大粒徑級(jí)配碎石力學(xué)性能研究

為研究增大級(jí)配碎石的粒徑對(duì)級(jí)配碎石力學(xué)性能的影響，文章對(duì)大粒徑級(jí)配碎石與傳統(tǒng)細(xì)級(jí)配碎石分別進(jìn)行密度測(cè)定、CBR測(cè)定和破碎率測(cè)定試驗(yàn)。結(jié)果表明：振動(dòng)壓實(shí)成型條件下，隨著級(jí)配減小，大粒徑級(jí)配碎石和傳統(tǒng)級(jí)配碎石的密度均呈增大趨勢(shì)，而兩者的級(jí)配與CBR無(wú)明顯關(guān)系；級(jí)配碎石的破碎率隨著級(jí)配的減小而先增大后減小，破碎率與顆粒間的接觸面積和級(jí)配的密實(shí)度有關(guān)；與傳統(tǒng)細(xì)級(jí)配碎石相比，大粒徑級(jí)配碎石的松裝密度、插搗密度和振實(shí)密度的最大值均更高，空隙率的最小值要更小，說(shuō)明大粒徑級(jí)配碎石具備更好的力學(xué)性能和抗剪切能力。

大粒徑級(jí)配碎石；密度；CBR；破碎率；空隙率

U416.214A120383

作者簡(jiǎn)介：

麥" 穗（1998—），助理工程師，主要從事道路工程技術(shù)服務(wù)工作。

0" 引言

在我國(guó)，路面基層通常采用半剛性基層［1］，其具備較好的承載力和穩(wěn)定性，但半剛性基層在服役進(jìn)程中會(huì)導(dǎo)致瀝青面層產(chǎn)生反射裂縫，裂縫形成后，道路表面的積水會(huì)滲入基層，造成基層的唧泥和沖刷等二次病害［2］。與半剛性基層相比，柔性基層的變形更為協(xié)調(diào)，抗重載能力也更優(yōu)［3-5］。目前常通過(guò)增加柔性基層的厚度來(lái)使柔性路面的結(jié)構(gòu)符合強(qiáng)度要求，但這樣會(huì)增大路面的彎沉值，容易造成車轍等病害［6］。因此，現(xiàn)階段亟須一種能減少柔性基層厚度且滿足路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求的方法。柔性基層通常采用級(jí)配碎石，其由特定比例的礦質(zhì)集料拌和形成［7］，其強(qiáng)度主要來(lái)自骨架顆粒間嵌擠產(chǎn)生的內(nèi)摩阻力，若增大礦料級(jí)配的粒徑，就可以增大礦料混合物的內(nèi)摩擦角，進(jìn)而提高礦料混合物的承載能力［8］。

綜上所述，本文以提高柔性基層的承載力為目標(biāo)，以增大級(jí)配碎石的粒徑為手段，開展大粒徑級(jí)配碎石的力學(xué)性能研究，研究增大級(jí)配碎石的粒徑對(duì)級(jí)配碎石力學(xué)性能的影響。

1" 原材料及試驗(yàn)方法

1.1" 原材料

試驗(yàn)所用碎石來(lái)源于廣西天巴路某攪拌站，母巖為

石灰?guī)r，其抗壓強(qiáng)度100 MPa。試驗(yàn)采用的碎石分為1#（20～40）mm、2#（20～30）mm、3#（10～20）mm、4#（5～10）mm、5#（0～5）mm五檔料，其基本性質(zhì)見表1。

1.2" 試驗(yàn)級(jí)配設(shè)計(jì)

為研究增大級(jí)配碎石的粒徑對(duì)其力學(xué)性能的影響，需要對(duì)級(jí)配碎石的級(jí)配進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)3個(gè)圓球相互接觸時(shí)，圓球中間所形成的空隙為圓球直徑的1/6.67，因此當(dāng)碎石的最大粒徑為53 mm時(shí)，其關(guān)鍵篩孔為9.5 mm，故9.5～53 mm可看作是骨架顆粒，0～9.5 mm可看作是填隙顆粒。大粒徑級(jí)配碎石設(shè)計(jì)合成級(jí)配通過(guò)率如表2所示。此外，設(shè)計(jì)了2組傳統(tǒng)細(xì)級(jí)配作為對(duì)比驗(yàn)證，傳統(tǒng)細(xì)級(jí)配碎石設(shè)計(jì)合成級(jí)配通過(guò)率如表3所示。

