郭根才

(泉州市公路局，泉州 362000)

0 引言

福建省自2006 年以來先后修建的泉三、莆永、雙安和廈沙等多條高速公路均采用基層為級(jí)配碎石的倒裝瀝青路面結(jié)構(gòu)。 國省道水泥路面“白改黑”工程路面結(jié)構(gòu)也是用級(jí)配碎石作為調(diào)平層。在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)級(jí)配碎石的強(qiáng)度、質(zhì)量及抗變形能力受到施工原材料、施工設(shè)備、施工組織及技術(shù)人員等多方面的綜合影響， 并且普通公路的建設(shè)和養(yǎng)護(hù)能力與高速公路仍有差距， 在施工過程中容易產(chǎn)生離析，因壓實(shí)性差，集料易被破碎等原因而改變?cè)O(shè)計(jì)級(jí)配，從而大大降低路用性能。 為研究這一問題，引入微粘結(jié)級(jí)配碎石的概念， 通過體積法、i 法對(duì)級(jí)配碎石粗集料、細(xì)集料進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)，提出一種能減小級(jí)配碎石塑性變形， 提高施工和易性的低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石配合比設(shè)計(jì)方案，綜合半剛性基層、級(jí)配碎石與瀝青穩(wěn)定碎石三種道路基層材料的優(yōu)點(diǎn)， 在保證級(jí)配碎石作為柔性基層所需較弱的板體性，優(yōu)良的排水性能的基礎(chǔ)上，在級(jí)配碎石中摻加低劑量的水泥，通過穩(wěn)定材料，減小其塑性變形，同時(shí)增加級(jí)配碎石的施工和易性。

1 配合比設(shè)計(jì)要求

綜合國內(nèi)外有關(guān)低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的研究成果表明，配合比設(shè)計(jì)應(yīng)該符合以下幾點(diǎn)：

(1)級(jí)配密實(shí)，從而獲得較高密度，為低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石能夠具有較高的承載特性提供基礎(chǔ)；

(2)為提高低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的透水性，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)要考慮一定的空隙率；

(3)嚴(yán)格控制粒徑在0.075mm 以下的集料在級(jí)配碎石中所占質(zhì)量比，以提高其穩(wěn)定性能；

(4)合理級(jí)配，以保證施工和易性。

2 以填充嵌擠為基礎(chǔ)的級(jí)配設(shè)計(jì)方法

本文在國內(nèi)外已有的研究基礎(chǔ)上， 基于填充嵌擠方法對(duì)低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)[1-3]，具體設(shè)計(jì)分為以下三個(gè)階段：

第一階段，通過體積法對(duì)粗集料進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)[4]，基于逐級(jí)干搗試驗(yàn)研究粗集料形成的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)；

第二階段，通過最大密度曲線理論(p2=kd)的細(xì)集料級(jí)配設(shè)計(jì)， 另外運(yùn)用同濟(jì)大學(xué)提出的i 法設(shè)計(jì)方法使細(xì)集料獲得較強(qiáng)的粘聚力[5]；

第三階段，粗細(xì)集料的配合比設(shè)計(jì)，通過擬定級(jí)配、強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行級(jí)配選擇， 使細(xì)集料充分填充于粗集料形成的空隙里，最終形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。 設(shè)計(jì)過程見圖1。

3 粗集料級(jí)配設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)方法

本文基于體積法[4]，對(duì)粗集料進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)通過逐級(jí)干搗試驗(yàn)方法進(jìn)行，設(shè)計(jì)流程如圖2 所示。具體步驟如下：

