集料針片狀顆粒含量對CBR的影響

薛連旭，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.華南理工大學廣州學院，廣州 510800)

0 引言

針片狀顆粒是指粗集料顆粒中最大長度方向(或寬度)與最小厚度方向(或直徑)尺寸比大于3:1的顆粒[1]，在一定程度上可以表征集料抵抗壓碎的能力[2]。針片狀顆粒多呈細長或扁平狀，在施工壓實過程或正常行車過程中受到車輛荷載的反復作用后易發(fā)生壓斷和壓碎[3]，導致集料之間的嵌擠作用減弱，進而影響混合料的路用性能。公路瀝青路面施工技術規(guī)范對集料中的針片狀顆粒含量進行了規(guī)定[4]，但規(guī)范所涉面較廣、編寫時間較早、適用于各種級配。近年來，研究學者開展了集料針片狀顆粒含量對瀝青混合料性能的影響研究，發(fā)現隨著針片狀顆粒含量的增大，集料破碎率增大，混合料孔隙率增大，水穩(wěn)定性、抗疲勞性能、高溫穩(wěn)定性顯著降低[1，5，6，7]。紀倫、張磊等[8-9]基于CT掃描技術，對不同針片狀顆粒含量的混合料內部結構進行研究，并提出了不同針片狀顆粒含量的瀝青混合料結構參數和體積指標。作為粗集料間嵌擠能力的間接評價指標，集料承載比(CBR)受針片狀顆粒含量影響程度的研究卻幾乎空白?；诖?，本文通過改進的CBR試驗[10]，分析研究針狀與片狀顆粒含量對CBR和破碎率的影響，用于指導粗集料嵌擠能力的評價，并在此基礎上提出骨架嵌擠型密級配粗集料的針片狀顆粒含量控制標準。

1 原材料

集料選用廣西某石場的石灰?guī)r，物理指標及篩分情況見表1和表2。開展CBR試驗前，按照粗集料針片狀顆粒含量試驗(游標卡尺法)的檢測方法[11]從同種規(guī)格集料中挑選針狀及片狀集料顆粒，通過回配的方式制備不同針狀、片狀顆粒含量的集料樣品。

表1 石灰?guī)r(10～20mm)物理指標

表2 石灰?guī)r(10～20mm)篩分情況

2 試驗方案

對《公路土工試驗規(guī)程》中規(guī)定的土的承載比(CBR)試驗方法[10]進行改進。

儀器設備：路面材料強度儀，貫入速度1mm/min；試筒，內徑152mm、高170mm；貫入桿，端面直徑50mm、長100mm；墊塊和壓塊，直徑151mm、高50mm；其它同T 0134-1993承載比(CBR)試驗。

成型方式：采用“三裝一壓”的成型方式，即將混合均勻的試驗樣品分3次裝入試筒，每裝一次便對表面進行整平，然后繼續(xù)裝入下一層。最后一層裝完并整平后，放置壓力板，將試筒連同集料和壓力板一起放置于路面材料強度儀上，施加10kN的荷載進行壓實成型。成型后，從試筒中取出壓力板，換上荷載板，調整好儀器，進行CBR貫入試驗，計算不同針狀或片狀顆粒含量集料的CBR值。

圖1 裝料后放入壓力板的狀態(tài)

圖2 壓實成型過程

圖3 貫入試驗過程

3 試驗結果分析

3.1 針狀顆粒含量對CBR與破碎率的影響

分別配制針狀顆粒含量為0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%的集料，并測試其CBR與破碎率，試驗結果如圖4所示。

圖4 CBR與破碎率隨集料針狀顆粒含量的變化趨勢

由圖4可看出：CBR與破碎率隨集料針狀顆粒含量的變化趨勢一致。當集料中的針狀顆粒含量在0%～5%范圍內時，CBR和破碎率呈上升趨勢，可能是由于針狀顆粒之間互相搭接成“梁體”，阻礙了貫入過程；同時，CBR升高的過程也是貫入力增加的過程，該過程中部分承載力較弱的“梁體”在逐漸增加的貫入力作用下開始斷裂，故CBR和破碎率的增大速度逐漸變緩。當集料中的針狀顆粒含量在5%～25%范圍內時，CBR和破碎率呈先升后降的趨勢，主要是由于隨著針狀顆粒含量的增多，針狀顆粒破碎數量增多但幅度不大，因而破碎率降低，CBR也隨之降低；隨著針狀顆粒含量的進一步增多，“梁體”的數量越來越多，貫入阻力提升，導致CBR和破碎率再次提升。當集料中的針狀顆粒含量在25%～30%范圍內時，CBR和破碎率呈下降趨勢，主要是由于針狀顆粒含量太多，“梁體”數量進一步增多，導致破碎率下降的同時CBR下降。

針狀顆粒含量<25%時，CBR和破碎率兩者間的波動較大；針狀顆粒含量=25%時，CBR和破碎率發(fā)生重合；針狀顆粒含量>25%時，CBR和破碎率兩者間的相互影響不再敏感。說明集料中的針狀顆粒含量超過25%后，針狀顆粒不再是集料性質的影響因素，而變?yōu)橹鲗砸蛩?。因此，集料中的針狀顆粒含量不宜超過25%。

