莫石秀，羅立峰，張先念

(1.廣東省路橋建設發(fā)展有限公司，廣州 510623；2.廣州城市理工學院，廣州 510800)

0 引言

CBR-V法(力學-體積法)礦料配合比設計方法的思路是將一個礦質集料配合比設計分為兩部分，即骨架部分的力學設計(CBR)和密實部分的體積(V)設計[1-4]。CBR-V礦質集料級配設計法能最大限度地發(fā)揮集料的骨架作用，所設計的瀝青混合料配合比具有較高的抗剪性能，較高的抗車轍性能和優(yōu)良的抗推移性能，因此尤其適用于南方濕熱地區(qū)。

在利用CBR-V礦料級配設計方法進行級配設計時，由于所測CBR的對象是礦質集料，而礦質集料是散體材料，屬非連續(xù)結構[5-7]，因此如果采用土的承載比(CBR)試驗方法直接進行測定CBR值時，所測CBR值的離散性較大，以至于無法使用。為解決CBR試驗結果離散性大的問題，薛連旭[8]等人提出了改進試件成型的方式提升CBR試驗的穩(wěn)定性；莫石秀[9]等人通過改變壓板重量等措施，研究了對減小CBR測定值的離散性的效果。本文在上述研究的基礎上，聚焦于試件的尺度效應，考察試件尺度變化對CBR試驗值離散性的影響，為CBR-V礦料級配設計方法的順利實施打下基礎。

1 集料承載比(CBR)試驗設備

1.1 路強儀

路強儀試驗機為紹興市成海機械設備有限公司生產(chǎn)的路面材料強度試驗儀CH-128B，如圖1所示。主要技術指標：

圖1 路面材料強度試驗儀

(1)試驗系統(tǒng)工作電壓：AC220V，50Hz。

(2)試驗系統(tǒng)最大功耗：50W。

(3)允許最大傳感器：200kN。

(4)負荷傳感器示值精度：優(yōu)于±1%，0.01mm。

1.2 試筒

為考察不同尺度的試件對集料承載比(CBR)測定及變異系數(shù)的影響，委托路強儀廠家加工直徑分別為15.2cm、17cm、19cm、21cm、23cm、27cm，高度為18cm的壓力桶。試件高度通過裝料高度的不同進行限定，試驗中裝料高度分別為10cm、11cm、12cm、13cm、14cm、15cm、16cm、17cm、18cm，如圖2所示。

圖2 試驗用加工的試模

1.3 貫入桿

端面直徑50mm、長約100mm的金屬柱。

1.4 荷載板

直徑150mm，中心孔眼直徑52mm，每塊質量1.25kg，共4塊，并沿直徑分為兩個半圓塊。

1.5 壓力板

直徑148mm，厚20mm，中間刻畫直徑為50mm的同心圓，以方便貫入桿下壓時對中。帶耳，方便取放(該配件土工承載比CBR試驗中沒有，需另行加工)，如圖3所示。

圖3 壓力板(單位：mm)

2 集料承載比(CBR)試驗方法

2.1 試樣

(1)根據(jù)具體試驗確定料的數(shù)量，之后風干試料(必要時可在50℃烘箱內烘干)，用四分法將取出的試料分成6份，供制作試件之用。

(2)由試筒體積和集料緊密堆積密度反算所用一筒料的重量。

2.2 試驗步驟

(1)將試筒放在堅硬的地面上，將備好的料再次摻配均勻，一次性倒入筒內并控制試料表面距試筒頂?shù)木嚯x，整平表面，放入壓力板。

(2)將試筒連同試筒中的集料和壓力板移動至路強儀，將貫入桿對中壓力板的中心施加荷載。根據(jù)試驗研究：石灰?guī)r的成型壓力為10kN，輝綠巖、花崗巖等成型壓力為15kN。施加壓力可以用路強儀，也可使用其他加載設備。

