墊層級配碎石的性能研究

劉 克

(1.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 401336；2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司 云南省龍江特大橋鋼橋面鋪裝及路面工程工地試驗(yàn)室，云南 保山 679111)

墊層級配碎石的性能研究

劉 克1,2

(1.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 401336；
2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司 云南省龍江特大橋鋼橋面鋪裝及路面工程工地試驗(yàn)室，云南 保山 679111)

為得到墊層級配碎石的合理組成，用重型擊實(shí)、承載比(CBR)、滲透系數(shù)和水穩(wěn)定性試驗(yàn)對6種級配碎石進(jìn)行了室內(nèi)研究。結(jié)果表明：滲透力會改變級配碎石的級配分布，滲透系數(shù)隨滲透次數(shù)增加趨于穩(wěn)定，0.075 mm通過率(P0.075)<3%的級配碎石滲透系數(shù)大于0.011 6 cm3/s但CBR較小；P0.075在3.6%～5.0%范圍的級配碎石滲透系數(shù)差別很小，選擇上限通過率可協(xié)調(diào)滲水與強(qiáng)度的矛盾；P0.075為7.6%的級配碎石CBR達(dá)196%但已基本不透水。有排水要求的級配碎石P0.075<5%，填料數(shù)量減少使得材料的可壓實(shí)性對含水率變化不敏感，已不存在最佳壓實(shí)含水率；重型擊實(shí)使得P0.075<3%的級配碎石嚴(yán)重破碎，干密度異常提高不宜作為壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。級配碎石在成型后初期具有輕微的濕陷性，其水穩(wěn)定性與強(qiáng)度明顯相關(guān)，CBR越高的級配碎石水穩(wěn)定性也越好。

道路工程；水損壞；路面內(nèi)部排水；墊層；滲透系數(shù)；級配設(shè)計(jì)

公路路面服役于復(fù)雜多變的地表環(huán)境，經(jīng)受各種自然營力作用。對山區(qū)公路而言，水是對路基路面結(jié)構(gòu)影響最為顯著自然因素，水損壞已成為長期服役山區(qū)公路的主要病害[1]。凡是病害嚴(yán)重路段幾乎都有水的參與，而且維修難度大，維修效果不理想[2]。因此，具有良好排水能力是路基路面結(jié)構(gòu)經(jīng)久耐用的重要保障。

碎石墊層是一種應(yīng)用悠久的排水、防水、抗凍功能層，相對于其它路面材料其模量較小[3]。在土石路床上鋪筑一層20 cm厚符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的級配碎石，其頂部彎沉甚至大于土基彎沉，厚度一般需要超過30 cm后彎沉才會小于土基。因此，作為路面墊層使用時，級配碎石的主要功能是提供良好的水溫環(huán)境，目的是維護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度而非形成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。基于此考慮，墊層級配碎石除具備基本的強(qiáng)度，還應(yīng)保證一定的可滲透性和水穩(wěn)定性。我國目前并沒有專門的路面墊層施工技術(shù)規(guī)范，一些項(xiàng)目參考路面基層標(biāo)準(zhǔn)過于追求墊層的密實(shí)性而忽視滲透性做法是值得商榷的。

由碎石發(fā)展為“級配”碎石是出于質(zhì)量控制的考慮，控制的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)層位功能。增加細(xì)集料提高密實(shí)性在實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度功能的同時是否影響了滲透性和水穩(wěn)定性？級配如何構(gòu)建才能實(shí)現(xiàn)性能的均衡？筆者對此進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究。

1 原材料

室內(nèi)試驗(yàn)所用骨料為騰沖曲石鎮(zhèn)青山石廠生產(chǎn)的石灰?guī)r碎石，其壓碎值為22.6%，5～10 mm，10～25 mm碎石針片狀含量分別為8.2%，4.1%，軟弱顆粒含量分別為4.5%，0.4%。細(xì)集料是5～10 mm石灰?guī)r破碎而成的機(jī)制砂，壓碎值12.9%、砂當(dāng)量75%。根據(jù)JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》[4]推薦的級配范圍，筆者選擇了6種級配，并按表1由粗到細(xì)編為0#～5#。

表1 6種試驗(yàn)用級配

2 重型擊實(shí)試驗(yàn)

