劉唐志，黃犀純，張建衛(wèi)，李俊杰

(1.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074；2.路橋建設(shè)重慶公司，重慶 400020)

國(guó)內(nèi)目前大多采用低劑量水泥穩(wěn)定碎石作為高速公路路面墊層，應(yīng)用的石料也多為性能優(yōu)良的石灰?guī)r。重慶涪豐石高速公路(涪陵—豐都—石柱)，沿線地勢(shì)起伏較大，溝壑發(fā)育，有大量硬質(zhì)巖挖方路段和隧道，產(chǎn)生了大量砂巖，同時(shí)建設(shè)區(qū)域內(nèi)缺乏石灰?guī)r等優(yōu)質(zhì)石料。用硬質(zhì)砂巖形成的級(jí)配碎石替代低劑量水泥穩(wěn)定碎石具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)保、節(jié)材意義。

級(jí)配碎石是一種由不同粒徑石料組成的嵌擠密實(shí)型結(jié)構(gòu)，通過(guò)壓實(shí)使松散體形成骨架，從而具備一定強(qiáng)度[1]，級(jí)配對(duì)彈性模量值有較大影響，也是影響級(jí)配碎石強(qiáng)度與剛度的最重要的因素[2]。CBR值作為評(píng)價(jià)無(wú)黏結(jié)粒料力學(xué)性能的一個(gè)指標(biāo)，它同時(shí)反應(yīng)了材料的豎向剛度和剪切強(qiáng)度[3]。

筆者以石灰?guī)r作對(duì)比，評(píng)價(jià)砂巖集料的物理力學(xué)性能；以CBR值作為檢驗(yàn)指標(biāo)，評(píng)價(jià)砂巖級(jí)配碎石不同級(jí)配的強(qiáng)度性能，并分析各級(jí)配間性能差異的原因；以細(xì)集料石灰?guī)r摻配砂巖構(gòu)成骨架型級(jí)配碎石，分析結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化特點(diǎn)。

1 砂巖物理力學(xué)性質(zhì)

硬質(zhì)砂巖強(qiáng)度較大，可作為高等級(jí)道路路面面層、基層原材料，并有較好的效果，但是我國(guó)儲(chǔ)量較小，分布地區(qū)較少，且由于各地區(qū)硬質(zhì)砂巖性質(zhì)不同，所以硬質(zhì)砂巖不可能大面積作為筑路原料[4]。這就要求在實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)工程應(yīng)用的砂巖進(jìn)行詳細(xì)明確的試驗(yàn)研究，以保證砂巖的良好應(yīng)用效果。

根據(jù)JTG E 41—2005《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》中巖石學(xué)簡(jiǎn)易鑒定(T 0201—1994)，現(xiàn)場(chǎng)(涪豐石高速涪陵段南沱互通)所取砂巖特征為：表層弱風(fēng)化，膠結(jié)較好，顆粒粒徑稍大，層理不明顯，顏色呈灰白色和淡紅色。

JTG D 70—2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中將巖石劃分為硬質(zhì)巖和軟質(zhì)巖兩大檔次，以Rc=30 MPa(巖石單軸飽水抗壓強(qiáng)度)作為硬質(zhì)巖與軟質(zhì)巖的劃分界限；再進(jìn)一步劃分為堅(jiān)硬巖、較堅(jiān)硬巖、較軟巖、軟巖和極軟巖5個(gè)檔次，Rc與堅(jiān)硬程度對(duì)照關(guān)系如表1。

表1 Rc與巖石堅(jiān)硬程度定性劃分的關(guān)系

單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)根據(jù)JGT E 41—2005《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》中T 0221—2005進(jìn)行，主要用于巖石的強(qiáng)度分級(jí)和巖性描述，利用壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)定天然狀態(tài)、烘干狀態(tài)及飽水狀態(tài)下巖石試件的單軸極限抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)用砂巖單軸抗壓強(qiáng)度結(jié)果如表2。

表2 砂巖單軸抗壓強(qiáng)度

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)用砂巖為較堅(jiān)硬巖，屬硬質(zhì)砂巖范疇。現(xiàn)選取重慶產(chǎn)石灰?guī)r集料與該砂巖集料作物理性質(zhì)試驗(yàn)，各項(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)比如表3。

表3 砂巖與石灰?guī)r碎石物理性質(zhì)

