薛連旭，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.華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣州 510800)

0 引言

針片狀顆粒是指粗集料顆粒中最大長(zhǎng)度方向(或?qū)挾?與最小厚度方向(或直徑)尺寸比大于3:1的顆粒[1]，在一定程度上可以表征集料抵抗壓碎的能力[2]。針片狀顆粒多呈細(xì)長(zhǎng)或扁平狀，在施工壓實(shí)過(guò)程或正常行車(chē)過(guò)程中受到車(chē)輛荷載的反復(fù)作用后易發(fā)生壓斷和壓碎[3]，導(dǎo)致集料之間的嵌擠作用減弱，進(jìn)而影響混合料的路用性能。公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范對(duì)集料中的針片狀顆粒含量進(jìn)行了規(guī)定[4]，但規(guī)范所涉面較廣、編寫(xiě)時(shí)間較早、適用于各種級(jí)配。近年來(lái)，研究學(xué)者開(kāi)展了集料針片狀顆粒含量對(duì)瀝青混合料性能的影響研究，發(fā)現(xiàn)隨著針片狀顆粒含量的增大，集料破碎率增大，混合料孔隙率增大，水穩(wěn)定性、抗疲勞性能、高溫穩(wěn)定性顯著降低[1，5，6，7]。紀(jì)倫、張磊等[8-9]基于CT掃描技術(shù)，對(duì)不同針片狀顆粒含量的混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，并提出了不同針片狀顆粒含量的瀝青混合料結(jié)構(gòu)參數(shù)和體積指標(biāo)。作為粗集料間嵌擠能力的間接評(píng)價(jià)指標(biāo)，集料承載比(CBR)受針片狀顆粒含量影響程度的研究卻幾乎空白?；诖耍疚耐ㄟ^(guò)改進(jìn)的CBR試驗(yàn)[10]，分析研究針狀與片狀顆粒含量對(duì)CBR和破碎率的影響，用于指導(dǎo)粗集料嵌擠能力的評(píng)價(jià)，并在此基礎(chǔ)上提出骨架嵌擠型密級(jí)配粗集料的針片狀顆粒含量控制標(biāo)準(zhǔn)。

1 原材料

集料選用廣西某石場(chǎng)的石灰?guī)r，物理指標(biāo)及篩分情況見(jiàn)表1和表2。開(kāi)展CBR試驗(yàn)前，按照粗集料針片狀顆粒含量試驗(yàn)(游標(biāo)卡尺法)的檢測(cè)方法[11]從同種規(guī)格集料中挑選針狀及片狀集料顆粒，通過(guò)回配的方式制備不同針狀、片狀顆粒含量的集料樣品。

表1 石灰?guī)r(10～20mm)物理指標(biāo)

表2 石灰?guī)r(10～20mm)篩分情況

2 試驗(yàn)方案

對(duì)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定的土的承載比(CBR)試驗(yàn)方法[10]進(jìn)行改進(jìn)。

儀器設(shè)備：路面材料強(qiáng)度儀，貫入速度1mm/min；試筒，內(nèi)徑152mm、高170mm；貫入桿，端面直徑50mm、長(zhǎng)100mm；墊塊和壓塊，直徑151mm、高50mm；其它同T 0134-1993承載比(CBR)試驗(yàn)。

成型方式：采用“三裝一壓”的成型方式，即將混合均勻的試驗(yàn)樣品分3次裝入試筒，每裝一次便對(duì)表面進(jìn)行整平，然后繼續(xù)裝入下一層。最后一層裝完并整平后，放置壓力板，將試筒連同集料和壓力板一起放置于路面材料強(qiáng)度儀上，施加10kN的荷載進(jìn)行壓實(shí)成型。成型后，從試筒中取出壓力板，換上荷載板，調(diào)整好儀器，進(jìn)行CBR貫入試驗(yàn)，計(jì)算不同針狀或片狀顆粒含量集料的CBR值。

圖1 裝料后放入壓力板的狀態(tài)

圖2 壓實(shí)成型過(guò)程

圖3 貫入試驗(yàn)過(guò)程

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 針狀顆粒含量對(duì)CBR與破碎率的影響

分別配制針狀顆粒含量為0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%的集料，并測(cè)試其CBR與破碎率，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 CBR與破碎率隨集料針狀顆粒含量的變化趨勢(shì)

