基于試件尺度對礦料承載比CBR的影響及其變異性

莫石秀，羅立峰，張先念

(1.廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司，廣州 510623；2.廣州城市理工學(xué)院，廣州 510800)

0 引言

CBR-V法(力學(xué)-體積法)礦料配合比設(shè)計(jì)方法的思路是將一個(gè)礦質(zhì)集料配合比設(shè)計(jì)分為兩部分，即骨架部分的力學(xué)設(shè)計(jì)(CBR)和密實(shí)部分的體積(V)設(shè)計(jì)[1-4]。CBR-V礦質(zhì)集料級配設(shè)計(jì)法能最大限度地發(fā)揮集料的骨架作用，所設(shè)計(jì)的瀝青混合料配合比具有較高的抗剪性能，較高的抗車轍性能和優(yōu)良的抗推移性能，因此尤其適用于南方濕熱地區(qū)。

在利用CBR-V礦料級配設(shè)計(jì)方法進(jìn)行級配設(shè)計(jì)時(shí)，由于所測CBR的對象是礦質(zhì)集料，而礦質(zhì)集料是散體材料，屬非連續(xù)結(jié)構(gòu)[5-7]，因此如果采用土的承載比(CBR)試驗(yàn)方法直接進(jìn)行測定CBR值時(shí)，所測CBR值的離散性較大，以至于無法使用。為解決CBR試驗(yàn)結(jié)果離散性大的問題，薛連旭[8]等人提出了改進(jìn)試件成型的方式提升CBR試驗(yàn)的穩(wěn)定性；莫石秀[9]等人通過改變壓板重量等措施，研究了對減小CBR測定值的離散性的效果。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，聚焦于試件的尺度效應(yīng)，考察試件尺度變化對CBR試驗(yàn)值離散性的影響，為CBR-V礦料級配設(shè)計(jì)方法的順利實(shí)施打下基礎(chǔ)。

1 集料承載比(CBR)試驗(yàn)設(shè)備

1.1 路強(qiáng)儀

路強(qiáng)儀試驗(yàn)機(jī)為紹興市成海機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀CH-128B，如圖1所示。主要技術(shù)指標(biāo)：

圖1 路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀

(1)試驗(yàn)系統(tǒng)工作電壓：AC220V，50Hz。

(2)試驗(yàn)系統(tǒng)最大功耗：50W。

(3)允許最大傳感器：200kN。

(4)負(fù)荷傳感器示值精度：優(yōu)于±1%，0.01mm。

1.2 試筒

為考察不同尺度的試件對集料承載比(CBR)測定及變異系數(shù)的影響，委托路強(qiáng)儀廠家加工直徑分別為15.2cm、17cm、19cm、21cm、23cm、27cm，高度為18cm的壓力桶。試件高度通過裝料高度的不同進(jìn)行限定，試驗(yàn)中裝料高度分別為10cm、11cm、12cm、13cm、14cm、15cm、16cm、17cm、18cm，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)用加工的試模

1.3 貫入桿

端面直徑50mm、長約100mm的金屬柱。

1.4 荷載板

直徑150mm，中心孔眼直徑52mm，每塊質(zhì)量1.25kg，共4塊，并沿直徑分為兩個(gè)半圓塊。

1.5 壓力板

直徑148mm，厚20mm，中間刻畫直徑為50mm的同心圓，以方便貫入桿下壓時(shí)對中。帶耳，方便取放(該配件土工承載比CBR試驗(yàn)中沒有，需另行加工)，如圖3所示。

圖3 壓力板(單位：mm)

2 集料承載比(CBR)試驗(yàn)方法

2.1 試樣

(1)根據(jù)具體試驗(yàn)確定料的數(shù)量，之后風(fēng)干試料(必要時(shí)可在50℃烘箱內(nèi)烘干)，用四分法將取出的試料分成6份，供制作試件之用。

(2)由試筒體積和集料緊密堆積密度反算所用一筒料的重量。

2.2 試驗(yàn)步驟

(1)將試筒放在堅(jiān)硬的地面上，將備好的料再次摻配均勻，一次性倒入筒內(nèi)并控制試料表面距試筒頂?shù)木嚯x，整平表面，放入壓力板。

(2)將試筒連同試筒中的集料和壓力板移動(dòng)至路強(qiáng)儀，將貫入桿對中壓力板的中心施加荷載。根據(jù)試驗(yàn)研究：石灰?guī)r的成型壓力為10kN，輝綠巖、花崗巖等成型壓力為15kN。施加壓力可以用路強(qiáng)儀，也可使用其他加載設(shè)備。