通過(guò)對(duì)比，砂巖與石灰?guī)r碎石的各項(xiàng)指標(biāo)均符合規(guī)范要求，值得說(shuō)明的有：

1)道路工程中使用的石灰?guī)r(含本試驗(yàn)用石灰?guī)r)，其表觀相對(duì)密度和毛體積相對(duì)密度一般在2.70以上和2.60以上，吸水率小于1%[5]。該砂巖的表觀密度較常規(guī)應(yīng)用的石灰?guī)r偏小，吸水率較之偏大，說(shuō)明該砂巖的開(kāi)口孔隙較多，砂巖密實(shí)程度和強(qiáng)度都較石灰?guī)r偏低。

2)該砂巖各項(xiàng)物理性質(zhì)均較優(yōu)良，唯塑性指數(shù)偏高。重慶年均降雨量達(dá)到1 000 mm以上[6]，為潮濕多雨地區(qū)，砂巖的塑性指數(shù)偏大，少量的塑性細(xì)土就能對(duì)集料的承載比產(chǎn)生明顯的影響，塑性指數(shù)愈大，承載比愈小，或水穩(wěn)性愈不好。結(jié)合規(guī)范[7]規(guī)定“在潮濕多雨地區(qū)，塑性指數(shù)與0.5 mm以下細(xì)土含量的乘積不應(yīng)大于100”，該砂巖0.5 mm以下細(xì)土含量與塑性指數(shù)乘積為77.4，也滿足規(guī)范要求。

2 砂巖碎石級(jí)配類(lèi)型比較

我國(guó)JTG D 50—2006《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》根據(jù)級(jí)配碎石使用的不同層位和骨架結(jié)構(gòu)提出了不同的級(jí)配組成范圍，其中底基層及墊層級(jí)配范圍如表4。

表4 瀝青路面底基層及墊層級(jí)配碎石級(jí)配范圍

其中級(jí)配1、3為連續(xù)型級(jí)配，級(jí)配1粒徑連續(xù)按比例搭配，各篩通過(guò)率符合連續(xù)級(jí)配的talbol公式[8]：

P=100(d/D)n

(1)

式中：P為各粒級(jí)集料的通過(guò)率，%；D為最大粒徑，mm；d為各粒級(jí)集料的粒徑，mm；n為常數(shù)。

級(jí)配2為骨架型級(jí)配，粗集料含量較多，4.75 mm以下集料含量較少。為比較砂巖碎石連續(xù)型與骨架型級(jí)配的特性，特選取級(jí)配1和級(jí)配2兩個(gè)級(jí)配類(lèi)型，并分別取各篩通過(guò)率的上限、中值、下限共6個(gè)級(jí)配進(jìn)行集料摻配，進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)和CBR試驗(yàn)，并對(duì)所選石灰?guī)r碎石進(jìn)行同樣試驗(yàn)。兩種類(lèi)型碎石各級(jí)配重型擊實(shí)試驗(yàn)及CBR試驗(yàn)結(jié)果如表5。

表5 各級(jí)配重型擊實(shí)及CBR試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表5試驗(yàn)結(jié)果得出：

1)級(jí)配相同時(shí)，石灰?guī)r級(jí)配碎石的最大干密度與CBR值均高于砂巖級(jí)配碎石，表明成型的級(jí)配碎石性能與集料種類(lèi)和性質(zhì)密切相關(guān)。

2)砂巖級(jí)配碎石的最佳含水率較石灰?guī)r級(jí)配碎石高，這與砂巖碎石的吸水率較高有關(guān)，砂巖碎石有較多的開(kāi)口空隙，吸水能力較高。

3)石灰?guī)r級(jí)配碎石各級(jí)配CBR值均符合規(guī)范要求(墊層級(jí)配碎石CBR值應(yīng)大于80%)，性能良好；砂巖級(jí)配碎石連續(xù)型各級(jí)配CBR值都符合規(guī)范要求，骨架型級(jí)配除上限外性能均較差，這一現(xiàn)象的主要原因?yàn)椋孩偕皫r由于本身強(qiáng)度性能不足，所構(gòu)成的骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不高、嵌擠能力不足，大粒徑碎石含量較多的級(jí)配，并不能保證結(jié)構(gòu)整體的強(qiáng)度；②骨架型上限級(jí)配大粒徑集料含量較少，而13.2 mm以下顆粒含量較其它兩個(gè)級(jí)配豐富，有利于充分填充骨架間空隙，使得該級(jí)配密實(shí)效果較其它兩級(jí)配優(yōu)秀；③以重型擊實(shí)為成型方法，骨架型級(jí)配較難擊實(shí)，粗骨料間相互嵌擠效果形成較差，擊實(shí)后表面粗糙不平；而連續(xù)型級(jí)配擊實(shí)效果良好，擊實(shí)完成后粗細(xì)集料密實(shí)、平整；兩種級(jí)配類(lèi)型的上限擊實(shí)前后效果對(duì)比如圖1。

