譚波, 郭志國(guó),倪秋奕

(桂林理工大學(xué), 廣西 桂林 541004)

中國(guó)規(guī)范指出級(jí)配碎石的最大公稱粒徑宜為37.5 mm，該文大粒徑級(jí)配碎石指以花崗巖為原材料，最大公稱粒徑為53 mm的級(jí)配碎石混合料。級(jí)配碎石作為柔性散體材料，具備較高的承載力、非線性特性、良好的排水性能和吸收應(yīng)力的能力，可以用來(lái)改善路面性能。改革開(kāi)放以來(lái)，中國(guó)便展開(kāi)了對(duì)級(jí)配碎石的研究與應(yīng)用，并取得了相應(yīng)的研究成果。以長(zhǎng)安大學(xué)等眾多學(xué)者為代表，在級(jí)配碎石的成型方法、級(jí)配設(shè)計(jì)及力學(xué)性能方面做出了系統(tǒng)的研究；同時(shí)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)自主研發(fā)了上置式振動(dòng)儀，用于級(jí)配碎石的成型研究。但由于中國(guó)現(xiàn)行規(guī)范并沒(méi)有明確大粒徑級(jí)配碎石的級(jí)配范圍，眾多實(shí)際工程中采用的都是經(jīng)驗(yàn)級(jí)配，一些路面的力學(xué)性能不穩(wěn)定。例如，在廣西路網(wǎng)重修工程中發(fā)現(xiàn)，部分地方干線公路采用的花崗巖大粒徑級(jí)配碎石的級(jí)配組成中細(xì)集料含量較高，導(dǎo)致路面承載力低、透水性差、變形嚴(yán)重。

因此，該文通過(guò)泰波法與i法相結(jié)合設(shè)計(jì)花崗巖大粒徑級(jí)配碎石的級(jí)配組成，由室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)和回彈模量試驗(yàn)，探索花崗巖大粒徑級(jí)配碎石的力學(xué)性能。

1 原材料測(cè)試

所選集料為廣西產(chǎn)花崗巖大粒徑集料，花崗巖原材料性質(zhì)如表1所示。

表1 花崗巖集料技術(shù)指標(biāo)

由表1可知:花崗石各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求(無(wú)特殊說(shuō)明，下文所選用材料均為上述材料)。

2 基于泰波法與i法的級(jí)配設(shè)計(jì)

泰波法是最大密度曲線理論的一種計(jì)算方法，富勒提出的最大密度曲線理論認(rèn)為：不同粒徑的固體顆粒通過(guò)粗細(xì)搭配，合理的組合排列，可以獲得最佳的受力骨架和最大的混合料密度。林繡賢研究認(rèn)為，通過(guò)i法計(jì)算級(jí)配碎石細(xì)集料組成，混合料具有較強(qiáng)黏聚力，有利于混合料達(dá)到最佳嵌擠效果。基于大粒徑級(jí)配碎石骨架-密實(shí)型的結(jié)構(gòu)組成，提出泰波法與i法相結(jié)合的級(jí)配設(shè)計(jì)方法。

以4.75 mm為界限粒徑將花崗巖大粒徑級(jí)配碎石集料劃分為粗集料、細(xì)集料，分別采用泰波法、i法計(jì)算粗、細(xì)集料的篩孔通過(guò)率。

2.1 泰波法

泰波法計(jì)算公式：

(1)

式中：d為所需計(jì)算的某級(jí)集料粒徑(mm)；px為所需計(jì)算的某級(jí)集料的通過(guò)率(%)；D為混合料的最大粒徑(mm)；n為遞減系數(shù)(中國(guó)研究認(rèn)為n=0.3～0.6所得密度最大)。

由泰波計(jì)算公式可以確定花崗巖大粒徑級(jí)配碎石粗集料的篩孔通過(guò)率如表2所示。

表2 泰波法計(jì)算粗集料通過(guò)率

2.2 i法

i法計(jì)算公式：

pk=100×(i)x

(2)

x=3.32×(D/d)

