基于灰色關(guān)聯(lián)法的振動(dòng)成型水泥穩(wěn)定碎石抗沖刷性能研究

林 超

(山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心(有限公司)，山西 太原 030006)

0 前 言

水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層板體性好，整體強(qiáng)度大、剛度大，經(jīng)濟(jì)性好，廣泛應(yīng)用于高速公路底基層、基層，尤其重載交通等級高速公路。國內(nèi)外研究表明，由于基層引起的路面損壞并非由于承載力不足，而是抗沖刷能力不足導(dǎo)致。尤其重載交通等級的高速公路，基層材料的沖刷及其引起的唧泥現(xiàn)象日益加劇。本研究結(jié)合廣東粵西山區(qū)云茂高速公路工程實(shí)例，基于灰色關(guān)聯(lián)法分析混合料結(jié)構(gòu)類型、不同水泥劑量、不同混合料含水率、不同壓實(shí)度情況、不同強(qiáng)度等級水泥對水泥穩(wěn)定碎石抗沖刷性能影響的關(guān)聯(lián)程度。為本工程及粵西山區(qū)公路水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)、施工提供指導(dǎo)。

本工程交通量大，重載車輛比例大，路面結(jié)構(gòu)為20 cm級配碎石墊層+20 cm水泥穩(wěn)定碎石底基層+38 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+8 cmGAC-25C下面層+5.5 cmGAC-20C(SBS改性)中面層+4.5 cmGAC-16C(SBS改性)上面層。工程所處位置降雨量大，年平均降雨量1 841.7 mm，地下水和地表水發(fā)育豐富，各結(jié)構(gòu)層要求較高的抗水損害能力。根據(jù)預(yù)測交通量資料，考慮車廂發(fā)展趨勢、超載現(xiàn)象、經(jīng)濟(jì)發(fā)展對交通增長率的影響，將各級軸載換算為標(biāo)準(zhǔn)軸載10 KN，15年內(nèi)一個(gè)車道上的累計(jì)當(dāng)量軸次為2.77×107次，屬于特重交通。

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 水泥

廣東云茂高速公路項(xiàng)目水泥采用金鷹牌P·C32.5、P·O42.5、P·Ⅱ52.5緩凝型水泥，依據(jù)GB/T 1346-2011、GB/T 17671-1999、GB/T208-2014、GB/T 8074-2008對金鷹牌P·O42.5水泥進(jìn)行試驗(yàn)，具體檢測結(jié)果如下表1。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)

1.2 粗、細(xì)集料

碎石、石粉由廣東云浮地區(qū)恒安石場加工而成，為便于備料，水穩(wěn)底基層、基層擬按照20～30 mm、10～20 mm、5～10 mm、0～5 mm四檔同時(shí)備料，依據(jù)JTG E42-2005、JTG E40-2007對粗、細(xì)集料進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下表2、表3。

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)

表3 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)

2 沖刷性能試驗(yàn)

本研究采用振動(dòng)成型方法設(shè)計(jì)三種不同結(jié)構(gòu)類型的配合比，分別為懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)、骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)、骨架空隙結(jié)構(gòu)，礦料摻配比例和合成級配如下表4和下表5所示。每種結(jié)構(gòu)類型水泥劑量分別為：3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%；混合料含水率分別為：4.5%、4.7%、4.9%、5.1%、5.3%；壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)分別為：96%、97%、98%、99%、100%；水泥強(qiáng)度等級分別為：32.5、42.5、52.5。依據(jù)JTG E51-2009試驗(yàn)規(guī)程，對三種結(jié)構(gòu)類型，在不同水泥劑量、含水率、壓實(shí)度、水泥強(qiáng)度等級條件下成型φ150 mm×150 mm圓柱形無側(cè)限試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28 d后，浸水1 d后進(jìn)行抗沖刷試驗(yàn)，沖擊力峰值為0.5 MPa，沖刷頻率為10 Hz，沖刷時(shí)間30 min。為方便基于灰色關(guān)聯(lián)法進(jìn)行計(jì)算，將三種結(jié)構(gòu)類型簡化表示為細(xì)集料摻量進(jìn)行計(jì)算，懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)、骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)、骨架空隙結(jié)構(gòu)細(xì)集料摻量分別為45%、34%、18%?？箾_刷試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表4 不同結(jié)構(gòu)類型的配合比