(3)達到成型壓力后，卸載。

(4)取出加力板，換上荷載板,荷載板共4層。

(5)進行貫入試驗。先在貫入桿上施加45N荷載，接著將測力和測變形的百分表指針調整至整數(shù)，并記讀起始讀數(shù)。然后，加荷使貫入桿以1mm/min的速度壓入試件，同時測記三個百分表讀數(shù)。記錄測力計內百分表某些整讀數(shù)時的貫入量，并注意使貫入量為250×10-2mm時，能有5個以上的讀數(shù)。

2.3 試驗數(shù)據(jù)處理

(1)貫入量為2.5mm時的材料承載比CBR2.5：

式中：p2.5—貫入量為2.5mm時對應的單位壓力(kPa)。

(2)貫入量為5.0mm時的材料承載比CBR5.0：

式中：p5.0—貫入量為5.0mm時對應的單位壓力(kPa)。

試驗結果應以2.5mm時的承載比作為校核，采用貫入量為5.0mm時的承載比結果。若出現(xiàn)貫入量為2.5mm時的承載比大于5.0mm時的承載比，則本次試驗廢止，重新補做一次試驗。本次試驗每組6個試件。在進行試驗數(shù)據(jù)處理時，先將6個試驗數(shù)據(jù)平均，刪除和平均值差值最大的兩個試驗數(shù)據(jù)，保留4個有效數(shù)據(jù)；然后按照4個有效數(shù)據(jù)利用EXCEL表格進行均值(AVERAGE)、無偏差方差(STDEV.S)(n-1)及變異系數(shù)(CV)計算整理。

3 原材料

為得到比較有代表性的試驗數(shù)據(jù)，選取了種類和粒徑大小不同的三種集料，它們分別為花崗巖19～31.5mm，石灰?guī)r19～26.5mm和輝綠巖16～19mm，前后歷時半年，進行了近300次集料承載比(CBR)試驗。

3.1 集料(19～31.5mm)

選用萬禾石場生產(chǎn)的19～31.5mm花崗巖碎石，其物理參數(shù)見表1。

表1 集料(19～31.5mm)花崗巖碎石物理參數(shù)

3.2 集料(19～26.5mm)

選用華潤水泥(封開)有限公司石場生產(chǎn)的集料(19～26.5mm)石灰?guī)r碎石，其物理參數(shù)見表2。

表2 集料(19～26.5mm)石灰?guī)r碎石物理參數(shù)

3.3 集料(16～19mm)

選用河源芙蓉石場生產(chǎn)的集料(16～19mm)輝綠巖碎石，其物理參數(shù)見表3。

表3 集料(16～19mm)輝綠巖碎石物理參數(shù)

4 試驗結果與分析

4.1 花崗巖(19～31.5mm)

4.1.1CBR值及變化趨勢

不同尺度試件測定花崗巖(19～31.5mm)集料的CBR值及變化趨勢見表4和圖4所示。

表4 不同尺度試件測定花崗巖(19～31.5mm)集料CBR值(單位：%)

圖4 不同尺度試件測定花崗巖(19～31.5mm)集料CBR值的變化趨勢

由表4和圖4可知，同徑不同高度時CBR值的變化規(guī)律性不強，變化波動性不大，總體表現(xiàn)為對高度變化的敏感性不強。具體情況為直徑小的兩個φ15.2cm 和φ17cm表現(xiàn)為先降后升的趨勢，變化趨勢如凹形拋物線；其余三個表現(xiàn)為先升再降的趨勢，呈凸形拋物線。變化波動最大的為φ19cm，最小的為φ23cm，次小的為φ15.2cm，說明φ19cm隨高度變化，CBR值變化比較明顯，φ23cm隨高度變化時CBR值的變化不明顯，φ15.2cm處于兩者之間。

此外，試桶直徑由小到大的變化過程中，CBR值由大逐漸變小。總體來看，試模直徑越小，CBR值越大，主要是因為側壓力與CBR成正比的關系所致。當試模直徑小時，側壓力較大，導致CBR變大；當試模直徑變大時，側壓力變小，表現(xiàn)為CBR比較小。

