道路基層材料級配設計試驗研究

周 輝 張學峰 林起飛 楊歡歡

(1.河北建筑工程學院土木工程學院 張家口 075000;2.河北省高校綠色建材與建筑改造應用技術研發(fā)中心 張家口 075000)

0 引言

隨著城鎮(zhèn)現(xiàn)代化建設的蓬勃發(fā)展，我國對道路等級要求有所提高，由于汽車承重量加大，以及氣候溫度變化的影響，很多道路已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在公路基層設計規(guī)范的要求，需要對其進行翻修或者重建。道路基層材料性能的好壞和集料的級配密切相關，不良的級配可以使水穩(wěn)碎石基層材料的力學性能和耐久性能大幅度削弱，對于級配不好的集料可以通過增加膠凝材料摻加量來對其性能進行改善，但大量的膠凝材料的增加，材料的抗裂性能會減弱，這些問題引起了大量工程界和科研人員的關注。

彭波等[1]根據(jù)分形理論和篩孔級配理論共設計了10組級配，通過抗壓強度和劈裂強度試驗，結果發(fā)現(xiàn)這10組級配對應碎石的力學特性均比規(guī)范中值大，證實了這兩種級配理論適用性。蔣應軍等[2]用逐級填充法和I法級配設計得到設計級配并用SRX材料進行穩(wěn)定，結果表明設計級配下SRX穩(wěn)定碎石的力學性能優(yōu)于水泥穩(wěn)定碎石。賈敬立等[3]分別采用K法、I法、N法對水穩(wěn)碎石進行級配設計，再用貝雷法對其進行級配優(yōu)化。楊寶帥等[4]根據(jù)粒子干涉理論與最大密度曲線理論對再生集料的級配進行了設計，當天然細集料與再生粗集料比30%～60%時固結物的力學特性較好。羅迪、楊瑞華等[5,6]根據(jù)規(guī)范中對懸浮密實型和骨架密實型級配限值，制作水穩(wěn)碎石試件并對其力學性能和收縮性能試驗，結果表明骨架密實型級配制成的試件具有較好的路用性能和耐久性能。羅坤[7]對摻廢舊瀝青細集料的水泥穩(wěn)定碎石進行了級配設計。綜上前人的研究結果可知，均在0～31.5mm粒徑范圍集料進行級配設計，而在0～19mm粒徑范圍的級配研究較少。本研究對0～19mm粒徑范圍內集料的級配進行設計，采用逐級填充法設計4.75～19mm粗集料級配，泰波n法設計0～4.75mm細集料，再將粗集料和細集料按比例混合進行抗壓強度試驗得到最佳的級配，為實際工程提供參考。

1 原材料性質

天然集料采用的是4.75～19mm粒徑范圍的石灰?guī)r碎石，細集料為張家口當?shù)氐暮由埃椒秶?～10mm；水泥為強度等級42.5的普通硅酸鹽水泥；碎石、河砂、水泥的各項指標如表1、表2所示。

表1 天然集料的物理性質指標

表2 水泥主要技術指標

2 級配設計

根據(jù)規(guī)程[8]對高等級公路基層的級配要求，級配的范圍可以選擇 C-B-2型見表3，由表3可知0～19mm粒徑范圍，集料的分檔是比較細的，在此粒徑范圍內進行集料的級配設計。

表3 C-B-2型級配范圍

2.1 逐級填充法粗集料級配設計

采用逐級填充法對4.75～19mm粒徑范圍內的粗集料進行級配設計，4.75～19mm的集料分成4個部分，分別是19～16mm、16～13.2mm、13.2～9.5mm、9.5～4.75mm，為了方便敘述將這4部分集料按順序依次記為1號料、2號料、3號料、4號料，也可知道1號料粒徑>2號料粒徑>3號料粒徑>4號料粒徑。將這4部分集料根據(jù)粒徑尺寸由大到小依次進行填充，進行振實試驗[9]，測定逐級填充集料的堆積密度和骨料間隙率VCA值，VCA值的公式為：VCA=100×(1-ρ/ρb)，式中ρ為堆積密度，ρb毛體積密度。振實試驗依據(jù)規(guī)程[9]的操作要求進行。

1級填充：將1號料和2號料按照90∶10、80∶20、70∶30、60∶40、55∶45、50∶50、45∶55、40∶60、30∶70、20∶80、10∶90、0∶100的比例混合(均是質量之比，下同)，裝入容量筒中進行振實試驗，使容量筒中的集料達到最密實狀態(tài)，測定振實密度并計算出間隙率VCA，取VCA最小值點所對應的比例作為最佳比例，比值記為R1，并將1號料和2號料按照R1的比例混合，得到13.2～19mm范圍的集料。2級填充：將13.2～19mm的集料和3號料按照90∶10、80∶20、70∶30、60∶40、55∶45、50∶50、45∶55、40∶60、30∶70、20∶80、10∶90、0∶100的比例混合，測VCA值，取VCA最小值點所對應的比例作為最佳比例，比值記為R2，并將13.2～19mm集料和3號料按照R2的比例混合，得到9.5～19mm范圍的集料。3級填充：將13.2～19mm集料和4號料按照90∶10、80∶20、70∶30、60∶40、55∶45、50∶50、45∶55、40∶60、30∶70、20∶80、10∶90、0∶100的比例混合，測VCA值，取VCA最小值點所對應的比例作為最佳比例，比值記為R3。圖1為1、2、3級填充的堆積密度和VCA值趨勢圖。