由圖4可看出：CBR與破碎率隨集料針狀顆粒含量的變化趨勢(shì)一致。當(dāng)集料中的針狀顆粒含量在0%～5%范圍內(nèi)時(shí)，CBR和破碎率呈上升趨勢(shì)，可能是由于針狀顆粒之間互相搭接成“梁體”，阻礙了貫入過(guò)程；同時(shí)，CBR升高的過(guò)程也是貫入力增加的過(guò)程，該過(guò)程中部分承載力較弱的“梁體”在逐漸增加的貫入力作用下開(kāi)始斷裂，故CBR和破碎率的增大速度逐漸變緩。當(dāng)集料中的針狀顆粒含量在5%～25%范圍內(nèi)時(shí)，CBR和破碎率呈先升后降的趨勢(shì)，主要是由于隨著針狀顆粒含量的增多，針狀顆粒破碎數(shù)量增多但幅度不大，因而破碎率降低，CBR也隨之降低；隨著針狀顆粒含量的進(jìn)一步增多，“梁體”的數(shù)量越來(lái)越多，貫入阻力提升，導(dǎo)致CBR和破碎率再次提升。當(dāng)集料中的針狀顆粒含量在25%～30%范圍內(nèi)時(shí)，CBR和破碎率呈下降趨勢(shì)，主要是由于針狀顆粒含量太多，“梁體”數(shù)量進(jìn)一步增多，導(dǎo)致破碎率下降的同時(shí)CBR下降。

針狀顆粒含量<25%時(shí)，CBR和破碎率兩者間的波動(dòng)較大；針狀顆粒含量=25%時(shí)，CBR和破碎率發(fā)生重合；針狀顆粒含量>25%時(shí)，CBR和破碎率兩者間的相互影響不再敏感。說(shuō)明集料中的針狀顆粒含量超過(guò)25%后，針狀顆粒不再是集料性質(zhì)的影響因素，而變?yōu)橹鲗?dǎo)性因素。因此，集料中的針狀顆粒含量不宜超過(guò)25%。

3.2 片狀顆粒含量對(duì)CBR與破碎率的影響

分別配制片狀顆粒含量為0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%的集料，并測(cè)試其CBR與破碎率，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 CBR與破碎率隨集料片狀顆粒含量的變化趨勢(shì)

由圖5可看出：破碎率隨集料片狀顆粒含量的變化趨勢(shì)類(lèi)似于CBR與破碎率隨針狀顆粒含量的變化趨勢(shì)。主要區(qū)別在于集料中的片狀顆粒含量在0%～10%范圍內(nèi)時(shí)，破碎率變化呈上升趨勢(shì)，即該范圍增大，說(shuō)明片狀顆粒更易被壓碎，可能是由于片狀顆粒受力面積比針狀顆粒大所致。

片狀顆粒含量<10%時(shí)，片狀顆粒含量對(duì)CBR幾乎沒(méi)有影響，即該階段片狀顆粒不會(huì)影響集料間的嵌擠性；片狀顆粒含量=25%時(shí)，CBR和破碎率發(fā)生重合；片狀顆粒含量>25%時(shí)，CBR和破碎率兩者間的波動(dòng)較大。該特性對(duì)于級(jí)配很重要，對(duì)骨架嵌擠要求不高的連續(xù)型級(jí)配，集料中的片狀顆粒含量可超過(guò)10%；但對(duì)骨架嵌擠型級(jí)配，集料中的片狀顆粒含量不宜超過(guò)10%。

3.3 針狀、片狀顆粒含量對(duì)CBR的影響對(duì)比

針狀、片狀顆粒含量分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%集料的CBR測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 CBR隨集料針狀、片狀顆粒含量的變化趨勢(shì)對(duì)比

由圖6可看出：當(dāng)針狀顆粒含量或片狀顆粒含量<20%時(shí)，CBR隨針狀顆粒含量或片狀顆粒含量的變化趨勢(shì)基本一致；且在針狀顆粒含量或片狀顆粒含量0%～30%范圍內(nèi)，含有針狀顆粒集料的CBR值始終大于相同含量的片狀顆粒集料的CBR值。說(shuō)明針狀顆粒在集料中不僅會(huì)形成“梁體”，甚至?xí)搬敗比肫渲胁⑿纬伞翱c(diǎn)”，從而阻止集料滑移；片狀顆粒在集料中大多只能形成“梁板”，平鋪于集料中，容易發(fā)生集料滑移。由此可推斷，集料中針狀顆粒比片狀顆粒的危害性大。

