砂巖級配碎石材料級配與性能研究

緱永濤，張 敬

(寧夏公路管理局石嘴山分局，寧夏 石嘴山 753000)

1 級配碎石的級配分析

1.1 連續級配的組成特點及設計思路

連續級配是某一礦質混合料在標準篩孔配成的套篩中進行篩析時，所得的級配曲線平順圓滑，具有連續的性質，相鄰粒徑的粒料之間，有一定的比例關系(按質量計)。這種由大到小，逐級粒徑都有，并按比例互相搭配組成的礦料混合料，稱為連續級配礦質混合料。

連續級配的設計思路遵從“最大理論曲線”，該理論認為“礦質混合料的顆粒級配曲線越接近拋物線，則其密度越大”。最大理論曲線是一種理論的級配曲線，在實際應用的時候，礦質混合料的級配曲線應該允許在一定范圍內波動，所以目前多采用n次冪的通用表達如式(1)，這個公式又稱為：talbol公式。

(1)

式中：p為各粒級集料的通過率，%；D為最大粒徑，mm；d為各粒級集料的粒徑，mm；n為常數。

經研究認為：級配碎石從密實度、強度、良好透水性及施工綜合考慮，以最大粒徑為40～50 mm為最佳，小于0.6 mm的含量≤15%、小于0.075 mm的含量為5%～6%的連續級配較好(針對圓孔篩而言)，n取0.45～0.55，以獲得較粗、密實且透水性好的優質碎石基層。

1.2 基于體積設計法的間斷級配

間斷級配就是指在礦料顆粒組成中，大小顆粒不是連續存在，而在某一個或某幾個粒徑范圍內沒有或很少礦料顆粒所組成的一種礦質混合料。這種混合料不僅有足夠數量的粗骨料可以形成空間骨架，而且又有必要數量的細料填充于骨架間的空隙，使混合料有較高的密實度而形成為一種骨架密實結構，其內摩阻力和粘結力均較高，缺點是施工時易發生離析，施工成本較高。

根據級配碎石混合料的結構強度可知，要得到具有良好路用性能的級配碎石混合料必須保證兩個條件：(1)主骨架充分嵌擠以形成骨架結構，以保證良好的內摩阻力。(2)細集料充分填充主骨架的空隙，使混合料密實。

下面介紹基于體積設計法的間斷級配設計方法。

K法

(2)

(3)

(4)

式中：px為不同粒徑dx時通過率，%；x為級數；D為最大粒徑；dx為各級粒徑；n為級數。

2 砂巖級配類型初選

砂巖級配碎石主要作為高速公路墊層使用，需要較好的密實度，能夠形成高強和較好整體性的級配。通過采用《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50—2006)規范5～7級配作為基本級配范圍，對應的級配范圍如圖1所示。

圖1 級配碎石做底基層及墊層規范級配(JTG D50—2006)

2.1 砂巖碎石篩分結果與規范級配比較

砂巖的篩分結果表征了現場砂巖碎石的顆粒分布情況，分別選取表1中5級配和6級配，與篩分結果進行比較，初步掌握砂巖碎石的粒徑構成情況。

通過分析結果，考慮滿足規范要求和利于施工兩個原則，選取與篩分曲線特征最吻合的級配類型，即級配范圍6作為初擬級配范圍，并進行相關試驗。對應級配范圍的上限、中值、下限的各篩孔通過率如表1所示。

表1 初擬級配各檔集料通過率

2.2 CBR實驗

《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50—2006)中規定，當采用重型擊實標準設計時，級配碎石作基層壓實度應大于98%，CBR值不應小于100%；用作底基層時，壓實度應大于96%，CBR值不應小于80%，其計算公式如下：

CBR=P/PS×100

(5)

式中：CBR為承載比，%；P為對應于貫入度為2.5 mm或5 mm的單位壓力，kPa；PS為貫入度為2.5 mm或5 mm的標準單位壓力，kPa。

其中，貫入度為2.5 mm時，標準單位壓力為7 000 kPa；貫入度為5.0 mm時，標準單位壓力為10 500 kPa，貫入桿貫入速度為1～1.25 mm/s。

通過實驗，得到骨架型級配的上限、中值、下限(分別對應試驗編號1～3號)的CBR試驗實測記錄如表2所示。

表2 骨架型級配CBR試驗實測記錄

3 砂巖級配碎石性能分析

3.1 級配碎石模量的獲取

通過安裝式樣、預壓以及測定回彈模量等步驟，計算每級荷載下的回彈模量，具體公式如下

(6)

式中：E為回彈模量，kPa；p為承載板上的單位壓力，kPa；D為承載板直徑，cm；l為相當于單位壓力的回彈變形，cm。

3.2 回彈模量與CBR之間的關系

CBR是以變形2.5 mm時的單位壓力P作為比較標準，由于其貫入直徑50 mm，故也可認為它是以相對變形λ=l/D=2.5/50=0.05為標準，對于不同相對變形λ時變形模量間的關系，研究人員在20世紀50年代曾通過大型承載板的測定總結得

Eλ/E0.01=1-βlg100λ

(7)

式中：β為P-λ關系曲線的彎曲程度系數，β越大，曲線越彎，一般在0.65～0.90間變化。

不同β值時各參數間關系見表3。

表3 CBR與回彈模量En的關系

由此可見，回彈模量En與CBR的比值不可能是個定值。經過比較，β=0.68的曲線性質最接近CBR標準碎石的測定曲線，β=0.90時接近于CBR值小或模時的曲線。因此，如果CBR=100時，β=0.68，CBR=3時β=0.9，可把(3)式轉為

En=7.2CBR0.9

(8)

4 結 論

(1)骨架型級配整體性能不足，中值以上的骨架型級配才能達到級配碎石墊層的應用要求(CBR值)，能提供的各粒徑變化范圍偏窄，不利于現場施工，不推薦使用。

(2)連續型級配有較好的工作性能(規范中值及偏上更優)，其CBR值及回彈模量均較高，空隙率小，表現出優良的抗變形能力。考慮到偏上限級配細料含量較高不利于碎石層備料施工和發揮排水性能，因此推薦使用連續級配中值附近級配作為施工級配，保證各粒徑碎石連續搭配。

(3)砂巖作為不常使用的道路工程材料，存在部分缺陷，但嚴格控制砂巖集料物理力學性質及級配，能保證該砂巖級配碎石成功良好應用。

[1] 袁峻.級配碎石柔性道路設計方法的研究[D].南京.東南大學，2004.

[2] 何兆益.碎石基層防止半剛性路面裂縫及其路用性能研究[D].南京.東南大學.1997.

[3] 交通運輸部.《公路路面基層施工技術規范》(JTJ034—2000)[S].人民交通出版社，2000.