硬質砂巖級配碎石應用研究

劉唐志，黃犀純，張建衛(wèi)，李俊杰

(1.重慶交通大學 土木建筑學院，重慶 400074；2.路橋建設重慶公司，重慶 400020)

國內目前大多采用低劑量水泥穩(wěn)定碎石作為高速公路路面墊層，應用的石料也多為性能優(yōu)良的石灰?guī)r。重慶涪豐石高速公路(涪陵—豐都—石柱)，沿線地勢起伏較大，溝壑發(fā)育，有大量硬質巖挖方路段和隧道，產生了大量砂巖，同時建設區(qū)域內缺乏石灰?guī)r等優(yōu)質石料。用硬質砂巖形成的級配碎石替代低劑量水泥穩(wěn)定碎石具有顯著的經濟價值和環(huán)保、節(jié)材意義。

級配碎石是一種由不同粒徑石料組成的嵌擠密實型結構，通過壓實使松散體形成骨架，從而具備一定強度[1]，級配對彈性模量值有較大影響，也是影響級配碎石強度與剛度的最重要的因素[2]。CBR值作為評價無黏結粒料力學性能的一個指標，它同時反應了材料的豎向剛度和剪切強度[3]。

筆者以石灰?guī)r作對比，評價砂巖集料的物理力學性能；以CBR值作為檢驗指標，評價砂巖級配碎石不同級配的強度性能，并分析各級配間性能差異的原因；以細集料石灰?guī)r摻配砂巖構成骨架型級配碎石，分析結構強度變化特點。

1 砂巖物理力學性質

硬質砂巖強度較大，可作為高等級道路路面面層、基層原材料，并有較好的效果，但是我國儲量較小，分布地區(qū)較少，且由于各地區(qū)硬質砂巖性質不同，所以硬質砂巖不可能大面積作為筑路原料[4]。這就要求在實際應用中，針對工程應用的砂巖進行詳細明確的試驗研究，以保證砂巖的良好應用效果。

根據(jù)JTG E 41—2005《公路工程巖石試驗規(guī)程》中巖石學簡易鑒定(T 0201—1994)，現(xiàn)場(涪豐石高速涪陵段南沱互通)所取砂巖特征為：表層弱風化，膠結較好，顆粒粒徑稍大，層理不明顯，顏色呈灰白色和淡紅色。

JTG D 70—2004《公路隧道設計規(guī)范》中將巖石劃分為硬質巖和軟質巖兩大檔次，以Rc=30 MPa(巖石單軸飽水抗壓強度)作為硬質巖與軟質巖的劃分界限；再進一步劃分為堅硬巖、較堅硬巖、較軟巖、軟巖和極軟巖5個檔次，Rc與堅硬程度對照關系如表1。

表1 Rc與巖石堅硬程度定性劃分的關系

單軸抗壓強度試驗根據(jù)JGT E 41—2005《公路工程巖石試驗規(guī)程》中T 0221—2005進行，主要用于巖石的強度分級和巖性描述，利用壓力試驗機測定天然狀態(tài)、烘干狀態(tài)及飽水狀態(tài)下巖石試件的單軸極限抗壓強度，試驗用砂巖單軸抗壓強度結果如表2。

表2 砂巖單軸抗壓強度

根據(jù)試驗結果，試驗用砂巖為較堅硬巖，屬硬質砂巖范疇。現(xiàn)選取重慶產石灰?guī)r集料與該砂巖集料作物理性質試驗，各項物理力學性質對比如表3。

表3 砂巖與石灰?guī)r碎石物理性質

通過對比，砂巖與石灰?guī)r碎石的各項指標均符合規(guī)范要求，值得說明的有：

1)道路工程中使用的石灰?guī)r(含本試驗用石灰?guī)r)，其表觀相對密度和毛體積相對密度一般在2.70以上和2.60以上，吸水率小于1%[5]。該砂巖的表觀密度較常規(guī)應用的石灰?guī)r偏小，吸水率較之偏大，說明該砂巖的開口孔隙較多，砂巖密實程度和強度都較石灰?guī)r偏低。

