陳艷瓊

(福建交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,福州350007)

級(jí)配碎石作為柔性基層或組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的重要層位,其質(zhì)量的優(yōu)劣決定著路面結(jié)構(gòu)的成敗,我國(guó)現(xiàn)行施工技術(shù)規(guī)范中沒(méi)有級(jí)配碎石的配合比設(shè)計(jì)控制指標(biāo),在總結(jié)國(guó)內(nèi)外使用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,當(dāng)前我國(guó)通常采用的兩個(gè)控制指標(biāo)為CBR值和固體體積率。

重型擊實(shí)CBR是目前各國(guó)級(jí)配碎石最普遍采用的混合料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn),但使用經(jīng)驗(yàn)表明,CBR＞100%只是一個(gè)一般性指標(biāo),比較容易達(dá)到,對(duì)級(jí)配碎石的設(shè)計(jì)和施工起不到實(shí)質(zhì)的指導(dǎo)作用;而固體體積率則是與級(jí)配碎石強(qiáng)度和抗變形能力均有密切的關(guān)系的重要指標(biāo)。當(dāng)設(shè)計(jì)合理的級(jí)配碎石的壓實(shí)度達(dá)到100%時(shí),級(jí)配碎石固體體積率才可達(dá)到85%(重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn))以上,能夠顯著提高級(jí)配碎石的使用性能。

1 固體體積率指標(biāo)

南非的瀝青路面結(jié)構(gòu)中瀝青層厚度較薄,因此其對(duì)級(jí)配碎石的要求非常高:對(duì)于重交通道路的級(jí)配碎石基層,固體體積率＞86%-88%;而對(duì)于中交通道路級(jí)配碎石,固體體積率＞85%;新西蘭研究認(rèn)為,若固體體積率＜85%,級(jí)配碎石基層存在容易產(chǎn)生變形等損壞的不足。

為研究級(jí)配碎石固體體積率對(duì)使用性能的影響,本文采用不同料場(chǎng)的材料按設(shè)計(jì)配合比、最佳含水量、最大干密度采用輪碾機(jī)成型級(jí)配碎石試件,每組兩塊,然后放到車轍試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行車轍試驗(yàn)(常溫)。試驗(yàn)中,三種級(jí)配碎石試件的固體體積率代表值分別為1號(hào)80.6%、2號(hào)84.1%、3號(hào)86.9%,試驗(yàn)記錄試件變形量隨時(shí)間的變化結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出,固體體積率指標(biāo)對(duì)級(jí)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(hào)級(jí)配的固體體積率為80.6%,隨著碾壓次數(shù)的增加,其本身的變形量呈同比增加趨勢(shì),并很快就破壞;2號(hào)級(jí)配固體體積率達(dá)到84.1%,碾壓初期其變形較快,但隨著時(shí)間的增加,其變形速率逐漸降低并趨于一個(gè)恒定較低的水平;3號(hào)級(jí)配固體體積率為86.9%,試件在試驗(yàn)初期有相對(duì)稍快的變形,隨著時(shí)間的增加,試件的變形速率很快就趨于穩(wěn)定,并在試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到10min之后,其變形量幾乎不再明顯增加。

分析認(rèn)為,當(dāng)級(jí)配碎石的固體體積率較低時(shí)(＜85%),其內(nèi)部是一個(gè)不穩(wěn)定的系統(tǒng),在外部荷載的作用下,材料很快變形并受到塑性破壞;而當(dāng)體積率達(dá)到85%以上時(shí),級(jí)配碎石內(nèi)部形成嵌擠的良好力學(xué)結(jié)構(gòu),受到外部荷載時(shí),材料顆粒之間不會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生塑性流變,表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度與抗變形性能。所以,級(jí)配碎固體體積率指標(biāo)取為85%是較為合理可行的。

2 固體體積率指標(biāo)的影響因素

固體體積率作為反映級(jí)配碎石性能的綜合指標(biāo),受到級(jí)配設(shè)計(jì)、原材料性能、施工質(zhì)量等多種因素的影響,本文從級(jí)配設(shè)計(jì)、粗集料性能和細(xì)集料性能三個(gè)大方面對(duì)其進(jìn)行了研究。

2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)的影響

級(jí)配類型:不同的級(jí)配設(shè)計(jì)通過(guò)調(diào)整礦料的比例關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)提高材料密實(shí)度的目標(biāo),級(jí)配碎石的級(jí)配設(shè)計(jì)對(duì)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(jīng)。本文針對(duì)某高速公路級(jí)配碎石原材料來(lái)源的23個(gè)料場(chǎng),以固體體積率為設(shè)計(jì)控制指標(biāo),分別對(duì)其進(jìn)行了粗中細(xì)三種不同級(jí)配類型的設(shè)計(jì)與調(diào)整,數(shù)據(jù)如圖2所示。

