級配碎石柔性基層固體體積率指標研究

陳艷瓊

(福建交通職業技術學院,福州350007)

級配碎石作為柔性基層或組合式基層瀝青路面結構的重要層位,其質量的優劣決定著路面結構的成敗,我國現行施工技術規范中沒有級配碎石的配合比設計控制指標,在總結國內外使用經驗的基礎上,當前我國通常采用的兩個控制指標為CBR值和固體體積率。

重型擊實CBR是目前各國級配碎石最普遍采用的混合料強度標準,但使用經驗表明,CBR＞100%只是一個一般性指標,比較容易達到,對級配碎石的設計和施工起不到實質的指導作用;而固體體積率則是與級配碎石強度和抗變形能力均有密切的關系的重要指標。當設計合理的級配碎石的壓實度達到100%時,級配碎石固體體積率才可達到85%(重型擊實標準)以上,能夠顯著提高級配碎石的使用性能。

1 固體體積率指標

南非的瀝青路面結構中瀝青層厚度較薄,因此其對級配碎石的要求非常高:對于重交通道路的級配碎石基層,固體體積率＞86%-88%;而對于中交通道路級配碎石,固體體積率＞85%;新西蘭研究認為,若固體體積率＜85%,級配碎石基層存在容易產生變形等損壞的不足。

為研究級配碎石固體體積率對使用性能的影響,本文采用不同料場的材料按設計配合比、最佳含水量、最大干密度采用輪碾機成型級配碎石試件,每組兩塊,然后放到車轍試驗機上進行車轍試驗(常溫)。試驗中,三種級配碎石試件的固體體積率代表值分別為1號80.6%、2號84.1%、3號86.9%,試驗記錄試件變形量隨時間的變化結果如圖1所示。

由圖1可以看出,固體體積率指標對級配碎石材料的抗變形能力有著非常顯著的影響,隨著固體體積率的增加,其抗變形能力明顯提高。圖中1號級配的固體體積率為80.6%,隨著碾壓次數的增加,其本身的變形量呈同比增加趨勢,并很快就破壞;2號級配固體體積率達到84.1%,碾壓初期其變形較快,但隨著時間的增加,其變形速率逐漸降低并趨于一個恒定較低的水平;3號級配固體體積率為86.9%,試件在試驗初期有相對稍快的變形,隨著時間的增加,試件的變形速率很快就趨于穩定,并在試驗時間達到10min之后,其變形量幾乎不再明顯增加。

分析認為,當級配碎石的固體體積率較低時(＜85%),其內部是一個不穩定的系統,在外部荷載的作用下,材料很快變形并受到塑性破壞;而當體積率達到85%以上時,級配碎石內部形成嵌擠的良好力學結構,受到外部荷載時,材料顆粒之間不會繼續產生塑性流變,表現出良好的強度與抗變形性能。所以,級配碎固體體積率指標取為85%是較為合理可行的。

2 固體體積率指標的影響因素

固體體積率作為反映級配碎石性能的綜合指標,受到級配設計、原材料性能、施工質量等多種因素的影響,本文從級配設計、粗集料性能和細集料性能三個大方面對其進行了研究。

2.1 級配設計的影響

級配類型:不同的級配設計通過調整礦料的比例關系可以實現提高材料密實度的目標,級配碎石的級配設計對其固體體積率有著重要的影響,是提高固體體積率的最佳途經。本文針對某高速公路級配碎石原材料來源的23個料場,以固體體積率為設計控制指標,分別對其進行了粗中細三種不同級配類型的設計與調整,數據如圖2所示。

由圖2試驗結果可以看出,不同來源的原材料由于其本身性能限制,其固體體積率指標的調整范圍是受到限制的,有的級配碎石通過調整級配,可以實現固體體積率由＜85%提高到＞85%的要求,如圖 2中的 3、8、11和17號料場,而有些料場的原材料即使調整級配也很難達到要求,如3號20號料場。

通過試驗數據可以得出,一方面,從粗中細不同類型對比來看,固體體積率與級配類型并沒有固定的相關關系,有的材料細級配有利于固體體積率指標的提高,而有的材料則粗級配的固體體積率指標更高,也有部分料場的固體體積率最大值為中級配;另一方面,不同的級配對固體體積率指標的影響程度并不相同,根據本文23組數據顯示,通過調整級配可以實現的固體體積率變動范圍最大為2%左右,最小只有1%,即在材料性能一定的情況下,有的級配碎石無法通過調整級配來滿足固體體積率指標要求。

混合料0.075mm通過率:我國歷來習慣采用水洗法中小于0.075mm顆粒部分的含量作為細集料的含泥量,但細集料質量控制的目的是控制其中的泥土部分,而不是細砂或石粉,因此0.075mm通過率指標適用于天然砂的質量控制,而不太適用于機制砂和石屑。對于非天然砂細集料0.075mm通過率指標主要是為了控制合成級配中的0.075mm篩孔通過率。圖3中 1、2、3分別代表粗中細三種級配類型(下同),合成級配0.075mm通過率與固體體積率指標的關系如圖3所示。