圖1 低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石級(jí)配設(shè)計(jì)流程

圖2 級(jí)配碎石集料級(jí)配設(shè)計(jì)流程圖

(1) 確定粗集料的最大公稱粒徑并通過計(jì)算得到粗、細(xì)集料分界點(diǎn)；

(2)將粗集料通過標(biāo)準(zhǔn)篩孔，篩分為若干檔，分別記為1，2，3...N，以粒徑最大一檔料記為第一檔，最小粗集料粒徑檔料記為第N 檔；

(3)通過試驗(yàn)測定粗集料中篩分后的各檔集料的毛體積密度ρb；

(4)第一檔料和第二檔料按不同比例進(jìn)行一級(jí)填充試驗(yàn)，第一檔料質(zhì)量記為m1，第二檔料質(zhì)量記為m2；

(5) 將按比例稱取得兩檔料在實(shí)驗(yàn)盤中混合均勻，分三層裝入已經(jīng)標(biāo)定過的干搗筒內(nèi)(本文選用容積為10L的干搗筒)，每層均以同等力度均勻振搗30 次，并避免集料在振搗過程中發(fā)生飛濺。確保最上層集料表面平整，量取集料表面位置距離干搗筒邊緣位置的高度值， 計(jì)算得到搗實(shí)后集料所占的總體積V， 計(jì)算一級(jí)填充試驗(yàn)后混合料的搗實(shí)密度ρ 與空隙率w：

式中：ρ1——第一檔料的毛體積密度，g/cm3；

ρ2——第二檔料的毛體積密度，g/cm3。

(6)建立通過試驗(yàn)所選兩檔集料不同比例與搗實(shí)密度ρ 與空隙率w 之間的關(guān)系， 確定這兩檔料形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)的最優(yōu)質(zhì)量比；

(7)以上一步確定的最優(yōu)比例，將兩檔料按比例均勻混合作為一級(jí)填充料， 用相同方法研究一級(jí)填充料與第三檔料的比例關(guān)系，并將其均勻混合作為二級(jí)填充料，以此類推， 直到確定N-1 級(jí)填充料與第N 檔料的比例關(guān)系。 最終確定各檔料形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)的最優(yōu)質(zhì)量比。

3.2 設(shè)計(jì)流程

本文試驗(yàn)選用粗集料粒徑極大值為31.5mm，并先假定4.75mm 粒徑為粗細(xì)集料的分界點(diǎn)， 粗集料選用19～31.5mm、9.5～19mm、4.75～9.5mm 三種規(guī)格的碎石。通過兩級(jí)填充進(jìn)行粗集料級(jí)配設(shè)計(jì)， 第一步進(jìn)行19～31.5mm、9.5～19mm 兩檔規(guī)格碎石的一級(jí)填充試驗(yàn)；第二步，由第一步確定的比例組成一級(jí)填充料與4.75～9.5mm 規(guī)格碎石進(jìn)行二級(jí)填充試驗(yàn)， 最終得到各檔料形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)的最優(yōu)質(zhì)量比。

(1)各檔粗集料性能研究

粗細(xì)集料的主要技術(shù)要求按照級(jí)配碎石集料的要求[11]，試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示，結(jié)果表明粗細(xì)集料性能均滿足《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 034-2004)中規(guī)定滿足的要求。

表1 粗集料性能指標(biāo)

(2)一級(jí)填充試驗(yàn)

按照上述方法， 將19～31.5mm 與9.5～19mm 兩檔規(guī)格碎石通過不同比例均勻拌和后進(jìn)行填充， 將質(zhì)量比由10∶0 變化至0∶10，具體結(jié)果圖3。 由圖3 可以看出：

①初始階段，19～31.5mm 粒徑集料形成嵌擠，9.5～19mm 粒徑集料主要起到填充作用，隨著9.5～19mm 集料質(zhì)量比的逐漸增加，兩檔集料之間越密實(shí)，相應(yīng)的搗實(shí)密度不斷增長、空隙率w 減小，當(dāng)兩粒徑集料質(zhì)量比為7∶3時(shí)， 空隙率w 出現(xiàn)第一個(gè)極小值， 同時(shí)19～31.5mm 和9.5～19mm 兩檔集料形成了較好的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)。

