周 輝 張學(xué)峰 林起飛 楊歡歡

(1.河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院 張家口 075000;2.河北省高校綠色建材與建筑改造應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心 張家口 075000)

0 引言

隨著城鎮(zhèn)現(xiàn)代化建設(shè)的蓬勃發(fā)展，我國對道路等級要求有所提高，由于汽車承重量加大，以及氣候溫度變化的影響，很多道路已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在公路基層設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，需要對其進(jìn)行翻修或者重建。道路基層材料性能的好壞和集料的級配密切相關(guān)，不良的級配可以使水穩(wěn)碎石基層材料的力學(xué)性能和耐久性能大幅度削弱，對于級配不好的集料可以通過增加膠凝材料摻加量來對其性能進(jìn)行改善，但大量的膠凝材料的增加，材料的抗裂性能會減弱，這些問題引起了大量工程界和科研人員的關(guān)注。

彭波等[1]根據(jù)分形理論和篩孔級配理論共設(shè)計(jì)了10組級配，通過抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這10組級配對應(yīng)碎石的力學(xué)特性均比規(guī)范中值大，證實(shí)了這兩種級配理論適用性。蔣應(yīng)軍等[2]用逐級填充法和I法級配設(shè)計(jì)得到設(shè)計(jì)級配并用SRX材料進(jìn)行穩(wěn)定，結(jié)果表明設(shè)計(jì)級配下SRX穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能優(yōu)于水泥穩(wěn)定碎石。賈敬立等[3]分別采用K法、I法、N法對水穩(wěn)碎石進(jìn)行級配設(shè)計(jì)，再用貝雷法對其進(jìn)行級配優(yōu)化。楊寶帥等[4]根據(jù)粒子干涉理論與最大密度曲線理論對再生集料的級配進(jìn)行了設(shè)計(jì)，當(dāng)天然細(xì)集料與再生粗集料比30%～60%時固結(jié)物的力學(xué)特性較好。羅迪、楊瑞華等[5,6]根據(jù)規(guī)范中對懸浮密實(shí)型和骨架密實(shí)型級配限值，制作水穩(wěn)碎石試件并對其力學(xué)性能和收縮性能試驗(yàn)，結(jié)果表明骨架密實(shí)型級配制成的試件具有較好的路用性能和耐久性能。羅坤[7]對摻廢舊瀝青細(xì)集料的水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行了級配設(shè)計(jì)。綜上前人的研究結(jié)果可知，均在0～31.5mm粒徑范圍集料進(jìn)行級配設(shè)計(jì)，而在0～19mm粒徑范圍的級配研究較少。本研究對0～19mm粒徑范圍內(nèi)集料的級配進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用逐級填充法設(shè)計(jì)4.75～19mm粗集料級配，泰波n法設(shè)計(jì)0～4.75mm細(xì)集料，再將粗集料和細(xì)集料按比例混合進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得到最佳的級配，為實(shí)際工程提供參考。

1 原材料性質(zhì)

天然集料采用的是4.75～19mm粒徑范圍的石灰?guī)r碎石，細(xì)集料為張家口當(dāng)?shù)氐暮由埃椒秶?～10mm；水泥為強(qiáng)度等級42.5的普通硅酸鹽水泥；碎石、河砂、水泥的各項(xiàng)指標(biāo)如表1、表2所示。

表1 天然集料的物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 水泥主要技術(shù)指標(biāo)

2 級配設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)程[8]對高等級公路基層的級配要求，級配的范圍可以選擇 C-B-2型見表3，由表3可知0～19mm粒徑范圍，集料的分檔是比較細(xì)的，在此粒徑范圍內(nèi)進(jìn)行集料的級配設(shè)計(jì)。

表3 C-B-2型級配范圍

2.1 逐級填充法粗集料級配設(shè)計(jì)