4.1.2 變異系數(shù)(CV)及變化趨勢

不同尺度試件測定花崗巖(19～31.5mm)集料CBR值的變異系數(shù)(CV)及變化趨勢見表5和圖5所示。

表5 不同尺度試件測定花崗巖(19～31.5mm)集料CBR值的變異系數(shù)(CV)

圖5 不同尺度試件測定花崗巖(19～31.5mm)集料CBR值的變異系數(shù)變化趨勢

由表5和圖5可知，同徑不同高度時變異系數(shù)的變化趨勢為φ15.2cm、φ19cm、φ21cm和φ23cm表現(xiàn)為先升后降的變化趨勢，其趨勢線呈凸形；φ17cm表現(xiàn)為逐漸上升的過程。

根據(jù)土的承載比(CBR)試驗(T0134—1993)規(guī)定的精密度和允許差CV≤12的要求[10]，由表5和圖5可知，φ17cm、φ19cm和φ23cm均不能滿足這一要求，只有φ15.2cm和φ21cm部分試件高度范圍能滿足這一要求。能滿足精密度和允許差CV≤12要求的是φ15.2cm試件高度小于12cm和φ21cm大于17.6cm的部分。由此也可以看出，花崗巖集料(19～31.5cm)進行CBR試驗時，其離散性比較大。分析認為，要提高該檔料CBR試驗的成活率，應注意控制檔料的針片狀含量。相關研究表明[11]，針片狀含量應控制在10%以內。

4.2 石灰?guī)r(19～26.5mm)

4.2.1CBR值及變化趨勢

不同尺度試件測定石灰?guī)r(19～26.5mm)集料的CBR值及變化趨勢見表6和圖6所示。

表6 不同尺度試件測定石灰?guī)r(19～26.5mm)集料CBR值(單位：%)

圖6 不同尺度試件測定石灰?guī)r(19～26.5mm)集料CBR值的變化趨勢

由表6和圖6可知，同徑不同高度時CBR值的變化規(guī)律性不強，對高度變化的敏感性不強，基本平順。同徑不同高度時的CBR變化波動最大的為φ21cm，最小的為φ15.2cm，次小的為φ19cm，說明φ21cm隨高度變化，CBR值變化比較明顯，φ23cm隨高度變化時CBR值的變化不明顯。試桶直徑由小到大變化過程中，CBR值由大逐漸變小。總體來看，試模直徑越小，CBR值越大，這一規(guī)律和花崗巖碎石(19～31.5mm)CBR試驗一致。

4.2.2 變異系數(shù)(CV)及變化趨勢

不同尺度試件測定石灰?guī)r(19～26.5mm)集料CBR值的變異系數(shù)(CV)及變化趨勢見表7和圖7所示。

表7 不同尺度試件測定石灰?guī)r(19～26.5mm)集料CBR值的變異系數(shù)(CV)

圖7 不同尺度試件測定石灰?guī)r(19～26.5mm)集料CBR值的變異系數(shù)變化趨勢

由表7和圖7可知，同徑不同高度時變異系數(shù)變化趨勢為φ17cm、φ21cm和φ23cm表現(xiàn)為先降后升的變化趨勢，其趨勢線為凹形；φ15.2cm和φ17cm變異系數(shù)表現(xiàn)為先升后降的趨勢，其趨勢線呈凸形。

根據(jù)土的承載比(CBR)試驗(T0134—1993)規(guī)定的精密度和允許差CV≤12的要求；φ15.2cm在10～18cm試驗高度范圍內均滿足要求，φ17cm在11～16cm試驗高度范圍內滿足要求，φ19cm在大于15cm高度范圍內滿足要求，其它φ21cm和φ23cm全部試驗高度及其它部分均不能滿足這一要求。