②隨著9.5～19mm 規(guī)格碎石集料質(zhì)量比的增加，對(duì)先生成的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響， 并且在兩檔碎石集料質(zhì)量比為6∶4 時(shí)，相互之間的干涉影響最大，導(dǎo)致該情況下?lián)v實(shí)密度出現(xiàn)極小值。由于該質(zhì)量比下空隙率偏大，集料之間接觸不緊密，骨架較不穩(wěn)定。

③當(dāng)9.5～19mm 粒徑集料質(zhì)量比繼續(xù)增加， 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生質(zhì)的變化——此時(shí)結(jié)構(gòu)已由9.5～19mm 集料形成主骨架，因此搗實(shí)密度再次增大、空隙率w 再次減小。 當(dāng)兩者質(zhì)量比達(dá)到4∶6 時(shí)， 空隙率w 出現(xiàn)第二個(gè)極小值， 此時(shí)19～31.5mm 與9.5～19mm 兩檔集料再次形成了良好的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)。

④隨著9.5～19mm 集料質(zhì)量比的繼續(xù)增加， 對(duì)由9.5～19mm 集料形成的主骨架產(chǎn)生影響，空隙率w 由減小轉(zhuǎn)為增大、呈上升趨勢。

綜上所述， 當(dāng)19～31.5mm 與9.5～19mm 兩檔粒徑集料質(zhì)量比為7∶3 和4∶6 時(shí)，都可以形成效果卓越的骨架密實(shí)嵌擠結(jié)構(gòu)。 但是考慮當(dāng)兩者質(zhì)量比為7∶3 時(shí)，由于19～31.5mm 碎石集料的比例偏高，施工時(shí)容易出現(xiàn)離析等問題，對(duì)施工質(zhì)量產(chǎn)生影響。 因此，選取19～31.5mm 與9.5～19mm 質(zhì)量比為4∶6 作為兩檔集料的最優(yōu)質(zhì)量比。

(3)二級(jí)填充試驗(yàn)

圖3 粗集料一級(jí)填充試驗(yàn)結(jié)果圖

根據(jù)一級(jí)填充試驗(yàn)得到的19～31.5mm 與9.5～19mm兩檔規(guī)格碎石集料最佳質(zhì)量比， 將兩檔集料按4∶6 混合均勻作為一級(jí)填充料9.5～31.5mm，與4.75～9.5mm 按不同比例拌和均勻然后進(jìn)行填充。考慮到最終骨架的穩(wěn)定性，4.75～9.5mm 集料不宜作為主骨架，主要在粗集料中起填充的作用。 因此， 在進(jìn)行二級(jí)填充試驗(yàn)時(shí)， 一級(jí)填充料9.5～31.5mm 與4.75～9.5mm 集料的質(zhì)量比應(yīng)小于1，并且在第一次出現(xiàn)空隙率w 的極小值時(shí)的質(zhì)量比為試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)質(zhì)量比。為提高試驗(yàn)精度，兩者質(zhì)量比梯度以質(zhì)量的5%為步長進(jìn)行，從90∶10 變化至70∶30，具體試驗(yàn)結(jié)果見圖4。 由圖4 可以看出：

圖4 粗集料二級(jí)填充試驗(yàn)結(jié)果圖

①在一級(jí)填充試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上， 一級(jí)填充料9.5～31.5mm 與4.75～9.5mm 粒徑集料的質(zhì)量比從90∶10 變化到75∶25 時(shí)，空隙率w 不斷減小，說明4.75～9.5mm 集料不斷地填充一級(jí)填充料形成的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)空隙。

②當(dāng)9.5～31.5mm 集料組成的一級(jí)填充料與4.75～9.5mm 集料的質(zhì)量比達(dá)到75∶25，此時(shí)空隙率w 達(dá)到極小值，說明4.75～9.5mm 集料對(duì)一級(jí)填充料沒有產(chǎn)生干涉影響，并且在此質(zhì)量比下對(duì)骨架嵌擠結(jié)構(gòu)填充最密實(shí)。

③隨著4.75～9.5mm 粒徑集料的不斷增多，搗實(shí)密度逐漸下降、空隙率w 逐漸增大，說明隨著4.75～9.5mm 集料的逐漸增多，對(duì)主骨架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了干涉現(xiàn)象。

