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 516139)

0 引言

礦質(zhì)集料承載比試驗(yàn)是測定路面材料承載能力的主要方法之一。目前在測定礦質(zhì)集料承載比(CBR)時(shí)，主要參照現(xiàn)行公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定的粗集料堆積密度及孔隙率試驗(yàn)中的成型方法。粗集料堆積密度及空隙率試驗(yàn)主要涉及自然堆積狀態(tài)、振實(shí)狀態(tài)、搗實(shí)狀態(tài)三種測試集料堆積密度的成型方法[1]?，F(xiàn)有研究表明，自然堆積狀態(tài)下的集料離析程度較小，但由于該狀態(tài)下的集料過于松散，貫入量過大，宜導(dǎo)致CBR測試數(shù)據(jù)失真，不宜采用；振實(shí)狀態(tài)下的集料易發(fā)生較大離析，即細(xì)集料下沉、粗集料上浮，故不宜采用；搗實(shí)狀態(tài)下的集料離析情況較振實(shí)狀態(tài)有所緩解，但時(shí)常也會(huì)出現(xiàn)測定值離散性較大的情況[2-5]。張永升等[6]對比分析了擊實(shí)成型、振動(dòng)成型方法對級(jí)配碎石性能的影響，發(fā)現(xiàn)擊實(shí)成型法對級(jí)配碎石的擾動(dòng)較大，振動(dòng)成型法對級(jí)配碎石的擾動(dòng)較小。陳樹仁[7]分析了擊實(shí)法成型承載比試件的不足：成型方法繁瑣、所需時(shí)間長，與實(shí)際施工過程中的碾壓成型法存在較大差異，提出了靜壓成型承載比試件的方法。

基于此，本文采用“三裝三搗”和“三裝一壓”方法成型集料CBR試件，對比研究合適的CBR試件成型方法和成型壓力指標(biāo)，用于指導(dǎo)粗集料承載能力的評(píng)價(jià)，為工程集料的選取提供參考。

1 試驗(yàn)思路

選用我國公路路面工程中最常用、最具代表性的三種石料：石灰?guī)r、花崗巖和輝綠巖，對“三裝三搗”和“三裝一壓”兩種集料CBR試件成型方法進(jìn)行對比研究。

“三裝三搗”成型方法：將待測集料混合均勻，分三次裝入試筒內(nèi)，每裝入1/3的高度，用搗棒由邊至中均勻搗實(shí)25次。“三裝一壓”成型方法：將待測集料混合均勻，分三次裝入試筒內(nèi)，每裝入1/3的高度，將表面整平，再繼續(xù)下一層，待最后一層裝完整平后，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，施加恒定荷載進(jìn)行壓實(shí)成型。“三裝一壓”成型方法可以彌補(bǔ)自然堆積狀態(tài)集料過于松散、貫入量過大導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)失真的缺陷，使得集料由松散狀態(tài)轉(zhuǎn)為緊裝狀態(tài)。隨后，將成型好的集料CBR試件放置于路面材料強(qiáng)度儀上,進(jìn)行CBR試驗(yàn)。

2 原材料

選取廣西某石場的石灰?guī)r、廣東某石場的花崗巖和輝綠巖，取其中10～20mm粒徑范圍的集料作為研究對象，其物理指標(biāo)及篩分結(jié)果見表1和表2。

表1 礦質(zhì)集料物理指標(biāo)

表2 礦質(zhì)集料篩分結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 石灰?guī)r集料承載比試驗(yàn)

3.1.1 “三裝三搗”成型方法

選用同種同批材料、同一設(shè)備、同一操作人員，采用“三裝三搗”法成型兩組(為保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，每組6個(gè)試件)石灰?guī)r集料試件并進(jìn)行承載比(CBR)試驗(yàn)，CBR與破碎率測試結(jié)果見表3。

