水泥粉煤灰稳定碎石基层抗冲刷试验研究

黄 静

(宜宾市投资集团有限责任公司，四川宜宾644000)

1 冲刷试验仪器评价

目前，国内外对抗冲刷试验仪器的研究还不够深入，近些年也没有研制出新的仪器，抗冲刷性能是基层路用性能中很重要的一个方面，为了对抗冲刷性能进行研究，文章首先对国内外现有的冲刷仪器作简单介绍。

1.1 国内外现有仪器介绍

本文主要是对水泥粉煤灰稳定碎石的抗冲刷性能进行研究，作为一种半刚性基层材料，目前国内外对其抗冲刷性能的研究还不多，研究的时间也比较短。从近几年的相关报道得知，法国与澳大利亚对于半刚性基层材料抗冲刷性能研究起步较早，他们都研发出了针对抗冲刷性能试验的仪器设备，法国所研制出的设备有旋转刷(图1)和振动台(图2)，而澳大利亚所研制出来的同样是振动台(图3)，试验设备的工作原理基本相同，只是对于试验设备的一些参数选择以及所要求的试验试件尺寸有所不同。

与国外相比，国内关于半刚性基层抗冲刷性能的研究相对比较晚。目前国内现有冲刷试验设备做要有：MTS万能材料试验平台、振动台、路面材料试验机以及冲刷模拟试验机。但是这些试验装置都或多或少在设计或者功能上存在不足之处。比如：在以上这些试验装置中都没有对试件的侧面部分、底部采取保护措施，在冲刷试验过程中，由于侧面松散可能会出现细集料掉落的现象。还有就是在将试件取出的时候也难免会磕磕碰碰导致外表集料脱落，如果把这些因磕碰掉落的集料计算到冲刷量之中去，会导致试验数据偏大。另外，在冲刷试验中对装置的试验参数控制不精确，无法保证试验的同一性。这些方面都是在实验中需要多加注意的地方。

图1 法国旋转刷试验装置

图2 法国振动台试验装置

图3 澳大利亚振动台试验装置

1.2 UTM-100多功能材料试验系统

为了能够满足水泥粉煤灰稳定碎石基层抗冲刷性能试验的要求，更加真实的对路面基层受冲刷作用的实际情况进行模拟，试验设备必须满足以下要求。

(1)必须能够提供冲击荷载来模拟路面行车荷载对路面的作用。

(2)该试验装置必须能够非常精确的对冲刷作用频率、冲刷作用力大小进行控制。

(3)该冲刷试验装置试验之后所得到的冲刷试验数据的变异性必须控制在一个范围内，并且必须要有足够的稳定性。

为了达到以上几点要求，选取冲刷试验装置时应该确定以下几项原则。

(1)试验装置所提供的冲击荷载作用方向必须是自上而下，并且要能够精确的控制这个作用里的大小和频率。

(2)为了防止在试验过程中试件出现非冲刷作用所带来的质量损失，必须对试件采取固定措施。

2 冲刷试验方法研究

2.1 试验准备

2.1.1 试验试件准备

试验所需要的试件养生龄期分别为7d、28d、90d，在试件达到养生龄期前1d，将试件取出置于水中饱水24h。在饱水试件达到要求之后，用水冲去试件表面松散的细集料并用抹布将表面的水分拭干，称取每个试件的初始质量以备试验使用。

2.1.2 试验仪器准备

本文中水泥粉煤灰稳定碎石基层抗冲刷试验所使用的试验设备是将UTM-100多功能材料试验系统(图4)与自制的冲刷桶(图5)固定在一起配合使用。将饱水之后的试件放在自制冲刷桶的底部支座上面，在其上方放置一块橡胶垫块，将十字形加力架罩在垫块上方，拧紧四个角上面的羊角螺丝，向冲刷桶内注入清水至试件顶部超过10mm。

图4 UTM-100伺服液压多功能材料试验系统

图5 冲刷桶

2.2 实验仪器主要原理与技术参数

UTM-100伺服液压多功能材料试验系统与MTS试验平台的工作原理相同，主要是通过上压头提供一个瞬时荷载，使冲刷桶内处于半封闭状态的水快速压缩从而产生一个比较大的动水压力；而在试验装置上压头向上运动即一个瞬时向上的卸载过程，这时会出现一个很大负压使半封闭状态的水快速膨胀而产生向上的泵吸作用，这就完成了一个冲刷循环作用[5]。试验装置能够提供周期性的瞬时加载与卸载作用，因此可以很真实的模拟路面行车荷载的重复冲刷。此试验装置的主要技术参数为：

(1)压头作用在十字形加力架上对试验试件施加作用力，作用力大小取0.5～0.7MPa；

(2)在试件顶面与十字形加力架之间放置一块有锯缝的橡胶垫块来模拟路面面层以及裂缝，面层与基层之间的自由水就是通过这条锯缝实现对圆柱形试件的冲刷作用；

(3)压头瞬时加载过程中会产生一个大小为60～100kPa左右大小的动水压力对圆柱形试件的表面形成冲刷作用；

(4)在压头向上瞬时卸载时，之前加载所产生的动水压力会马上降为零，在这个变化过程中，水会从压头处向外排出，这时在水排出的过程中会对试件表面产生一次泵吸作用，将试件表面的松散细集料全部带入到冲刷桶中；