表5 合成級配

表6 抗沖刷性能試驗(yàn)結(jié)果

由表6試驗(yàn)結(jié)果可知，骨架空隙結(jié)構(gòu)的無側(cè)限試件抗沖刷性能最好，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的無側(cè)限試件抗沖刷性能次之，懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)的無側(cè)限試件抗沖刷性能最差。骨架空隙結(jié)構(gòu)中粗集料占比達(dá)到82%，起主要骨架作用，細(xì)集料摻量僅為18%，雖空隙較多，細(xì)集料摻量少，沖刷作用下細(xì)集料被剝落的較少；骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)中粗集料形成骨架結(jié)構(gòu)，空隙完全由細(xì)集料填充密實(shí)，整體結(jié)構(gòu)密實(shí)性好，但細(xì)集料摻量較骨架空隙結(jié)構(gòu)中細(xì)集料摻量多16%，在沖刷作用下部分細(xì)集料被沖刷掉；懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)中細(xì)集料含量達(dá)到45%，沖刷作用下質(zhì)量損失最多。隨著水泥劑量的增大，沖刷質(zhì)量損失逐漸變小，低抗沖刷的能力逐漸變強(qiáng)；成型壓實(shí)度越大，無側(cè)限試件越密實(shí)，沖刷質(zhì)量損失越少，抗沖刷性能越好；水泥強(qiáng)度等級越高，沖刷質(zhì)量損失越少，抗沖刷性能越好，但水泥強(qiáng)度等級變化后，沖刷質(zhì)量損失變化不明顯。

3 抗沖刷性能影響因素分析

灰色理論可以避免回歸分析方法的不足，采用灰色關(guān)聯(lián)法對抗沖刷性能試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，將沖刷質(zhì)量損失指定為參考數(shù)列，將抗沖刷性能影響因素中：結(jié)構(gòu)類型(細(xì)集料摻量)、水泥劑量、含水率、壓實(shí)度、水泥強(qiáng)度等級指定為比較數(shù)列。然后對參考數(shù)列和比較數(shù)列進(jìn)行無量綱化處理，計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)、計(jì)算關(guān)聯(lián)度。

表7 抗沖刷性能試驗(yàn)結(jié)果無量綱化處理

逐個(gè)計(jì)算參考數(shù)列沖刷質(zhì)量損失和比較數(shù)列結(jié)構(gòu)類型(細(xì)集料摻量、水泥劑量、含水率、壓實(shí)度、水泥強(qiáng)度等級對應(yīng)的絕對差值，如下表8所示，得出△min=0，△max=1.103，取ρ=0.5，計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)，如表9所示。

由表10可知，γ1>γ4>γ3>γ2>γ5，對水泥穩(wěn)定碎石抗沖刷性能影響最大的因素是混合料結(jié)構(gòu)類型，其次是壓實(shí)度、混合料含水率、水泥劑量，影響程度最小的是水泥強(qiáng)度等級。

4 結(jié) 論

(1)骨架空隙結(jié)構(gòu)的無側(cè)限試件抗沖刷性能最好，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的無側(cè)限試件抗沖刷性能次之，懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)的無側(cè)限試件抗沖刷性能最差。兼顧水泥穩(wěn)定碎石其他方面的路用性能，在多雨水地區(qū)，特重交通等級高速公路底基層、基層設(shè)計(jì)時(shí)，建議優(yōu)先選用骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)類型。

表8 參考數(shù)列與比較數(shù)列絕對差值

表9 抗沖刷性能各影響因素關(guān)聯(lián)系數(shù)

表10 抗沖刷性能不同影響因素關(guān)聯(lián)度

(2)隨著水泥劑量的增大，沖刷質(zhì)量損失逐漸變小，低抗沖刷的能力逐漸變強(qiáng)。成型壓實(shí)度越大，無側(cè)限試件越密實(shí)，沖刷質(zhì)量損失越少，抗沖刷性能越好；水泥強(qiáng)度等級越高，沖刷質(zhì)量損失越少，抗沖刷性能越好。

(3)通過灰色關(guān)聯(lián)理論分析計(jì)算，水泥穩(wěn)定碎石抗沖刷性能關(guān)聯(lián)度最大的是混合料結(jié)構(gòu)類型，其次是壓實(shí)度、混合料含水率、水泥劑量，關(guān)聯(lián)度最小的是水泥強(qiáng)度等級。

(4)通過研究山區(qū)特重交通等級高速公路水泥穩(wěn)定碎石抗沖刷性能，為本工程及粵西山區(qū)公路水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)、施工提供指導(dǎo)依據(jù)。