瀝青路面級配碎石上基層性能改善措施研究

陳 柯,趙振國

(黑龍江省公路勘察設計院，黑龍江 哈爾濱 150080)

近年來，高速公路瀝青路面不斷追求較高強度，路面設計總厚度不斷增厚(通常是70 cm以上)。隨著半剛性基層瀝青路面強度不斷提高，也暴露出一些缺點和不足，導致出現較多的早期破壞，如：很多工程為提高水穩基層強度、彌補碎石原材料質量缺陷并能順利取出芯樣通過驗收，往往提高水泥劑量，導致基層溫縮、干縮裂縫比較嚴重，進而形成路面反射裂縫，尤其在溫差比較大的季凍區此類病害更為嚴重。

在半剛性基層與瀝青面層之間鋪筑一層級配碎石，形成一種級配碎石上基層的瀝青路面結構，這種結構不僅可以發揮半剛性基層高強度、高穩定性及高承載力的優勢，同時也可以有效地減輕半剛性基層瀝青路面反射裂縫及水損害等病害。級配碎石作為過渡層的優點主要包括以下幾方面[1-3]：①具有較好的應力分散能力，能夠有效地緩解瀝青路面反射裂縫；②具有良好的滲水、排水、隔溫、保溫的作用，能夠有效地改善基層積水，進而緩解瀝青路面的水損害；③具有獨特的力學性能；④建設成本低。但是級配碎石基層的模量及強度較小，在行車荷載的重復循環作用下，級配碎石基層易出現塑性變形，瀝青面層易產生疲勞裂縫及永久變形。因此，這種結構在中低等級瀝青路面中應用較為普遍，且效果較好，而在高速公路應用較少。

本論文的研究目的主要是通過對級配碎石原材料、級配范圍及添加纖維等方面進行研究，以提高級配碎石混合料的CBR值、抗壓強度及抗剪強度等性能，形成高強度級配碎石，進而達到緩解瀝青路面反射裂縫及滿足日益增長的重載交通的要求。

1 級配碎石材料的技術要求研究

長期以來影響我國級配碎石道路應用和推廣的一個重要因素就是集料的質量較差，而細集料中的泥土含量又是關鍵的因素之一。砂當量是集料技術要求的一個重要指標，可以用來控制級配碎石細集料的潔凈度。對于級配碎石基層，砂當量的標準中以法國定的最高為50%，加州的標準最低為25%，其他各國規范標準[4-6]一般為30%～40%；同時，由國內部分工程細集料砂當量的測試結果看[6]，除了個別含泥量較大的集料處在45%以下，其余工程的細集料的砂當量均在45%以上。結合國外規范和國內部分工程的實測數據，建議我國級配碎石的細集料的砂當量指標不小于45%。

砂當量測試指標具有操作簡便、檢測快捷的特點，但有部分細料會在存儲和運輸過程中會被黏土包裹從而被誤認為有害物質，測試得到砂當量值會偏低。因此本文中增加亞甲藍指標，采用砂當量和亞甲藍值雙指標控制細集料的潔凈度。查閱相關文獻[8]，法國制定規范規定，級配碎石基層、底基層砂當量不小于50%，亞甲藍不大于2.5 g /kg；希臘規范中規定，級配碎石基層砂當量不小于50%～40%，亞甲藍不大于3.0 g /kg；國內嚴二虎、李福普[9-10]對瀝青混合料0～2.36 mm細集料研究指出砂當量指標和亞甲藍指標之間的關系，當砂當量不小于45%時，細集料合格率83%，而亞甲藍不大于3 g /kg時，細集料合格率則為88%，同時亞甲藍指標不大于1、1.5 g /kg時對應的細集料合格率分別為26%、38%。結合國內外對砂當量和亞甲藍指標的研究，建議對級配碎石基層細集料的亞甲藍指標技術要求為不大于3 g /kg。