(5)瞬时荷载的作用频率为10Hz，也就是每0.6s完成一次冲刷循环；

(6)试验装置能够提供反复的加载与卸载过程，这样可以真实的模拟行车荷载对路面基层的冲刷作用，经过一定时间的冲刷作用之后，统计出试件在整个过程中的冲刷损失量，这个值的大小就是评价水泥粉煤灰稳定碎石基层抗冲刷性能的指标。

3 试验结果及其分析

本文在室内成型不同粉煤灰与水泥掺量的冲刷试件，就是为了通过冲刷试验结果分析出两者对水泥粉煤灰稳定碎石基层抗冲刷性能的影响，得出一个抗冲刷性能最佳且能满足各项基本指标的最优配合比，以便其推广应用。试验的总体思路是先对配合比不同的各组试件直接进行抗冲刷性能试验，然后对试验结果进行分析得出一组抗冲刷性能最好的配合比，再按这一配合比成型试件对它的其他路用性能指标进行试验研究，验证该配比试件各路用性能指标能否满足规范要求。

3.1 冲刷后试件外观与分析

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》每个试验试件的冲刷时间为30min，如图6为180d龄期不同水泥粉煤灰稳定碎石配合比试件冲刷结束后外观图。

图6 180 d 龄期冲刷试验后的水泥粉煤灰稳定碎石试件

3.2 试件冲刷结果与分析

表1为不同配合比在不同龄期受冲刷作用后质量损失情况。

表1 不同龄期和配合比的混合料冲刷质量损失

对表1的试验数据进行分析可知，水泥粉煤灰稳定碎石基层的抗冲刷性能会随着混合料中水泥含量的增加而有所提高，一般来说水泥含量高则抗冲刷能力必然比较好。本文分别对水泥含量为1%、3%、5%、7%的混合料进行了冲刷试验，从试验数据来看，水泥含量为7%的混合料的在冲刷试验过程中试件的质量损失最小，因此抗冲刷能力最强的是水泥含量为7%的四组配合比，其次为水泥含量为5%、3%的混合料，最差的是水泥含量为1%的混合料。

综合以上结果，混合料中水泥剂量的多少会对其干缩性能产生很大的影响，7%的水泥含量对基层的抗裂性能不利。另外，本章对粉煤灰的再回收利用主要目的是达到经济节约的效果，但是过高的水泥含量会增加成本。还有，从表1中的数据中可以看出，在水泥含量从3%增加到5%的过程中，水泥粉煤灰稳定碎石基层的抗冲刷性能得到了很大的提高，但是当水泥含量又5%增加到7%的过程中，混合料的抗冲刷性能提高并不明显。所以，混合料中的水泥剂量定为5%是一个比较合理的选择。

图7 180 d冲刷质量损失

对水泥含量为5%的四组混合料试件受冲刷情况进行分析，上图7为龄期180d四组试件的质量损失情况，以1、2、3、4分别表示粉煤灰含量为8%、9%、10%、11%的混合料，从图7可以看出当粉煤灰含量为10%的混合料试件质量损失最少，而同样的情况也出现在龄期分别为7d、28d、90d的试件当中，因此，可以认为10%为粉煤灰的最佳含量。

综合以上，水泥∶粉煤灰∶碎石配合比5%∶10%∶85%定为抗冲刷性能最佳的配合比。该配合比试件的其他路用性能是否满足规范要求，以后将对其进行验证。

4 结束语

针对目前水泥粉煤灰稳定碎石基层抗冲刷性能研究较少的情况，本文首先对国外的各种冲刷仪器进行了介绍，提出采用UTM-100多功能材料试验系统对试验试件进行抗冲刷性能研究。为了方便试验的进行，本文特制作了一个用于配合UTM-100多功能材料试验系统的冲刷桶，并对试验系统的一些主要参数及原理进行了介绍。

本文先对16组配合比的抗冲刷性能进行试验研究并对冲刷试验结果进行分析，得到了水泥粉煤灰稳定碎石基层抗冲刷的最佳配合比为水泥∶粉煤灰∶碎石=5%∶10%∶85%。本文实验结果为水泥粉煤灰碎石基层各项路用性能指标进行试验提供了试件配制依据，为验证其在冲刷性能最优的前提下其他指标是否能达到规范要求创造了可靠的实验条件。

[1]J.Adamsone，Effectofoilshaleashapplicationonleachingbehaviorofarablesoils：Anexperimentalstudy，EstonianAcademyPublishers，2010

[2] 聂午龙.水泥混凝土路面基层材料抗冲刷性能研究[D].长安大学，2009

[3] 沙爱民，胡力群.半刚性基层材料抗冲刷性能试验方法研究[J].中国公路学报，2002，15(2)

[4] 黎霞.公路基层材料抗冲刷试验研究[J].公路工程，2007，32(6)

[5]Béatrice，LevasseurMetalsRemovalfromMunicipalWasteIncineratorFlyAshesandReuseofTreatedLeachates[J].UdergroundSystem，2006