綜上所述， 選擇一級(jí)填充料9.5～31.5mm 與4.75～9.5mm 粒徑集料質(zhì)量比為75∶25 作為最佳質(zhì)量比。

通過一級(jí)與二級(jí)填充試驗(yàn)結(jié)果可知， 19～31.5mm、9.5～19mm、4.75～9.5mm 三檔粗集料的最佳質(zhì)量比為30∶45∶25， 在此質(zhì)量比下形成的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)填充最密實(shí)，空隙率最低。

4 細(xì)集料級(jí)配設(shè)計(jì)

本文選用0～4.75mm 的石屑作為試驗(yàn)細(xì)集料。 細(xì)集料的主要技術(shù)要求按照級(jí)配碎石集料的要求[11]，試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示，結(jié)果表明試驗(yàn)所用粗細(xì)集性能均滿足《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 034-2004) 中規(guī)定的要求。

表2 細(xì)集料性能指標(biāo)

細(xì)集料對(duì)混合料整體受力性能的影響較小， 主要作用是填充粗集料形成、無法填充的空隙，因此可以通過最大密度曲線理論來進(jìn)行細(xì)集料級(jí)配設(shè)計(jì)[2，5，6]。 本文采用同濟(jì)大學(xué)提出的i 法設(shè)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算，參考文獻(xiàn)[2，5，6]中的試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)i 值取0.65 時(shí)，得到水泥砂漿的7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及CBR 值的最大值，并且得到平均干縮系數(shù)及平均溫縮系數(shù)的最小值。 綜合考慮本文采用i=0.65 時(shí)計(jì)算得到的細(xì)集料設(shè)計(jì)級(jí)配，具體結(jié)果見圖5。

圖5 細(xì)集料級(jí)配

5 粗細(xì)集料配比的確定

在進(jìn)行微粘結(jié)級(jí)配碎石配合比設(shè)計(jì)中， 為形成穩(wěn)定的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)不僅要設(shè)計(jì)粗集料級(jí)配， 還要通過被低劑量水泥漿包裹的細(xì)集料來填充骨架嵌擠結(jié)構(gòu)中粗集料形成的的空隙，從而起到穩(wěn)定骨架以形成整體，因此需要準(zhǔn)確合適的粗細(xì)集料配比方案。

在本節(jié)中， 使用前兩節(jié)中確定的粗細(xì)骨料級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果，并摻加2%低劑量水泥進(jìn)行試驗(yàn)。 粗粒和細(xì)粒料的質(zhì)量比從55∶45 變化至75∶25，以5%為步長。 通過振動(dòng)測試的方法來確定集料的最佳含水率。 在試驗(yàn)確定的最佳含水率條件下， 按照98%以上的壓實(shí)程度形成微粘結(jié)級(jí)配碎石試件， 隨后對(duì)不同粗細(xì)骨料質(zhì)量比的低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石分別進(jìn)行7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測試結(jié)果如圖6 所示。 由圖6 試驗(yàn)結(jié)果可得：

(1)當(dāng)細(xì)集料摻量較大時(shí)，骨架結(jié)構(gòu)被破壞，此時(shí)混合料的強(qiáng)度主要是由石屑和水泥的粘聚力提供， 而且由于需水量較多，所以更容易在早期發(fā)生收縮開裂；

(2)隨著粗集料的摻量逐漸增加，逐漸形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)， 內(nèi)摩阻力逐漸增大， 當(dāng)粗細(xì)集料質(zhì)量比為65∶35時(shí)， 內(nèi)摩阻力達(dá)到最大值，2%低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值最大，為3.18MPa；

(3)當(dāng)粗集料得摻量再繼續(xù)增加時(shí)，內(nèi)部空隙不能完全被低劑量水泥漿包裹的細(xì)集料填充， 形成骨架空隙結(jié)構(gòu)，空隙率w 不斷增大，強(qiáng)度逐漸降低，由于室內(nèi)拌和較為困難，現(xiàn)場施工時(shí)易發(fā)生離析現(xiàn)象。

