影響級配碎石質(zhì)量的因素分析

蘇建嶺

（秦皇島保神交通建設(shè)監(jiān)理有限公司，河北 秦皇島 066000）

級配碎石是一種無黏結(jié)材料處治粒料的松散結(jié)構(gòu)，通常可作為公路路面結(jié)構(gòu)的底基層、基層、墊層或半剛性基層與瀝青面層之間的中間層。由于這種結(jié)構(gòu)不傳遞拉應(yīng)力、拉應(yīng)變，所以級配碎石作為路面結(jié)構(gòu)層材料時(shí)處于三向受壓的狀態(tài)。而這些結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)以及特殊的受力狀態(tài)使級配碎石結(jié)構(gòu)層不但具有溫縮應(yīng)力小、干縮應(yīng)力小、水穩(wěn)定性好的性能，而且能充分吸收其下層裂縫釋放的應(yīng)變能，從而達(dá)到抑制裂縫的效果。這種結(jié)構(gòu)在2013年秦皇島市公路大修工程中作為舊水泥混凝土路面碎石化結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)層得到了應(yīng)用，并且從建成通車后的使用情況來看效果較好。雖然級配碎石具有很多優(yōu)點(diǎn)，但如果在施工過程中不加以科學(xué)的控制，勢必會影響其施工質(zhì)量及使用效果。所以必須對影響級配碎石質(zhì)量的因素進(jìn)行分析研究，并在施工中加以嚴(yán)格控制，以確保級配碎石的質(zhì)量。通過總結(jié)和分析2013年秦皇島市公路大修工程中級配碎石施工情況，筆者認(rèn)為影響級配碎石質(zhì)量的因素主要有以下幾個(gè)方面。

1 原材料

由于級配碎石是一種松散的粒料結(jié)構(gòu)，其材料組成主要是粗集料和細(xì)集料，而級配碎石內(nèi)各組成材料的受力特性又呈非線性、各向異性，所以集料本身的特性直接影響了級配碎石的強(qiáng)度和模量?？偨Y(jié)施工經(jīng)驗(yàn)可知，級配碎石組成中的粗集料應(yīng)滿足抗壓強(qiáng)度大、抗剪切強(qiáng)度大、永久變形小、耐久性好的要求；細(xì)集料應(yīng)滿足黏性大、塑性指數(shù)小、體積穩(wěn)定性好的要求。

（1）粗集料

粗集料的特性主要包括硬度、表面摩擦力、顆粒形狀和大小及其分布。試驗(yàn)室用集料壓碎值、洛杉磯磨耗值、針片狀指數(shù)、累計(jì)篩分通過率等物理指標(biāo)來表示集料的這些特性。一般而言，同種石質(zhì)軋制的碎石其強(qiáng)度隨著最大粒徑的增大而增大。這是由于較大顆粒之間的接觸面較小，當(dāng)荷載通過顆粒傳遞時(shí)，顆粒之間的接觸點(diǎn)少、整體變形小，從而使級配碎石具有較大的強(qiáng)度。另外，粗糙顆粒的表面將會產(chǎn)生較大的強(qiáng)度。軋制的有棱角的以及破碎面多的顆?？商峁┹^高的剛度以及較好的荷載分布特性，其抗剪切性較好，永久變形小。

（2）細(xì)集料

細(xì)集料在級配碎石組成中主要起填充作用。表征細(xì)集料質(zhì)量的物理技術(shù)指標(biāo)主要有砂當(dāng)量、液限、塑限及塑性指數(shù)。季節(jié)含水量的變化是導(dǎo)致級配碎石收縮或膨脹的主要因素。也可以說，細(xì)集料的質(zhì)量直接影響級配碎石的體積穩(wěn)定性。經(jīng)研究，具有黏性和塑性的細(xì)集料對吸力有較大的影響。試驗(yàn)表明，當(dāng)吸力為黏結(jié)顆粒的主要應(yīng)力時(shí)，較高細(xì)集料含量和較高黏性的細(xì)集料將會導(dǎo)致較高的吸力，此時(shí)級配碎石有較高的強(qiáng)度。然而，當(dāng)吸力相對于周圍應(yīng)力很小的時(shí)候，較高的細(xì)集料含量和較高黏度的細(xì)集料會由于上述顆粒的大小及潤滑作用導(dǎo)致級配碎石強(qiáng)度減小。所以，為了保證級配碎石的體積穩(wěn)定性，必須嚴(yán)格控制細(xì)集料的質(zhì)量，特別是細(xì)集料的塑性指數(shù)。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，一般認(rèn)為細(xì)集料的塑性指數(shù)不超過4%時(shí)級配碎石的施工質(zhì)量較好。

