尹錦明，孫劉留，王昊武

（南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

0 引言

海綿城市要求城市設(shè)施能夠發(fā)揮“滲、透、蓄、凈”等功能，材料具備一定的透水能力是其發(fā)揮海綿功能的關(guān)鍵。道路是城市中重要的基礎(chǔ)設(shè)施，發(fā)揮道路的海綿功能將有助于海綿城市目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，基層是我國(guó)道路的主要承重層，也是路面結(jié)構(gòu)的主要層次。

水泥穩(wěn)定碎石是基層常用的材料。本文以骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石配合比為基礎(chǔ)，擬定配合比方案，采用貝雷法進(jìn)行透水水泥穩(wěn)定碎石設(shè)計(jì)檢驗(yàn)，以孔隙率、透水系數(shù)和7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為透水基層材料的研究指標(biāo)。

1 貝雷法概述

貝雷法由美國(guó)的Robert Bailey于20世紀(jì)80年代提出，來(lái)源于其多年工作經(jīng)驗(yàn)。這種方法將混合料分為粗集料和細(xì)集料兩部分，粗集料主要作用在于形成骨架，細(xì)集料主要起填充粗集料之間孔隙的作用?；旌狭喜缓?xì)集料形成的骨架孔隙結(jié)構(gòu)，具備最大的孔隙率，隨著細(xì)集料的增加，將逐漸演變?yōu)楣羌苊軐?shí)結(jié)構(gòu)、懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，孔隙率隨之減小。這種方法有利于材料設(shè)計(jì)人員平衡強(qiáng)度與孔隙之間的關(guān)系，進(jìn)行孔隙型混合料設(shè)計(jì)。目前，貝雷法在瀝青混合料的設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多。

根據(jù)貝雷法，材料公稱最大粒徑記為NMPS，則粗集料和細(xì)集料的分界粒徑PCS為0.22 NMPS，稱為第一控制篩孔；第一控制篩孔以下的細(xì)集料再根據(jù)0.22 PCS劃分為較粗和較細(xì)兩部分，稱為第二控制篩孔（SCS）。依此類推，還有第三控制篩孔TCS為0.22 SCS。貝雷法同時(shí)也給出CA、FAC、FAF三個(gè)混合料評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中CA計(jì)算見(jiàn)式（1），用于評(píng)價(jià)粗集料含量和孔隙特征的指標(biāo)，后兩個(gè)指標(biāo)主要用于評(píng)價(jià)細(xì)集料含量以及填充情況的指標(biāo)，孔隙型水泥穩(wěn)定碎石細(xì)集料含量少。因此，本文選取CA作為孔隙型水泥穩(wěn)定碎石的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

式中：PNMPS/2為NMPS/2篩孔通過(guò)率；PPCS為 PCS篩孔通過(guò)率。

2 試驗(yàn)研究方案

2.1 原材料分析

碎石來(lái)自京滬高速擴(kuò)建項(xiàng)目，產(chǎn)地銅陵，分四檔供料，各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，各檔材料篩分結(jié)果見(jiàn)表1，水泥采用泰州產(chǎn)海螺牌普通硅酸鹽水泥。《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D40-2011）推薦水泥摻量為9.5%～11%，本試驗(yàn)采用水泥摻量為10%。

表1 四檔碎石篩分結(jié)果

2.2 孔隙型水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配研究方案

孔隙型水泥穩(wěn)定碎石應(yīng)采用骨架結(jié)構(gòu)。以《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50-2006）中骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配（表2）為基礎(chǔ)，分析各檔集料對(duì)混合料的影響。

表2 骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定類集料級(jí)配

當(dāng)I:II:III:IV質(zhì)量比為1.4:2.0:0.6:1時(shí)，混合料滿足規(guī)范的級(jí)配要求。在此基礎(chǔ)上，為分析各檔材料對(duì)材料的影響以及孔隙型水泥穩(wěn)定碎石材料設(shè)計(jì)的需要，擬定材料的級(jí)配方案見(jiàn)表3。采用振動(dòng)成型的方法制作試件，各項(xiàng)試驗(yàn)方法均參考《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009）以及《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40-2007）。

3 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

混合料公稱最大粒徑NMPS擬設(shè)計(jì)為26.5 mm，粗細(xì)集料分界粒徑PCS則為4.75 mm，第二控制篩孔SCS為1.18 mm，第三控制篩孔TCS為0.3 mm。根據(jù)式（1），各級(jí)配方案的CA見(jiàn)表4。各級(jí)配方案的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（UCS）、有效孔隙率（n0）結(jié)果見(jiàn)表 4。 UCS、n0與 CA 值的關(guān)系見(jiàn)圖 1～4。

隨著第一檔材料比例的增加，CA值不斷減小，UCS隨之減小，有效孔隙率隨之增大，第一檔集料比例增加了42.9%，CA值減小了24.6%，有效孔隙率增加了99.4%，UCS下降了45.8%。第一檔集料對(duì)三者的影響均較顯著，增加第一檔集料用量，導(dǎo)致PNMPS/2減小，從而導(dǎo)致CA值的減小。為使CA值不大于0.8，混合料達(dá)到貝雷的推薦狀態(tài)，第一檔質(zhì)量比應(yīng)不小于1.6。第一檔以粗集料為主，粒徑均大于第一控制篩孔尺寸（PCS），是貝雷法級(jí)配設(shè)計(jì)中形成骨架的部分，增加這部分摻量，有利于增加混合料的孔隙率，但是孔隙之間的填充相對(duì)減少，導(dǎo)致了混合料的強(qiáng)度下降。