對(duì)表2和表3所述級(jí)配的級(jí)配碎石進(jìn)行不同含水率下的最大密度測(cè)定試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)級(jí)配為7∶3、6.5∶3.5、6∶4、5.5∶4.5、5∶5和4.5∶5.5的級(jí)配碎石密度最大時(shí)其含水率分別為3.5%、4.0%、4.5%、4.8%、5.1%和5.5%，故按上述含水率成型不同級(jí)配下的試件。

1.3" 密度和CBR測(cè)定方法

試驗(yàn)采用DZ-13型振動(dòng)壓實(shí)成型機(jī)、鋼模（內(nèi)徑152 mm，高170 mm）、電子秤和鋼墊塊（直徑150 mm，厚50 mm）進(jìn)行振動(dòng)壓實(shí)成型試樣。測(cè)定試樣密度和CBR的步驟為：

（1）集料準(zhǔn)備。按設(shè)計(jì)合成的級(jí)配稱取5 kg級(jí)配碎石。

（2）悶料。將稱取好的級(jí)配碎石按最佳含水率加入自來(lái)水，拌和均勻后覆蓋保鮮膜悶料12 h。

（3）成型試樣。裝料前稱取試模（鋼模和鋼墊塊）的重量。稱重結(jié)束后，將養(yǎng)護(hù)好的級(jí)配碎石分兩次均勻加入制樣鋼模，裝料完成后啟動(dòng)振動(dòng)壓實(shí)成型機(jī)的振動(dòng)加靜壓功能，振動(dòng)頻率設(shè)置為30 Hz，每次振動(dòng)壓實(shí)4 min。

（4）測(cè)定密度。振動(dòng)壓實(shí)完成后稱取試樣和試模的總重量，試樣最終高度以壓實(shí)完成后的實(shí)際高度為準(zhǔn)（用尺子測(cè)量石料高出或低于鋼模多少mm）。

（5）CBR測(cè)定。按規(guī)范要求對(duì)成型完的試樣進(jìn)行CBR測(cè)定。

此外，級(jí)配為7∶3、6.5∶3.5、6∶4、5.5∶4.5、5∶5和4.5∶5.5的級(jí)配碎石的松裝密度、振實(shí)密度、插搗密度及空隙率按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）進(jìn)行。

1.4" 破碎率測(cè)定方法

試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)方孔試驗(yàn)篩、膠盆、電子秤進(jìn)行。測(cè)定試樣破碎率的步驟為：

（1）集料準(zhǔn)備。按級(jí)配稱取5 kg大粒徑級(jí)配碎石。

（2）裝料。把稱取好的級(jí)配碎石按比例裝滿鋼模。

（3）試驗(yàn)前級(jí)配獲取。將鋼模內(nèi)的石料倒出膠盆內(nèi)盛放，再對(duì)膠盆中的石料進(jìn)行過(guò)篩，獲取試驗(yàn)前石料的級(jí)配。

（4）成型試樣。把過(guò)完方孔篩的石料重新混合，再次裝入試筒中，進(jìn)行振動(dòng)壓實(shí)成型。

（5）試驗(yàn)后級(jí)配獲取。將振動(dòng)壓實(shí)成型后的石料拿去過(guò)方孔篩，獲取試驗(yàn)后石料的級(jí)配。

（6）破碎率計(jì)算。利用試驗(yàn)前后的級(jí)配曲線計(jì)算破碎率，計(jì)算方法如下：

Bm=∑mi=1p′i-∑mi=1pi∑mi=1pi（1）

式中：Bm——破碎率（%），計(jì)算精度精確至0.1%；

pi——破碎前，第i號(hào)篩的通過(guò)率（%）；

p′i——破碎后，第i號(hào)篩的通過(guò)率（%）；

m——篩孔編號(hào)，最大篩孔編號(hào)為0，以下依次編號(hào)為1，2，3…。

2" 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1" 振動(dòng)壓實(shí)成型試件的力學(xué)性能