采用重型擊實(shí)試驗(yàn)研究了6個級配的含水率-密實(shí)度關(guān)系，結(jié)果統(tǒng)計(jì)于圖1。較細(xì)的4#，5#級配隨含水率增加出現(xiàn)了干密度峰值，并且相對較粗的4#級配峰值含水率較小，說明集料顆粒接觸點(diǎn)較少的4#級配對水的潤滑需求更少，符合水對顆粒壓實(shí)影響機(jī)理的經(jīng)典解釋[5]。

圖1 基于重型擊實(shí)試驗(yàn)的干密度-含水率關(guān)系Fig.1 Relationship between dry density and water content based on heavy compaction test

圖1顯示：隨著級配變粗，3#，2#，1#，0#并沒有出現(xiàn)峰值，干密度皆隨含水率的減少而增大。原因是粗型級配在反復(fù)錘擊作用下骨料更容易破碎，而碎屑填充骨料間隙增加了材料密度。除最粗的0#級配外，密度大小與級配粗細(xì)的關(guān)系為：級配越粗干密度越小。說明0#級配的破碎程度已非常嚴(yán)重，碎屑填充使得干密度明顯失真，不再適合作為標(biāo)準(zhǔn)密度來控制現(xiàn)場壓實(shí)度。

粗型級配不出現(xiàn)峰值密度的現(xiàn)象還說明：當(dāng)顆粒接觸點(diǎn)減少后，水對集料的潤滑作用已不明顯，影響材料壓實(shí)度的主要因素已轉(zhuǎn)變?yōu)閴簩?shí)功和方式等，沒有必要再用重型擊實(shí)法來確定最佳含水率。

為后續(xù)的性能試驗(yàn)在相同條件下進(jìn)行，依習(xí)慣做法根據(jù)圖1的干密度-含水率關(guān)系選擇了材料的成型含水率和干密度，結(jié)果如表2。表2中還給出了各級配的合成毛體積密度以便計(jì)算固體體積率。

表2 不同級配試件的成型含水率與干密度

3 CBR試驗(yàn)研究

用CBR試驗(yàn)研究了級配碎石的承載能力[6]，試驗(yàn)方法依據(jù)文獻(xiàn)[7]。先用重型擊實(shí)法成型試件，泡水4 d后瀝干、稱重后加載。計(jì)算CBR試件干密度所用的含水率是由配水含水率減去估計(jì)水分損失得到。采用三次多項(xiàng)式擬合得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線方程，由此計(jì)算CBR2.5，CBR5.0，CBR。試驗(yàn)結(jié)果如表3，級配碎石承載能力隨固體體積率的增加而增加，高固體體積率、高承載能力的級配碎石吸水率較低。

表3 CBR試驗(yàn)結(jié)果

4 滲透性研究

尚無適用于粗粒土滲透系數(shù)的試驗(yàn)規(guī)程，因而筆者利用公路工程工地試驗(yàn)室常用器材，按土工滲透系數(shù)試驗(yàn)原理構(gòu)建的裝置如圖2。

4.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)步驟為：① 按重型擊實(shí)法成型試樣，稱取試樣+試筒2+筒內(nèi)墊塊(高5 cm)的總質(zhì)量，計(jì)算試樣濕密度；② 將CBR試驗(yàn)所用多孔底板蓋于試樣頂部，旋緊試筒2兩側(cè)螺絲將兩者固定，翻轉(zhuǎn)試筒2取出筒內(nèi)墊塊；③ 試樣+試筒2+多孔底板共同置于水中浸泡數(shù)小時后取出，在試筒2頂部涂抹密封材料，然后加放試筒1，壓緊；④ 向試筒內(nèi)注水至最高水位(5 cm+17 cm)使試樣飽和后，再次注滿水并開始計(jì)時，并記錄不同時刻的水位，計(jì)算不同水頭高度的滲透速度。

圖2 滲水試驗(yàn)裝置Fig. 2 Permeability test equipment

4.2 結(jié)果與分析

選擇粗細(xì)不同的0#，1#，3#，5#級配碎石進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn)，測量過程的均值室溫分別為10，16，11，15℃，結(jié)果如圖3。級配碎石的滲透能力最初并不穩(wěn)定，隨著滲透次數(shù)增加滲水速度逐漸變緩，并且各次滲透速度的差距逐漸縮小，最終達(dá)到一個穩(wěn)定的滲透速度。4種級配達(dá)到最終穩(wěn)定滲透的次數(shù)分別為11，6，5，3次(每次裝水量為3 992 g)。在試件成型前專門分3層進(jìn)行配料，擊實(shí)、滲水試驗(yàn)結(jié)束后，取試件上、中、下3層烘干、篩分后得到的級配如表4，可見滲透力已改變了試件的級配分布，從試件上部至下部級配逐漸變細(xì)，并且滲透力只搬運(yùn)了粒徑小于4.75 mm的細(xì)集料。