(3)達(dá)到成型壓力后，卸載。

(4)取出加力板，換上荷載板,荷載板共4層。

(5)進(jìn)行貫入試驗(yàn)。先在貫入桿上施加45N荷載，接著將測力和測變形的百分表指針調(diào)整至整數(shù)，并記讀起始讀數(shù)。然后，加荷使貫入桿以1mm/min的速度壓入試件，同時(shí)測記三個(gè)百分表讀數(shù)。記錄測力計(jì)內(nèi)百分表某些整讀數(shù)時(shí)的貫入量，并注意使貫入量為250×10-2mm時(shí)，能有5個(gè)以上的讀數(shù)。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

(1)貫入量為2.5mm時(shí)的材料承載比CBR2.5：

式中：p2.5—貫入量為2.5mm時(shí)對應(yīng)的單位壓力(kPa)。

(2)貫入量為5.0mm時(shí)的材料承載比CBR5.0：

式中：p5.0—貫入量為5.0mm時(shí)對應(yīng)的單位壓力(kPa)。

試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)以2.5mm時(shí)的承載比作為校核，采用貫入量為5.0mm時(shí)的承載比結(jié)果。若出現(xiàn)貫入量為2.5mm時(shí)的承載比大于5.0mm時(shí)的承載比，則本次試驗(yàn)廢止，重新補(bǔ)做一次試驗(yàn)。本次試驗(yàn)每組6個(gè)試件。在進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)，先將6個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均，刪除和平均值差值最大的兩個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，保留4個(gè)有效數(shù)據(jù)；然后按照4個(gè)有效數(shù)據(jù)利用EXCEL表格進(jìn)行均值(AVERAGE)、無偏差方差(STDEV.S)(n-1)及變異系數(shù)(CV)計(jì)算整理。

3 原材料

為得到比較有代表性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取了種類和粒徑大小不同的三種集料，它們分別為花崗巖19～31.5mm，石灰?guī)r19～26.5mm和輝綠巖16～19mm，前后歷時(shí)半年，進(jìn)行了近300次集料承載比(CBR)試驗(yàn)。

3.1 集料(19～31.5mm)

選用萬禾石場生產(chǎn)的19～31.5mm花崗巖碎石，其物理參數(shù)見表1。

表1 集料(19～31.5mm)花崗巖碎石物理參數(shù)

3.2 集料(19～26.5mm)

選用華潤水泥(封開)有限公司石場生產(chǎn)的集料(19～26.5mm)石灰?guī)r碎石，其物理參數(shù)見表2。

表2 集料(19～26.5mm)石灰?guī)r碎石物理參數(shù)

3.3 集料(16～19mm)

選用河源芙蓉石場生產(chǎn)的集料(16～19mm)輝綠巖碎石，其物理參數(shù)見表3。

表3 集料(16～19mm)輝綠巖碎石物理參數(shù)

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 花崗巖(19～31.5mm)

4.1.1CBR值及變化趨勢

不同尺度試件測定花崗巖(19～31.5mm)集料的CBR值及變化趨勢見表4和圖4所示。

表4 不同尺度試件測定花崗巖(19～31.5mm)集料CBR值(單位：%)

圖4 不同尺度試件測定花崗巖(19～31.5mm)集料CBR值的變化趨勢

由表4和圖4可知，同徑不同高度時(shí)CBR值的變化規(guī)律性不強(qiáng)，變化波動(dòng)性不大，總體表現(xiàn)為對高度變化的敏感性不強(qiáng)。具體情況為直徑小的兩個(gè)φ15.2cm 和φ17cm表現(xiàn)為先降后升的趨勢，變化趨勢如凹形拋物線；其余三個(gè)表現(xiàn)為先升再降的趨勢，呈凸形拋物線。變化波動(dòng)最大的為φ19cm，最小的為φ23cm，次小的為φ15.2cm，說明φ19cm隨高度變化，CBR值變化比較明顯，φ23cm隨高度變化時(shí)CBR值的變化不明顯，φ15.2cm處于兩者之間。

此外，試桶直徑由小到大的變化過程中，CBR值由大逐漸變小?？傮w來看，試模直徑越小，CBR值越大，主要是因?yàn)閭?cè)壓力與CBR成正比的關(guān)系所致。當(dāng)試模直徑小時(shí)，側(cè)壓力較大，導(dǎo)致CBR變大；當(dāng)試模直徑變大時(shí)，側(cè)壓力變小，表現(xiàn)為CBR比較小。