為研究振動(dòng)壓實(shí)成型條件下增大碎石顆粒的粒徑對(duì)級(jí)配碎石密度和CBR的影響，按規(guī)范對(duì)大粒徑級(jí)配碎石（級(jí)配為7∶3、6.5∶3.5、6∶4和5.5∶4.5）和傳統(tǒng)細(xì)級(jí)配碎石（級(jí)配為5∶5和4.5∶5.5）進(jìn)行濕密度、干密度和CBR測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2可以看出，當(dāng)級(jí)配由粗變細(xì)（即級(jí)配比變?。r(shí)，大粒徑級(jí)配碎石和傳統(tǒng)級(jí)配碎石的濕密度和干密度都有逐漸增大的趨勢(shì)，而試件的CBR與級(jí)配的關(guān)系不是很明顯，但總體來(lái)說(shuō)，粗的級(jí)配CBR值要比細(xì)的級(jí)配CBR值要大。級(jí)配由粗變細(xì)時(shí)造成試件的濕密度和干密度逐漸增大的原因可能是試件的體積由骨架顆粒體積、填隙顆粒體積和顆粒間的空隙體積組成，當(dāng)級(jí)配由粗變細(xì)時(shí)，顆粒間的空隙體積相對(duì)來(lái)說(shuō)就會(huì)被更多的填隙顆粒給填充，從而試件的密度就更大了。而級(jí)配對(duì)級(jí)配碎石CBR的影響不穩(wěn)定的原因可能為碎石顆粒與土顆粒不一樣，土顆粒在受到外力時(shí)不會(huì)破碎，而碎石顆粒在受到外力擠壓時(shí)會(huì)發(fā)生破碎，因此，盡管試件密度變大了，但由于碎石顆粒存在破碎現(xiàn)象，所以試件的CBR并沒有隨著密度的增大而增大，反而可能會(huì)減小。

為研究振動(dòng)壓實(shí)成型條件下增大碎石顆粒的粒徑對(duì)級(jí)配碎石破碎率的影響，按規(guī)范對(duì)大粒徑級(jí)配碎石（級(jí)配為7∶3、6.5∶3.5、6∶4和5.5∶4.5）和傳統(tǒng)細(xì)級(jí)配碎石（級(jí)配為5∶5和4.5∶5.5）進(jìn)行破碎率測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，在級(jí)配由粗變細(xì)的過(guò)程中，試件的破碎率呈先增大后減小的趨勢(shì)。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因可能是隨著級(jí)配由粗變細(xì)，顆粒間的接觸面積會(huì)逐漸增大，在受到外力作用時(shí)，顆粒發(fā)生破碎填充到顆粒間的空隙中，因此破碎率逐漸增大；但是當(dāng)級(jí)配比增大（級(jí)配變細(xì)）到一定程度時(shí)，顆粒間達(dá)到一種相對(duì)密實(shí)的狀態(tài)（顆粒間的空隙較小，顆粒發(fā)生破碎時(shí)可填充的體積少），能抵抗更大的外力，進(jìn)而破碎率降低。

2.2" 松裝密度、振實(shí)密度、插搗密度及空隙率

為研究增大碎石顆粒的粒徑對(duì)級(jí)配碎石密度的影響，按規(guī)范對(duì)大粒徑級(jí)配碎石（級(jí)配為7∶3、6.5∶3.5、6∶4和5.5∶4.5）和傳統(tǒng)細(xì)級(jí)配碎石（級(jí)配為5∶5和4.5∶5.5）進(jìn)行松裝密度、振實(shí)密度和插搗密度測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，大粒徑級(jí)配碎石的松裝密度和插搗密度均隨著級(jí)配比的減小而先增大后減小，當(dāng)大粒徑級(jí)配碎石的松裝密度達(dá)到最大值1 593.5 kg/m3時(shí)，級(jí)配比為6.5∶3.5；當(dāng)插搗密度達(dá)到最大值1 771.2 kg/m3時(shí)，級(jí)配比為6∶4。大粒徑級(jí)配碎石的振實(shí)密度隨著級(jí)配比的減小而增大，在級(jí)配比為5.5∶4.5時(shí)達(dá)到最大值1 983.7 kg/m3。傳統(tǒng)細(xì)級(jí)配碎石的松裝密度、插搗密度和振實(shí)密度均隨著級(jí)配比的減小而增大。與傳統(tǒng)細(xì)級(jí)配碎石相比，大粒徑級(jí)配碎石的松裝密度、插搗密度和振實(shí)密度的最大值均更高。

