羅立峰

(華南理工大學(xué)廣州學(xué)院, 廣州 516139)

0 概述

級配的好壞是影響路面早期損壞的重要因素。礦料級配決定了礦料顆粒間嵌擠力的大小及混合料密實程度，對路面的抗剪強(qiáng)度影響很大。

(1)

式中：

C——粘結(jié)力/kPa；

σ——剪切面上的法向正應(yīng)力/kPa；

φ——內(nèi)摩阻力/rad。

1 骨架密實型級配

骨架密實狀態(tài)是目前諸多級配設(shè)計理論共同追求的目標(biāo)，其原因是因為隨著交通量的增大和軸載與胎壓的提高，對混合料的級配提出了越來越高的要求。而骨架結(jié)構(gòu)由于高的承載力，所以其抵抗外在荷載的能力較強(qiáng)，從而減輕了對粘結(jié)劑的依賴。正因為骨架密實結(jié)構(gòu)混合料具有明顯的性能優(yōu)勢，因此，在配合比設(shè)計中如何確定骨架結(jié)構(gòu)是比較重要的一環(huán)[2]。

筆者認(rèn)為,“骨架密實結(jié)構(gòu)”其中包含了兩層含義，一是“骨架”，二是“密實”，這是兩個不同范疇的概念。 “骨架”首先是一個力學(xué)指標(biāo)，內(nèi)涵中包含了骨架的強(qiáng)弱；而“密實”首先是個體積指標(biāo)，要求對“骨架”形成的空間結(jié)構(gòu)嵌入和擠滿。幾檔料摻在一起，形成骨架，進(jìn)而形成比較強(qiáng)的骨架，是骨架密實結(jié)構(gòu)中骨架設(shè)計的問題，筆者認(rèn)為是個力學(xué)問題；“密實”首先是為了保證“骨架”在受到外力作用時骨架不變形，保持抗力，有“定型”的作用，因此可以認(rèn)為是骨架強(qiáng)度的補(bǔ)充。但如何恰當(dāng)“密實”就有難度了，因為密實是個嵌擠的過程，嵌擠多了或嵌擠力過大了會破壞“骨架”，導(dǎo)致“骨架”強(qiáng)度下降；同樣，嵌擠少了或嵌擠力小了，起不到再補(bǔ)充和“定型”骨架的作用，同樣導(dǎo)致“骨架”抗力能力下降。

2 級配設(shè)計方法的回顧

配合比的設(shè)計方法，一般包括兩方面的設(shè)計：礦質(zhì)混合料的配合比設(shè)計和粘結(jié)劑最佳劑量的設(shè)計。本文主要研究的是前一部分，即礦質(zhì)混合料的配合比設(shè)計。目前礦質(zhì)混合料的主要設(shè)計步驟如下所述[3]：

(1)材料的準(zhǔn)備。按相關(guān)試驗規(guī)程規(guī)定取樣的方法，取足夠的數(shù)量且有代表性的礦料試樣，按有關(guān)規(guī)程所提出的技術(shù)要求進(jìn)行試驗檢驗。當(dāng)檢驗不合格時，不得用于試驗及施工。

(2)礦質(zhì)混合料的配合比設(shè)計。

①查閱有關(guān)規(guī)范推薦的礦質(zhì)混合料的級配范圍，確定混合料的類型?；蛑苯硬捎檬┕D所提供的礦質(zhì)混合料的級配范圍。

②礦質(zhì)混合料的配合比比例計算。根據(jù)各組成材料的篩分試驗資料，采用圖解法或試算法，計算符合要求級配范圍的各組成材料的用量比例。

從以上設(shè)計過程可知，在礦質(zhì)混合料的配合比設(shè)計中，涉及到的僅為篩分試驗結(jié)果，也就是只考慮了礦料的粒徑分布情況，但其他各項性狀均未考慮。

一般來說，評價礦料的性狀指標(biāo)可分為三大類：第一類是物理指標(biāo)、力學(xué)指標(biāo)，包括強(qiáng)度、磨光值、磨耗率、酸堿性、密度、吸水率等；第二類是體積指標(biāo)，包括幾何形狀(如針片狀顆粒含量、棱角性、破碎面等)；第三類是工程指標(biāo)，包括軟石含量、粉塵含量、含泥量等。

這些指標(biāo)的大小以及對混合料的性能產(chǎn)生影響，都是級配設(shè)計要考慮的?？墒悄壳暗募壟湓O(shè)計過程中除粒徑大小以外，其它性狀均未考慮[2]。

由于目前的礦料級配設(shè)計方法沒有在設(shè)計過程中考慮礦料的性狀，所以只能通過完成配比后進(jìn)行試驗驗證，相對來講比較被動，可以說目前的礦料級配設(shè)計方法均為驗證法。如何才能變被動為主動呢？筆者認(rèn)為應(yīng)從一開始礦料級配設(shè)計初始就應(yīng)該考慮礦質(zhì)材料的性狀，這樣設(shè)計針對性比較強(qiáng)。