相比花崗巖碎石(19～31.5mm)CBR試驗，滿足精密度和允許差CV≤12要求的范圍已得到較大提升，這當然與材料本身有關，但大概率應該主要是因為集料的粒徑減小所致。由此可見，當集料最大粒徑由31.5mm下降到26.5mm時，CBR試驗的穩(wěn)定性會得到較大的提高，說明CBR試驗對集料粒徑的敏感性較高，也表明新近頒布的行業(yè)規(guī)范，趨向于降低集料粒徑大小的思路是正確的。集料的粒徑適當降低后，減少了混合料的離析，從而大幅度提升混合料的施工質量。

4.3 輝綠巖(16～19mm)

4.3.1CBR值及變化趨勢

不同尺度試件測定輝綠巖(16～19mm)集料的CBR值及變化趨勢見表8和圖8所示。

表8 不同尺度試件測定輝綠巖(16～19mm)集料CBR值(單位：%)

圖8 不同尺度試件測定輝綠巖(16～19mm)集料CBR值的變化趨勢

由表8和圖8可知，同徑不同高度時CBR值變化規(guī)律性不強，波動性不大，基本平順。同徑不同高度時的CBR隨試模直徑的增大而減小且規(guī)律性明顯?？偟囊?guī)律同花崗巖碎石(19～31.5mm)和石灰?guī)r碎石(19～26.5mm)。

4.3.2 變異系數(shù)(CV)及變化趨勢

不同尺度試件測定輝綠巖(16～19mm)集料CBR值的變異系數(shù)(CV)及變化趨勢見表9和圖9所示。

表9 不同尺度試件測定輝綠巖(16～19mm)集料CBR值的變異系數(shù)(CV)

圖9 不同尺度試件測定輝綠巖(16～19mm)集料CBR值的變異系數(shù)變化趨勢

由表9和圖9可知，同徑不同高度時變異系數(shù)變化有波動但不明顯。不同徑同高度時的變化有波動也不明顯。

變異系數(shù)對試件高度和直徑的變化不敏感，說明該種料對試件尺度的敏感性下降了，不同于花崗巖(19～31.5mm)和石灰?guī)r(19～26.5mm)。

根據(jù)土的承載比(CBR)試驗(T0134—1993)規(guī)定的精密度和允許差CV≤12的要求，各尺度試件試驗均滿足要求。

進一步分析以上數(shù)據(jù)，該檔料(16～19mm)輝綠巖集料在不同尺度試件測定集料承載比(CBR)時變異系數(shù)如此穩(wěn)定，應與該料的粒徑大小、針片狀含量有關?？梢灶A測當檔料小于20mm、針片狀含量小于10%時，測定集料承載比(CBR)時，變異系數(shù)較小，易滿足承載比(CBR)試驗(T0134—1993)規(guī)定的精密度和允許差CV≤12的要求。

5 結論及建議

(1)三種集料在相同高度時，CBR值均隨試件直徑的增大而減小，說明側壓力越大CBR值越大。

(2)三種集料同徑不同高度時CBR值的變化規(guī)律性不強。

(3)三種集料滿足土的承載比(CBR)試驗(T0134—1993)規(guī)定的精密度和允許差CV≤12的要求部分有：

19～31.9mm花崗巖集料φ15.2cm試件高度小于12cm和φ21cm大于17.6cm的部分。

19～26.5mm石灰?guī)r集料φ15.2cm在10～18cm試驗高度范圍內滿足要求，φ17cm在11～16cm試驗高度范圍內滿足要求，φ19cm在大于15cm試驗高度范圍內滿足要求。

16～19mm輝綠巖集料各尺度試件試驗均滿足要求。

(4)分析以上結論，其公共的部分為φ15.2cm，高度為10cm和12cm，承載比(CBR)試驗(T0134—1993)試件的高度為12cm。按照遵循原規(guī)范盡量少改變的原則，本文建議試件的高度取11.0cm，即建議集料承載比(CBR)試驗試件的直徑取φ15.2cm，試件高度取11.0cm。