基于CBR 強(qiáng)度的改性級(jí)配碎石級(jí)配設(shè)計(jì)研究

張軍

（無(wú)錫市明大交通科技咨詢(xún)有限公司，江蘇 無(wú)錫 214100）

0 引言

改性級(jí)配碎石材料在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的前提下能夠有效地減少半剛性材料的收縮開(kāi)裂、提高級(jí)配碎石水穩(wěn)定性能、發(fā)揮級(jí)配碎石的排水性能，在改善現(xiàn)有級(jí)配碎石體積穩(wěn)定性、力學(xué)性能、長(zhǎng)期性能和施工性能方面存在諸多優(yōu)勢(shì)[1]，可應(yīng)用于二級(jí)及以下公路基層中。目前規(guī)范中并沒(méi)有適用于低劑量水泥改性級(jí)配碎石的級(jí)配范圍、評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)未針對(duì)施工條件和瀝青路面基層的力學(xué)要求來(lái)研究碎石的合理級(jí)配。本文根據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)級(jí)配的混合料進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)，制定改性級(jí)配碎石的合理級(jí)配范圍和施工配合比設(shè)計(jì)方法。

1 改性級(jí)配碎石試驗(yàn)級(jí)配設(shè)計(jì)

沙慶林[2]將SAC 礦料級(jí)配設(shè)計(jì)方法推廣應(yīng)用到水泥穩(wěn)定碎石基層中，發(fā)明了粗集料斷級(jí)配密實(shí)水泥穩(wěn)定粒料的級(jí)配方法及其骨架的檢驗(yàn)方法。該設(shè)計(jì)方法仍使用SAC 中的基本計(jì)算方法，通過(guò)計(jì)算粗細(xì)集料的質(zhì)量通過(guò)率，得出粗集料斷級(jí)配密實(shí)水泥穩(wěn)定粒料的集料級(jí)配曲線，避免了以往全憑經(jīng)驗(yàn)確定集料級(jí)配而難以保證公路質(zhì)量的做法。

低劑量水泥改性級(jí)配碎石的級(jí)配設(shè)計(jì)采用SAC設(shè)計(jì)方法的思路和算法，將0.075 mm、0.6 mm、4.75 mm、9.5 mm、31.5 mm 五個(gè)關(guān)鍵篩孔作為SAC 設(shè)計(jì)方法中的控制點(diǎn)。采用SAC 算法公式，由控制點(diǎn)0.6 mm與4.75 mm、4.75 mm 與9.5 mm、9.5 mm 與31.5 mm算得剩余篩孔2.36 mm、9.5 mm、26.5 mm 的值。即可認(rèn)為把混合料原來(lái)八檔中的0.6～2.36 mm 與2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm 與9.5～19 mm、19 ～26.5 mm與26.5～31.5 mm 通過(guò)SAC 算法分別合并成0.6～4.75 mm、4.75 ～19 mm、19 ～31.5 mm 這 三 大 檔 集料，而通過(guò)SAC 算法能夠保證該檔集料擁有相對(duì)較大的密度。最終調(diào)節(jié)0～0.075 mm、0.075～0.6 mm、0.6～4.75 mm、4.75～19 mm、19～31.5 mm 這五大檔集料的比例，通過(guò)性能試驗(yàn)來(lái)確定改性級(jí)配碎石級(jí)配范圍。

將0.6～4.75 mm、4.75～19 mm、19～31.5 mm 分別作為一檔，計(jì)算關(guān)鍵篩孔的取值，求得圖1 改性級(jí)配碎石設(shè)計(jì)級(jí)配曲線。級(jí)配Xpmn 代表下限級(jí)配，級(jí)配Spmn 代表上限級(jí)配，p、m、n 分別為0.6mm、4.75 mm、19 mm 篩孔對(duì)應(yīng)的通過(guò)率編號(hào)，對(duì)應(yīng)的編號(hào)值越大，其通過(guò)率越大。

顯然，從圖1 中可以看出，在級(jí)配圖上SAC 算法是將所求段的起始控制點(diǎn)用直線進(jìn)行連接。這種設(shè)計(jì)方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，不僅在級(jí)配圖中能避免設(shè)計(jì)的級(jí)配出現(xiàn)犬牙交錯(cuò)的現(xiàn)象，而且涉及的控制點(diǎn)多，得到的級(jí)配范圍廣、選擇多，利于對(duì)改性級(jí)配碎石的級(jí)配進(jìn)行深入的研究討論。