由圖3可以看出,混合料中0.075mm通過率對固體體積率有一定的影響,隨著混合料0.075mm通過率的增加,混合料的干密度整體在增加,相應的固體體積率也有所增加,但增加0.075mm含量對于提高固體體積率指標是有限的。根據使用經驗,級配碎石最大干密度的峰值對應的0.075mm通過率一般為6～8%,若通過此途徑來提高固體體積率,使得混合料0.075mm通過率超過適宜的限值,則會在一定程度上犧牲級配碎石層的滲水性能,所以不宜為提高固體體積率而強制調整該指標超出其合理范圍。

2.2 粗集料性能的影響

材料強度:級配碎石強度主要來源于碎石本身強度及碎石顆粒之間的嵌擠能力,因此粗集料的磨耗值、壓碎值和軟石含量等強度指標對級配碎石混合料的強度具有重要影響。我國現行基層施工規范中只要求壓碎值作為級配碎石粗集料的強度技術指標,規定對于高速公路和一級公路,壓碎值不小于26%。圖4所示為粗集料壓碎值與固體體積率的關系。

由圖4數據可以得出,除個別點之外,隨著粗集料壓碎值的增加,級配碎石的固體體積率整體呈降低的趨勢。分析認為,隨粗集料強度的降低,在級配碎石拌合、攤鋪及壓實過程中,更多的粗集料會在外力作用下破碎,原來設計的級配會細化變異,根據級配設計理論,細集料含量的過度增加會提高混合料的空隙率,即固體體積率的降低。但是,這種固體體積率指標降低的趨勢處于一定的范圍之內,隨原設計級配類型的不同而不同。

粗集料針片狀:集料的針片狀是控制材料質量的重要指標之一,除了破碎工藝的差異之外,針片狀指標主要受石料本身性能的影響。圖5所示為級配碎石中粗集料針片狀含量與固體體積率關系。

由圖5可以看出,當粗集料針片狀在6%～14%之間變化時,級配碎石的固體體積率指標基本沒有明顯的變化趨勢。分析認為,針片狀的存在雖然在一定程度上會造成材料空隙率的增加,降低固體體積率指標,但針片狀顆粒在施工過程中更容易被折斷破碎為更小粒徑的顆粒,這些小顆粒的填充作用在一定程度上可以抵消針片狀增加對空隙率提高的影響,所以粗集料針片狀在一定范圍內變化時,總體上不會對級配碎石的固體體積率指標產生影響。

2.3 細集料性能的影響

細料質量控制是指控制細料中有害物質的含量,如有機物、粘土等。目前規范體系用于細集料有害物質控制的指標有含泥量、液限、塑性指數、砂當量以及亞甲藍值。

液限與塑性指數:細集料的液限和塑性指數越大,表明細集料質量越差。圖6和圖7分別表示細集料液限和塑性指數對級配碎石固體體積率指標的影響。

由圖6和圖7可以看出,細集料的液限和塑性指數對固體體積率指標沒有明顯的影響規律。級配碎石層在路面結構中的重要作用之一就是排水,材料本身的空隙率高達15%～20%,級配碎石中細集料的作用在于提供填充和力學傳遞作用,在高空隙率情況下,其本身的液限與塑性指數指標對固體體積率指標并不產生直接的影響,該指標的差異主要對材料的力學性能會有一定的影響。

砂當量的影響:由于液限和塑性指數的試驗誤差較大,目前較傾向采用砂當量或亞甲藍指標代替液限和塑性指數指標來控制細集料的質量,如瀝青混合料只采用砂當量或亞甲藍值,而沒有液限和塑性指數。圖8為砂當量與固體體積率的變化曲線。

由試驗數據可以看出,砂當量對級配碎石的固體體積率指標有一定的影響。細集料砂當量增加,表明細集料中密度較低的塑性物質含量降低,其相應的固體體積率會增加,混合料的抗變形能力也會得到提高。在實際級配碎石配合比設計時,有時由于細集料較臟,砂當量較低,其固體體積率往往偏低,在更換干凈的石屑或細集料后,固體體積率指標一般會有較大的提高。但是,這并非表明,砂當量達到要求,固體體積率指標就沒有問題。

3 結論

1)級配碎石材料的固體體積率對其強度和抗變形能力有著顯著的影響,其指標控制值宜取為85%。

2)級配碎石通過調整級配設計可以在一定程度上提高其固體體積率指標,但其可調整的范圍有一定的限制,最大約為2%。

3)粗集料對固體體積率的影響主要體現在級配變異對混合料空隙率指標的影響,粗集料強度的提高和針片狀含量的減少有利于固體體積率指標的穩定。

4)細集料總體上對級配碎石固體體積率指標的影響不大,細集料質量較差會對材料力學性能產生不利的影響。

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