我國現行的規范《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20-2015)中規定[11]，級配碎石細集料的塑性指數不大于12%，而對液限沒有明確規定。查閱相關資料，我國1986年規范液限規定不大于25%，塑性指數潮濕地區為不大于4%，其他地區為不大于6%；2000年規范[10]規定液限不大于28%，塑性指數潮濕地區不大于6%，其他地區為不大于9%，根據我國集料的調查測試情況，僅有南廣試驗路和蘇州含泥量較大的試驗路液限大于25%、塑性指數大于4%，因此建議級配碎石的所使用的0.5 mm以下集料的液限不大于25%，塑性指數不大于4%。

級配碎石混合料的強度受粗集料強度指標影響較大，對于級配碎石粗集料壓碎值的要求參照現行規范中規定。

級配碎石混合料中細長扁平顆粒在生產拌和、運輸、攤鋪及碾壓過程中容易出現壓碎折斷的情況，因此需要對級配碎石原材料中針片狀顆粒含量進行控制。對于級配碎石粗集料的針片狀的含量控制參照現行規范中的規定。

級配碎石基層強度主要由粒料本身的強度和粒料顆粒之間的嵌擠力兩方面組成，因此材料本身的性能對其混合料的力學性能具有重要影響[7]。本小節從細集料的潔凈度、液限和塑性指數以及粗集料的強度、針片狀顆粒含量指標，對級配碎石原材料的規范技術要求進一步細化，級配碎石材料技術要求建議值見表1。

表1 級配碎石材料技術要求建議值Table 1 Technical requirements for gravel materials rec-ommended values指標類別液限/%塑性指數/%砂當量/%亞甲藍/ g·kg-1 壓碎值/%針片狀顆粒含量/%細集料技術指標≤25≤4≥45≤3.0——粗集料技術指標————≤26≤18

2 級配碎石級配范圍研究

為提出適宜的級配碎石的級配范圍，以抗剪強度為性能驗證指標，選取3種級配研究其合理性，其中粗級配采用2000年規范[12]的級配碎石級配范圍，細級配采用現行規范《公路路面基層施工技術細則》(JTG F20-2015)的級配碎石級配范圍，中間級配范圍為結合工程經驗，細化關鍵篩孔，級配范圍介于粗級配和細級配之間，3種級配范圍見表2。

2.1 成型問題

設定4.6%的含水量，采用振動擊實，試驗過程中發現3種級配試件脫模后不能成型，無法進行下一步試驗，如圖1(a)?？紤]摻加少量水泥成型試件，比較不同級配的抗剪強度進而優選出更合適的級配。為使水泥對抗剪強度的影響降低到最小，因此力求水泥摻量最小，考慮粗級配最難成型，所以拿粗級配成型來確定水泥的摻量，擬定含水率4.6%，采用振動擊實成型，分別確定2%、1%、0.7%、0.5%、0.3%的不同水泥摻量，成型試件，以上不同摻量試件均可以成型，但是0.3%的水泥摻量脫模時效果不好，如圖1(b)。因此最終確定水泥摻量為0.5%，分別成型3種級配的試件，測試其抗剪強度。

表2 3種級配的級配范圍Table 2 Graded range for three-stage matching級配類型不同篩孔(mm)質量百分率/%31.526.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075粗級配上限1009580564841382820141196下限10085664437312818128530中間級配上限10010085726454402718141195下限10090716054443017128530細級配上限10010088827664402820141075下限100100797061493019128532

2.2 合成級配

3種級配的摻配比例和合成級配見表3，合成級配曲線見圖2。

(a) 脫模無法成型

表3 篩分結果及摻配比例Table 3 Screening results and doping ratio公稱粒徑(mm)及合成級配不同篩孔(mm)質量百分率/%31.526.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075細級配比例/%中間級配比例/%粗級配比例/% 19～31.5100.092.630.87.60.80.20.10.10.10.10.10.10.15034249.5～19100.0100.099.995.658.18.40.90.80.80.80.70.70.61515234.75～9.5100.0100.0100.0100.0100.098.219.71.51.41.41.41.41.4018182.36～4.75100.0100.0100.0100.0100.0100.084.64.01.81.21.11.10.910911 0～4.75100.0100.0100.0100.0100.0100.099.889.067.540.926.020.714.8252424合成級配(粗)100.096.365.453.144.136.433.622.817.210.56.85.43.9合成級配(中間)100.097.576.567.960.052.035.322.116.810.36.75.54.0合成級配(細)100.098.283.476.866.654.737.022.316.910.46.85.54.1