表3 “三裝三搗”法成型的石灰?guī)r集料試件的CBR與破碎率試驗(yàn)結(jié)果

由表3可以看出：

(1)采用“三裝三搗”成型方法測得的石灰?guī)r集料CBR值為22.1%、破碎率為2.1%。

(2)每組測試數(shù)據(jù)中，石灰?guī)r集料CBR測試值的變異系數(shù)相差不大，分別為14.4%、16.7%；石灰?guī)r集料破碎率測試值的變異系數(shù)相差也不大，分別為17.5%、15.3%。兩組測試數(shù)據(jù)間，CBR測試值與破碎率測試值的變異系數(shù)分別為12.8%、13.0%。

(3)該方法測得的參數(shù)離散性雖達(dá)不到土的承載比(CBR)試驗(yàn)(T 0134—1993)規(guī)定的精密度和允許差CV≤12%的要求[8]，但相差不大。若適當(dāng)放寬精密度和允許差的要求，采用“三裝三搗”成型方法進(jìn)行石灰?guī)r集料CBR試驗(yàn)是基本可行的。

3.1.2 “三裝一壓”成型方法

“三裝一壓”成型方法主要考察成型壓力對集料CBR試驗(yàn)結(jié)果的影響。為確定合適的成型壓力，本試驗(yàn)分別選用5kN、10kN、15kN和20kN四個(gè)級(jí)別的壓力成型集料試件，并進(jìn)行石灰?guī)r集料CBR試驗(yàn)。采用該方法成型的石灰?guī)r集料CBR與破碎率測試結(jié)果見表4及圖1～圖2。

表4 “三裝一壓”法成型的石灰?guī)r集料試件的CBR與破碎率試驗(yàn)結(jié)果

圖1 不同壓力下的石灰?guī)r集料CBR及變異系數(shù)變化趨勢

圖2 不同壓力下的石灰?guī)r集料破碎率及變異系數(shù)變化趨勢

由表4及圖1～圖2可以看出：

(1)隨著成型壓力的增加，石灰?guī)r集料CBR的均值逐漸增大；變異系數(shù)呈先下降后上升的趨勢，成型壓力在10～15kN范圍內(nèi)時(shí)的變異系數(shù)較小，其中當(dāng)成型壓力為10kN時(shí)的變異系數(shù)為13%，小于采用“三裝三搗”成型石灰?guī)r集料試件的變異系數(shù)。

(2)隨著成型壓力的增加，石灰?guī)r集料破損率的均值逐漸增大、變異系數(shù)呈先增大后減小的趨勢，其中當(dāng)成型壓力為15～20kN時(shí)的變異系數(shù)較小，小于等于采用“三裝三搗”成型石灰?guī)r集料試件的變異系數(shù)。

(3)綜合考慮石灰?guī)r集料CBR變異系數(shù)和破碎率變異系數(shù)，推薦石灰?guī)r集料采用“三裝一壓”成型試件時(shí)采用成型壓力15kN，此時(shí)石灰?guī)r集料CBR變異系數(shù)剛好可以滿足土的承載比(CBR)試驗(yàn)(T 0134-1993)規(guī)定的精密度和允許差CV≤12%的要求。

(4)對比“三裝三搗”和“三裝一壓”兩種成型方式，且考慮到“三裝一壓”離析較小、變異系數(shù)較小等優(yōu)勢，石灰?guī)r集料承載比試驗(yàn)采用“三裝一壓”成型方式且成型壓力采用15kN是可行的。

3.2 花崗巖集料承載比試驗(yàn)

3.2.1 “三裝三搗”成型方法

選用同種同批材料、同一設(shè)備、同一操作人員，采用“三裝三搗”法成型兩組(為保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，每組6個(gè)試件)花崗巖集料試件并進(jìn)行承載比(CBR)試驗(yàn)，CBR與破碎率測試結(jié)果見表5。

表5 “三裝三搗”法成型的花崗巖集料試件的CBR與破碎率試驗(yàn)結(jié)果

由表5可以看出：

(1)采用“三裝三搗”成型方法測得的花崗巖集料CBR值為19.3%、破碎率為1.7%，均小于采用“三裝三搗”成型方法測得的石灰?guī)r集料的CBR值和破碎率值。