2)該砂巖各項物理性質均較優(yōu)良，唯塑性指數(shù)偏高。重慶年均降雨量達到1 000 mm以上[6]，為潮濕多雨地區(qū)，砂巖的塑性指數(shù)偏大，少量的塑性細土就能對集料的承載比產生明顯的影響，塑性指數(shù)愈大，承載比愈小，或水穩(wěn)性愈不好。結合規(guī)范[7]規(guī)定“在潮濕多雨地區(qū)，塑性指數(shù)與0.5 mm以下細土含量的乘積不應大于100”，該砂巖0.5 mm以下細土含量與塑性指數(shù)乘積為77.4，也滿足規(guī)范要求。

2 砂巖碎石級配類型比較

我國JTG D 50—2006《公路瀝青路面設計規(guī)范》根據(jù)級配碎石使用的不同層位和骨架結構提出了不同的級配組成范圍，其中底基層及墊層級配范圍如表4。

表4 瀝青路面底基層及墊層級配碎石級配范圍

其中級配1、3為連續(xù)型級配，級配1粒徑連續(xù)按比例搭配，各篩通過率符合連續(xù)級配的talbol公式[8]：

P=100(d/D)n

(1)

式中：P為各粒級集料的通過率，%；D為最大粒徑，mm；d為各粒級集料的粒徑，mm；n為常數(shù)。

級配2為骨架型級配，粗集料含量較多，4.75 mm以下集料含量較少。為比較砂巖碎石連續(xù)型與骨架型級配的特性，特選取級配1和級配2兩個級配類型，并分別取各篩通過率的上限、中值、下限共6個級配進行集料摻配，進行重型擊實試驗和CBR試驗，并對所選石灰?guī)r碎石進行同樣試驗。兩種類型碎石各級配重型擊實試驗及CBR試驗結果如表5。

表5 各級配重型擊實及CBR試驗結果

根據(jù)表5試驗結果得出：

1)級配相同時，石灰?guī)r級配碎石的最大干密度與CBR值均高于砂巖級配碎石，表明成型的級配碎石性能與集料種類和性質密切相關。

2)砂巖級配碎石的最佳含水率較石灰?guī)r級配碎石高，這與砂巖碎石的吸水率較高有關，砂巖碎石有較多的開口空隙，吸水能力較高。

3)石灰?guī)r級配碎石各級配CBR值均符合規(guī)范要求(墊層級配碎石CBR值應大于80%)，性能良好；砂巖級配碎石連續(xù)型各級配CBR值都符合規(guī)范要求，骨架型級配除上限外性能均較差，這一現(xiàn)象的主要原因為：①砂巖由于本身強度性能不足，所構成的骨架結構強度不高、嵌擠能力不足，大粒徑碎石含量較多的級配，并不能保證結構整體的強度；②骨架型上限級配大粒徑集料含量較少，而13.2 mm以下顆粒含量較其它兩個級配豐富，有利于充分填充骨架間空隙，使得該級配密實效果較其它兩級配優(yōu)秀；③以重型擊實為成型方法，骨架型級配較難擊實，粗骨料間相互嵌擠效果形成較差，擊實后表面粗糙不平；而連續(xù)型級配擊實效果良好，擊實完成后粗細集料密實、平整；兩種級配類型的上限擊實前后效果對比如圖1。

圖1 骨架型級配上限與連續(xù)型級配上限擊實前后對比Fig.1 Contrast of compaction before and after between skeletontype gradation ceiling and continuous gradation ceiling

由上可知，連續(xù)型級配強度性能較好，為驗證該級配的優(yōu)良特性并優(yōu)化其級配范圍，根據(jù)Talbol連續(xù)級配公式〔式(1)〕，經比較選取常數(shù)n為0.4，0.55形成兩個級配，使級配曲線分別在規(guī)范連續(xù)型級配中值的上下側，并在該級配上下限以內，級配曲線如圖2，CBR試驗結果如表6。

圖2 連續(xù)型級配比較Fig.2 Continuous gradation comparison

級配類型最佳含水率/%最大干密度/(g·cm-3)實測平均干密度/(g·cm-3)CBR值/%0.47.12.152.151250.555.52.142.13117

