墊層級配碎石的性能研究

劉 克

(1.重慶市智翔鋪道技術工程有限公司，重慶 401336；2.招商局重慶交通科研設計院有限公司 云南省龍江特大橋鋼橋面鋪裝及路面工程工地試驗室，云南 保山 679111)

墊層級配碎石的性能研究

劉 克1,2

(1.重慶市智翔鋪道技術工程有限公司，重慶 401336；
2.招商局重慶交通科研設計院有限公司 云南省龍江特大橋鋼橋面鋪裝及路面工程工地試驗室，云南 保山 679111)

為得到墊層級配碎石的合理組成，用重型擊實、承載比(CBR)、滲透系數和水穩定性試驗對6種級配碎石進行了室內研究。結果表明：滲透力會改變級配碎石的級配分布，滲透系數隨滲透次數增加趨于穩定，0.075 mm通過率(P0.075)<3%的級配碎石滲透系數大于0.011 6 cm3/s但CBR較小；P0.075在3.6%～5.0%范圍的級配碎石滲透系數差別很小，選擇上限通過率可協調滲水與強度的矛盾；P0.075為7.6%的級配碎石CBR達196%但已基本不透水。有排水要求的級配碎石P0.075<5%，填料數量減少使得材料的可壓實性對含水率變化不敏感，已不存在最佳壓實含水率；重型擊實使得P0.075<3%的級配碎石嚴重破碎，干密度異常提高不宜作為壓實標準。級配碎石在成型后初期具有輕微的濕陷性，其水穩定性與強度明顯相關，CBR越高的級配碎石水穩定性也越好。

道路工程；水損壞；路面內部排水；墊層；滲透系數；級配設計

公路路面服役于復雜多變的地表環境，經受各種自然營力作用。對山區公路而言，水是對路基路面結構影響最為顯著自然因素，水損壞已成為長期服役山區公路的主要病害[1]。凡是病害嚴重路段幾乎都有水的參與，而且維修難度大，維修效果不理想[2]。因此，具有良好排水能力是路基路面結構經久耐用的重要保障。

碎石墊層是一種應用悠久的排水、防水、抗凍功能層，相對于其它路面材料其模量較小[3]。在土石路床上鋪筑一層20 cm厚符合技術標準的級配碎石，其頂部彎沉甚至大于土基彎沉，厚度一般需要超過30 cm后彎沉才會小于土基。因此，作為路面墊層使用時，級配碎石的主要功能是提供良好的水溫環境，目的是維護結構強度而非形成結構強度。基于此考慮，墊層級配碎石除具備基本的強度，還應保證一定的可滲透性和水穩定性。我國目前并沒有專門的路面墊層施工技術規范，一些項目參考路面基層標準過于追求墊層的密實性而忽視滲透性做法是值得商榷的。

由碎石發展為“級配”碎石是出于質量控制的考慮，控制的目標是實現層位功能。增加細集料提高密實性在實現強度功能的同時是否影響了滲透性和水穩定性？級配如何構建才能實現性能的均衡？筆者對此進行了室內試驗研究。

1 原材料

室內試驗所用骨料為騰沖曲石鎮青山石廠生產的石灰巖碎石，其壓碎值為22.6%，5～10 mm，10～25 mm碎石針片狀含量分別為8.2%，4.1%，軟弱顆粒含量分別為4.5%，0.4%。細集料是5～10 mm石灰巖破碎而成的機制砂，壓碎值12.9%、砂當量75%。根據JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術細則》[4]推薦的級配范圍，筆者選擇了6種級配，并按表1由粗到細編為0#～5#。

表1 6種試驗用級配

2 重型擊實試驗

采用重型擊實試驗研究了6個級配的含水率-密實度關系，結果統計于圖1。較細的4#，5#級配隨含水率增加出現了干密度峰值，并且相對較粗的4#級配峰值含水率較小，說明集料顆粒接觸點較少的4#級配對水的潤滑需求更少，符合水對顆粒壓實影響機理的經典解釋[5]。

圖1 基于重型擊實試驗的干密度-含水率關系Fig.1 Relationship between dry density and water content based on heavy compaction test

圖1顯示：隨著級配變粗，3#，2#，1#，0#并沒有出現峰值，干密度皆隨含水率的減少而增大。原因是粗型級配在反復錘擊作用下骨料更容易破碎，而碎屑填充骨料間隙增加了材料密度。除最粗的0#級配外，密度大小與級配粗細的關系為：級配越粗干密度越小。說明0#級配的破碎程度已非常嚴重，碎屑填充使得干密度明顯失真，不再適合作為標準密度來控制現場壓實度。

粗型級配不出現峰值密度的現象還說明：當顆粒接觸點減少后，水對集料的潤滑作用已不明顯，影響材料壓實度的主要因素已轉變為壓實功和方式等，沒有必要再用重型擊實法來確定最佳含水率。

