水泥稳定类半刚性基层抗冲刷机理分析

摘要：水泥稳定类材料是我国干线公路常用的基层材料，冲刷、唧泥是其常见的病害。基层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重要原因之一。论文在分析沥青路面冲刷破坏现象的基础上，分析了半刚性基层沥青路面冲刷形式和冲刷机理，并就水泥稳定类基层材料的抗冲刷机理进行了分析。

关键词：半刚性基层、水泥稳定类材料、冲刷、抗冲刷

前言

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重要原因之一【1】。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。

一、半刚性基层沥青路面冲刷破坏现象

水透过沥青面层滞留在半刚性基层顶面，在大量高速行车作用下自由水产生很大的压力并冲刷基层混合料表层的细料，形成灰色白浆。灰浆又被车压唧，通过各种形状不一和宽窄不一的裂缝反映到路面【2】。

灰浆还可能通过水渗入沥青混凝土的局部小面积或个别通道被压唧到路表面，在灰浆数量大的情况下，可能立即产生坑洞，在数量小的情况下，可使路面产生网裂或变形。

二、半刚性基层沥青路面冲刷机理分析

沥青路面的裂缝是不可避免的。路面裂缝的危害在于从裂缝中不断进入水分，使基层甚至路基软化，并在荷载作用下产生冲刷唧泥现象，从而加速路面破坏。由于沥青路面应力应变及其路面裂缝的特点，沥青路面冲刷形式如图1所示。

图1沥青路面冲刷形式

在图1（a）的冲刷形式中，沥青面层的裂缝是由于面层自身低温脆裂而引起的，在面层裂缝下半刚性基层没有裂缝与之对应，在气温较低的冬季，沥青面层在低温下强度、刚度增大，此时的沥青混合料在力学性质上与水泥混凝土相近。当行车荷载作用时，沥青面层承受了较大的荷载，在这种情况下路面基层的冲刷情况与水泥混凝土路面基层的冲刷类似【3】。在气温较高的夏季，沥青面层变软，基层受到的作用力增加，冲刷现象随之加重。

在图1（b）的冲刷形式中，沥青面层的裂缝是由于基层引起的反射裂缝，这种情况较前一种情况更加糟糕。因为在此时降水不但会侵入面层与基层的交界面之间，而且还会顺着裂缝进入到基层与底基层的交界面上。在冬天由于沥青面层强度的增大，底基层受到的作用力相对较小，此时的冲刷主要发生在面层与基层的交界面处。到了夏天，沥青面层强度下降，且刚度减弱，抵抗变形的能力随之降低，在车辆荷载的作用下基层和底基层受到的作用力都有所增加，此时，冲刷作用同时发生在面层与基层之间和基层与底基层之间的交界面上。当冲刷严重时，即便是底基层也会发生冲刷，细泥浆同样也会被挤出沥青面层。

以上两种破坏是沥青路面基层冲刷最为常见的形式。在实际中，还存在着图1（c）的冲刷形式，在此种情况中，面层并无明显的裂缝，但是由于其它的原因，面层透水性较大，水分由面层渗入后，在基层表面局部的地方积聚，在渗水的初期，水分被基层吸收，伴随着基层的逐渐饱和，局部基层的弹性模量也同时降低，在行车荷载的作用下，此部分比其它地方更易出现面层与基层之间的脱空，当脱空和水分的积累达到一定程度时，便开始了冲刷作用，因为沥青面层无明显的裂缝，所以，在路面上看不到唧泥现象，但这种基层的冲刷作用很快就能导致面层局部开裂，继而路面出现低洼、坑洞。

通过以上的分析可以看出，无论是基层的冲刷还是底基层的冲刷，其冲刷过程大多是一样的，即在较大行车荷载的作用下，先由其它原因在路面各层的交界面上形成空隙（冲刷腔），然后在流动水的参与之下发生冲刷作用，冲刷作用的发生进一步扩大了冲刷腔，冲刷现象在这个“恶性循环”中越来越严重，路面的脱空现象也随之迅速加大，直至路面结构发生破坏。