根據(jù)表5、表6可知：連續(xù)型級配偏上限的兩級配和級配中值的干密度和CBR值都比較接近，可見集料在經歷重型擊實后這3個級配的各檔集料形成了密實效果接近的狀態(tài)；級配n=0.40與級配中值的CBR值差異不明顯，級配n=0.55與級配下限較級配中值的CBR值遞減，證明中值以上至n=0.40這個范圍內的連續(xù)型級配達到其性能的最好狀態(tài)。

根據(jù)上述連續(xù)型及骨架型級配比較及連續(xù)型級配優(yōu)選可知：骨架型中值和骨架型下限級配，由于細料少，沒有形成骨架密實結構，加之砂巖強度低，易破碎，從而影響其CBR值。對于連續(xù)型偏下限級配，碎石間形成的密實效果也相對較弱，從而影響其CBR值。由此表明：①針對砂巖級配碎石，級配的類型和范圍選擇對結構整體強度有重要影響；②砂巖級配碎石宜采用連續(xù)型中值偏上限的級配。

3 骨架型級配碎石摻配

通過上述比較可知，砂巖級配碎石僅在連續(xù)級配時表現(xiàn)合格，骨架型級配性能偏低不推薦使用。在工程實際中，采用一次鄂式破碎的砂巖碎石在4.75mm篩孔通過率不足20%，而采用連續(xù)級配該篩孔最低通過率需達到25%，這需要對砂巖進行二次破碎，以獲得更多細集料方能采用連續(xù)級配。

因此，從提高骨架型砂巖級配碎石性能與提高集料利用率兩方面出發(fā)，考慮砂巖摻配4.75 mm以下石灰?guī)r構成骨架型級配，以提高原始骨架型砂巖級配碎石性能，并研究相關摻配特性。

試驗方案將石灰?guī)r摻配方案以粒徑簡化劃分為0～0.075 mm，0.075～0.6 mm，0.6～1.18 mm，1.18～4.75 mm，0～4.75 mm 等5組，以石灰?guī)r完全替代相應粒徑的砂巖，同時選定表4中級配2(骨架型)的上限、中值、下限等3個級配，分別摻配砂巖級配碎石，具體摻配方案及試驗結果如表7。

表7 石灰?guī)r摻配試驗方案及結果

根據(jù)試驗結果，得5組3個級配的最大干密度與CBR值結果，如圖3。

圖3 最大干密度與CBR值關系Fig.3 Relationship between maximum dry density and CBR

對3個級配，定義：

ΔCBR=CBR1-CBR2

(2)

式中：CBR1為某摻配方案對應級配CBR值，%；CBR2為該級配的原始砂巖級配碎石CBR值，%。則各摻配方案ΔCBR如圖4。

圖4 各摻配方案ΔCBR值Fig.4 ΔCBR of each mixing scheme

對3個級配，定義：

T=ΔCBR/Q

(3)

式中：Q為對應摻配方案所摻石灰?guī)r質量百分率，%；其它符號含義同上。

則各摻配方案T值如圖5。

圖5 各摻配方案T值Fig.5 T of each mixing scheme

根據(jù)以上結果分析可知：

1)級配碎石的CBR值隨最大干密度增加而增加，與級配種類無關。摻配石灰?guī)r后，混合型級配碎石仍以骨架型上限級配強度性能表現(xiàn)良好。

2)ΔCBR值表明了各摻配方案級配碎石強度提高值。就3個不同級配的強度提高效果而言，級配上限<級配中值<級配下限；這與原始骨架下限砂巖級配碎石的CBR值較低有關，摻配石灰?guī)r后能較顯著改善級配碎石強度。5#方案為以石灰?guī)r完全取代4.75 mm以下集料，取代后結構CBR值有6%～14%的增長，但中值和下限兩個級配CBR值仍小于100，表明摻配細集料石灰?guī)r對結構強度有一定的提高，但由于起骨架結構的碎石仍為砂巖，提高效果有限。

3)T值為對應摻配方案單位百分質量石灰?guī)r的CBR平均提高值。這里單獨定義T值的目的在于，同一個級配中所摻各檔石灰?guī)r的質量不同，不同級配間同檔粒徑所摻石灰?guī)r也不同，這樣就不能簡單說明某檔石灰?guī)r在摻配中對結構所產生的本質影響；而構造的T值表征了各檔單位質量碎石引起的CBR提高值，一定程度上反映了各摻配方案的本質