圖3 滲水速度與水頭差關(guān)系Fig. 3 Relationship between permeability velocity and water head difference

表4 水力滲透后0#級配碎石的級配分布

Table 4 Gradation distribution of 0# graded crushed stone after water permeability

相關(guān)參數(shù)篩孔尺寸/mm26.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075擊實(shí)前通過率(配料所得)/%100.082.973.663.847.025.113.29.67.35.54.42.9擊實(shí)后通過率(上、中、下部試樣按比例合成所得)/%100.088.475.662.149.630.716.711.58.25.84.62.9滲水后上部試樣通過率/%100.087.376.461.446.928.515.19.66.34.13.11.8滲水后中部試樣通過率/%100.087.569.757.044.529.416.912.29.06.34.92.9滲水后下部試樣通過率/%100.090.180.467.556.433.717.712.29.16.75.53.7

對滲流速度穩(wěn)定后0#，1#，3#，5#級配碎石的滲透速度與水頭差進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，計(jì)算得到20 cm水頭差滲流速度分別為162，41，55，8 mL/min；10 cm水頭差滲流速度分別為118，28，47，9 mL/min。按滲透系數(shù)公式計(jì)算、修正得到20 ℃滲透系數(shù)分別為：0.011 6，0.002 5，0.003 8，0.000 5 cm3/s。

1#，3#級配在日常施工中應(yīng)用較多，兩者滲透性差異不大，設(shè)計(jì)時宜優(yōu)先考慮承載能力較高的3#級配；5#級配雖然具有較高的承載能力但幾乎不具有滲水能力，根據(jù)文獻(xiàn)[8]提供的滲透性評價標(biāo)準(zhǔn)，5#級配并不適用于路面排水墊層。

5 水穩(wěn)定性研究

試驗(yàn)證明：滲透力會使級配碎石的級配分布改變，從而改變其物理性質(zhì)，即材料有可能出現(xiàn)與路用性能有關(guān)的水穩(wěn)定性問題。滲水試驗(yàn)說明：為數(shù)不多的數(shù)次滲透即會使級配碎石的滲水性能逐漸趨于穩(wěn)定，因此可以忽略滲透性能的水穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)而研究力學(xué)性能和體積指標(biāo)的水穩(wěn)定性。

5.1 靜水浸泡的強(qiáng)度影響

CBR試驗(yàn)是按照規(guī)程在浸水4 d后完成的，筆者接下來將按相同的成型條件檢測未浸泡試件的CBR值，用CBR比評價靜水浸泡對級配碎石承載能力的影響[9]。試驗(yàn)結(jié)果如表5。雖然各試件的估算成型干密度有一定差異，但保證了相同的成型擊實(shí)功和含水率。試驗(yàn)結(jié)果還是具有明顯規(guī)律性：4 d的靜水浸泡使得各組試件CBR值降低，干密度越小、CBR越小的級配碎石的CBR比也越低。因此，級配碎石的承載能力與水穩(wěn)定性具有相關(guān)性，承載能力越差的級配碎石的水穩(wěn)定性也越差。

表5 水對級配碎石承載能力的影響

5.2 水對級配碎石變形的影響

表3顯示級配碎石泡水4 d后膨脹量全部為負(fù)，說明級配碎石具有微弱的濕陷性。用百分表觀測12 cm高CBR試件在不同水環(huán)境下的豎向變形，結(jié)果如表6。靜水浸泡、自然風(fēng)干、水力滲透都會使級配碎石發(fā)生變形，并且都是收縮變形，只是3 d風(fēng)干的收縮量只有0.060-0.041=0.019 mm，小于3 d浸泡的收縮量0.039 mm。可以這樣理解：單向擊實(shí)(或碾壓)作用力成型的試件內(nèi)部并不穩(wěn)定，濕度循環(huán)、滲透造成的多方向水力作用使微小顆粒進(jìn)一步調(diào)整位置填充孔隙，增加材料密實(shí)性，宏觀表現(xiàn)為體積收縮。