為后續的性能試驗在相同條件下進行，依習慣做法根據圖1的干密度-含水率關系選擇了材料的成型含水率和干密度，結果如表2。表2中還給出了各級配的合成毛體積密度以便計算固體體積率。

表2 不同級配試件的成型含水率與干密度

3 CBR試驗研究

用CBR試驗研究了級配碎石的承載能力[6]，試驗方法依據文獻[7]。先用重型擊實法成型試件，泡水4 d后瀝干、稱重后加載。計算CBR試件干密度所用的含水率是由配水含水率減去估計水分損失得到。采用三次多項式擬合得到應力-應變曲線方程，由此計算CBR2.5，CBR5.0，CBR。試驗結果如表3，級配碎石承載能力隨固體體積率的增加而增加，高固體體積率、高承載能力的級配碎石吸水率較低。

表3 CBR試驗結果

4 滲透性研究

尚無適用于粗粒土滲透系數的試驗規程，因而筆者利用公路工程工地試驗室常用器材，按土工滲透系數試驗原理構建的裝置如圖2。

4.1 試驗方法

試驗步驟為：① 按重型擊實法成型試樣，稱取試樣+試筒2+筒內墊塊(高5 cm)的總質量，計算試樣濕密度；② 將CBR試驗所用多孔底板蓋于試樣頂部，旋緊試筒2兩側螺絲將兩者固定，翻轉試筒2取出筒內墊塊；③ 試樣+試筒2+多孔底板共同置于水中浸泡數小時后取出，在試筒2頂部涂抹密封材料，然后加放試筒1，壓緊；④ 向試筒內注水至最高水位(5 cm+17 cm)使試樣飽和后，再次注滿水并開始計時，并記錄不同時刻的水位，計算不同水頭高度的滲透速度。

圖2 滲水試驗裝置Fig. 2 Permeability test equipment

4.2 結果與分析

選擇粗細不同的0#，1#，3#，5#級配碎石進行變水頭滲透試驗，測量過程的均值室溫分別為10，16，11，15℃，結果如圖3。級配碎石的滲透能力最初并不穩定，隨著滲透次數增加滲水速度逐漸變緩，并且各次滲透速度的差距逐漸縮小，最終達到一個穩定的滲透速度。4種級配達到最終穩定滲透的次數分別為11，6，5，3次(每次裝水量為3 992 g)。在試件成型前專門分3層進行配料，擊實、滲水試驗結束后，取試件上、中、下3層烘干、篩分后得到的級配如表4，可見滲透力已改變了試件的級配分布，從試件上部至下部級配逐漸變細，并且滲透力只搬運了粒徑小于4.75 mm的細集料。

圖3 滲水速度與水頭差關系Fig. 3 Relationship between permeability velocity and water head difference

表4 水力滲透后0#級配碎石的級配分布

Table 4 Gradation distribution of 0# graded crushed stone after water permeability

相關參數篩孔尺寸/mm26.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075擊實前通過率(配料所得)/%100.082.973.663.847.025.113.29.67.35.54.42.9擊實后通過率(上、中、下部試樣按比例合成所得)/%100.088.475.662.149.630.716.711.58.25.84.62.9滲水后上部試樣通過率/%100.087.376.461.446.928.515.19.66.34.13.11.8滲水后中部試樣通過率/%100.087.569.757.044.529.416.912.29.06.34.92.9滲水后下部試樣通過率/%100.090.180.467.556.433.717.712.29.16.75.53.7

對滲流速度穩定后0#，1#，3#，5#級配碎石的滲透速度與水頭差進行二次多項式擬合，計算得到20 cm水頭差滲流速度分別為162，41，55，8 mL/min；10 cm水頭差滲流速度分別為118，28，47，9 mL/min。按滲透系數公式計算、修正得到20 ℃滲透系數分別為：0.011 6，0.002 5，0.003 8，0.000 5 cm3/s。

1#，3#級配在日常施工中應用較多，兩者滲透性差異不大，設計時宜優先考慮承載能力較高的3#級配；5#級配雖然具有較高的承載能力但幾乎不具有滲水能力，根據文獻[8]提供的滲透性評價標準，5#級配并不適用于路面排水墊層。

5 水穩定性研究

試驗證明：滲透力會使級配碎石的級配分布改變，從而改變其物理性質，即材料有可能出現與路用性能有關的水穩定性問題。滲水試驗說明：為數不多的數次滲透即會使級配碎石的滲水性能逐漸趨于穩定，因此可以忽略滲透性能的水穩定性，轉而研究力學性能和體積指標的水穩定性。

5.1 靜水浸泡的強度影響

CBR試驗是按照規程在浸水4 d后完成的，筆者接下來將按相同的成型條件檢測未浸泡試件的CBR值，用CBR比評價靜水浸泡對級配碎石承載能力的影響[9]。試驗結果如表5。雖然各試件的估算成型干密度有一定差異，但保證了相同的成型擊實功和含水率。試驗結果還是具有明顯規律性：4 d的靜水浸泡使得各組試件CBR值降低，干密度越小、CBR越小的級配碎石的CBR比也越低。因此，級配碎石的承載能力與水穩定性具有相關性，承載能力越差的級配碎石的水穩定性也越差。