在針狀顆粒含量或片狀顆粒含量為10%、20%處，集料的CBR值出現(xiàn)了兩次相交。當(dāng)針狀顆粒含量或片狀顆粒含量>20%后，CBR隨針狀顆粒含量或片狀顆粒含量的變化趨勢(shì)完全相反，預(yù)計(jì)會(huì)在含量31%處出現(xiàn)第三次相交。說(shuō)明當(dāng)含量為10%、20%、31%時(shí)，針狀顆粒與片狀顆粒對(duì)CBR的影響基本相同。結(jié)合上兩節(jié)的分析，僅考慮針狀顆粒含量或片狀顆粒含量為10%和20%兩種情況。當(dāng)針狀顆粒含量或片狀顆粒含量為10%時(shí)，CBR值幾乎沒(méi)有變化；當(dāng)含量為20%時(shí)，CBR值下降了5%。這兩個(gè)限值提供了一個(gè)劃分集料品級(jí)的依據(jù)，即對(duì)于可靠度要求比較高的工程，針狀或片狀顆粒含量宜小于10%，其他工程宜小于20%。

當(dāng)針狀顆粒含量或片狀顆粒含量>20%時(shí)，針狀顆粒和片狀顆粒在集料中的作用機(jī)理各異，可能是由于針狀顆粒仍在斷裂增加了嵌擠力；而片狀顆粒形成的大量“板體”，使得集料在貫入過(guò)程中更易滑動(dòng)，導(dǎo)致CBR下降。但具體原因需進(jìn)一步研究分析。

3.4 針狀、片狀顆粒含量對(duì)破碎率的影響對(duì)比

針狀、片狀顆粒含量分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%集料的破碎率測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 破碎率隨集料針狀、片狀顆粒含量的變化趨勢(shì)對(duì)比

由圖7可看出：破碎率隨集料針狀顆粒含量和片狀顆粒含量的變化趨勢(shì)一致，其區(qū)別在于出現(xiàn)峰值和拐點(diǎn)的位置。當(dāng)針狀或片狀顆粒含量<20%時(shí)，兩種集料的破碎率不但趨勢(shì)一致，數(shù)值也基本一致；當(dāng)含量大于20%時(shí)，兩種集料的破碎率變化趨勢(shì)一致，但數(shù)值開(kāi)始出現(xiàn)分化。

4 結(jié)論

(1)集料中針狀顆粒含量超過(guò)25%后，針狀顆粒不再是集料性質(zhì)的影響因素，而變?yōu)橹鲗?dǎo)性因素，建議集料中的針狀顆粒含量不宜超過(guò)25%。

(2)片狀顆粒含量<10%時(shí)，片狀顆粒含量對(duì)CBR幾乎沒(méi)有影響，即該階段片狀顆粒不會(huì)影響集料間的嵌擠性，建議對(duì)骨架嵌擠型級(jí)配的集料中的片狀顆粒含量不宜超過(guò)10%。

(3)當(dāng)含量為10%、20%時(shí)，針狀顆粒與片狀顆粒對(duì)CBR的影響相當(dāng)，但含量為20%時(shí)的CBR值更優(yōu)?；诖耍岢隽藙澐旨掀芳?jí)的依據(jù)，即對(duì)于可靠度要求較高的工程，針狀或片狀顆粒含量宜小于10%，其他工程宜小于20%。

(4)破碎率隨集料針狀顆粒含量和片狀顆粒含量的變化趨勢(shì)一致。當(dāng)針狀或片狀顆粒含量<20%時(shí)，破碎率變化趨勢(shì)與數(shù)值均一致；當(dāng)含量大于20%時(shí)，破碎率變化趨勢(shì)一致、數(shù)值開(kāi)始出現(xiàn)分化。

綜合分析，建議骨架嵌擠型級(jí)配或可靠度要求較高的工程所用粗集料中的針片狀顆粒含量不宜超過(guò)10%，其他級(jí)配或工程所用粗集料中的針片狀顆粒含量不宜超過(guò)20%。