(2)每組測試數(shù)據(jù)中，花崗巖集料CBR測試值的變異系數(shù)相差較大，分別為54.8%、40.6%，大于同種方法測得的石灰?guī)r集料CBR測試值的變異系數(shù)；花崗巖集料破碎率測試值的變異系數(shù)相差不大，分別為31.2%、36.2%，大于同種方法測得的石灰?guī)r集料破碎率測試值的變異系數(shù)。兩組測試數(shù)據(jù)間，CBR測試值與破碎率測試值的變異系數(shù)分別為17.6%、12.4%。

(3)該方法測得的參數(shù)離散性達(dá)不到土的承載比(CBR)試驗(yàn)(T 0134—1993)規(guī)定的精密度和允許差CV≤12%的要求且相差甚遠(yuǎn),因此，不宜采用“三裝三搗”成型方法進(jìn)行花崗巖集料CBR試驗(yàn)。

3.2.2 “三裝一壓”成型方法

“三裝一壓”成型方法主要考察成型壓力對集料CBR試驗(yàn)結(jié)果的影響。為確定合適的成型壓力，本試驗(yàn)分別選用5kN、10kN、15kN和20kN四個(gè)級(jí)別的壓力成型集料試件，并進(jìn)行花崗巖集料CBR試驗(yàn)。采用該方法成型的花崗巖集料CBR與破碎率測試結(jié)果見表6及圖3～圖4。

表6 “三裝一壓”法成型的花崗巖集料試件的CBR與破碎率試驗(yàn)結(jié)果

圖3 不同壓力下的花崗巖集料CBR及變異系數(shù)變化趨勢

圖4 不同壓力下的花崗巖集料破碎率及變異系數(shù)變化趨勢

由表6及圖3～圖4可以看出：

(1)隨著成型壓力的增加，花崗巖集料CBR的均值逐漸增大；變異系數(shù)呈現(xiàn)較輕微的波動(dòng)，基本維持在12%～20%范圍內(nèi)，明顯小于采用“三裝三搗”成型花崗巖集料試件的變異系數(shù)，其中當(dāng)成型壓力為15kN時(shí)的變異系數(shù)最小，為12.5%。

(2)隨著成型壓力的增加，花崗巖集料破損率的均值逐漸增大、變異系數(shù)呈先增大后減小的趨勢，但均小于采用“三裝三搗”成型花崗巖集料試件的變異系數(shù)。

(3)綜合考慮花崗巖集料CBR變異系數(shù)和破碎率變異系數(shù)，推薦花崗巖集料采用“三裝一壓”成型試件時(shí)采用成型壓力15kN。

(4)對比“三裝三搗”和“三裝一壓”兩種成型方式，且考慮到“三裝一壓”離析較小、變異系數(shù)較小等優(yōu)勢，花崗巖集料承載比試驗(yàn)采用“三裝一壓”的成型方式且成型壓力采用15kN是可行的。

3.3 輝綠巖集料承載比試驗(yàn)

3.3.1 “三裝三搗”成型方法

選用同種同批材料、同一設(shè)備、同一操作人員，采用“三裝三搗”法成型兩組(為保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，每組6個(gè)試件)輝綠巖集料試件并進(jìn)行承載比(CBR)試驗(yàn)，CBR與破碎率測試結(jié)果見表7。

表7 “三裝三搗”法成型的輝綠巖集料試件的CBR與破碎率試驗(yàn)結(jié)果

由表7可以看出：

(1)采用“三裝三搗”成型方法測得的輝綠巖集料CBR值為40.2%，大于同種方法成型的石灰?guī)r集料和花崗巖集料；破碎率為0.4%，小于同種方法成型的石灰?guī)r集料和花崗巖集料。

(2)每組測試數(shù)據(jù)中輝綠巖集料CBR測試值的變異系數(shù)相差較大，分別為44.2%、26.8%，小于同種方法測得的花崗巖集料CBR測試值的變異系數(shù)，大于同種方法測得的石灰?guī)r集料CBR測試值的變異系數(shù)；輝綠巖集料破碎率測試值的變異系數(shù)相差也較大，分別為38.0%、72.3%，大于同種方法測得的石灰?guī)r集料和花崗巖集料破碎率測試值的變異系數(shù)。兩組測試數(shù)據(jù)間，CBR測試值與破碎率測試值的變異系數(shù)分別為14.2%、34.0%。