圖1 骨架型級(jí)配上限與連續(xù)型級(jí)配上限擊實(shí)前后對(duì)比Fig.1 Contrast of compaction before and after between skeletontype gradation ceiling and continuous gradation ceiling

由上可知，連續(xù)型級(jí)配強(qiáng)度性能較好，為驗(yàn)證該級(jí)配的優(yōu)良特性并優(yōu)化其級(jí)配范圍，根據(jù)Talbol連續(xù)級(jí)配公式〔式(1)〕，經(jīng)比較選取常數(shù)n為0.4，0.55形成兩個(gè)級(jí)配，使級(jí)配曲線分別在規(guī)范連續(xù)型級(jí)配中值的上下側(cè)，并在該級(jí)配上下限以?xún)?nèi)，級(jí)配曲線如圖2，CBR試驗(yàn)結(jié)果如表6。

圖2 連續(xù)型級(jí)配比較Fig.2 Continuous gradation comparison

級(jí)配類(lèi)型最佳含水率/%最大干密度/(g·cm-3)實(shí)測(cè)平均干密度/(g·cm-3)CBR值/%0.47.12.152.151250.555.52.142.13117

根據(jù)表5、表6可知：連續(xù)型級(jí)配偏上限的兩級(jí)配和級(jí)配中值的干密度和CBR值都比較接近，可見(jiàn)集料在經(jīng)歷重型擊實(shí)后這3個(gè)級(jí)配的各檔集料形成了密實(shí)效果接近的狀態(tài)；級(jí)配n=0.40與級(jí)配中值的CBR值差異不明顯，級(jí)配n=0.55與級(jí)配下限較級(jí)配中值的CBR值遞減，證明中值以上至n=0.40這個(gè)范圍內(nèi)的連續(xù)型級(jí)配達(dá)到其性能的最好狀態(tài)。

根據(jù)上述連續(xù)型及骨架型級(jí)配比較及連續(xù)型級(jí)配優(yōu)選可知：骨架型中值和骨架型下限級(jí)配，由于細(xì)料少，沒(méi)有形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，加之砂巖強(qiáng)度低，易破碎，從而影響其CBR值。對(duì)于連續(xù)型偏下限級(jí)配，碎石間形成的密實(shí)效果也相對(duì)較弱，從而影響其CBR值。由此表明：①針對(duì)砂巖級(jí)配碎石，級(jí)配的類(lèi)型和范圍選擇對(duì)結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度有重要影響；②砂巖級(jí)配碎石宜采用連續(xù)型中值偏上限的級(jí)配。

3 骨架型級(jí)配碎石摻配

通過(guò)上述比較可知，砂巖級(jí)配碎石僅在連續(xù)級(jí)配時(shí)表現(xiàn)合格，骨架型級(jí)配性能偏低不推薦使用。在工程實(shí)際中，采用一次鄂式破碎的砂巖碎石在4.75mm篩孔通過(guò)率不足20%，而采用連續(xù)級(jí)配該篩孔最低通過(guò)率需達(dá)到25%，這需要對(duì)砂巖進(jìn)行二次破碎，以獲得更多細(xì)集料方能采用連續(xù)級(jí)配。

因此，從提高骨架型砂巖級(jí)配碎石性能與提高集料利用率兩方面出發(fā)，考慮砂巖摻配4.75 mm以下石灰?guī)r構(gòu)成骨架型級(jí)配，以提高原始骨架型砂巖級(jí)配碎石性能，并研究相關(guān)摻配特性。

試驗(yàn)方案將石灰?guī)r摻配方案以粒徑簡(jiǎn)化劃分為0～0.075 mm，0.075～0.6 mm，0.6～1.18 mm，1.18～4.75 mm，0～4.75 mm 等5組，以石灰?guī)r完全替代相應(yīng)粒徑的砂巖，同時(shí)選定表4中級(jí)配2(骨架型)的上限、中值、下限等3個(gè)級(jí)配，分別摻配砂巖級(jí)配碎石，具體摻配方案及試驗(yàn)結(jié)果如表7。

表7 石灰?guī)r摻配試驗(yàn)方案及結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得5組3個(gè)級(jí)配的最大干密度與CBR值結(jié)果，如圖3。

圖3 最大干密度與CBR值關(guān)系Fig.3 Relationship between maximum dry density and CBR

對(duì)3個(gè)級(jí)配，定義：

ΔCBR=CBR1-CBR2

(2)

式中：CBR1為某摻配方案對(duì)應(yīng)級(jí)配CBR值，%；CBR2為該級(jí)配的原始砂巖級(jí)配碎石CBR值，%。則各摻配方案ΔCBR如圖4。