3.2 片狀顆粒含量對CBR與破碎率的影響

分別配制片狀顆粒含量為0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%的集料，并測試其CBR與破碎率，試驗結果如圖5所示。

圖5 CBR與破碎率隨集料片狀顆粒含量的變化趨勢

由圖5可看出：破碎率隨集料片狀顆粒含量的變化趨勢類似于CBR與破碎率隨針狀顆粒含量的變化趨勢。主要區(qū)別在于集料中的片狀顆粒含量在0%～10%范圍內時，破碎率變化呈上升趨勢，即該范圍增大，說明片狀顆粒更易被壓碎，可能是由于片狀顆粒受力面積比針狀顆粒大所致。

片狀顆粒含量<10%時，片狀顆粒含量對CBR幾乎沒有影響，即該階段片狀顆粒不會影響集料間的嵌擠性；片狀顆粒含量=25%時，CBR和破碎率發(fā)生重合；片狀顆粒含量>25%時，CBR和破碎率兩者間的波動較大。該特性對于級配很重要，對骨架嵌擠要求不高的連續(xù)型級配，集料中的片狀顆粒含量可超過10%；但對骨架嵌擠型級配，集料中的片狀顆粒含量不宜超過10%。

3.3 針狀、片狀顆粒含量對CBR的影響對比

針狀、片狀顆粒含量分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%集料的CBR測試結果如圖6所示。

圖6 CBR隨集料針狀、片狀顆粒含量的變化趨勢對比

由圖6可看出：當針狀顆粒含量或片狀顆粒含量<20%時，CBR隨針狀顆粒含量或片狀顆粒含量的變化趨勢基本一致；且在針狀顆粒含量或片狀顆粒含量0%～30%范圍內，含有針狀顆粒集料的CBR值始終大于相同含量的片狀顆粒集料的CBR值。說明針狀顆粒在集料中不僅會形成“梁體”，甚至會“釘”入其中并形成“卡點”，從而阻止集料滑移；片狀顆粒在集料中大多只能形成“梁板”，平鋪于集料中，容易發(fā)生集料滑移。由此可推斷，集料中針狀顆粒比片狀顆粒的危害性大。

在針狀顆粒含量或片狀顆粒含量為10%、20%處，集料的CBR值出現了兩次相交。當針狀顆粒含量或片狀顆粒含量>20%后，CBR隨針狀顆粒含量或片狀顆粒含量的變化趨勢完全相反，預計會在含量31%處出現第三次相交。說明當含量為10%、20%、31%時，針狀顆粒與片狀顆粒對CBR的影響基本相同。結合上兩節(jié)的分析，僅考慮針狀顆粒含量或片狀顆粒含量為10%和20%兩種情況。當針狀顆粒含量或片狀顆粒含量為10%時，CBR值幾乎沒有變化；當含量為20%時，CBR值下降了5%。這兩個限值提供了一個劃分集料品級的依據，即對于可靠度要求比較高的工程，針狀或片狀顆粒含量宜小于10%，其他工程宜小于20%。

當針狀顆粒含量或片狀顆粒含量>20%時，針狀顆粒和片狀顆粒在集料中的作用機理各異，可能是由于針狀顆粒仍在斷裂增加了嵌擠力；而片狀顆粒形成的大量“板體”，使得集料在貫入過程中更易滑動，導致CBR下降。但具體原因需進一步研究分析。

3.4 針狀、片狀顆粒含量對破碎率的影響對比

針狀、片狀顆粒含量分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%集料的破碎率測試結果如圖7所示。

圖7 破碎率隨集料針狀、片狀顆粒含量的變化趨勢對比

由圖7可看出：破碎率隨集料針狀顆粒含量和片狀顆粒含量的變化趨勢一致，其區(qū)別在于出現峰值和拐點的位置。當針狀或片狀顆粒含量<20%時，兩種集料的破碎率不但趨勢一致，數值也基本一致；當含量大于20%時，兩種集料的破碎率變化趨勢一致，但數值開始出現分化。

4 結論

(1)集料中針狀顆粒含量超過25%后，針狀顆粒不再是集料性質的影響因素，而變?yōu)橹鲗砸蛩兀ㄗh集料中的針狀顆粒含量不宜超過25%。

(2)片狀顆粒含量<10%時，片狀顆粒含量對CBR幾乎沒有影響，即該階段片狀顆粒不會影響集料間的嵌擠性，建議對骨架嵌擠型級配的集料中的片狀顆粒含量不宜超過10%。

(3)當含量為10%、20%時，針狀顆粒與片狀顆粒對CBR的影響相當，但含量為20%時的CBR值更優(yōu)?；诖耍岢隽藙澐旨掀芳壍囊罁?，即對于可靠度要求較高的工程，針狀或片狀顆粒含量宜小于10%，其他工程宜小于20%。

(4)破碎率隨集料針狀顆粒含量和片狀顆粒含量的變化趨勢一致。當針狀或片狀顆粒含量<20%時，破碎率變化趨勢與數值均一致；當含量大于20%時，破碎率變化趨勢一致、數值開始出現分化。

綜合分析，建議骨架嵌擠型級配或可靠度要求較高的工程所用粗集料中的針片狀顆粒含量不宜超過10%，其他級配或工程所用粗集料中的針片狀顆粒含量不宜超過20%。