試驗(yàn)條件下的最終收縮量最大0.07 mm，對應(yīng)收縮應(yīng)變0.000 58，按此推算層厚30 cm的級配碎石豎向變形也只有0.17 mm，其影響應(yīng)該不明顯。

條件所限，本次試驗(yàn)最長時間只有7 d，如果繼續(xù)施加水力作用，內(nèi)部顆粒是否會達(dá)到新的平衡狀態(tài)，級配碎石體積保持穩(wěn)定，或者在長期、大水頭的水力作用和頻繁的濕度循環(huán)下發(fā)生更大的變形，還有待進(jìn)一步研究。

表6 水對級配碎石變形的影響

6 結(jié) 論

1)0.075 mm通過率小于3%的級配碎石滲水效果好但CBR較小。0.075 mm通過率在3.6%～5.0%之間時級配碎石滲透性幾乎沒有差異，即存在滲透性能比較穩(wěn)定的級配區(qū)間，可選擇區(qū)間通過率上限提高其材料承載能力。0.075 mm通過率為7.6%時級配碎石基本不滲水但CBR大，可作為應(yīng)力(變形)緩沖層使用。因此，建議用于排水墊層的級配碎石0.075 mm通過率至少要小于5%。

2)0.075 mm通過率小于5%的級配碎石，其可壓實(shí)性對含水率已不敏感，工程實(shí)踐中應(yīng)取消此種材料的最佳含水率設(shè)計(jì)工作。重型擊實(shí)使0.075 mm通過率小于3%的級配碎石破碎嚴(yán)重，干密度異常提高，已不再適合作為標(biāo)準(zhǔn)密度使用。

3)滲透力改變了級配碎石的級配分布，造成滲透系數(shù)變化(也可能改變其它路用性能)。經(jīng)固定水頭差反復(fù)滲透后，級配碎石的滲透性能會趨于穩(wěn)定，在試驗(yàn)級配范圍內(nèi)穩(wěn)定的滲透系數(shù)為0.000 5～0.011 6 cm3/s。

4)級配碎石成型后初期有輕微的濕陷性，其水穩(wěn)定性與強(qiáng)度具有相關(guān)性，對強(qiáng)度越低的級配碎石而言，其力學(xué)性能的水穩(wěn)定性也越差。

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(責(zé)任編輯：劉 韜)

Performance Research of Bed Course Graded Crushed Stone

LIU Ke1，2

(1.Chongqing Zhixiang Paving Technology Engineering Co. Ltd., Chongqing 401336, P.R.China; 2.Yunnan Longjiang Grand Bridge Steel Deck Pavement and Highway Engineering Construction Laboratory, China Merchants Chongqing Communications Research and Design Institute Co. Ltd., Baoshan 679111, Yunnan, P.R.China)

In order to get appropriate composition of the graded crushed stone, the indoor studies of heavy compaction, California bearing ratio (CBR), coefficient of permeability and water stability test on six kinds of the graded crushed stone were conducted. Results show that penetration can change the gradation distribution of the graded crushed stone. Permeability coefficient will be stabilized with the increase of the penetration frequency. Permeability coefficient of the graded crushed stone with 0.075 mm passive rate (P0.075)is smaller than that of 3% graded crushed stone; and smaller CBR strength is >0.011 6 cm3/s. The discrepancy ofP0.075of the graded crushed stone in the range of 3.6%～5.0% is small, and selecting the upper limit of passive rate can coordinate the confliction between the permeability and the strength. CBR of the graded crushed stone whoseP0.075is 7.6% can be up to 196% and is hardly permeable.P0.075of the graded crushed stone with the drainage requirement is less than 5%, as the reduction of the filler causes the compaction of the material insensitive to the variation of water content, and there is no the optimum compaction water content. Heavy compaction breaks the aggregate seriously whenP0.075of the graded crushed stone is less than 3%. The abnormal increase of dry density is not suitable to be the compaction standard. Graded crushed stone at the early stage after forming is slightly collapsible, and its water stability is significantly associated with strength. CBR of the graded crushed stone is higher and the water stability is stronger.

highway engineering; water damage; pavement internal drainage; bed course; permeability coefficient; gradation design

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.05.06

2015-12-21；

2016-02-18

劉克(1983—)，男，重慶人，高級工程師，碩士，主要從事路基路面工程方面的研究。E-mail：liuke20027@163.com。

U416.217

A

1674-0696(2017)05-030-05