由圖1(1)、(2)、(3)可知隨著2號料、3號料、4號料占比的增加，混合集料的堆積密度呈開口向下的二次函數(shù)曲線形式，存在波峰；間隙率VCA值呈現(xiàn)開口向上的二次函數(shù)曲線形式，存在波谷。這是因為骨料間的空隙被小一級的骨料填充，從而使集料間的堆積密度增大，但隨著小一級的骨料不斷增加，原本骨料間的空隙反而被小一級的骨料撐開，導致骨料的間隙增大，使堆積密度降低。同時由1(1)、(2)、(3)可知，最小VCA值對應的比例R1、R2、R3依次為55%、55%、50%，表明1號料與2號料之比為45∶55，3號料與13.2～19mm集料之比為55∶45，4號料與19～13.2mm集料之比為50∶50。經(jīng)過計算19～16mm、16～13.2mm、13.2～9.5mm、9.5～4.75mm集料之比為10.1∶12.4∶27.5∶50，即19～16mm、16～13.2mm、13.2～9.5mm、9.5～4.75mm集料與4.75～19mm的集料占比分別為10.1%、12.4%、27.5%、50%，說明粗集料在最密實情況下，集料尺寸越小，它在整個集料內的占比就越大。最密實情況下4.75～19mm集料的篩分通過率如表4所示，由表2可知19、16、13.2、9.5、4.75mm的篩分通過率依次為100%、89.9%、100%、77.5%、50%時集料最密實。

圖1 逐級填充試驗結果圖

表4 粗集料最佳級配

2.2 泰波n法細集料級配設計

采用泰波n法對細集料進行級配設計，泰波公式：P=100×(d/D)n，式中P為某一篩孔的通過百分率，d為篩孔尺寸，D為集料的最大粒徑。泰波理論認為n的取值在0.3～0.5之間細集料都具有較好的密實度，n值越大說明細集料占比越小，需要更多的能量才能使集料緊密[10]。將n值分別取0.3、0.4、0.5，根據(jù)表3可知4.75mm及以下的集料占比在35%～45%之間，因此將細集料占比為35%、40%、45%分別計算細集料級配，得到細集料級配如表5所示。

表5 細集料級配

由圖2 (1)、(2)、(3)可知當n≤0.4時，粒徑尺寸≤0.6mm以下的通過率均超過了規(guī)范的上限，當n取0.5時，35%細集料和45%細集料的級配在規(guī)范的限值之內，35%細集料和45%細集料的對應的第7組和第8組級配，將第7組級配和第8組級配作為0～4.75mm粒徑范圍的細集料級配，記為JP1和JP2。

圖2 不同n值下細集料級配曲線

2.3 粗、細集料混合級配設計

根據(jù)細集料級配JP1、JP2，結合表2中粗集料級配，得到粗、細混合料級配SJ1、SJ2，根據(jù)級配SJ1、SJ2、GF，其中GF表示規(guī)范中值級配，如表6所示。將SJ1、SJ2、GF這3組級配以5%水泥進行重型擊實試驗，測得這3組級配的所對應的最佳含水量和最大干密度值。根據(jù)得到的最佳含水量和最大干密度值反算每組級配中各檔集料的用量。并根據(jù)規(guī)程[10]采用靜壓成型法制作直徑和高度均為150mm的圓柱體水泥穩(wěn)定碎石試件，制件完成后放養(yǎng)護室養(yǎng)護7d，并進行抗壓強度試驗，測這3組級配所對應試件的抗壓強度值。所有集料在配料前都要進行篩分，分檔逐級回配，每組級配的抗壓強度試件做13個平行件，擊實、養(yǎng)護、制件、強度試驗的操作過程參考規(guī)程[11]的要求進行。試驗結果見表7。

表6 設計級配和規(guī)范中值級配

表7 試驗結果

表7中的R表示抗壓強度，由表7可知SJ2級配的最大干密度和7d無側限抗壓強度值均最大，說明在在SJ2級配下，水穩(wěn)碎石材料的最密實，且具有較好的抗壓性能。表明最優(yōu)級配下19、16、13.2、9.5、4.75、2.36、0.6、0.3、0.15、0.075mm 篩孔通過率分別為 100%、91.9%、84.5%、70.3%、40.0%、28.2%、19.9%、14.2%、10%、7%、5%，且該級配下固結物的7d無側限抗壓強度值為6.881MPa，大于5MPa，滿足規(guī)范[8]中特重、極重交通基層的強度要求。

3 結論

(1)逐級填充結果表明，隨著小一級集料的摻加量增大時，混合集料的堆積密度呈開口向上的二次函數(shù)曲線形式，存在波峰；間隙率VCA值呈現(xiàn)開口向下的二次函數(shù)曲線形式，存在波谷，得到4.75～19mm粒徑范圍的最佳級配，最密實情況下19、16、13.2、9.5、4.75mm的篩分通過率依次為100%、89.9%、100%、77.5%、50%，當集料粒徑尺寸越小，粒徑越小集料在4.75～19mm集料的占比就越大。

(2)泰波法級配設計結果表明，n≤0.4時，粒徑尺寸≤0.6mm以下的通過率均超過了規(guī)范的上限，當n取0.5時，35%細集料和45%細集料的級配在規(guī)范的限值之內。

(3)通過對粗、細混合級配設計可知19、16、13.2、9.5、4.75、2.36、0.6、0.3、0.15、0.075mm篩孔通過率分別為100%、91.9%、84.5%、70.3%、40.0%、28.2%、19.9%、14.2%、10%、7%、5%時，水穩(wěn)碎石基層材料的最大干密度、抗壓強度值最大，抗壓強度值為6.881MPa，大于5MPa，滿足特重、極重交通基層的強度要求。