效果并可以相互比較。比較1#～4#方案可得：①骨架上限和中值兩個級配，1#方案對CBR值的提高最為明顯，3#方案最弱，表明在集料偏細的情況下，0.075 mm以下集料的性質顯著影響結構整體強度性能，這主要與石灰?guī)r有較低的塑性指數(shù)有關；②比較3個級配，4#方案的提升效果均較強，且隨著集料構成越粗表現(xiàn)越明顯，表明1.18～4.75 mm集料填充于骨架結構空隙時嵌擠和抗壓能力對結構整體強度有密切關系。

4)通過石灰?guī)r摻配使得結構強度提升這一現(xiàn)象，表明砂巖級配碎石的強度主要仍由各檔粒徑碎石密實填充形成，骨架間的嵌擠效果較弱。

4 結 論

1)硬質砂巖作為一種天然巖石具有密度低、吸水率大的特性，但根據(jù)其物理力學性質試驗結果能夠應用于作為級配碎石原料。

2)對于砂巖級配碎石，級配的類型和范圍選擇對結構整體強度有重要影響。

3)對于砂巖級配碎石，骨架型級配整體強度偏低，且難以壓實；連續(xù)型級配，具有相對較好的強度性能，且容易壓實成型，因此宜采用連續(xù)型級配進行設計，且規(guī)范連續(xù)型中值偏上限的級配達到其最佳強度性能。

4)摻配細集料石灰?guī)r對骨架型砂巖級配碎石強度有一定的提高，0.075 mm以下細料的塑性指數(shù)及1.18～4.75 mm集料強度顯著影響級配碎石強度。對于砂巖組成的級配碎石，骨架間的嵌擠效果較弱，強度主要由不同粒徑碎石間的相互密實填充形成。

[1] 李福普,嚴二虎.瀝青穩(wěn)定碎石與級配碎石結構設計與施工技術應用指南[M].北京:人民交通出版社,2009.

Li Fupu,Yan Erhu.Guidelines of Design and Construction for Asphalt Stabilized Gravel and Graded Gravel [M].Beijing:China Communications Press,2009.

[2] 李君.高等級公路柔性基層(級配碎石)的研究[D].大連:大連理工大學,2004.

Li Jun.Research on Flexible base Course (Graded Gravel) of High Grade Highway [D].Dalian:Dalian University of Technology,2004.

[3] JTG E 40—2007 公路土工試驗規(guī)程[S].北京:人民交通出版社,2007.

JTG E 40—2007 Test Methods of Soils for Highway Engineering [S].Beijing:China Communications Press,2007.

[4] 閆紅光.硬質砂巖在四川廣巴高速公路路面基層及底基層中的應用研究[D].西安:長安大學,2008.

Yan Hongguang.Study on the Application of the Hard Sandstone in Pavement Base and Sub-base in the Highway from Guangyuan City to Bazhong City in Sichuan Province [D].Xi’an:Chang’an University,2008.

[5] 吳繼敏.工程地質學[M].北京:高等教育出版社,2006.

Wu Jimin.Engineering Geology [M].Beijing:Higher Education Press,2006.

[6] 向波.重慶市氣候概況[EB/OL].(2008-12-29) [2012-06-15].http://www.cqmb.gov.cn/ecms/qixiangfuwu/qhzk/2008-12-29/317.html.

Xiang Bo.A climate survey of Chongqing[EB/OL].(2008-12-29) [2012-06-15].http://www.cqmb.gov.cn/ecms/qixiangfuwu/qhzk/2008-12-29/317.html.

[7] JTJ 034—2000 公路路面基層施工技術規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2000.

JTJ 034—2000 Technical Specifications for Construction of Highway Roadbases [S].Beijing:China Communications Press,2000.

[8] 曹建新,王哲人.連續(xù)級配的級配碎石材料試驗研究[J].公路交通科技,2005,22(5):14-16.

Cao Jianxin,Wang Zheren.Experimental research of continuous grading macadam materials [J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2005,22(5):14-16.