圖2 合成級配曲線

2.3 最佳含水量、最大干密度確定

3種級配確定的最佳含水量和最大干密度見表4。

表4 不同含水量下的最大干密度Table 4 Maximum dry density at different water content級配類型不同含水量(%)的干密度/(g·cm-3)344.55最佳含水量/%最大干密度/(g·cm-3)粗級配2.2082.2762.3032.2544.52.303中間級配2.2542.3192.3232.3024.32.324細級配2.1812.2752.2942.2664.52.294

2.4 抗剪強度試驗

材料剪切儀是在圍壓恒定情況下對試件進行豎向剪切試驗的專用設備見圖3，在材料試件水平方向施加恒定圍壓，測定并記錄試件破壞時的豎向荷載與剪切位移，用來評價路面柔性材料的抗剪切變形能力。

圖3 材料剪切試驗

考慮路面水平方向的作用力，隨著行車速度的不斷提高、車輛載重的不斷增加等交通條件的改變，路面水平作用力可能會在級配碎石層中產生水平剪力；另一方面考慮路面的不均勻變形，使得結構層產生豎向剪切應力，因此本文以抗剪強度來評價3種級配的優劣。級配碎石抗剪強度數據分析見表5。

表5 級配碎石試件抗剪強度Table Graded gravel test piece anti-shear strength級配類型不同試件編號的抗剪強度/kPa123456平均值粗級配761.2 617.1 808.3 726.4 723.1 837.3 745.6 中間級配923.8683.3879.6810.5782.3951.9838.6細級配637.8617.5858.9691.2803.9704.4719.0

由級配碎石抗剪強度試驗數據分析可知：中間級配的抗剪強度最大，其抗剪強度較細級配增加16.6%，較粗級配增加12.5%。分析原因：① 中間級配粗集料形成更好骨架嵌擠結構，細集料又很好地填充了其骨架空隙，從而獲得較好的抗剪強度；② 由擊實最佳含水率和最大干密度可知，中間級配含水率較低，干密度較大，隨著密度的增加及含水量的下降，材料的抗剪強度有所提升。因此從級配碎石抗剪強度方面看，建議實際工程應用選擇中間級配(具體級配范圍見表2)。

3 提高級配碎石強度的措施研究

級配碎石層是散體材料，理論上不傳遞應力應變，鋪在瀝青面層與半剛性基層之間可以有效地緩解半剛性基層瀝青路面的反射裂縫，但因其自身力學性能(抗拉、抗剪強度，失效應變)較差，在車輛荷載作用下容易產生永久變形及疲勞裂縫，雖通過對級配碎石原材料質量、級配范圍等環節進行了優化，其性能有所改善或提高，但是為了進一步提高其抗剪強度，本節研究纖維摻入級配碎石后對級配碎石強度的影響。

3.1 纖維作用機理分析

纖維在級配碎石中的作用機理是通過減少和消除由外載引起的微裂縫及細小裂縫。纖維級配碎石中，主要通過調整纖維自身的長細比、形狀及摻量等方法改變纖維級配碎石的相關物理性質，提高纖維與級配碎石材料之間的相互作用力，其作用力主要有摩擦力、粘結力及其它作用力。

