譚波， 楊濤

(1.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院， 廣西 桂林 541004； 2.廣西建筑新能源與節(jié)能重點(diǎn)試驗(yàn)室， 廣西 桂林 541004)

級(jí)配碎石作為一種散體材料，在中國(guó)通常被應(yīng)用于建筑底基層、混凝土拌和料或者瀝青混合料中。目前，工程中通常使用的是常規(guī)粒徑的級(jí)配碎石，大粒徑級(jí)配碎石使用較少，因此關(guān)于大粒徑級(jí)配碎石應(yīng)用于道路底基層的研究也較少。中國(guó)規(guī)范明確指出級(jí)配碎石的最大粒徑宜為37.5 mm，一般認(rèn)為大粒徑尺寸為26.5～63 mm，而此次研究使用的最大粒徑碎石尺寸為53 mm。

以往關(guān)于大粒徑級(jí)配碎石的很多研究認(rèn)為大粒徑級(jí)配碎石在力學(xué)性能上要優(yōu)于常規(guī)粒徑級(jí)配碎石，主要體現(xiàn)在局部抗承載能力和抗壓變形上[1]。趙薦等[2]認(rèn)為大粒徑級(jí)配碎石在應(yīng)用于柔性基層時(shí)，其彎沉值和回彈模量與大粒徑瀝青穩(wěn)定碎石柔性基層相當(dāng)。并且大粒徑級(jí)配碎石柔性基層不需要使用瀝青，可使基層具有更好的排水性和耐久性；付其林[3-5]在大粒徑碎石應(yīng)用于瀝青混合料的研究中，發(fā)現(xiàn)采用大粒徑碎石的瀝青混合料具有更優(yōu)的抗裂能力、抗水損壞能力和更長(zhǎng)的使用壽命。一些研究[6-7]表明碎石混合料形成骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)時(shí)具有較高的壓實(shí)密度和較強(qiáng)的抗承載能力。將大粒徑碎石優(yōu)秀的力學(xué)性能和骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)相結(jié)合，即大粒徑級(jí)配碎石混合料具有骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)特征時(shí)，其抗承載能力會(huì)得到提升。

級(jí)配碎石混合料成型方式一般有靜壓式、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)、振動(dòng)成型和重型擊實(shí)。文獻(xiàn)[8-10]認(rèn)為：采用重型擊實(shí)成型的碎石混合料試件一般具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但也具有反射裂縫無法避免、剛度大、抗疲勞能力差、耐久性差等缺點(diǎn)。一些研究[11-13]指出：振動(dòng)成型的碎石混合料相較于靜壓成型的碎石混合料，具有更高的回彈模量、抗壓強(qiáng)度以及動(dòng)穩(wěn)定性；并且隨著振動(dòng)頻率的增加，混合料上層的壓實(shí)度也會(huì)增高[14]。付其林等[15]認(rèn)為重型擊實(shí)、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)和靜壓法成型都會(huì)造成碎石混合料的破碎。因此，改良和優(yōu)化碎石混合料成型方式，可有效減少大粒徑碎石在成型過程中的破碎情況并提高其壓實(shí)密度。

該文根據(jù)逐級(jí)填充方法[16-17]設(shè)計(jì)集料粗骨料級(jí)配，再使用i法[18]設(shè)計(jì)碎石混合料的細(xì)集料組成級(jí)配以填充粗骨料之間的空隙。采用振動(dòng)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方式對(duì)大粒徑級(jí)配碎石壓實(shí)成型。針對(duì)成型試件進(jìn)行CBR和抗壓回彈模量測(cè)試，并和常規(guī)粒徑規(guī)范中值級(jí)配碎石試件進(jìn)行對(duì)比分析。探討大粒徑級(jí)配碎石混合料在振動(dòng)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方式下形成骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)特征時(shí)的力學(xué)性能。