圖1 改性級(jí)配碎石設(shè)計(jì)級(jí)配曲線

2 級(jí)配范圍研究

2.1 設(shè)計(jì)下限范圍的確定

對(duì)設(shè)計(jì)的18 個(gè)級(jí)配下限進(jìn)行CBR 試驗(yàn)，整理得到圖2 所示的設(shè)計(jì)級(jí)配下限的CBR 曲線圖。總結(jié)規(guī)律如下：

圖2 設(shè)計(jì)級(jí)配下限的CBR 曲線圖

（1）在其他通過(guò)率不變的條件下，隨著19 mm 篩孔通過(guò)率的減小，各曲線的CBR 值均增加，即19～31.5 mm 的粗集料增加，4.75～19 mm 的中集料減少，能增加CBR 值。同時(shí)對(duì)比虛實(shí)曲線，顯然虛線的變化量更大，0.6 mm 篩孔通過(guò)率越小，0～0.6 mm 的填料越小，改變相同的19 mm 篩孔通過(guò)率的值，其CBR 值的變化量越大。

（2）19 mm 通過(guò)率為79%和68%的情況下，隨著4.75 mm 篩孔通過(guò)率的減小，CBR 值呈減小趨勢(shì)，即4.75～19 mm 的中集料增加，0.6～4.75 mm 的細(xì)集料減小，CBR 值變大。但19 mm 通過(guò)率為60%的情況下，隨著4.75mm 篩孔通過(guò)率的減小，CBR 值先減小后增大。

（3）在其他通過(guò)率不變的條件下，隨著0.6 mm 篩孔通過(guò)率的減小，相對(duì)應(yīng)的CBR 值基本上相應(yīng)地減小。

根據(jù)相關(guān)研究，7 天齡期的低劑量水泥改性級(jí)配碎石CBR 最低要求為160%[3-4]。以級(jí)配范圍廣為原則， 同時(shí)要求級(jí)配范圍內(nèi)混合料的CBR 不小于160%，因此選擇級(jí)配X221 作為低劑量水泥改性級(jí)配碎石的級(jí)配下限。

2.2 設(shè)計(jì)上限范圍的確定

同理，對(duì)設(shè)計(jì)的18 個(gè)級(jí)配上限混合料進(jìn)行CBR試驗(yàn)，整理得到圖3 所示的級(jí)配上限的CBR 曲線圖。總結(jié)規(guī)律如下：

圖3 設(shè)計(jì)級(jí)配上限的CBR 曲線圖

（1）在另外兩個(gè)關(guān)鍵篩孔通過(guò)率不變的條件下，隨著4.75 mm 篩孔通過(guò)率的減小，各曲線的CBR 值均增加，即19～31.5 mm 的粗集料增加，4.75～19 mm的中集料減少，能增加CBR 值。

（2）0.6 mm 篩孔通過(guò)率對(duì)CBR 的影響分析，出現(xiàn)了兩種截然相反的規(guī)律。對(duì)于實(shí)曲線即19 mm 篩孔控制為98%的設(shè)計(jì)級(jí)配，在4.75 mm 篩孔通過(guò)率不變的條件下，隨著0.6 mm 篩孔通過(guò)率的減小，其CBR 值相應(yīng)減小，即0～0.6 mm 的填料減少，0.6～4.75 mm 中集料增加，其CBR 值減小。對(duì)于虛曲線19 mm 篩孔控制為86%的設(shè)計(jì)級(jí)配，在4.75 mm 篩孔通過(guò)率不變的條件下，隨著0.6 mm 篩孔通過(guò)率的減小，其CBR 值也相應(yīng)增加，即0～0.6 mm 的填料減少，0.6～4.75 mm 中集料增加，其CBR 值減小。