因此，為避免形成骨架空隙結(jié)構(gòu)，便于施工，將低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石中粗細(xì)集料的配比定為65∶35。

圖6 不同質(zhì)量比下的7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

綜上試驗(yàn)結(jié)果可得低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石設(shè)計(jì)級(jí)配組成如表3 所示：

表3 低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石設(shè)計(jì)級(jí)配組成

6 研究方案確定

為研究上述配合比設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)， 本節(jié)同時(shí)對(duì)比三種級(jí)配不同的低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料對(duì)基層各性能指標(biāo)的影響。

第一種級(jí)配為上述試驗(yàn)得到的基于填充嵌擠設(shè)計(jì)的級(jí)配，簡稱為設(shè)計(jì)級(jí)配；

第二種級(jí)配是在傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法的基礎(chǔ)上由泰波公式(n=0.65[7，8])計(jì)算得出的級(jí)配，簡稱為連續(xù)級(jí)配；

第三種級(jí)配是選取工程實(shí)踐中經(jīng)常出現(xiàn)的懸浮結(jié)構(gòu)[9，10]，簡稱懸浮級(jí)配，具體級(jí)配組成詳見表4 和圖7。

由表4 和圖7 可以看出：

(1)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2006)規(guī)定的骨架密實(shí)型級(jí)配， 組成中缺少1 個(gè)或幾個(gè)檔次而形成的典型的間斷級(jí)配礦料，基本不含4.75～9.5mm 檔集料。

(2)連續(xù)級(jí)配曲線除去9.5mm 篩孔通過率，其余篩孔通過率均在規(guī)范上下限之間，并且粗料較多細(xì)料較少，粗集料基本位于規(guī)范骨架密實(shí)級(jí)配的中間， 而細(xì)集料則靠近規(guī)范下限，屬于細(xì)料較少的現(xiàn)象。

表4 各試驗(yàn)方案級(jí)配組成

圖7 各試驗(yàn)方案級(jí)配曲線圖

(3) 懸浮級(jí)配曲線基本不在規(guī)范的上下限范圍內(nèi)，位于規(guī)范的上限，屬于粗料少、細(xì)料多的典型現(xiàn)象。

(4)設(shè)計(jì)級(jí)配曲線是典型的S 型曲線，在粗集料中，除了9.5mm 篩孔的通過率以外， 其余篩孔通過率都界于規(guī)范上限和下限之間的范圍內(nèi)， 而細(xì)集料含量基本上界于規(guī)范骨架密實(shí)級(jí)配的中間范圍。

綜合以上所述，除去9.5mm 篩孔通過率，連續(xù)級(jí)配與設(shè)計(jì)級(jí)配的其余篩孔通過率全部在規(guī)范骨架密實(shí)級(jí)配的上限和下限之間的范圍內(nèi)。 而懸浮級(jí)配各級(jí)篩孔通過率基本上不在規(guī)范骨架密實(shí)級(jí)配的上限和下限之間的范圍內(nèi)。

7 結(jié)論

《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》 規(guī)定級(jí)配碎石對(duì)應(yīng)的骨架密實(shí)型級(jí)配為典型的間斷級(jí)配， 基本不含4.75～9.5mm 檔集料，而通常采用的懸浮級(jí)配各級(jí)篩孔通過率均不在規(guī)范骨架密實(shí)級(jí)配上下限之間。 本文通過一級(jí)填充試驗(yàn)和二級(jí)填充試驗(yàn)，確定了低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石配合比設(shè)計(jì)方法，除9.5mm 篩孔通過率外，其余篩孔通過率都界于規(guī)范骨架密實(shí)級(jí)配上下限之間。 采用此級(jí)配設(shè)計(jì)，低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石中粗細(xì)集料的配比確定為65∶35，此時(shí)，2%低劑量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值可達(dá)最大，為3.18MPa。