4.1.2 變異系數(shù)(CV)及變化趨勢

不同尺度試件測定花崗巖(19～31.5mm)集料CBR值的變異系數(shù)(CV)及變化趨勢見表5和圖5所示。

表5 不同尺度試件測定花崗巖(19～31.5mm)集料CBR值的變異系數(shù)(CV)

圖5 不同尺度試件測定花崗巖(19～31.5mm)集料CBR值的變異系數(shù)變化趨勢

由表5和圖5可知，同徑不同高度時(shí)變異系數(shù)的變化趨勢為φ15.2cm、φ19cm、φ21cm和φ23cm表現(xiàn)為先升后降的變化趨勢，其趨勢線呈凸形；φ17cm表現(xiàn)為逐漸上升的過程。

根據(jù)土的承載比(CBR)試驗(yàn)(T0134—1993)規(guī)定的精密度和允許差CV≤12的要求[10]，由表5和圖5可知，φ17cm、φ19cm和φ23cm均不能滿足這一要求，只有φ15.2cm和φ21cm部分試件高度范圍能滿足這一要求。能滿足精密度和允許差CV≤12要求的是φ15.2cm試件高度小于12cm和φ21cm大于17.6cm的部分。由此也可以看出，花崗巖集料(19～31.5cm)進(jìn)行CBR試驗(yàn)時(shí)，其離散性比較大。分析認(rèn)為，要提高該檔料CBR試驗(yàn)的成活率，應(yīng)注意控制檔料的針片狀含量。相關(guān)研究表明[11]，針片狀含量應(yīng)控制在10%以內(nèi)。

4.2 石灰?guī)r(19～26.5mm)

4.2.1CBR值及變化趨勢

不同尺度試件測定石灰?guī)r(19～26.5mm)集料的CBR值及變化趨勢見表6和圖6所示。

表6 不同尺度試件測定石灰?guī)r(19～26.5mm)集料CBR值(單位：%)

圖6 不同尺度試件測定石灰?guī)r(19～26.5mm)集料CBR值的變化趨勢

由表6和圖6可知，同徑不同高度時(shí)CBR值的變化規(guī)律性不強(qiáng)，對高度變化的敏感性不強(qiáng)，基本平順。同徑不同高度時(shí)的CBR變化波動(dòng)最大的為φ21cm，最小的為φ15.2cm，次小的為φ19cm，說明φ21cm隨高度變化，CBR值變化比較明顯，φ23cm隨高度變化時(shí)CBR值的變化不明顯。試桶直徑由小到大變化過程中，CBR值由大逐漸變小?？傮w來看，試模直徑越小，CBR值越大，這一規(guī)律和花崗巖碎石(19～31.5mm)CBR試驗(yàn)一致。

4.2.2 變異系數(shù)(CV)及變化趨勢

不同尺度試件測定石灰?guī)r(19～26.5mm)集料CBR值的變異系數(shù)(CV)及變化趨勢見表7和圖7所示。

表7 不同尺度試件測定石灰?guī)r(19～26.5mm)集料CBR值的變異系數(shù)(CV)

圖7 不同尺度試件測定石灰?guī)r(19～26.5mm)集料CBR值的變異系數(shù)變化趨勢

由表7和圖7可知，同徑不同高度時(shí)變異系數(shù)變化趨勢為φ17cm、φ21cm和φ23cm表現(xiàn)為先降后升的變化趨勢，其趨勢線為凹形；φ15.2cm和φ17cm變異系數(shù)表現(xiàn)為先升后降的趨勢，其趨勢線呈凸形。

根據(jù)土的承載比(CBR)試驗(yàn)(T0134—1993)規(guī)定的精密度和允許差CV≤12的要求；φ15.2cm在10～18cm試驗(yàn)高度范圍內(nèi)均滿足要求，φ17cm在11～16cm試驗(yàn)高度范圍內(nèi)滿足要求，φ19cm在大于15cm高度范圍內(nèi)滿足要求，其它φ21cm和φ23cm全部試驗(yàn)高度及其它部分均不能滿足這一要求。