式中：i為通過(guò)率的遞減系數(shù)(通常i=0.65～0.85);x為粒料顆粒所在檔，其他系數(shù)與泰波計(jì)算方法相同。

由i計(jì)算公式可以確定花崗巖大粒徑級(jí)配碎石細(xì)集料的篩孔通過(guò)率如表3所示。

表3 i法計(jì)算細(xì)集料通過(guò)率

2.3 基于泰波法和i法的設(shè)計(jì)方法獲取初擬級(jí)配

通過(guò)表2、3可以獲取多組不同級(jí)配組成，如A-a、A-b、A-c、B-a、B-b、B-c等如表4所示。

除以上級(jí)配組成外，還存在例如級(jí)配F-d、G-e等不滿足篩孔通過(guò)率原則的級(jí)配組成，除不滿足要求的級(jí)配外，共可獲取24組級(jí)配組成，由于級(jí)配組成數(shù)目較多，不一一列舉。

基于以上24組級(jí)配組成進(jìn)行最大干密度、最佳含水率試驗(yàn)，結(jié)果不一一列舉，僅列出其中6組試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表4 不同級(jí)配組成

表5 最佳含水率、最大干密度

由試驗(yàn)結(jié)果可知：在A-a、A-b、A-c、A-d、A-e 5組級(jí)配中，級(jí)配A-b在含水率4.8%時(shí)對(duì)應(yīng)的干密度2.318 g/cm3，在5組級(jí)配對(duì)應(yīng)的最大干密度最大，取級(jí)配A-b為初擬級(jí)配。同理可得B、C、D、E、F、G 6組級(jí)配類型對(duì)應(yīng)的初擬級(jí)配，整理如表6所示。

3 力學(xué)性能研究

3.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

以初擬級(jí)配為研究對(duì)象，含水率取相應(yīng)的最佳含水率，混合料添加4%水泥，按照J(rèn)TJ 057-94《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。研究花崗巖大粒徑級(jí)配碎石試件養(yǎng)護(hù)時(shí)間均為28 d，飽水條件下，相應(yīng)擊實(shí)次數(shù)分別為30、60、98次時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化情況。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表6 初擬級(jí)配組成

注：泰波指數(shù)n=0.50計(jì)算所得級(jí)配為采用泰波法單獨(dú)設(shè)計(jì)級(jí)配組成時(shí)對(duì)應(yīng)混合料干密度最大。

由表7可知：① 當(dāng)n=0.55，i=0.70時(shí)級(jí)配組成對(duì)應(yīng)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值最佳；② 對(duì)于初擬級(jí)配，擊實(shí)次數(shù)越大，抗壓強(qiáng)度越高；③ 在花崗巖大粒徑級(jí)配碎石的工程施工過(guò)程中，一定的碾壓功率，是施工質(zhì)量的保證。

表7 不同擊實(shí)次數(shù)時(shí)花崗巖大粒徑級(jí)配碎石試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

3.2 CBR值

以初擬級(jí)配為研究對(duì)象，改變混合料含水率，計(jì)算干密度，按照J(rèn)TG E40-2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)操作獲得試件的CBR值，試件擊實(shí)次數(shù)為98次時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

研究擊實(shí)次數(shù)對(duì)CBR值的影響關(guān)系，以初擬級(jí)配為研究對(duì)象，含水率取最佳含水率，改變?cè)嚰尚蛽魧?shí)次數(shù)，獲得對(duì)應(yīng)的CBR值，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

由表8、9可知：① 中國(guó)規(guī)范要求，被用作基層的級(jí)配碎石材料，采用擊實(shí)成型對(duì)應(yīng)試件的CBR值應(yīng)不小于180%。在研究干密度對(duì)CBR的影響試驗(yàn)中，初擬級(jí)配試件CBR值最小253%，最大576%；擊實(shí)試驗(yàn)中擊實(shí)次數(shù)為98次時(shí)最小CBR值為369%，都滿足規(guī)范要求；② 級(jí)配n=0.55，i=0.70對(duì)應(yīng)試件CBR值最大，且明顯優(yōu)于泰波法單獨(dú)設(shè)計(jì)級(jí)配混合料試件對(duì)應(yīng)的CBR值；③ 混合料干密度越大，對(duì)應(yīng)試件CBR值越大；擊實(shí)次數(shù)對(duì)試件CBR值影響顯著；③ 花崗巖大粒徑級(jí)配碎石的工程施工過(guò)程中，必須保證一定的碾壓功率，否則會(huì)對(duì)修建道路質(zhì)量造成一定的影響。

