王衛(wèi)紅

(中鐵十九局集團有限公司 北京 100176)

1 引言

半剛性基層作為國內(nèi)高等級公路最常見的瀝青路面基層結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用[1-3]。 但半剛性基層瀝青路面在開通后幾年內(nèi)會出現(xiàn)不同程度的早期破壞，此外反射裂縫、水損害等也降低了路面的使用壽命。 這與實際使用的材料及其組成結(jié)構(gòu)差異有直接必然聯(lián)系。 這說明與其他材料一樣，基層材料的性能不僅與其組成有關(guān)，更是由其結(jié)構(gòu)所決定的[4]。 通過相關(guān)學(xué)者[5-8]的研究表明根據(jù)基層材料中粗集料和細(xì)集料的分布狀態(tài)，可以將基層材料的結(jié)構(gòu)劃分為4 種類型：骨架密實結(jié)構(gòu)、骨架孔隙結(jié)構(gòu)、懸浮密實結(jié)構(gòu)、均勻密實結(jié)構(gòu)。 其中骨架密實結(jié)構(gòu)以粗骨料形成嵌擠提高摩阻力，細(xì)集料填充骨架間的空隙提高密實度，具有嵌擠、密實的特點，從而使混合料具有骨架性與密實性，其強度、耐久性較其他類型普遍高很多[9-10]。 而配合比設(shè)計則多采用經(jīng)驗法或根據(jù)瀝青混合料配合比設(shè)計而來，這也對其性能產(chǎn)生了不利的影響[11]。

交通運輸部于2015 年5 月19 日發(fā)布了《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20 -2015)，以下簡稱為“細(xì)則”[12]。 其中提出了基于數(shù)字模型的半剛性基層配合比設(shè)計方法，目前對于此方法的研究鮮有報道。 本文采用數(shù)學(xué)模型對半剛性基層材料進行配合比設(shè)計研究，并通過無側(cè)限抗壓強度試驗進行驗證。

2 工程概況

成都經(jīng)濟區(qū)環(huán)線高速公路蒲江至都江堰段主線起于蒲江縣天華鎮(zhèn)，對接成都經(jīng)濟區(qū)環(huán)線高速公路簡陽至蒲江段，經(jīng)蒲江縣、邛崍市、大邑縣、崇州市、都江堰市，止于都江堰市玉堂，接成都經(jīng)濟區(qū)環(huán)線高速公路都江堰至德陽段，并設(shè)置街子連接線。路線主線全長101.417 km，雙向六車道高速公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，路面結(jié)構(gòu)層次為15 cm 級配碎石墊層、36 cm水泥穩(wěn)定碎石底基層、20 cm 水泥穩(wěn)定碎石基層，并要求依據(jù)“細(xì)則”進行配合比設(shè)計和施工，在四川地區(qū)首次采用，配合比設(shè)計難度很大。

3 配合比設(shè)計研究

3.1 原材料

粗集料采用石灰?guī)r，細(xì)集料采用機制砂，原材料各項指標(biāo)按照相關(guān)試驗規(guī)范進行試驗，見表1。

表1 原材料技術(shù)指標(biāo)

續(xù)表1

3.2 數(shù)學(xué)模型擬合研究

半剛性基層材料的級配組成可以采用冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)數(shù)學(xué)模型分別構(gòu)造粗、細(xì)集料級配曲線。 模型如下：

式中，y為通過率(%)；x為集料粒徑(mm)；a、b為回歸系數(shù)。

對某一級配，使用這些不同類型的模型，將導(dǎo)致在相同碎石含量的條件下，粗集料各檔顆粒之間比例關(guān)系的變化，從而影響混合料級配的性能。 一般來說，使用指數(shù)函數(shù)時，級配偏粗；使用對數(shù)函數(shù)時，級配偏細(xì)；冪函數(shù)，居中。 在實際工程中，即使是相同粒徑的材料(如19 ～26.5 mm)，由于巖性不同、破碎方式不同、篩孔尺寸不同，其幾何形狀并不相同，從而影響各檔顆粒間的搭配，因此在實際工程中可以根據(jù)實際情況選用不同的粗集料級配構(gòu)建模型。

按設(shè)定的混合料級配的公稱最大粒徑及其通過率和4.75 mm 及其通過率，計算粗集料級配曲線的a、b系數(shù)，構(gòu)造粗集料級配曲線。 按設(shè)定的混合料級配的4.75 mm 及其通過率和0.075 mm 及其通過率，計算細(xì)集料級配曲線的a、b系數(shù)，構(gòu)造細(xì)集料級配曲線。 按照兩條級配曲線分別計算各篩孔通過率，完成級配的設(shè)計。