為研究增大碎石顆粒的粒徑對(duì)級(jí)配碎石空隙率的影響，按規(guī)范對(duì)大粒徑級(jí)配碎石（級(jí)配為7∶3、6.5∶3.5、6∶4和5.5∶4.5）和傳統(tǒng)細(xì)級(jí)配碎石（級(jí)配為5∶5和4.5∶5.5）進(jìn)行空隙率測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，大粒徑級(jí)配碎石的松裝空隙率、插搗空隙率和振實(shí)空隙率均隨著級(jí)配比的減小而先減小后增大，松裝空隙率在級(jí)配比為6.5∶3.5時(shí)達(dá)到最小值42.3%；插搗空隙率和振實(shí)空隙率均在6∶4時(shí)達(dá)到最小值35.9%和28.3%。傳統(tǒng)細(xì)級(jí)配碎石的松裝空隙率、插搗空隙率和振實(shí)空隙率均隨著級(jí)配比的減小而減小。大粒徑級(jí)配碎石的空隙率最小值要比傳統(tǒng)細(xì)級(jí)配碎石的空隙率最小值要更小，這意味著大粒徑級(jí)配碎石的結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，能承載更大的荷載。

級(jí)配碎石的密度可用空隙率來(lái)表征，但空隙率的獲取需要經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)定或者計(jì)算轉(zhuǎn)換，較為麻煩，而級(jí)配碎石的空隙率與體積占比息息相關(guān)，碎石的體積占比可直接獲取，較為方便。為了研究級(jí)配碎石的體積占比能否表征級(jí)配碎石的密度性質(zhì)，現(xiàn)對(duì)粒徑＞9.5 mm的碎石的體積占比與質(zhì)量占比進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果見圖6。

由圖6可知，粒徑gt;9.5 mm碎石的體積占比與質(zhì)量占比近似線性關(guān)系（松裝、插搗和振實(shí)狀態(tài)下的相關(guān)系數(shù)均在0.98以上），故可用體積占比來(lái)表征不同級(jí)配下的空隙率。

級(jí)配為6∶4是工地上常用的大粒徑級(jí)配碎石級(jí)配，以插搗狀態(tài)下的空隙率及體積占比提出控制指標(biāo)，當(dāng)合成級(jí)配含細(xì)料時(shí)，間隙率要達(dá)到35.9%，9.5 mm以上的體積占比要gt;44.2%，19 mm以上的體積占比要gt;36.8%；當(dāng)合成級(jí)配不含細(xì)料時(shí)，間隙率要達(dá)到42.5%，9.5 mm以上的體積占比要gt;52.5%，19 mm以上的體積占比要gt;43.6%。

3" 結(jié)語(yǔ)

（1）隨著礦料粒徑的增大，礦料混合物內(nèi)摩擦角隨之增大，因此大粒徑礦料具備更好的力學(xué)性能和抗剪切能力。

（2）振動(dòng)壓實(shí)成型條件下，隨著級(jí)配減小，大粒徑級(jí)配碎石和傳統(tǒng)級(jí)配碎石的密度均呈增大趨勢(shì)，而大粒徑級(jí)配碎石和傳統(tǒng)級(jí)配碎石的級(jí)配與CBR無(wú)明顯關(guān)系。級(jí)配碎石的破碎率隨著級(jí)配的減小而先增大后減小，說(shuō)明級(jí)配碎石的破碎率與顆粒間的接觸面積和級(jí)配的密實(shí)度有關(guān)。

（3）與傳統(tǒng)細(xì)級(jí)配碎石相比，大粒徑級(jí)配碎石的松裝密度、插搗密度和振實(shí)密度的最大值均更高，空隙率的最小值要更小，意味著大粒徑級(jí)配碎石的結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，能承載更大的荷載?？捎皿w積占比來(lái)表征不同級(jí)配下的空隙率。

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20241220