表5 水對級配碎石承載能力的影響

5.2 水對級配碎石變形的影響

表3顯示級配碎石泡水4 d后膨脹量全部為負，說明級配碎石具有微弱的濕陷性。用百分表觀測12 cm高CBR試件在不同水環境下的豎向變形，結果如表6。靜水浸泡、自然風干、水力滲透都會使級配碎石發生變形，并且都是收縮變形，只是3 d風干的收縮量只有0.060-0.041=0.019 mm，小于3 d浸泡的收縮量0.039 mm。可以這樣理解：單向擊實(或碾壓)作用力成型的試件內部并不穩定，濕度循環、滲透造成的多方向水力作用使微小顆粒進一步調整位置填充孔隙，增加材料密實性，宏觀表現為體積收縮。

試驗條件下的最終收縮量最大0.07 mm，對應收縮應變0.000 58，按此推算層厚30 cm的級配碎石豎向變形也只有0.17 mm，其影響應該不明顯。

條件所限，本次試驗最長時間只有7 d，如果繼續施加水力作用，內部顆粒是否會達到新的平衡狀態，級配碎石體積保持穩定，或者在長期、大水頭的水力作用和頻繁的濕度循環下發生更大的變形，還有待進一步研究。

表6 水對級配碎石變形的影響

6 結 論

1)0.075 mm通過率小于3%的級配碎石滲水效果好但CBR較小。0.075 mm通過率在3.6%～5.0%之間時級配碎石滲透性幾乎沒有差異，即存在滲透性能比較穩定的級配區間，可選擇區間通過率上限提高其材料承載能力。0.075 mm通過率為7.6%時級配碎石基本不滲水但CBR大，可作為應力(變形)緩沖層使用。因此，建議用于排水墊層的級配碎石0.075 mm通過率至少要小于5%。

2)0.075 mm通過率小于5%的級配碎石，其可壓實性對含水率已不敏感，工程實踐中應取消此種材料的最佳含水率設計工作。重型擊實使0.075 mm通過率小于3%的級配碎石破碎嚴重，干密度異常提高，已不再適合作為標準密度使用。

3)滲透力改變了級配碎石的級配分布，造成滲透系數變化(也可能改變其它路用性能)。經固定水頭差反復滲透后，級配碎石的滲透性能會趨于穩定，在試驗級配范圍內穩定的滲透系數為0.000 5～0.011 6 cm3/s。

4)級配碎石成型后初期有輕微的濕陷性，其水穩定性與強度具有相關性，對強度越低的級配碎石而言，其力學性能的水穩定性也越差。

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(責任編輯：劉 韜)

Performance Research of Bed Course Graded Crushed Stone

LIU Ke1，2

(1.Chongqing Zhixiang Paving Technology Engineering Co. Ltd., Chongqing 401336, P.R.China; 2.Yunnan Longjiang Grand Bridge Steel Deck Pavement and Highway Engineering Construction Laboratory, China Merchants Chongqing Communications Research and Design Institute Co. Ltd., Baoshan 679111, Yunnan, P.R.China)

In order to get appropriate composition of the graded crushed stone, the indoor studies of heavy compaction, California bearing ratio (CBR), coefficient of permeability and water stability test on six kinds of the graded crushed stone were conducted. Results show that penetration can change the gradation distribution of the graded crushed stone. Permeability coefficient will be stabilized with the increase of the penetration frequency. Permeability coefficient of the graded crushed stone with 0.075 mm passive rate (P0.075)is smaller than that of 3% graded crushed stone; and smaller CBR strength is >0.011 6 cm3/s. The discrepancy ofP0.075of the graded crushed stone in the range of 3.6%～5.0% is small, and selecting the upper limit of passive rate can coordinate the confliction between the permeability and the strength. CBR of the graded crushed stone whoseP0.075is 7.6% can be up to 196% and is hardly permeable.P0.075of the graded crushed stone with the drainage requirement is less than 5%, as the reduction of the filler causes the compaction of the material insensitive to the variation of water content, and there is no the optimum compaction water content. Heavy compaction breaks the aggregate seriously whenP0.075of the graded crushed stone is less than 3%. The abnormal increase of dry density is not suitable to be the compaction standard. Graded crushed stone at the early stage after forming is slightly collapsible, and its water stability is significantly associated with strength. CBR of the graded crushed stone is higher and the water stability is stronger.

highway engineering; water damage; pavement internal drainage; bed course; permeability coefficient; gradation design

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.05.06

2015-12-21；

2016-02-18

劉克(1983—)，男，重慶人，高級工程師，碩士，主要從事路基路面工程方面的研究。E-mail：liuke20027@163.com。

U416.217

A

1674-0696(2017)05-030-05