當受到載荷作用時，纖維與級配碎石共同承擔由外載引起的應力、應變，由于亂向分布的纖維，構成了一種三維亂向的支撐網或網架結構，進而產生了一種有效的加強效果，可以有效地提升纖維級配碎石的連續性，有效地分散了應力的局部集中，降低應力水平；當外載作用較大，超過纖維與級配碎石的粘結力時，纖維與級配碎石間會產生一種相對滑動，從而在纖維與級配碎石的接觸表面上產生了部分塑性變形，并且通過相對滑動及纖維塑性的變形耗散掉部分應變能，降低其應力水平，有效地阻止了裂縫的生成與擴展，提高了纖維級配碎石抵抗塑性應變的能力，從而提高其抗拉強度和抗剪強度。

3.2 纖維摻量的確定

目前，在道路建設工程中，瀝青混合料中使用較多的纖維有礦物纖維、聚酯纖維、聚丙烯纖維及玻璃纖維等幾種，而在級配碎石混合料中，纖維級配碎石的研究相對比較少，只有少量研究人員對其進行了研究。天津大學周衛峰[13]研究發現在道路行業常用纖維中，聚丙烯纖維改善級配碎石的效果比較明顯，而且經濟，因此本文將選擇W型聚丙烯纖維加入級配碎石中，并對其混合料性能展開進一步的研究。

纖維級配碎石中，聚丙烯纖維的彈性模量、拉升強度及斷裂伸長率等指標對纖維級配碎石性能影響比較明顯，因此，為了保證纖維級配碎石的力學性能，聚丙烯纖維材料必須滿足表6的技術指標。

表6 聚丙烯纖維技術指標Table 6 Polypropylene fiber technical indicators類別直徑/mm熔點/℃彈性模量/MPa拉伸強度/MPa斷裂伸長率/%長度/mm耐堿酸度檢測值0.81624 125636—25—規定值0.8～1.1160～165≥3 500≥50015±225±2強

在纖維級配碎石中，纖維的摻量對其力學性能和路用性能的影響都比較大，因此，為了確定纖維級配碎石混合料中聚丙烯纖維的最優摻量，以劈裂強度(間接抗拉強度)為指標，對不同摻量的纖維級配碎石試樣的劈裂強度進行對比研究。

在振動擊實的基礎上，選用了0‰、1‰、2‰、3‰、4‰ 共5種摻量(質量比)分別加入具有相同級配和含水率的級配碎石混合料中進行成型，然后將成型好的試樣放在夾具上進行劈裂試驗，其加載速度為1 mm/min，如圖5所示，其試驗結果如圖6所示。

圖5 試驗所用纖維及劈裂試驗

圖6 級配碎石劈裂強度

從以上的試驗結果可以看出，較低的纖維摻量，改善級配碎石劈裂強度的效果更好。隨纖維摻量的增加，級配碎石的劈裂強度先增大后減小。當纖維摻量從0增長至1‰時，級配碎石的劈裂強度增大，且增大速度較快，并在纖維摻量為1‰時達到最大值；當纖維摻量從1‰增至4‰時，劈裂強度呈衰減趨勢，且纖維摻量從1‰增加到2‰，衰減速度比較大，當其超過3‰時，劈裂強度的衰減趨于平緩。

添加纖維雖然可以增大級配碎石的劈裂強度，提升級配碎石的抗拉強度，即提高級配碎石整體的抗變形能力。但是纖維的摻量必須控制在合理的范圍內，即1‰～2‰。摻量過高時，級配碎石強度提升不明顯，而且也不經濟；摻量過低時，施工和易性較差，不易拌合均勻，從而影響其混合料強度。因此纖維的摻量選擇1‰比較合理。

3.3 纖維級配碎石性能研究

為了進一步研究纖維級配碎石(1‰摻量)的性能，本節將在振動擊實的基礎上，通過CBR試驗、無側限抗壓強度試驗及三軸壓縮試驗，對比研究纖維級配碎石與級配碎石的力學性能。

a.CBR試驗。

在最佳含水量和最大干密度的情況下，對纖維級配碎石和級配碎石試樣分別進行不浸水和浸水4晝夜后的CBR試驗，其試驗結果見表7。

由表7試驗數據可知：級配碎石中加入1‰聚丙烯纖維后，級配碎石的CBR值有所增加。對于不泡水級配碎石，其CBR值增加了23.7%；泡水4晝夜的級配碎石其CBR值增加了22.3%。泡水4晝夜級配碎石CBR值的增長率沒有不泡水級配碎石CBR值的增長率高，可能是由于泡水后聚丙烯纖維與級配碎石中集料的粘結效果及摩擦力受到影響，從而其改善效果有所減弱。