由圖2試驗(yàn)結(jié)果可以看出,不同來(lái)源的原材料由于其本身性能限制,其固體體積率指標(biāo)的調(diào)整范圍是受到限制的,有的級(jí)配碎石通過(guò)調(diào)整級(jí)配,可以實(shí)現(xiàn)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(hào)料場(chǎng),而有些料場(chǎng)的原材料即使調(diào)整級(jí)配也很難達(dá)到要求,如3號(hào)20號(hào)料場(chǎng)。

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出,一方面,從粗中細(xì)不同類型對(duì)比來(lái)看,固體體積率與級(jí)配類型并沒(méi)有固定的相關(guān)關(guān)系,有的材料細(xì)級(jí)配有利于固體體積率指標(biāo)的提高,而有的材料則粗級(jí)配的固體體積率指標(biāo)更高,也有部分料場(chǎng)的固體體積率最大值為中級(jí)配;另一方面,不同的級(jí)配對(duì)固體體積率指標(biāo)的影響程度并不相同,根據(jù)本文23組數(shù)據(jù)顯示,通過(guò)調(diào)整級(jí)配可以實(shí)現(xiàn)的固體體積率變動(dòng)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(jí)配碎石無(wú)法通過(guò)調(diào)整級(jí)配來(lái)滿足固體體積率指標(biāo)要求。

混合料0.075mm通過(guò)率:我國(guó)歷來(lái)習(xí)慣采用水洗法中小于0.075mm顆粒部分的含量作為細(xì)集料的含泥量,但細(xì)集料質(zhì)量控制的目的是控制其中的泥土部分,而不是細(xì)砂或石粉,因此0.075mm通過(guò)率指標(biāo)適用于天然砂的質(zhì)量控制,而不太適用于機(jī)制砂和石屑。對(duì)于非天然砂細(xì)集料0.075mm通過(guò)率指標(biāo)主要是為了控制合成級(jí)配中的0.075mm篩孔通過(guò)率。圖3中 1、2、3分別代表粗中細(xì)三種級(jí)配類型(下同),合成級(jí)配0.075mm通過(guò)率與固體體積率指標(biāo)的關(guān)系如圖3所示。

由圖3可以看出,混合料中0.075mm通過(guò)率對(duì)固體體積率有一定的影響,隨著混合料0.075mm通過(guò)率的增加,混合料的干密度整體在增加,相應(yīng)的固體體積率也有所增加,但增加0.075mm含量對(duì)于提高固體體積率指標(biāo)是有限的。根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn),級(jí)配碎石最大干密度的峰值對(duì)應(yīng)的0.075mm通過(guò)率一般為6～8%,若通過(guò)此途徑來(lái)提高固體體積率,使得混合料0.075mm通過(guò)率超過(guò)適宜的限值,則會(huì)在一定程度上犧牲級(jí)配碎石層的滲水性能,所以不宜為提高固體體積率而強(qiáng)制調(diào)整該指標(biāo)超出其合理范圍。

2.2 粗集料性能的影響

材料強(qiáng)度:級(jí)配碎石強(qiáng)度主要來(lái)源于碎石本身強(qiáng)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(qiáng)度指標(biāo)對(duì)級(jí)配碎石混合料的強(qiáng)度具有重要影響。我國(guó)現(xiàn)行基層施工規(guī)范中只要求壓碎值作為級(jí)配碎石粗集料的強(qiáng)度技術(shù)指標(biāo),規(guī)定對(duì)于高速公路和一級(jí)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(guān)系。

由圖4數(shù)據(jù)可以得出,除個(gè)別點(diǎn)之外,隨著粗集料壓碎值的增加,級(jí)配碎石的固體體積率整體呈降低的趨勢(shì)。分析認(rèn)為,隨粗集料強(qiáng)度的降低,在級(jí)配碎石拌合、攤鋪及壓實(shí)過(guò)程中,更多的粗集料會(huì)在外力作用下破碎,原來(lái)設(shè)計(jì)的級(jí)配會(huì)細(xì)化變異,根據(jù)級(jí)配設(shè)計(jì)理論,細(xì)集料含量的過(guò)度增加會(huì)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(biāo)降低的趨勢(shì)處于一定的范圍之內(nèi),隨原設(shè)計(jì)級(jí)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(zhì)量的重要指標(biāo)之一,除了破碎工藝的差異之外,針片狀指標(biāo)主要受石料本身性能的影響。圖5所示為級(jí)配碎石中粗集料針片狀含量與固體體積率關(guān)系。

