4 ( 4 ) 碎石 试验采用自西安附近石场5 3 0 舳连续级配。岁时记配如3 7 表 碎石级配参照公路路面基层施工技术规范 2 6 1 确定。 ( 5 ) 水泥 指标 3 d 强度( m p ) 细度( 8 0 l i m 方 初凝终凝 品种 孔筛筛余量) 时间时间 抗压抗折 3 2 5 级酱通硅 7 22 5 4 h3 3 0 h2 6 85 3 酸盐水泥 根据公路工程水泥混凝土试验规程的有关方法进行检验，水泥质量合格。 3 1 2 半刚性基层材料配合比的确定 根据公路路面基层施工技术规范中有关稳定土配合比的建议值，并考虑 2 6 长安大学硕士学位论文 到冲刷试验结果的可比性，分别采用下列配合比的基层材料。 表3 8 各类型材料配合比 基层材料类型 水泥石灰粉煤灰土碎石 石灰土 89 2 1 09 0 1 28 8 二灰土1 02 07 0 7 1 38 0 二灰碎石 1 03 06 0 水泥稳定碎石( 悬浮密实) 39 7 59 5 79 3 水泥稳定碎石( 骨架密实)39 7 59 5 79 3 其中各类型材料碎石级配范围见表3 9 ： 表3 9 水稳碎石级配通过率( ) 筛孔尺寸( 咖) 3 1 51 99 54 7 52 3 60 6 悬浮密实 1 0 09 57 04 02 81 8 骨架密实 1 0 08 05 02 51 81 1 3 1 3 击实试验 本试验采用公路工程无机结合料稳定材料试验规程中无机结合料稳定土 的击实试验方法测定各混合料的最大干容重和最大干密度。结果见表3 1 0 ： 表3 1 0 各种配合比下的混合料击实结果 基层类型 最大干容重g c m 3 最佳含水量( ) 石灰土( 1 0 ) 1 7 4 1 7 9 二灰土( 1 0 ：2 0 ：7 0 ) 1 - 4 5 2 1 4 二灰碎石( 7 ：1 3 ：8 0 ) 1 6 41 2 4 悬浮密实水泥碎石( 3 ) 2 3 26 o 悬浮密实水泥碎石( 5 ) 2 3 56 4 悬浮密实水泥碎石( 7 ) 2 3 76 8 2 7 第三章半刚性基层抗冲刷性能试验 表3 1 0 各种配合比下的混合料击实结果( 续) 基层类型最大干容重g c m 3 最佳含水量( ) 骨架密集水泥碎石( 3 ) 2 2 95 7 骨架密集水泥碎石( 5 ) 2 3 36 o 骨架密集水泥碎石( 7 ) 2 3 46 4 3 1 4 无侧限抗压结果 本试验首先对各种配合比基层材料试件做无侧限抗压强度试验。试件成型及 强度测定均采用公路工程无机结合料稳定材料试验规程中无机结合料稳定土 的无侧限抗压强度试验方法进行。试件养生7 d ，在强度测试前饱水l d 。结果各 组无机结合稳定材料的抗压强度均符合要求。 表3 1 1 各