圖4 各摻配方案ΔCBR值Fig.4 ΔCBR of each mixing scheme

對(duì)3個(gè)級(jí)配，定義：

T=ΔCBR/Q

(3)

式中：Q為對(duì)應(yīng)摻配方案所摻石灰?guī)r質(zhì)量百分率，%；其它符號(hào)含義同上。

則各摻配方案T值如圖5。

圖5 各摻配方案T值Fig.5 T of each mixing scheme

根據(jù)以上結(jié)果分析可知：

1)級(jí)配碎石的CBR值隨最大干密度增加而增加，與級(jí)配種類(lèi)無(wú)關(guān)。摻配石灰?guī)r后，混合型級(jí)配碎石仍以骨架型上限級(jí)配強(qiáng)度性能表現(xiàn)良好。

2)ΔCBR值表明了各摻配方案級(jí)配碎石強(qiáng)度提高值。就3個(gè)不同級(jí)配的強(qiáng)度提高效果而言，級(jí)配上限<級(jí)配中值<級(jí)配下限；這與原始骨架下限砂巖級(jí)配碎石的CBR值較低有關(guān)，摻配石灰?guī)r后能較顯著改善級(jí)配碎石強(qiáng)度。5#方案為以石灰?guī)r完全取代4.75 mm以下集料，取代后結(jié)構(gòu)CBR值有6%～14%的增長(zhǎng)，但中值和下限兩個(gè)級(jí)配CBR值仍小于100，表明摻配細(xì)集料石灰?guī)r對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有一定的提高，但由于起骨架結(jié)構(gòu)的碎石仍為砂巖，提高效果有限。

3)T值為對(duì)應(yīng)摻配方案單位百分質(zhì)量石灰?guī)r的CBR平均提高值。這里單獨(dú)定義T值的目的在于，同一個(gè)級(jí)配中所摻各檔石灰?guī)r的質(zhì)量不同，不同級(jí)配間同檔粒徑所摻石灰?guī)r也不同，這樣就不能簡(jiǎn)單說(shuō)明某檔石灰?guī)r在摻配中對(duì)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的本質(zhì)影響；而構(gòu)造的T值表征了各檔單位質(zhì)量碎石引起的CBR提高值，一定程度上反映了各摻配方案的本質(zhì)

效果并可以相互比較。比較1#～4#方案可得：①骨架上限和中值兩個(gè)級(jí)配，1#方案對(duì)CBR值的提高最為明顯，3#方案最弱，表明在集料偏細(xì)的情況下，0.075 mm以下集料的性質(zhì)顯著影響結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度性能，這主要與石灰?guī)r有較低的塑性指數(shù)有關(guān)；②比較3個(gè)級(jí)配，4#方案的提升效果均較強(qiáng)，且隨著集料構(gòu)成越粗表現(xiàn)越明顯，表明1.18～4.75 mm集料填充于骨架結(jié)構(gòu)空隙時(shí)嵌擠和抗壓能力對(duì)結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度有密切關(guān)系。

4)通過(guò)石灰?guī)r摻配使得結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提升這一現(xiàn)象，表明砂巖級(jí)配碎石的強(qiáng)度主要仍由各檔粒徑碎石密實(shí)填充形成，骨架間的嵌擠效果較弱。

4 結(jié) 論

1)硬質(zhì)砂巖作為一種天然巖石具有密度低、吸水率大的特性，但根據(jù)其物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果能夠應(yīng)用于作為級(jí)配碎石原料。

2)對(duì)于砂巖級(jí)配碎石，級(jí)配的類(lèi)型和范圍選擇對(duì)結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度有重要影響。

3)對(duì)于砂巖級(jí)配碎石，骨架型級(jí)配整體強(qiáng)度偏低，且難以壓實(shí)；連續(xù)型級(jí)配，具有相對(duì)較好的強(qiáng)度性能，且容易壓實(shí)成型，因此宜采用連續(xù)型級(jí)配進(jìn)行設(shè)計(jì)，且規(guī)范連續(xù)型中值偏上限的級(jí)配達(dá)到其最佳強(qiáng)度性能。

4)摻配細(xì)集料石灰?guī)r對(duì)骨架型砂巖級(jí)配碎石強(qiáng)度有一定的提高，0.075 mm以下細(xì)料的塑性指數(shù)及1.18～4.75 mm集料強(qiáng)度顯著影響級(jí)配碎石強(qiáng)度。對(duì)于砂巖組成的級(jí)配碎石，骨架間的嵌擠效果較弱，強(qiáng)度主要由不同粒徑碎石間的相互密實(shí)填充形成。

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