采用逐級填充法對4.75～19mm粒徑范圍內(nèi)的粗集料進(jìn)行級配設(shè)計(jì)，4.75～19mm的集料分成4個部分，分別是19～16mm、16～13.2mm、13.2～9.5mm、9.5～4.75mm，為了方便敘述將這4部分集料按順序依次記為1號料、2號料、3號料、4號料，也可知道1號料粒徑>2號料粒徑>3號料粒徑>4號料粒徑。將這4部分集料根據(jù)粒徑尺寸由大到小依次進(jìn)行填充，進(jìn)行振實(shí)試驗(yàn)[9]，測定逐級填充集料的堆積密度和骨料間隙率VCA值，VCA值的公式為：VCA=100×(1-ρ/ρb)，式中ρ為堆積密度，ρb毛體積密度。振實(shí)試驗(yàn)依據(jù)規(guī)程[9]的操作要求進(jìn)行。

1級填充：將1號料和2號料按照90∶10、80∶20、70∶30、60∶40、55∶45、50∶50、45∶55、40∶60、30∶70、20∶80、10∶90、0∶100的比例混合(均是質(zhì)量之比，下同)，裝入容量筒中進(jìn)行振實(shí)試驗(yàn)，使容量筒中的集料達(dá)到最密實(shí)狀態(tài)，測定振實(shí)密度并計(jì)算出間隙率VCA，取VCA最小值點(diǎn)所對應(yīng)的比例作為最佳比例，比值記為R1，并將1號料和2號料按照R1的比例混合，得到13.2～19mm范圍的集料。2級填充：將13.2～19mm的集料和3號料按照90∶10、80∶20、70∶30、60∶40、55∶45、50∶50、45∶55、40∶60、30∶70、20∶80、10∶90、0∶100的比例混合，測VCA值，取VCA最小值點(diǎn)所對應(yīng)的比例作為最佳比例，比值記為R2，并將13.2～19mm集料和3號料按照R2的比例混合，得到9.5～19mm范圍的集料。3級填充：將13.2～19mm集料和4號料按照90∶10、80∶20、70∶30、60∶40、55∶45、50∶50、45∶55、40∶60、30∶70、20∶80、10∶90、0∶100的比例混合，測VCA值，取VCA最小值點(diǎn)所對應(yīng)的比例作為最佳比例，比值記為R3。圖1為1、2、3級填充的堆積密度和VCA值趨勢圖。

由圖1(1)、(2)、(3)可知隨著2號料、3號料、4號料占比的增加，混合集料的堆積密度呈開口向下的二次函數(shù)曲線形式，存在波峰；間隙率VCA值呈現(xiàn)開口向上的二次函數(shù)曲線形式，存在波谷。這是因?yàn)楣橇祥g的空隙被小一級的骨料填充，從而使集料間的堆積密度增大，但隨著小一級的骨料不斷增加，原本骨料間的空隙反而被小一級的骨料撐開，導(dǎo)致骨料的間隙增大，使堆積密度降低。同時由1(1)、(2)、(3)可知，最小VCA值對應(yīng)的比例R1、R2、R3依次為55%、55%、50%，表明1號料與2號料之比為45∶55，3號料與13.2～19mm集料之比為55∶45，4號料與19～13.2mm集料之比為50∶50。經(jīng)過計(jì)算19～16mm、16～13.2mm、13.2～9.5mm、9.5～4.75mm集料之比為10.1∶12.4∶27.5∶50，即19～16mm、16～13.2mm、13.2～9.5mm、9.5～4.75mm集料與4.75～19mm的集料占比分別為10.1%、12.4%、27.5%、50%，說明粗集料在最密實(shí)情況下，集料尺寸越小，它在整個集料內(nèi)的占比就越大。最密實(shí)情況下4.75～19mm集料的篩分通過率如表4所示，由表2可知19、16、13.2、9.5、4.75mm的篩分通過率依次為100%、89.9%、100%、77.5%、50%時集料最密實(shí)。

圖1 逐級填充試驗(yàn)結(jié)果圖

表4 粗集料最佳級配

2.2 泰波n法細(xì)集料級配設(shè)計(jì)

采用泰波n法對細(xì)集料進(jìn)行級配設(shè)計(jì)，泰波公式：P=100×(d/D)n，式中P為某一篩孔的通過百分率，d為篩孔尺寸，D為集料的最大粒徑。泰波理論認(rèn)為n的取值在0.3～0.5之間細(xì)集料都具有較好的密實(shí)度，n值越大說明細(xì)集料占比越小，需要更多的能量才能使集料緊密[10]。將n值分別取0.3、0.4、0.5，根據(jù)表3可知4.75mm及以下的集料占比在35%～45%之間，因此將細(xì)集料占比為35%、40%、45%分別計(jì)算細(xì)集料級配，得到細(xì)集料級配如表5所示。