對(duì)于上述規(guī)律，可以這樣認(rèn)為：0～0.6 mm 集料同時(shí)包括水泥主要起黏結(jié)作用，0.6 ～4.75 mm 與4.75～19 mm 同時(shí)具有部分黏結(jié)作用和部分骨架嵌擠咬合作用，但骨架咬合作用比黏結(jié)作用更大。相對(duì)地，4.75～19 mm 的咬合能力比0.6～4.75 mm 要強(qiáng)，19～31.5 mm 的集料主要用來(lái)形成骨架。19 ～31.5 mm的集料很少時(shí)，不足以形成一定的骨架，因此增加0～0.6 mm 集料的量來(lái)提高黏結(jié)力，提高4.75～19 mm集料的量來(lái)提高咬合力，這樣整個(gè)級(jí)配的強(qiáng)度提高。當(dāng)19～31.5 mm 集料的量逐漸開(kāi)始形成骨架時(shí)，提高0.6～4.75 mm、4.75～9.5 mm 集料的量來(lái)提高骨架咬合力，這樣整個(gè)級(jí)配的強(qiáng)度也相應(yīng)提高了。在一定條件下，提高骨架咬合力比提高集料的黏結(jié)力更有利。

改性級(jí)配碎石7 天齡期CBR 最低要求標(biāo)準(zhǔn)為160%，設(shè)計(jì)的級(jí)配上限都達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)，但為使范圍內(nèi)的級(jí)配都滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，并且級(jí)配范圍足夠廣、級(jí)配曲線更合理，最終將S222 作為改性級(jí)配碎石的級(jí)配上限。

2.3 改性級(jí)配碎石級(jí)配范圍合理性研究

在正常施工級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)，盡量使設(shè)計(jì)的級(jí)配接近級(jí)配范圍的中值。由于所涉及的改性級(jí)配碎石屬于連續(xù)級(jí)配，并沒(méi)有根據(jù)其結(jié)構(gòu)類(lèi)型進(jìn)行研究，因此選擇規(guī)范[5-6]中非骨架密實(shí)和懸浮密實(shí)的連續(xù)級(jí)配范圍，計(jì)算其級(jí)配中值。

根據(jù)規(guī)范中值繪制級(jí)配曲線圖形與n=0.45 和n=0.5 的級(jí)配進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖4。從中可以看出，目前規(guī)范中級(jí)配曲線的中值基本上接近n=0.5、n=0.45 最大理論密度曲線，尤其是細(xì)集料的通過(guò)率基本上已經(jīng)大小相同。

圖4 級(jí)配曲線對(duì)比圖

由試驗(yàn)得到的改性級(jí)配上下限值確定改性級(jí)配碎石設(shè)計(jì)級(jí)配范圍，將改性級(jí)配碎石設(shè)計(jì)級(jí)配的中值與n=0.45、n=0.5 的級(jí)配最大理論密度曲線進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖5。從中可以明顯看出，改性級(jí)配碎石的級(jí)配中值基本上與n=0.5 mm 的曲線重疊。因此，改性級(jí)配碎石設(shè)計(jì)的級(jí)配范圍是可行的。

圖5 改性級(jí)配碎石級(jí)配范圍及相關(guān)中值

同時(shí)將改性級(jí)配碎石設(shè)計(jì)級(jí)配范圍與規(guī)范級(jí)配范圍進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖6。改性級(jí)配碎石的范圍顯然比級(jí)配碎石和水穩(wěn)碎石的范圍更廣，對(duì)施工集料的選擇更多。

圖6 設(shè)計(jì)改性級(jí)配碎石與規(guī)范級(jí)配范圍

3 改性級(jí)配碎石設(shè)計(jì)方法

3.1 一般規(guī)定

（1）用作上基層或基層的改性級(jí)配碎石的礦料應(yīng)用預(yù)先篩分成3 組或以上不同粒徑的碎石及4.75 mm以下的石屑組配而成。缺乏石屑時(shí)，可以添加細(xì)砂礫或粗砂。

（2）當(dāng)改性級(jí)配碎石用于二級(jí)公路及以下等級(jí)公路的基層時(shí)，其最大粒徑應(yīng)控制在37.5 mm 以?xún)?nèi)；用作上基層的改性級(jí)配碎石，其最大粒徑宜控制在31.5 mm 以?xún)?nèi)。

（3）水泥劑量以水泥質(zhì)量占全部礦料干質(zhì)量的百分率表示，即水泥劑量= 水泥質(zhì)量/ 干質(zhì)量。改性級(jí)配碎石混合料中水泥劑量為2%～2.5%[7-8]。