根據(jù)半剛性基層材料實踐經(jīng)驗和相關(guān)研究，本文采用冪函數(shù)模型分別構(gòu)建粗、細(xì)集料級配曲線?；趹腋∶軐嵔Y(jié)構(gòu)和骨架密實結(jié)構(gòu)設(shè)計思想，參照“細(xì)則”C-B-1、C-B-2、C-B-3 推薦級配范圍(見表2)，設(shè)定的混合料級配的公稱最大粒徑及其通過率、4.75 mm及其通過率和0.075 mm 及其通過率，計算粗、細(xì)集料級配曲線的a、b系數(shù)，如表3 所示，其中級配C-B-1、C-B-2 屬于懸浮密實結(jié)構(gòu)，C-B-3 屬于骨架密實結(jié)構(gòu)。

表2 水泥穩(wěn)定級配碎石和礫石的推薦級配范圍 %

表3 水泥穩(wěn)定碎石級配構(gòu)建參數(shù)

3 種級配粗、細(xì)集料級配曲線見圖1 ～圖6。

圖1 C-B-1 級配粗集料構(gòu)造曲線

圖2 C-B-1 級配細(xì)集料構(gòu)造曲線

圖3 C-B-2 級配粗集料構(gòu)造曲線

圖4 C-B-2 級配細(xì)集料構(gòu)造曲線

圖5 C-B-3 級配粗集料構(gòu)造曲線

3.3 級配設(shè)計驗證

根據(jù)“細(xì)則”中對于水泥穩(wěn)定級配碎石推薦的級配范圍，開展了適用于特重、極重交通等級強度要求的水泥穩(wěn)定碎石基層材料配合比設(shè)計，通過數(shù)字模型方法進行配合比設(shè)計，試驗用3 種合成級配，匯總見表4，其中粉煤灰用量4%。

表4 水泥穩(wěn)定碎石基層材料配合比設(shè)計

針對級配1 ～3 進行最佳含水率及最大干密度試驗，試驗結(jié)果見表5。

表5 最佳含水率及最大干密度

根據(jù)最佳含水率數(shù)據(jù)，制備無側(cè)限抗壓強度試驗試件，平行試驗試件要求每組制備10 個，試件試驗結(jié)果見表6。

表6 水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強度試驗

采用懸浮密實結(jié)構(gòu)的級配1 時，隨水泥摻量的增加，最大干密度提高，最佳含水率基本保持不變；隨水泥摻量的提高，7 d 無側(cè)限抗壓強度增加，變異系數(shù)減小，表明水泥劑量提高對于懸浮密實結(jié)構(gòu)的級配1 而言有助于減少其強度變異性；當(dāng)摻加4%粉煤灰＋5%水泥時，其7 d 水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強度可以滿足“細(xì)則”中對于極重、特重交通的強度要求。

采用懸浮密實結(jié)構(gòu)的級配2 時，隨水泥摻量的增加，最佳含水率與最大干密度均提高；隨水泥摻量的提高，7 d 無側(cè)限抗壓強度增加，變異系數(shù)增大，表明水泥劑量提高對于懸浮密實結(jié)構(gòu)的級配2 而言不利于減少其強度變異性；當(dāng)摻加4%粉煤灰＋5%水泥時，其7 d 水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強度可以滿足“細(xì)則”中對于極重、特重交通的強度要求。

采用骨架密實結(jié)構(gòu)的級配3 時，隨水泥摻量的增加，最大干密度提高，最佳含水率在水泥用量4%～5%時保持不變，在6%時有所提高；隨水泥摻量的提高，7 d 無側(cè)限抗壓強度增加，變異系數(shù)基本不變，表明水泥劑量提高對于骨架密實結(jié)構(gòu)的級配3其強度變異性影響很??；當(dāng)摻加4%粉煤灰＋4.5%水泥時，其7 d 水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強度可以滿足“細(xì)則”中對于極重、特重交通的強度要求。

4 結(jié)論

參照“細(xì)則”推薦級配范圍(C-B-1、C-B-2、C-B-3)和工程實踐，采用冪函數(shù)模型構(gòu)建了1 種骨架密實型、2 種懸浮密實型水泥穩(wěn)定材料級配，進行了3 種級配的水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計。 通過試驗，初步驗證了基于冪函數(shù)模型分別構(gòu)建懸浮密實型和骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石粗細(xì)集料級配，其7 d 水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強度可以滿足“細(xì)則”中對于極重、特重交通的強度要求，骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石混合料可以采用相對更少的水泥用量，獲得較大的強度。