1 原材料及制樣方法

1.1 原材料

(1) 細(xì)骨料：細(xì)骨料采用路用粒徑4.75 mm以下的花崗巖碎石顆粒。

(2) 粗骨料：粗骨料采用路用花崗巖碎石，粒徑范圍4.75～53 mm。碎石材料性質(zhì)如表1所示。

(3) 水：日常飲用水。

表1 集料技術(shù)指標(biāo)

1.2 制樣方法

1.2.1 制樣儀器

自制道路材料振動(dòng)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀如圖1所示。該儀器擁有振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和壓實(shí)功能，可實(shí)現(xiàn)多種不同道路材料成型方式。該儀器通過電腦網(wǎng)線連接后控制，試驗(yàn)過程參數(shù)可在電腦控制軟件中獲取。該儀器的具體性能參數(shù)如下：振動(dòng)頻率：3 000次/min；振幅：0.6 mm；旋轉(zhuǎn)速率：5 r/min；施加壓力：100～700 kPa(可自由控制)。

圖1 道路材料振動(dòng)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀

1.2.2 成型方式與壓實(shí)時(shí)間

通過對(duì)級(jí)配碎石分別進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓實(shí)、振動(dòng)壓實(shí)和旋轉(zhuǎn)振動(dòng)壓實(shí)成型，得到3種成型方式下的碎石混合料的壓實(shí)位移變化曲線，見圖2。從圖2可看出：碎石混合料在壓實(shí)過程中，前5圈(1 min)壓實(shí)位移變化劇烈，壓實(shí)20圈(4 min)時(shí)趨于穩(wěn)定；且經(jīng)振動(dòng)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的碎石試件密度明顯高于其他兩種成型方式。根據(jù)以上分析，級(jí)配碎石試件成型方式擬采用振動(dòng)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型，壓實(shí)時(shí)間為20圈(4 min)。

1.2.3 撒粉碾壓

結(jié)合廣西某高速公路施工經(jīng)驗(yàn)，為提高碎石混合料試件密實(shí)度，對(duì)壓實(shí)后的試件頂層再撒粉壓實(shí)能有效提高整個(gè)試件密實(shí)度。通過對(duì)碎石混合料分別進(jìn)行不預(yù)留撒粉壓實(shí)、預(yù)留100 g撒粉壓實(shí)、預(yù)留200 g撒粉壓實(shí)、預(yù)留300 g撒粉壓實(shí)、預(yù)留500 g撒粉壓實(shí)試驗(yàn)。其中撒粉壓實(shí)時(shí)間為4 min，壓實(shí)荷載為200 kPa。具體試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖2 不同成型方式壓實(shí)位移變化

從表2可看出:碎石混合料通過預(yù)留細(xì)集料在頂層撒粉壓實(shí)后提高了試件的壓實(shí)密度。且預(yù)留200 g細(xì)集料用于撒粉壓實(shí)時(shí)，試件密度達(dá)到最大值。通過以上分析，研究采用預(yù)留200 g細(xì)集料用于撒粉壓實(shí)。

表2 撒粉壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

1.2.4 壓實(shí)荷載

碎石混合料經(jīng)過不同壓實(shí)荷載壓實(shí)成型，其密實(shí)度不一致，壓實(shí)荷載太大會(huì)造成粒徑較大的碎石出現(xiàn)破碎，荷載太小則會(huì)導(dǎo)致碎石混合料密實(shí)度不夠。通過對(duì)碎石混合料使用不同壓實(shí)荷載壓實(shí)成型并測(cè)定其密度，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同荷載碎石混合料壓實(shí)密度

由表3可得：壓實(shí)荷載越大，碎石混合料壓實(shí)密度越高；但當(dāng)壓實(shí)荷載大于200 kPa時(shí)，粒徑較大的碎石開始出現(xiàn)破碎情況，綜合考慮碎石混合料試件壓實(shí)荷載宜采用200 kPa。