3.3 回彈模量

以初擬級(jí)配最佳含水率試件為對(duì)象，參照J(rèn)TJ 057-94《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》推薦的試驗(yàn)方法操作，試驗(yàn)過(guò)程中試件可采用電動(dòng)脫模儀成功脫膜，進(jìn)而采用路面材料強(qiáng)度儀測(cè)試花崗巖大粒徑級(jí)配碎石的無(wú)側(cè)限抗壓回彈模量(Ew)與有側(cè)限抗壓回彈模量(Ey)，計(jì)算公式如下：

表8 不同干密度對(duì)應(yīng)的CBR值

續(xù)表8

級(jí)配類型:n=0.50,i=0.70含水率/%干密度/(g·cm-3)CBR值/%級(jí)配類型:n=0.55,i=0.70含水率/%干密度/(g·cm-3)CBR值/%級(jí)配類型:n=0.60,i=0.70含水率/%干密度/(g·cm-3)CBR值/%泰波法n=0.5含水率/%干密度/(g·cm-3)CBR值/%4.02.3364373.82.3043753.82.3454493.62.2713384.22.3514594.02.3464404.02.3504573.82.3184054.42.3685134.22.3855764.22.3615064.02.3564534.62.3434364.42.3725204.42.3514504.22.2973504.82.3324254.62.2903434.62.3374284.42.254320

表9 不同擊實(shí)次數(shù)對(duì)應(yīng)的CBR值

(3)

式中：E為回彈模量(MPa)；P為單位壓力(MPa)；H為試件高度(mm)；l為回彈變形量(mm)，l=加載讀數(shù)-卸載讀數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

表10 抗壓回彈模量

由表10可知：① JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中指出，無(wú)黏結(jié)材料碎石基層的模量為180～250 MPa，試驗(yàn)所得無(wú)側(cè)限回彈模量最小值為286 MPa，最大值為452 MPa；有側(cè)限回彈模量最小為329 MPa，最大值為529 MPa，均滿足規(guī)范要求；② 級(jí)配n=0.55，i=0.70對(duì)應(yīng)試件回彈模量值最佳，優(yōu)于泰波法單獨(dú)設(shè)計(jì)級(jí)配混合料試件對(duì)應(yīng)的回彈模量；③Ey/Ew平均值為1.13，路面設(shè)計(jì)宜設(shè)置路邊限制，提高路用性能。

4 結(jié)論

(1) 泰波法與i法設(shè)計(jì)花崗巖大粒徑級(jí)配碎石級(jí)配組成，具有骨架-密實(shí)型結(jié)構(gòu)特征，明顯優(yōu)于泰波法單獨(dú)設(shè)計(jì)級(jí)配組成；通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)、回彈模量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)級(jí)配n=0.55，i=0.70對(duì)應(yīng)力學(xué)性能最佳，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.68 MPa，泰波法為1.39 MPa；CBR值為576%，泰波法為453%；回彈模量最大值為529 MPa，泰波法為461 MPa。

(2) 花崗巖大粒徑級(jí)配碎石對(duì)應(yīng)的8組初擬級(jí)配，當(dāng)擊實(shí)次數(shù)為98次時(shí)：無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最小值為0.97 MPa，最大值可達(dá)1.68 MPa；CBR值最小值253%，最大值576%，其最大值為規(guī)范要求的3.2倍；有側(cè)限回彈模量最小值329 MPa，最大值529 MPa，平均為無(wú)側(cè)限回彈模量的1.13倍，回彈模量最大值可達(dá)規(guī)范要求的1.8～3.0倍，其力學(xué)性能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中國(guó)規(guī)范對(duì)普通級(jí)配碎石力學(xué)性能的要求，說(shuō)明花崗巖大粒徑級(jí)配碎石具有良好的力學(xué)性能與應(yīng)用前景。

(3) 由花崗巖大粒徑級(jí)配碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度R(98)/R(60)=1.77，R(98)/R(30)=2.98，CBR值CBR(98)/CBR(60)=1.79，CBR(98)/CBR(30)=3.94及試件干密度越大對(duì)應(yīng)CBR值越大，可知提升干密度、增大擊實(shí)功可以有效改善花崗巖大粒徑級(jí)配碎石的力學(xué)性能，工程施工應(yīng)保證一定的碾壓功率，提高壓實(shí)度，保證施工質(zhì)量。