3 骨架密實型礦料級配的設(shè)計思路

將骨架密實級配混合料的骨架及密實分開進(jìn)行設(shè)計?！肮羌堋痹O(shè)計思路是由粗到細(xì)，逐級填充逐級找出最強(qiáng)“骨架”，直至倒數(shù)第二檔；“密實”設(shè)計思路是骨架級配設(shè)計完成的礦質(zhì)級配集料的間隙率應(yīng)等于最后一檔料(最細(xì)的一檔料)的體積，通過體積法完成密實填充。

對于骨架強(qiáng)弱，目前還沒有一個比較公認(rèn)可行的評價方法[2]，但由于CBR(%)普遍且不失為較好的一種評價“骨架”強(qiáng)弱的方法[4]，故在此采用CBR(%)法評價“骨架”的強(qiáng)弱，CBR值越大，骨架越強(qiáng)。“密實”采用體積法(V)進(jìn)行設(shè)計，進(jìn)而通過微調(diào)完成整個配合比設(shè)計。兩種方法合并在一起，利用了強(qiáng)度設(shè)計和體積設(shè)計的概念，故稱之為強(qiáng)度體積法，簡稱為CBR-V法。

假定有i檔料，從粗到細(xì)依次定義為1到n。最粗的一檔料定義為一級摻配；最粗的一檔料和次粗的一檔料摻配，定義為二級摻配；通過CBR試驗找出最大CBR值所對應(yīng)的摻配比例，形成新的檔料。二級摻配后形成的新的一檔料和第三檔料摻配，定義為三級摻配；通過CBR試驗找出最大CBR值所對應(yīng)的摻配比例，形成新的檔料。依次類推，直至(n-1)級。通過試驗測定(n-1)級摻配料的間隙體積；通過試驗測定第n檔料的體積。其設(shè)計思想可用式(2)表示。

VDRC=Va

(2)

式中：VDRC—除最后一檔料(最細(xì)的一檔料)以外，其它集料搭配合成的級配集料的間隙率；

Va—最后(也是最細(xì)的一檔料)一檔料的體積。

CBR-V設(shè)計方法的基本原理：

為方便敘述，現(xiàn)假定用于級配的集料為四檔，由細(xì)到粗，分別記作A、B、C和D，其對應(yīng)的量分別記作aij、bij、Cij和dij(角標(biāo)i為摻級配級數(shù)，j為該摻配級所對應(yīng)的量(%))。若各摻配集料的公稱最大粒徑為31.5mm，依據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20-2015)表3.8.2，D、C、B和A四檔料分別為G2(20～30mm)、G8(10～20mm)、G11(5～10mm) 和XG3(0～5mm)。為求取方便，前面幾檔料定義為骨架區(qū)，最后一檔料定義為密實區(qū)。按此原則本文中D、C、B三檔料為骨架區(qū)，A檔料為密實區(qū)。分級求取D、C、B三檔料的級配比例。

3.1 一級摻配

一級摻配屬單檔料摻配，只需分別通過CBR試驗，求取對應(yīng)的CBR值。分別記作CBR(D)1、CBR(C)1、CBR(B)1；對應(yīng)的量分別記作d11、c11、b11。

3.2 二級摻配

二級摻配為D和C兩檔料之間的摻配。兩檔料所對應(yīng)的量滿足式(3)關(guān)系：

d2j+c2j=100

(3)

根據(jù)經(jīng)驗或參考規(guī)范級配范圍，選取不少于5個比例：d21、d22、……d2n和c21、c22、……c2n，一一對應(yīng)分別進(jìn)行摻配，通過CBR試驗求取CBR(DC)21、CBR(DC)22、……CBR(DC)2n。之后，利用統(tǒng)計軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，并求出CBR(DC)2max，其對應(yīng)的配比即為D和C兩檔料的最佳摻配比例。摻配完成的料定義為(DC)，成為新的一檔料。

3.3 三級摻配

三級摻配是將二級摻配后獲取的新的一檔料(DC)和更細(xì)的B檔料進(jìn)行摻配。兩檔料所對應(yīng)的量滿足式(4)關(guān)系：

(dc)3j+b3j=100

(4)

根據(jù)經(jīng)驗或參考規(guī)范級配范圍，選取不少于5個比例：(dc)31、(dc)32、……(dc)3n和b31、b32、……b3n，一一對應(yīng)分別進(jìn)行摻配，通過CBR(%)試驗求取CBR(DCB)31、CBR(DCB)32、……CBR(DCB)3n。之后，利用統(tǒng)計軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，并求出CBR(DCB)3max，其對應(yīng)的配比即為(DC)和B兩檔料的最佳摻配比例。摻配完成的料定義為(DCB)，成為新的一檔料。若剩余的料超過一檔以上，則以此類推。