1.2.5 制樣方式

研究結(jié)合廣西某高速公路現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，工程現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)密度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為2.40 g/cm3。不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓實(shí)荷載為200 kPa，預(yù)留200 g細(xì)集料撒粉壓實(shí)時(shí)，試件壓實(shí)密度與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)十分相近。在施工過程中，道路基層一般采用振動(dòng)碾壓，因此振動(dòng)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方式的作用機(jī)理更能模擬施工現(xiàn)場(chǎng)碾壓機(jī)制。

經(jīng)過以上分析，總結(jié)出以下具體制樣試驗(yàn)步驟：① 按級(jí)配稱取5 kg碎石混合料，壓實(shí)前預(yù)留200 g細(xì)集料作撒粉用；② 將4 800 g碎石混合料按最佳含水率加水，攪拌均勻后使用保鮮膜密封養(yǎng)護(hù)12 h；③ 將養(yǎng)護(hù)好的碎石混合料分為兩份分兩層壓實(shí)，每層壓實(shí)4 min；④ 將預(yù)留的200 g細(xì)料均勻撒在碎石混合料表層，并噴最佳含水率的水，壓實(shí)4 min；⑤ 將壓實(shí)完成的碎石混合料靜置24 h，進(jìn)行各項(xiàng)力學(xué)性能測(cè)試。

2 級(jí)配設(shè)計(jì)

2.1 填充試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以各粒徑碎石用量盡量填充前一級(jí)粒徑碎石間的空隙而對(duì)其骨架不構(gòu)成干涉為原則，通過逐級(jí)填充法確定粗骨料級(jí)配。

(1) 主骨料A0(粒徑19～53 mm碎石)，將其裝入試樣筒進(jìn)行振動(dòng)密實(shí)，確定振實(shí)密度。A0的次一級(jí)粒徑碎石確定為A1(粒徑9.5～19 mm碎石)。A0和A1兩級(jí)粗集料按比例100∶20、100∶30、100∶35、100∶40、100∶45、100∶50、100∶60放入試樣筒進(jìn)行振動(dòng)密實(shí)并測(cè)定其密度，建立填充數(shù)量與振實(shí)密度關(guān)系，選取振實(shí)密度較大的幾組A1用量，作為A1用量。

(2) 以此類推，進(jìn)行下一級(jí)粒徑(A2)填充試驗(yàn)分別得到各級(jí)最佳填充比例，該比例即為試驗(yàn)用粗集料多級(jí)嵌擠級(jí)配。A0、A1 和A2具體篩分通過率見表4。

表4 粗骨料篩分通過率

2.2 逐級(jí)填充試驗(yàn)

2.2.1 Ⅰ級(jí)填充試驗(yàn)

根據(jù)逐級(jí)填充方法，A0用量取2 kg，A1用量按設(shè)定的比例稱取。將兩級(jí)碎石粗骨料混合后裝入試樣筒進(jìn)行振動(dòng)擊實(shí)，測(cè)定其振實(shí)密度，繪制填充比例與振實(shí)密度曲線圖。見圖3。

圖3 Ⅰ級(jí)填充試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可得：碎石混合料密度隨A1用量的增加而增大，當(dāng)A0和A1用量比例達(dá)到100∶50時(shí)，混合料振實(shí)密度趨于平穩(wěn)。

2.2.2 Ⅱ級(jí)填充試驗(yàn)

取A0∶A1的用量比為100∶30、100∶35、100∶40、100∶45、100∶50、100∶60，粒徑A2(粒徑4.75～9.5 mm碎石)碎石用量取上一級(jí)填充試驗(yàn)比例重量的30%、35%、40%、45%、50%、60%、70%，混合3檔碎石，測(cè)定其振實(shí)密度，具體試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 Ⅱ級(jí)填充試驗(yàn)結(jié)果

從圖4可看出，當(dāng)Ⅰ級(jí)填充比例為100∶45,A2用量為上一級(jí)填充比例重量的40%～45%時(shí)，碎石混合料密度達(dá)到最大。