(3)該方法測得的參數(shù)離散性達(dá)不到土的承載比(CBR)試驗(yàn)(T 0134-1993)規(guī)定的精密度和允許差CV≤12%的要求且相差甚遠(yuǎn)。因此，不宜采用“三裝三搗”成型方法進(jìn)行輝綠巖集料CBR試驗(yàn)。

3.3.2 “三裝一壓”成型方法

“三裝一壓”成型方法主要考察成型壓力對集料CBR試驗(yàn)結(jié)果的影響。為確定合適的成型壓力，本試驗(yàn)分別選用5kN、10kN、15kN和20kN四個(gè)級(jí)別的壓力成型集料試件，并進(jìn)行輝綠巖集料CBR試驗(yàn)。采用該方法成型的輝綠巖集料CBR與破碎率測試結(jié)果見表8及圖5～圖6。

表8 “三裝一壓”法成型的輝綠巖集料試件的CBR與破碎率試驗(yàn)結(jié)果

圖5 不同壓力下的輝綠巖集料CBR及變異系數(shù)變化趨勢

圖6 不同壓力下的輝綠巖集料破碎率及變異系數(shù)變化趨勢

由表8及圖5～圖6可以看出：

(1)隨著成型壓力的增加，輝綠巖集料CBR的均值逐漸增大；變異系數(shù)呈現(xiàn)較輕微的波動(dòng)，基本維持在12%～20%范圍內(nèi)，明顯小于采用“三裝三搗”成型輝綠巖集料試件的變異系數(shù)，其中當(dāng)成型壓力為15～20kN時(shí)的變異系數(shù)均較小，分別為16.1%、14.1%。

(2)隨著成型壓力的增加，輝綠巖集料破損率的均值逐漸增大、變異系數(shù)呈先減小后增大的趨勢，其中當(dāng)成型壓力為10～20kN時(shí)的變異系數(shù)較小，小于采用“三裝三搗”成型輝綠巖集料試件的變異系數(shù)。

(3)綜合考慮輝綠巖集料CBR變異系數(shù)和破碎率變異系數(shù)，推薦輝綠巖集料采用“三裝一壓”成型試件時(shí)采用成型壓力15kN。

(4)對比“三裝三搗”和“三裝一壓”兩種成型方式，且考慮到“三裝一壓”離析較小、變異系數(shù)較小等優(yōu)勢，輝綠巖集料承載比試驗(yàn)采用“三裝一壓”的成型方式且成型壓力采用15kN是可行的。

4 結(jié)論與建議

(1)通過振動(dòng)、“三裝三搗”和“三裝一壓”三種成型方式對比分析，“三裝一壓”成型方式成型的集料試件離析最小，建議采用“三裝一壓”成型方式進(jìn)行礦質(zhì)集料承載比(CBR)試驗(yàn)。

(2)對比“三裝三搗”和“三裝一壓”兩種成型方式，且考慮到“三裝一壓”離析較小、變異系數(shù)較小等優(yōu)勢，石灰?guī)r、花崗巖和輝綠巖采用“三裝一壓”法成型集料試件時(shí)的成型壓力宜采用15kN。

(3)集料巖性不同，相同壓力下采用“三裝一壓”法成型集料試件的CBR和破碎率的變異系數(shù)也不相同。成型壓力為15kN時(shí)，石灰?guī)r、花崗巖和輝綠巖CBR測試值的變異系數(shù)分別為12.0%、12.5%、16.1%。

(4)由于礦質(zhì)集料為散體材料，變異系數(shù)普遍較大，很難達(dá)到土的承載比(CBR)試驗(yàn)(T 0134—1993)規(guī)定的精密度和允許差CV≤12%的要求，建議礦質(zhì)集料承載比(CBR)的變異系數(shù)允許值取CV≤17%。