（3）巖石

經(jīng)驗(yàn)表明，級配碎石的質(zhì)量還與軋制碎石的巖石種類有關(guān)。根據(jù)國外多年來使用無黏結(jié)材料的經(jīng)驗(yàn)，石灰?guī)r是所有級配碎石材料中最好的。其主要原因是石灰?guī)r容易軋制成四方體，易達(dá)到級配要求；同時(shí)，其細(xì)顆粒中碳酸鹽含量較高，在拌和中與水一起對粗集料起到膠結(jié)的作用。因此，建議施工中盡可能采用軋制的石灰?guī)r作為級配碎石結(jié)構(gòu)層的材料。

2 級配組成

級配碎石的強(qiáng)度和模量一般比有結(jié)合料的穩(wěn)定基層差。單從其結(jié)構(gòu)形成上分析，級配碎石基層的強(qiáng)度主要源于其碎石顆粒本身的強(qiáng)度及碎石顆粒之間的相互嵌擠力。所以，控制級配碎石的質(zhì)量除采用高質(zhì)量的集料外，還必須調(diào)制出高密度的良好級配來保證碎石顆粒間的嵌擠力，從而提高級配碎石結(jié)構(gòu)層的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，降低行車作用下的永久變形。

目前，我國有關(guān)碎石級配設(shè)計(jì)的方法主要有兩種；一種是連續(xù)級配的設(shè)計(jì)方法；另一種是參照體積設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)瀝青混合料而引入的填充系數(shù)法。在實(shí)際施工中，一般根據(jù)影響級配的因素（主要包括集料的最大粒徑、公稱粒徑及集料通過4.75mm、0.5mm和0.075mm篩孔的含量）用連續(xù)級配設(shè)計(jì)法進(jìn)行級配調(diào)整。然而，我國《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 034—2000）中規(guī)定的級配碎石標(biāo)準(zhǔn)較寬，不適用作較重交通或高等級路面基層的級配碎石標(biāo)準(zhǔn)。所以，為了保證級配碎石結(jié)構(gòu)層的力學(xué)性能（主要是強(qiáng)度與剛度），改善道路結(jié)構(gòu)的整體性，必須對級配碎石的級配進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且必須保證優(yōu)化后的級配曲線呈近似S型的光滑曲線。

另外，特別值得注意的是必須嚴(yán)格控制級配碎石混合料中的細(xì)集料用量。這是因?yàn)椋?/p>

（1）細(xì)集料含量過大會使粗集料很難形成嵌擠，從而使級配碎石結(jié)構(gòu)形成一種懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，這將嚴(yán)重影響級配碎石結(jié)構(gòu)層的強(qiáng)度與剛度；

（2）細(xì)集料含量過大會影響級配碎石的排水功能，在潮濕、多雨的季節(jié)，排水及滲透能力差會導(dǎo)致級配碎石的抗壓強(qiáng)度減?。?/p>

（3）細(xì)集料含量過大會導(dǎo)致在行車荷載的反復(fù)作用下，級配碎石產(chǎn)生過大的累積塑性變形，使路面發(fā)生剪切或疲勞破壞；

（4）由于我國的路面設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定路面設(shè)計(jì)是按照界面完全連續(xù)的條件考慮的，當(dāng)細(xì)集料含量較大時(shí)，級配碎石層的表面極易形成“光滑”的界面，這樣就使得級配碎石基層與瀝青面層之間的聯(lián)結(jié)非常困難，影響了界面之間的連續(xù)。