表7 級配碎石與纖維級配碎石CBR試驗Table 7 CBR test with gravel and fiber graded gravel試驗編號纖維級配碎石級配碎石不泡水CBR/%泡水4晝夜CBR/%不泡水CBR/%泡水4晝夜CBR/%1398.4303.1323.4253.32386.5301.1315.2239.83410.5298.2328.0247.5平均值398.5300.8322.2246.9

b.無側限抗壓強度。

在最佳含水量和最大干密度的情況下，對纖維級配碎石和級配碎石試樣分別進行無側限抗壓強度試驗，其試驗結果見表8。

表8 級配碎石與纖維級配碎石無側限抗壓強度Table 8 Gravel and fiber graded gravel without side limit pressure strengthMPa試驗編號無側限抗壓強度纖維級配碎石級配碎石試驗編號無側限抗壓強度纖維級配碎石級配碎石11.31.181.21.521.21.391.41.231.31.4101.31.141.51.5111.71.251.31.4121.31.461.51.2131.61.271.71.2代表值1.151.02

由表8試驗數據可知，級配碎石中添加1‰聚丙烯纖維后，級配碎石的無側限抗壓強度有所提升，相比于未添加纖維的級配碎石抗壓強度提升了12.7%。

c.大型靜三軸壓縮試驗。

在最佳含水量和最大干密度的情況下，對纖維級配碎石和級配碎石試樣分別進行大型靜三軸壓縮試驗，其試驗結果如圖7、圖8、表9所示。

由以上試驗結果可以看出：纖維級配碎石與普通級配碎石的應力與應變關系曲線的變化趨勢相同，在整個試驗過程中曲線的變化比較平穩，沒有出現應力峰值，屬于應變硬化型；添加纖維后級配碎石的抗剪強度有所提升，但是添加纖維對級配碎石內部摩察角的影響比較小，而對級配碎石內部粘聚力的影響比較大，添加聚丙烯纖維后級配碎石的粘聚力提高了13.5%。

圖7 纖維級配碎石試樣應力 — 應變曲線及應力摩爾圓

圖8 級配碎石試樣應力 — 應變曲線及應力摩爾圓

表9 纖維級配碎石與級配碎石抗剪強度指標Table 9 Fiber-grade gravel and graded gravel anti-shear strength index試驗名稱C/ kPaФ/(°)纖維級配碎石27843.5級配碎石24544.3

4 結論

本文從級配碎石材料的技術要求、級配范圍和纖維級配碎石方面進行研究，以期獲得更好路用性能的級配碎石，研究結論如下：

a.集料本身的性能對級配碎石混合料的力學性能具有重要影響，本文細化現行規范中對級配碎石集料的要求，對于細集料：建議采用砂當量不小于45%，亞甲藍不大于3 g/kg雙指標控制級配碎石細集料中有害物質，同時提出細集料液限指標不大于25%、塑性指數不大于4%。

b.以抗剪強度為性能指標，對比細級配、中間級配和粗級配3種級配范圍，結果表明中間級配的抗剪強度最大，其抗剪強度較細級配增加16.6%，較粗級配增加12.5%，由此推薦級配碎石層的級配范圍為中間級配。

c.在振動擊實的基礎上，并通過劈裂試驗確定了纖維級配碎石中纖維最佳摻量為1‰。對比研究了纖維級配碎石與級配碎石的性能，纖維級配碎石的CBR值提升了23%，抗壓強度提升了13%，粘聚力提升了13.5%，結果表明纖維級配碎石較普通級配碎石具有較好的路用性能，級配碎石中摻加纖維是一種提高其路用性能的可行措施。