三、水泥稳定类基层材料抗冲刷机理分析

前文从半刚性基层沥青路面的结构方面说明了基层冲刷的原因及其发展的过程。可以说这是从外因的角度来了解冲刷现象。试验研究还发现，冲刷发生时，作用在试件表面的冲击力首先在有水分参与的条件下将试件表层的微结构破坏，被破坏的碎屑在“泵吸作用”和高速水流的冲刷下被冲走，可以设想如果仅有水的泵吸作用和动水的冲刷，而没有冲击力，冲刷作用的进展将会非常缓慢。简单的说，冲刷过程中实际上包含有三个方面的作用【4】：

①冲刷过程中各种荷载所引起的冲击力；

②冲刷过程中冲刷腔内高速流动水流带来的冲刷；

③在冲击力反复施加过程中所引起的泵吸作用。

但是在实际中我们注意到，在路面结构及其各层的厚度相近的情况下，有的半刚性基层的抗冲刷能力较好，而有的半刚性基层的抗冲刷能力则很差。这说明，要研究一种半刚性基层材料在各种因素的影响下冲刷作用对它有多大的损害，就需要从半刚性基层材料本身的内部结构出发进行研究，而且有其它许多的现象需要了解内部结构后才能做出更好的解释。本文着重就水泥稳定类基层材料的抗冲刷机理进行分析。

水泥稳定类基层材料包括水泥稳定细粒土和水泥稳定粒料土两大类。

水泥稳定细粒土的抗冲刷性能，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细粒土中主要的胶结成分，它们在土中随时间的推移逐渐的硬化，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它物质发生反应并形成别的水化物。

当水泥颗粒被拌入土中后，即广泛的分布于土中，与土中的水分作用形成水泥浆，这些水泥浆占据了土中的大部分的空隙。在机械压实作用之下，这些附有水泥浆的细颗粒被进一步压密。在水泥进行水化作用之后，水化作用形成的水泥石在土中构成坚固的核心，并在所有的空隙中形成水泥石的骨架，有研究表明:当水泥用量达到2.5%时水泥便能在水泥稳定细粒土中构成连续的骨架结构，此时水泥稳定细粒土的土体强度将很大程度取决于包覆在土颗粒上、互相连接的水泥石所形成的骨架结构。

对于水泥稳定细粒土而言，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一系列物理、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细粒土被一层一层的冲刷掉。

随着水泥剂量的增加水泥稳定细粒土的抗冲刷能力是增强的，这是因为水泥稳定细粒土中水泥的含量直接地影响到水泥石骨架结构的形成与发育，水泥石骨架的作用是其抗冲刷能力大小的关键所在。

对于水泥稳定粒料土，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。

与水泥稳定细粒土相比，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。

四、结语

半刚性基层材料抗冲刷能力的不足是加速沥青路面破坏的重要因素之一。

对于半刚性基层沥青路面而言，表面水会以各种途径（如裂缝、空隙等）渗入路面结构层内，软化基层，使基层强度降低，同时在行车荷载反复作用下，渗入路面结构层内的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，并逐渐被唧出面层的裂缝形成唧泥现象。半刚性基层冲刷过程中包含有三个方面的作用：①冲刷过程中各种荷载所引起的冲击力；②冲刷过程中冲刷腔内高速流动水流带来的冲刷；③在冲击力反复施加过程中所引起的泵吸作用。

水泥石骨架的作用是水泥稳定类基层材料抗冲刷能力大小的关键所在；随着水泥剂量的增加水泥稳定类基层材料的抗冲刷能力是增强的，不过，与水泥稳定细粒土相比，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。一方面，粗颗粒的骨架作用在其强度的形成过程中占有很大的比重；另一方面，当遇到冲刷作用时这些较大的粗颗粒又能够起到保护细颗粒免受过度冲刷的作用。

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