隨著第二檔集料用量的增加，CA值和有效孔隙率隨之增加，UCS先增大后減小。第二檔質(zhì)量比增加了33.3%，CA值增加了23%，有效孔隙率增加了115%，UCS在規(guī)范推薦的混合料級(jí)配時(shí)達(dá)到最大。第二檔13.2 mm以下部分較多，其用量增加，導(dǎo)致了PNMPS/2增加，進(jìn)而導(dǎo)致CA值增加，CA值均超過(guò)了0.8，并沒(méi)有在貝雷法推薦的范圍之內(nèi)，混合料顆粒之間有干涉的現(xiàn)象。第二檔集料絕大部分粒徑在第一控制篩孔PCS以上，仍屬于粗集料，其用量增加，導(dǎo)致孔隙率增加。從強(qiáng)度的角度來(lái)看，

符合規(guī)范推薦的配合比達(dá)到了混合料的結(jié)構(gòu)較優(yōu)，粗集料形成骨架，細(xì)集料填充較充分，干涉現(xiàn)象不顯著，因此，強(qiáng)度達(dá)到了峰值。

表3 級(jí)配方案

圖1 第I檔材料影響

圖2 第II檔材料影響

圖3 第III檔材料影響

圖4 第IV檔材料影響

表4 試驗(yàn)結(jié)果

隨著第三檔材料用量的增加，CA值隨之增加，有效孔隙率隨之減小，UCS出現(xiàn)峰值。第三檔用量增加了300%，CA值增加了1.8%，有效孔隙率減小了61.5%。增加第三檔集料用量，CA值突破了貝雷法的推薦范圍，說(shuō)明第三檔用量增加，不利于形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，但是第三檔用量相對(duì)較少，所有其對(duì)CA值的影響也較小。第三檔集料粒徑基本都在第一控制篩孔PCS以下，屬于貝雷法中的填充料，增加這部分用量，導(dǎo)致了有效孔隙率的下降。填充料的增加，導(dǎo)致混合料密實(shí)度增加，強(qiáng)度隨之增加，但是當(dāng)填充料過(guò)多，產(chǎn)生了干涉，骨架嵌擠受到影響，強(qiáng)度出現(xiàn)了下降。

隨著第四檔材料用量的增加，CA值和UCS隨之增大，有效孔隙率隨之減小，質(zhì)量比由0增加到1，CA值增加了1.8%，UCS增加了50.7%，有效孔隙率下降了60.4%。增加第四檔集料用量，混合料CA值都大于0.8，不利于形成良好的結(jié)構(gòu)。根據(jù)貝雷法，第四檔集料屬于填充料，增加這部分用量，有效孔隙率隨之降低，影響較為顯著。隨著填充料的增加，混合料密實(shí)度隨之增加，其強(qiáng)度隨之增加，但是這部分集料粒徑更小，在本研究級(jí)配范圍內(nèi)，其干涉作用還未顯現(xiàn)，因此，強(qiáng)度未出現(xiàn)峰值。

第五組級(jí)配方案是四檔集料影響研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合孔隙型水泥穩(wěn)定碎石的基本要求經(jīng)過(guò)優(yōu)化而提出的。F5-1～F5-5強(qiáng)度均能滿足水泥穩(wěn)定碎石基層的要求，并且有效孔隙率有了較大提升，強(qiáng)度隨著孔隙率的提高而降低，F(xiàn)5-3～F5-5混合料的CA值均在貝雷法推薦的范圍內(nèi)，說(shuō)明已形成了良好的結(jié)構(gòu)（圖5）。

圖5 有效孔隙率與透水系數(shù)關(guān)系

4 結(jié)論

（1）根據(jù)貝雷法，第一檔集料和第二檔集料屬于粗集料，是混合料形成的骨架的部分，增加第一檔材料用量可以提高孔隙型水泥穩(wěn)定碎石的有效孔隙率，但是會(huì)導(dǎo)致UCS下降；增加第二檔材料用量可以提高有效孔隙率，UCS存在峰值現(xiàn)象。

（2）根據(jù)貝雷法，第三檔集料和第四檔集料屬于細(xì)集料，起到填充的作用，增加第三檔材料用量會(huì)使混合料有效孔隙率下降，而UCS存在峰值現(xiàn)象；增加第四檔材料用量也會(huì)使混合料有效孔隙率下降，但UCS隨之增加。

（3）貝雷法中CA值可用于評(píng)價(jià)混合料的狀態(tài)，對(duì)于孔隙型水泥穩(wěn)定碎石應(yīng)控制在0.4～0.8。增加第一檔材料用量會(huì)導(dǎo)致CA值減小，增加第二檔、第三檔、第四檔材料用量均會(huì)導(dǎo)致CA值增大。

（4）根據(jù)貝雷法以及有效孔隙率和UCS的要求，本文提出優(yōu)化級(jí)配方案能夠滿足CA值的要求，UCS滿足道路基層的需求，有效孔隙率可以達(dá)到18.1%。