表5 細(xì)集料級配

由圖2 (1)、(2)、(3)可知當(dāng)n≤0.4時，粒徑尺寸≤0.6mm以下的通過率均超過了規(guī)范的上限，當(dāng)n取0.5時，35%細(xì)集料和45%細(xì)集料的級配在規(guī)范的限值之內(nèi)，35%細(xì)集料和45%細(xì)集料的對應(yīng)的第7組和第8組級配，將第7組級配和第8組級配作為0～4.75mm粒徑范圍的細(xì)集料級配，記為JP1和JP2。

圖2 不同n值下細(xì)集料級配曲線

2.3 粗、細(xì)集料混合級配設(shè)計(jì)

根據(jù)細(xì)集料級配JP1、JP2，結(jié)合表2中粗集料級配，得到粗、細(xì)混合料級配SJ1、SJ2，根據(jù)級配SJ1、SJ2、GF，其中GF表示規(guī)范中值級配，如表6所示。將SJ1、SJ2、GF這3組級配以5%水泥進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，測得這3組級配的所對應(yīng)的最佳含水量和最大干密度值。根據(jù)得到的最佳含水量和最大干密度值反算每組級配中各檔集料的用量。并根據(jù)規(guī)程[10]采用靜壓成型法制作直徑和高度均為150mm的圓柱體水泥穩(wěn)定碎石試件，制件完成后放養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)7d，并進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測這3組級配所對應(yīng)試件的抗壓強(qiáng)度值。所有集料在配料前都要進(jìn)行篩分，分檔逐級回配，每組級配的抗壓強(qiáng)度試件做13個平行件，擊實(shí)、養(yǎng)護(hù)、制件、強(qiáng)度試驗(yàn)的操作過程參考規(guī)程[11]的要求進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表6 設(shè)計(jì)級配和規(guī)范中值級配

表7 試驗(yàn)結(jié)果

表7中的R表示抗壓強(qiáng)度，由表7可知SJ2級配的最大干密度和7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值均最大，說明在在SJ2級配下，水穩(wěn)碎石材料的最密實(shí)，且具有較好的抗壓性能。表明最優(yōu)級配下19、16、13.2、9.5、4.75、2.36、0.6、0.3、0.15、0.075mm 篩孔通過率分別為 100%、91.9%、84.5%、70.3%、40.0%、28.2%、19.9%、14.2%、10%、7%、5%，且該級配下固結(jié)物的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值為6.881MPa，大于5MPa，滿足規(guī)范[8]中特重、極重交通基層的強(qiáng)度要求。

3 結(jié)論

(1)逐級填充結(jié)果表明，隨著小一級集料的摻加量增大時，混合集料的堆積密度呈開口向上的二次函數(shù)曲線形式，存在波峰；間隙率VCA值呈現(xiàn)開口向下的二次函數(shù)曲線形式，存在波谷，得到4.75～19mm粒徑范圍的最佳級配，最密實(shí)情況下19、16、13.2、9.5、4.75mm的篩分通過率依次為100%、89.9%、100%、77.5%、50%，當(dāng)集料粒徑尺寸越小，粒徑越小集料在4.75～19mm集料的占比就越大。

(2)泰波法級配設(shè)計(jì)結(jié)果表明，n≤0.4時，粒徑尺寸≤0.6mm以下的通過率均超過了規(guī)范的上限，當(dāng)n取0.5時，35%細(xì)集料和45%細(xì)集料的級配在規(guī)范的限值之內(nèi)。

(3)通過對粗、細(xì)混合級配設(shè)計(jì)可知19、16、13.2、9.5、4.75、2.36、0.6、0.3、0.15、0.075mm篩孔通過率分別為100%、91.9%、84.5%、70.3%、40.0%、28.2%、19.9%、14.2%、10%、7%、5%時，水穩(wěn)碎石基層材料的最大干密度、抗壓強(qiáng)度值最大，抗壓強(qiáng)度值為6.881MPa，大于5MPa，滿足特重、極重交通基層的強(qiáng)度要求。