3.4 求取(DCB)集料的間隙率VCADRC

定義A檔料的體積Va=VCADRC，則a=ρa(bǔ)×Va。ρa(bǔ)為A檔料的緊裝密度。

3.5 四級摻配

四級摻配是將三級摻配后獲取的新的一檔料(DCB)和A檔料進(jìn)行摻配。兩檔料所對應(yīng)的量滿足式(5)、式(6)關(guān)系：

(dcb)4+a=100

(5)

(dcb)4=(100-a)

(6)

3.6 各檔料的求解

令a4=a，則通過反演推算出配比各值。具體計算可參照表1進(jìn)行。當(dāng)料檔超過4檔時，可按表1中的規(guī)律類推。

表1 級配反演推算

注：此處僅提供四級，可加推。

4 相關(guān)參數(shù)試驗測試的有關(guān)建議及說明

(1)ρa(bǔ)為細(xì)集料的緊裝密度。在瀝青混合料中，細(xì)集料是指粒徑小于2.36mm的天然砂、人工砂(包括機(jī)制砂)及石屑；在級配碎石、水泥(石灰)穩(wěn)定級配碎石中，細(xì)集料是指粒徑小于4.75mm的天然砂、人工砂。試驗測試方法采用《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42-2005)中的T 0331-1994 細(xì)集料堆積密度及緊裝密度試驗[5]。

(2)合成集料間隙率VCADRC。試驗測試方法采用《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42-2005)中的T 0309-2005 粗集料堆積密度及孔隙率試驗。該試驗中關(guān)于孔隙率的計算提供了兩種計算方式，水泥混凝土和瀝青混凝土。本文建議采用“5.4 瀝青混合料用粗集料骨架搗實狀態(tài)下的間隙率按式(T0309-4)計算”[2]。具體計算時應(yīng)換算為體積。

式中：VCADRC—搗實狀態(tài)下粗集料骨架間隙率(%)；

ρb—按T 0304確定的粗集料的毛體積密度(t/m3)；

ρ—按搗實法測定的粗集料的自然堆積密度(t/m3)。

(3)CBR試驗[6]。CBR試驗驗證測試方法采用《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)中的T0134-1993 承載比(CBR)試驗。計算公式如式(7)所示。

(7)

式中:P—對應(yīng)的2.5mm和5mm貫入量的礦料單位壓力/kPa；

PS—與礦料相同貫入量的標(biāo)準(zhǔn)單位壓力/kPa。

在測定CBR2.5和CBR5時，由于此時只是粗集料(一般來講大于3mm)，所以試驗規(guī)程中的部分內(nèi)容需要調(diào)整，未說明的部分同規(guī)程。

①標(biāo)定路面材料強(qiáng)度儀及百分表。

②試樣可在烘箱內(nèi)烘干。

③成型：推薦采用搗實成型。將摻配好的集料分三次裝入，每次1/3高度。每裝入一層用搗棒由邊至中均勻搗實25次，搗實深度約至下層的表面。之后重復(fù)上一步驟，再裝下一層，其他類同。加最后一層，搗實25次后，使集料表面齊平[7]。

④連同底座一起搬上路面材料強(qiáng)度儀上，安裝荷載板，進(jìn)行貫入試驗，并計算出CBR2.5和CBR5。

⑤CBR2.5和CBR5，若出現(xiàn)CBR2.5大于CBR5時，試驗重做。同時發(fā)現(xiàn)有跳表現(xiàn)象時應(yīng)歸零重做，最終以CBR5為準(zhǔn)。

5 結(jié)論及建議

通過將骨架密實級配混合料的骨架及密實分開進(jìn)行設(shè)計，提出了強(qiáng)度體積設(shè)計法的設(shè)計思路，即CBR-V法。由于該方法應(yīng)用實例較少，故建議僅用于生產(chǎn)配比的校核和驗證。具體建議如下：

(1)在骨架密實型級配碎石配合比設(shè)計中，可直接采用CBR-V法進(jìn)行級配設(shè)計，也可用于驗證或參考修正已有的級配設(shè)計。

(2)在骨架密實型水泥穩(wěn)定級配設(shè)計中，應(yīng)用CBR-V法進(jìn)行級配設(shè)計時，考慮到水泥量對體積的影響，建議采用內(nèi)摻法。同上，可直接采用此法進(jìn)行配比設(shè)計，或用于驗證或參考修正已有的級配設(shè)計。

(3)在骨架密實型的瀝青混凝土級配設(shè)計中，本文的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，但可用此方法驗證生產(chǎn)配比中的集料配比情況，作為集料配比修正的參考。