2.3 細(xì)集料級(jí)配

通過i法對(duì)細(xì)集料碎石進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)。計(jì)算公式如下：

Pk=P0Ik

(1)

(2)

式中：Pk為所需計(jì)算的某級(jí)集料的通過率；P0為最大粒徑D處的通過率，以90%～100%控制；k為級(jí)數(shù)；I為通過率遞減系數(shù)；d為粒徑。

由i法公式計(jì)算細(xì)集料級(jí)配組成，具體計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 i法計(jì)算細(xì)集料通過率

2.4 基于逐級(jí)填充法和i法獲取集料級(jí)配

根據(jù)逐級(jí)填充試驗(yàn)結(jié)果，粗集料A0、A1和A2比例選用100∶45∶58、100∶45∶65.25、100∶50∶60、100∶50∶67.5；細(xì)集料級(jí)配選取i值為0.65、0.70、0.75時(shí)的碎石混合料，再將粗細(xì)集料兩兩結(jié)合，最后獲得12組級(jí)配，具體篩分通過率見表6。

表6 合成級(jí)配

為驗(yàn)證大粒徑級(jí)配碎石相對(duì)于常規(guī)粒徑級(jí)配碎石具有更好的力學(xué)性能，增加3組根據(jù)規(guī)范中推薦級(jí)配做調(diào)整后的常規(guī)粒徑碎石驗(yàn)證級(jí)配，具體級(jí)配見表7。

表7 規(guī)范中值調(diào)整級(jí)配

3 力學(xué)性能分析

3.1 CBR試驗(yàn)

以合成級(jí)配為研究對(duì)象，混合料含水量采用最佳含水率，經(jīng)道路材料振動(dòng)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀振動(dòng)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型并測(cè)定其密度，然后參照J(rèn)TG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行CBR試驗(yàn)。具體試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 CBR測(cè)試結(jié)果

由表8可看出：隨著i值增加，其碎石混合料試件壓實(shí)密度先增加，達(dá)到一定壓實(shí)密度后趨于平緩或降低。粗骨料比例為100∶45∶65.25，i值為0.70時(shí)，試件壓實(shí)密度和RCBR(加州承載比)值達(dá)到最大。主要原因是當(dāng)粗骨料間空隙剛好被細(xì)集料完全填充時(shí)，此時(shí)試件形成骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)，其壓實(shí)密度達(dá)到最大，骨架性能較好，抗承載能力較強(qiáng)；細(xì)集料用量超過粗骨料的空隙時(shí)，會(huì)形成懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)，這不僅導(dǎo)致混合料試件骨架性能變差，還會(huì)造成試件壓實(shí)密度降低[19]。

3.2 抗壓回彈模量

以合成級(jí)配為研究對(duì)象，混合料含水量采用最佳含水率，經(jīng)道路材料振動(dòng)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀振動(dòng)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型并測(cè)定其密度。參照J(rèn)TG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》推薦的試驗(yàn)方法操作，使用自制新型道路材料壓實(shí)成型儀器測(cè)試成型碎石試件的抗壓回彈模量。

抗壓回彈模量Ec計(jì)算公式如下：

(3)

式中：p為單位壓力(MPa)；h為試件高度(mm)；l為試件回彈變形(mm)。

抗壓回彈模量試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表9。由表9可得，碎石混合料試件的級(jí)配類型為粗骨料比例100∶45∶65.25，i值為0.70～0.75時(shí)，壓實(shí)密度和抗壓回彈模量達(dá)到最高。當(dāng)粗骨料比例為100∶45∶58和100∶50∶60時(shí)，即A2用量減少，壓實(shí)密度和抗壓回彈模量出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。表明前者粗骨料比例類型的級(jí)配形成的試件更加具有骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)的特征，其抗變形能力明顯高于其他幾組級(jí)配類型的試件。