相比花崗巖碎石(19～31.5mm)CBR試驗(yàn)，滿足精密度和允許差CV≤12要求的范圍已得到較大提升，這當(dāng)然與材料本身有關(guān)，但大概率應(yīng)該主要是因?yàn)榧系牧綔p小所致。由此可見，當(dāng)集料最大粒徑由31.5mm下降到26.5mm時(shí)，CBR試驗(yàn)的穩(wěn)定性會(huì)得到較大的提高，說明CBR試驗(yàn)對集料粒徑的敏感性較高，也表明新近頒布的行業(yè)規(guī)范，趨向于降低集料粒徑大小的思路是正確的。集料的粒徑適當(dāng)降低后，減少了混合料的離析，從而大幅度提升混合料的施工質(zhì)量。

4.3 輝綠巖(16～19mm)

4.3.1CBR值及變化趨勢

不同尺度試件測定輝綠巖(16～19mm)集料的CBR值及變化趨勢見表8和圖8所示。

表8 不同尺度試件測定輝綠巖(16～19mm)集料CBR值(單位：%)

圖8 不同尺度試件測定輝綠巖(16～19mm)集料CBR值的變化趨勢

由表8和圖8可知，同徑不同高度時(shí)CBR值變化規(guī)律性不強(qiáng)，波動(dòng)性不大，基本平順。同徑不同高度時(shí)的CBR隨試模直徑的增大而減小且規(guī)律性明顯?？偟囊?guī)律同花崗巖碎石(19～31.5mm)和石灰?guī)r碎石(19～26.5mm)。

4.3.2 變異系數(shù)(CV)及變化趨勢

不同尺度試件測定輝綠巖(16～19mm)集料CBR值的變異系數(shù)(CV)及變化趨勢見表9和圖9所示。

表9 不同尺度試件測定輝綠巖(16～19mm)集料CBR值的變異系數(shù)(CV)

圖9 不同尺度試件測定輝綠巖(16～19mm)集料CBR值的變異系數(shù)變化趨勢

由表9和圖9可知，同徑不同高度時(shí)變異系數(shù)變化有波動(dòng)但不明顯。不同徑同高度時(shí)的變化有波動(dòng)也不明顯。

變異系數(shù)對試件高度和直徑的變化不敏感，說明該種料對試件尺度的敏感性下降了，不同于花崗巖(19～31.5mm)和石灰?guī)r(19～26.5mm)。

根據(jù)土的承載比(CBR)試驗(yàn)(T0134—1993)規(guī)定的精密度和允許差CV≤12的要求，各尺度試件試驗(yàn)均滿足要求。

進(jìn)一步分析以上數(shù)據(jù)，該檔料(16～19mm)輝綠巖集料在不同尺度試件測定集料承載比(CBR)時(shí)變異系數(shù)如此穩(wěn)定，應(yīng)與該料的粒徑大小、針片狀含量有關(guān)?？梢灶A(yù)測當(dāng)檔料小于20mm、針片狀含量小于10%時(shí)，測定集料承載比(CBR)時(shí)，變異系數(shù)較小，易滿足承載比(CBR)試驗(yàn)(T0134—1993)規(guī)定的精密度和允許差CV≤12的要求。

5 結(jié)論及建議

(1)三種集料在相同高度時(shí)，CBR值均隨試件直徑的增大而減小，說明側(cè)壓力越大CBR值越大。

(2)三種集料同徑不同高度時(shí)CBR值的變化規(guī)律性不強(qiáng)。

(3)三種集料滿足土的承載比(CBR)試驗(yàn)(T0134—1993)規(guī)定的精密度和允許差CV≤12的要求部分有：

19～31.9mm花崗巖集料φ15.2cm試件高度小于12cm和φ21cm大于17.6cm的部分。

19～26.5mm石灰?guī)r集料φ15.2cm在10～18cm試驗(yàn)高度范圍內(nèi)滿足要求，φ17cm在11～16cm試驗(yàn)高度范圍內(nèi)滿足要求，φ19cm在大于15cm試驗(yàn)高度范圍內(nèi)滿足要求。

16～19mm輝綠巖集料各尺度試件試驗(yàn)均滿足要求。

(4)分析以上結(jié)論，其公共的部分為φ15.2cm，高度為10cm和12cm，承載比(CBR)試驗(yàn)(T0134—1993)試件的高度為12cm。按照遵循原規(guī)范盡量少改變的原則，本文建議試件的高度取11.0cm，即建議集料承載比(CBR)試驗(yàn)試件的直徑取φ15.2cm，試件高度取11.0cm。