由圖5可以看出,當(dāng)粗集料針片狀在6%～14%之間變化時(shí),級(jí)配碎石的固體體積率指標(biāo)基本沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)。分析認(rèn)為,針片狀的存在雖然在一定程度上會(huì)造成材料空隙率的增加,降低固體體積率指標(biāo),但針片狀顆粒在施工過(guò)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(duì)空隙率提高的影響,所以粗集料針片狀在一定范圍內(nèi)變化時(shí),總體上不會(huì)對(duì)級(jí)配碎石的固體體積率指標(biāo)產(chǎn)生影響。

2.3 細(xì)集料性能的影響

細(xì)料質(zhì)量控制是指控制細(xì)料中有害物質(zhì)的含量,如有機(jī)物、粘土等。目前規(guī)范體系用于細(xì)集料有害物質(zhì)控制的指標(biāo)有含泥量、液限、塑性指數(shù)、砂當(dāng)量以及亞甲藍(lán)值。

液限與塑性指數(shù):細(xì)集料的液限和塑性指數(shù)越大,表明細(xì)集料質(zhì)量越差。圖6和圖7分別表示細(xì)集料液限和塑性指數(shù)對(duì)級(jí)配碎石固體體積率指標(biāo)的影響。

由圖6和圖7可以看出,細(xì)集料的液限和塑性指數(shù)對(duì)固體體積率指標(biāo)沒(méi)有明顯的影響規(guī)律。級(jí)配碎石層在路面結(jié)構(gòu)中的重要作用之一就是排水,材料本身的空隙率高達(dá)15%～20%,級(jí)配碎石中細(xì)集料的作用在于提供填充和力學(xué)傳遞作用,在高空隙率情況下,其本身的液限與塑性指數(shù)指標(biāo)對(duì)固體體積率指標(biāo)并不產(chǎn)生直接的影響,該指標(biāo)的差異主要對(duì)材料的力學(xué)性能會(huì)有一定的影響。

砂當(dāng)量的影響:由于液限和塑性指數(shù)的試驗(yàn)誤差較大,目前較傾向采用砂當(dāng)量或亞甲藍(lán)指標(biāo)代替液限和塑性指數(shù)指標(biāo)來(lái)控制細(xì)集料的質(zhì)量,如瀝青混合料只采用砂當(dāng)量或亞甲藍(lán)值,而沒(méi)有液限和塑性指數(shù)。圖8為砂當(dāng)量與固體體積率的變化曲線。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,砂當(dāng)量對(duì)級(jí)配碎石的固體體積率指標(biāo)有一定的影響。細(xì)集料砂當(dāng)量增加,表明細(xì)集料中密度較低的塑性物質(zhì)含量降低,其相應(yīng)的固體體積率會(huì)增加,混合料的抗變形能力也會(huì)得到提高。在實(shí)際級(jí)配碎石配合比設(shè)計(jì)時(shí),有時(shí)由于細(xì)集料較臟,砂當(dāng)量較低,其固體體積率往往偏低,在更換干凈的石屑或細(xì)集料后,固體體積率指標(biāo)一般會(huì)有較大的提高。但是,這并非表明,砂當(dāng)量達(dá)到要求,固體體積率指標(biāo)就沒(méi)有問(wèn)題。

3 結(jié)論

1)級(jí)配碎石材料的固體體積率對(duì)其強(qiáng)度和抗變形能力有著顯著的影響,其指標(biāo)控制值宜取為85%。

2)級(jí)配碎石通過(guò)調(diào)整級(jí)配設(shè)計(jì)可以在一定程度上提高其固體體積率指標(biāo),但其可調(diào)整的范圍有一定的限制,最大約為2%。

3)粗集料對(duì)固體體積率的影響主要體現(xiàn)在級(jí)配變異對(duì)混合料空隙率指標(biāo)的影響,粗集料強(qiáng)度的提高和針片狀含量的減少有利于固體體積率指標(biāo)的穩(wěn)定。

4)細(xì)集料總體上對(duì)級(jí)配碎石固體體積率指標(biāo)的影響不大,細(xì)集料質(zhì)量較差會(huì)對(duì)材料力學(xué)性能產(chǎn)生不利的影響。

[1] 曹建新.級(jí)配碎石混合料組成設(shè)計(jì)的試驗(yàn)研究[J] .公路,2004(2):107-111.

[2] 李長(zhǎng)江,欒海,張宏偉.級(jí)配碎石柔性基層設(shè)計(jì)參數(shù)的研究[J] .公路,2004(7):153-159.

[3] 王 龍,馮德成.提高級(jí)配碎石基層使用性能的方法[J] .中國(guó)公路學(xué)報(bào),2006,19(4):40-45.

[4] 范興華.級(jí)配碎石的級(jí)配研究[J] .北方交通,2007(8):16-19.