3 確定最大干密度和最佳含水量的試驗(yàn)方法

級配碎石混合料的最大干密度及最佳含水量通常采用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)確定。但對于該類混合料而言，標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)的主要缺點(diǎn)在于集料的方向性及分布與現(xiàn)場壓實(shí)不相同，這樣的成型方法不能反映材料的現(xiàn)場施工壓實(shí)成型狀況，很難達(dá)到試驗(yàn)的重現(xiàn)性。并且在擊實(shí)過程中，擊實(shí)錘會將大粒徑的骨料擊碎，從而改變設(shè)計(jì)的級配并影響試驗(yàn)的結(jié)果。相對于標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)而言，振動成型法可以減少試件級配的變化，其成型方式與現(xiàn)場施工的方式相近。在其成型過程中，粗集料之間相互嵌擠較好，能充分發(fā)揮骨架的強(qiáng)度優(yōu)勢，細(xì)集料作為填料能充分填充骨架的空隙。這樣充分模擬出了整個(gè)現(xiàn)場施工過程。所以，確定混合料的最大干密度及最佳含水量的最佳試驗(yàn)方法為振動成型法。

4 混合料的拌和

混合料拌和的均勻程度也是影響級配碎石強(qiáng)度和功能的關(guān)鍵因素。為了保證級配碎石的均勻性，施工中必須進(jìn)行集中場拌。拌和時(shí)應(yīng)注意控制好以下兩個(gè)方面。

（1）控制集料中超粒徑的顆粒

集料中的超粒徑顆粒是指粒徑大于公稱直徑的顆粒?？刂瞥降念w粒可以減少拌和過程中粗顆粒之間的干擾，增加混合料的均勻性，使其形成穩(wěn)定的骨架，提高其施工性能，并減少施工中的離析現(xiàn)象，同時(shí)便于施工機(jī)械的攤鋪整平，減少設(shè)備的磨損。

（2）控制含水量

含水量是影響混合料性能的主要因素之一?；旌狭系暮吭龃?，其回彈模量就會減??；而含水量過度減小，其拌和均勻性就會受到影響。所以，為了施工時(shí)能較好地成型，使混合料各組成材料之間能相互嵌擠，攤鋪、碾壓時(shí)混合料不松散，混合料拌和時(shí)必須考慮運(yùn)距、天氣、現(xiàn)場操作等情況，將含水量控制到最佳。

5 混合料的攤鋪

為了保證攤鋪出的級配碎石均勻、平整及壓實(shí)后的厚度均勻一致，建議采用攤鋪機(jī)進(jìn)行全幅攤鋪?zhàn)鳂I(yè)。當(dāng)采用兩臺攤鋪機(jī)同時(shí)作業(yè)時(shí)，攤鋪機(jī)應(yīng)一前一后呈梯隊(duì)形式同步進(jìn)行。兩臺攤鋪機(jī)間隔距離應(yīng)保持在5～8m范圍內(nèi)。攤鋪時(shí)，應(yīng)特別注意粗、細(xì)集料的離析現(xiàn)象，并派專人及時(shí)對發(fā)生離析的混合料進(jìn)行處理。

6 混合料的碾壓

級配碎石混合料的碾壓應(yīng)采用振動壓路機(jī)配合輪胎壓路機(jī)聯(lián)合作業(yè)。振動壓路機(jī)進(jìn)行初壓和復(fù)壓，一般初壓1～2遍，復(fù)壓4～6遍；輪胎壓路機(jī)終壓2～3遍。應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)的是：終壓應(yīng)盡可能采用大噸位的輪胎壓路機(jī)，碾壓前應(yīng)用噴霧式的灑水車適當(dāng)灑水，然后進(jìn)行“滾漿”碾壓。

7 結(jié)語

綜上所述，施工過程中只有對級配碎石的原材料、級配組成、拌和、攤鋪及碾壓等方面加以嚴(yán)格、科學(xué)的控制，才能使得級配碎石結(jié)構(gòu)具有良好的嵌擠力，從而獲得較高的密度及強(qiáng)度，保證良好的透水性及道路結(jié)構(gòu)的整體性。

[1] JTJ 034—2000，公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2]JTG D50—2006，公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 蘇風(fēng)華，魏麗華.優(yōu)質(zhì)級配碎石基層[J].黑龍江交通科技，2011（6）：102，104.