（4）用作上基層的碎石壓碎值不應(yīng)超過(guò)28%（滿(mǎn)足排水要求），用作基層的碎石壓碎值不應(yīng)超過(guò)30%。

（5）改性級(jí)配碎石上基層/ 基層施工時(shí)，應(yīng)遵守下列規(guī)定：

a. 顆粒組成應(yīng)是一根順滑的曲線，塑性指數(shù)應(yīng)符合規(guī)定。

b. 應(yīng)該采用集中廠拌法拌制混合料，并用攤鋪機(jī)攤鋪混合料。混合料必須拌和均勻，沒(méi)有粗細(xì)顆粒離析現(xiàn)象。

c. 正式施工前，應(yīng)該對(duì)拌和設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，以保證碎石配料和水泥劑量的準(zhǔn)確性。

d. 在最佳含水量時(shí)進(jìn)行碾壓，作為上基層時(shí)應(yīng)該達(dá)到重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)下100%的壓實(shí)度，作為二級(jí)公路的基層時(shí)應(yīng)該達(dá)到重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)下98%的壓實(shí)度。

e. 應(yīng)使用12 t 以上三輪壓路機(jī)碾壓，每層的壓實(shí)厚度不應(yīng)超過(guò)15～18 cm。用重型振動(dòng)壓路機(jī)和輪胎壓路機(jī)碾壓時(shí)，每層的壓實(shí)厚度可達(dá)20 cm。

3.2 材料要求

（1）軋制碎石的材料可以是各種類(lèi)型的巖石（軟質(zhì)巖石除外）、圓石或礦渣。圓石的粒徑應(yīng)是碎石最大粒徑的3 倍以上。

（2）碎石中針片狀顆粒的總含量應(yīng)不超過(guò)20%。碎石中不應(yīng)有黏土塊、植物等物質(zhì)，碎石壓碎值不大于26%。

（3）應(yīng)進(jìn)行顆粒分析、液限和塑性指數(shù)、碎石或礫石的壓碎值、有機(jī)質(zhì)含量（必要時(shí)做）、硫酸鹽含量（必要時(shí)做）、水泥的標(biāo)號(hào)和終凝時(shí)間試驗(yàn)。改性級(jí)配碎石混合料的碎石顆粒組成、塑限指數(shù)、壓碎值均需滿(mǎn)足表1 的要求。

表1 改性級(jí)配碎石顆粒組成范圍及要求

3.3 混合料組成設(shè)計(jì)

改性級(jí)配碎石混合料組成設(shè)計(jì)流程如下：

（1）宜在級(jí)配范圍內(nèi)計(jì)算1～3 組粗細(xì)不同的配比，繪制設(shè)計(jì)級(jí)配曲線，分別位于級(jí)配范圍的上方、中值及下方。采用重型擊實(shí)試驗(yàn)確定設(shè)計(jì)的改性級(jí)配碎石混合料的最大干密度和最佳含水量。

（2）根據(jù)最佳含水量和最大干密度成型CBR 試驗(yàn)試件，壓實(shí)度為98%，所用試件不少于3 個(gè)，在齡期到期前4 d 進(jìn)行泡水，水面應(yīng)高于試件頂面2.5 cm左右。測(cè)得的7 d 齡期的CBR 值不小于160%。

（3）當(dāng)無(wú)論怎樣調(diào)節(jié)配合比都無(wú)法滿(mǎn)足要求時(shí)，應(yīng)重新選擇集料種類(lèi)或水泥種類(lèi)；當(dāng)所選擇的幾種配合比均能滿(mǎn)足要求時(shí)，則可從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)方面確定一種最優(yōu)級(jí)配。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)SAC 的計(jì)算方法得到關(guān)鍵篩孔的通過(guò)率，最終形成36 個(gè)不同級(jí)配。分別測(cè)定這些級(jí)配組成的混合料的7 d CBR 強(qiáng)度，經(jīng)對(duì)比分析得到了改性級(jí)配碎石的級(jí)配范圍。得到的改性級(jí)配碎石級(jí)配中值基本上與n=0.5 mm 的曲線重疊，設(shè)計(jì)的級(jí)配范圍是可行的，且改性級(jí)配碎石的范圍比規(guī)范中級(jí)配碎石和水穩(wěn)碎石的范圍更廣，對(duì)施工集料的選擇更多。另外，還總結(jié)提出了適用于施工的改性級(jí)配碎石配合比設(shè)計(jì)方法。