表9 抗壓回彈模量測(cè)試結(jié)果

通過對(duì)比規(guī)范中值和大粒徑級(jí)配碎石試件，發(fā)現(xiàn)大粒徑碎石級(jí)配類型為粗骨料比例100∶45∶65.25，i值為0.70～0.75時(shí)，其抗壓回彈模量更高。原因是經(jīng)過逐級(jí)填充試驗(yàn)設(shè)計(jì)出的級(jí)配為斷級(jí)配，該級(jí)配類型試件具有較高的密實(shí)度和較優(yōu)的骨架特性，因此抗壓回彈模量值也更高，這也證明了大粒徑碎石混合料具有更好的骨架結(jié)構(gòu)。

3.3 不同方式成型試件性能分析

針對(duì)碎石混合料應(yīng)用同一級(jí)配，然后使用靜力壓實(shí)、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)、振動(dòng)壓實(shí)和振動(dòng)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)對(duì)其成型，再對(duì)成型試件進(jìn)行CBR和抗壓回彈模量測(cè)試，具體試驗(yàn)結(jié)果見表10。

表10 不同成型方式試件力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

表10表明：經(jīng)振動(dòng)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的碎石混合料試件力學(xué)性能優(yōu)于其他3種方式成型的試件。其中，經(jīng)振動(dòng)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的碎石混合料試件其抗壓回彈模量分別為靜力壓實(shí)、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)和振動(dòng)壓實(shí)成型試件的2.87倍、2.27倍、1.45倍，RCBR值分別為1.28倍、1.24倍、1.18倍。主要原因是振動(dòng)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方式具有更好的碾壓作用機(jī)制，使得碎石混合料試件具有更好的骨架結(jié)構(gòu)并更加密實(shí)，骨架性能和密實(shí)度越好的試件其抗壓和抗變形性能越強(qiáng)，因此經(jīng)振動(dòng)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的碎石混合料試件其力學(xué)性能更優(yōu)。

4 結(jié)論

(1) 采用逐級(jí)填充法確定粗骨料比例使其形成多級(jí)嵌擠骨架結(jié)構(gòu)，i法計(jì)算細(xì)集料用量將其填充于集料骨架空隙中，使組合后的碎石混合料能夠形成骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)。混合料經(jīng)振動(dòng)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型后，試件壓實(shí)密度隨著級(jí)配i值的增加而提高；其RCBR值和抗壓回彈模量與壓實(shí)密度具有較強(qiáng)的相關(guān)性，RCBR值和抗壓回彈模量隨著壓實(shí)密度的增加而升高；試件級(jí)配為粗骨料比例100∶45∶65.25，i值范圍在0.70～0.75時(shí)，RCBR值、抗壓回彈模量和壓實(shí)密度達(dá)到最高。

(2) 大粒徑碎石相較于常規(guī)粒徑碎石具有更好骨架結(jié)構(gòu)性能，壓實(shí)密度相當(dāng)，大粒徑級(jí)配碎石壓實(shí)密度可達(dá)2.391 g/cm3；其抗壓和抗變形能力更強(qiáng)，大粒徑碎石試件RCBR值可達(dá)324%，抗壓回彈模量可達(dá)358.1 MPa，常規(guī)粒徑碎石試件RCBR值最高為256%，抗壓回彈模量最高為338.6 MPa。因此將其經(jīng)過合理的級(jí)配設(shè)計(jì)后應(yīng)用于工程中是可行的。

(3) 不同制樣方式成型的試件，其力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果差異較大。經(jīng)振動(dòng)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的試件其RCBR值和抗壓回彈模量明顯高于其余幾種成型方式，其抗壓回彈模量分別為靜力壓實(shí)、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)和振動(dòng)壓實(shí)成型試件的2.87倍、2.27倍、1.45倍，RCBR值分別為1.28倍、1.24倍、1.18倍，壓實(shí)密度分別為1.11倍、1.09倍、1.07倍。這表明振動(dòng)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方式可使碎石混合料試件具有更好的骨架性能和密實(shí)性。