砂岩级配碎石材料级配与性能研究

缑永涛，张 敬

(宁夏公路管理局石嘴山分局，宁夏 石嘴山 753000)

1 级配碎石的级配分析

1.1 连续级配的组成特点及设计思路

连续级配是某一矿质混合料在标准筛孔配成的套筛中进行筛析时，所得的级配曲线平顺圆滑，具有连续的性质，相邻粒径的粒料之间，有一定的比例关系(按质量计)。这种由大到小，逐级粒径都有，并按比例互相搭配组成的矿料混合料，称为连续级配矿质混合料。

连续级配的设计思路遵从“最大理论曲线”，该理论认为“矿质混合料的颗粒级配曲线越接近抛物线，则其密度越大”。最大理论曲线是一种理论的级配曲线，在实际应用的时候，矿质混合料的级配曲线应该允许在一定范围内波动，所以目前多采用n次幂的通用表达如式(1)，这个公式又称为：talbol公式。

(1)

式中：p为各粒级集料的通过率，%；D为最大粒径，mm；d为各粒级集料的粒径，mm；n为常数。

经研究认为：级配碎石从密实度、强度、良好透水性及施工综合考虑，以最大粒径为40～50 mm为最佳，小于0.6 mm的含量≤15%、小于0.075 mm的含量为5%～6%的连续级配较好(针对圆孔筛而言)，n取0.45～0.55，以获得较粗、密实且透水性好的优质碎石基层。

1.2 基于体积设计法的间断级配

间断级配就是指在矿料颗粒组成中，大小颗粒不是连续存在，而在某一个或某几个粒径范围内没有或很少矿料颗粒所组成的一种矿质混合料。这种混合料不仅有足够数量的粗骨料可以形成空间骨架，而且又有必要数量的细料填充于骨架间的空隙，使混合料有较高的密实度而形成为一种骨架密实结构，其内摩阻力和粘结力均较高，缺点是施工时易发生离析，施工成本较高。

根据级配碎石混合料的结构强度可知，要得到具有良好路用性能的级配碎石混合料必须保证两个条件：(1)主骨架充分嵌挤以形成骨架结构，以保证良好的内摩阻力。(2)细集料充分填充主骨架的空隙，使混合料密实。

下面介绍基于体积设计法的间断级配设计方法。

K法

(2)

(3)

(4)

式中：px为不同粒径dx时通过率，%；x为级数；D为最大粒径；dx为各级粒径；n为级数。

2 砂岩级配类型初选

砂岩级配碎石主要作为高速公路垫层使用，需要较好的密实度，能够形成高强和较好整体性的级配。通过采用《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2006)规范5～7级配作为基本级配范围，对应的级配范围如图1所示。

图1 级配碎石做底基层及垫层规范级配(JTG D50—2006)

2.1 砂岩碎石筛分结果与规范级配比较

砂岩的筛分结果表征了现场砂岩碎石的颗粒分布情况，分别选取表1中5级配和6级配，与筛分结果进行比较，初步掌握砂岩碎石的粒径构成情况。

通过分析结果，考虑满足规范要求和利于施工两个原则，选取与筛分曲线特征最吻合的级配类型，即级配范围6作为初拟级配范围，并进行相关试验。对应级配范围的上限、中值、下限的各筛孔通过率如表1所示。

表1 初拟级配各档集料通过率

2.2 CBR实验

《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2006)中规定，当采用重型击实标准设计时，级配碎石作基层压实度应大于98%，CBR值不应小于100%；用作底基层时，压实度应大于96%，CBR值不应小于80%，其计算公式如下：

CBR=P/PS×100

(5)

式中：CBR为承载比，%；P为对应于贯入度为2.5 mm或5 mm的单位压力，kPa；PS为贯入度为2.5 mm或5 mm的标准单位压力，kPa。

其中，贯入度为2.5 mm时，标准单位压力为7 000 kPa；贯入度为5.0 mm时，标准单位压力为10 500 kPa，贯入杆贯入速度为1～1.25 mm/s。

通过实验，得到骨架型级配的上限、中值、下限(分别对应试验编号1～3号)的CBR试验实测记录如表2所示。

表2 骨架型级配CBR试验实测记录

3 砂岩级配碎石性能分析

3.1 级配碎石模量的获取

通过安装式样、预压以及测定回弹模量等步骤，计算每级荷载下的回弹模量，具体公式如下

(6)

式中：E为回弹模量，kPa；p为承载板上的单位压力，kPa；D为承载板直径，cm；l为相当于单位压力的回弹变形，cm。

3.2 回弹模量与CBR之间的关系

CBR是以变形2.5 mm时的单位压力P作为比较标准，由于其贯入直径50 mm，故也可认为它是以相对变形λ=l/D=2.5/50=0.05为标准，对于不同相对变形λ时变形模量间的关系，研究人员在20世纪50年代曾通过大型承载板的测定总结得

Eλ/E0.01=1-βlg100λ

(7)

式中：β为P-λ关系曲线的弯曲程度系数，β越大，曲线越弯，一般在0.65～0.90间变化。

不同β值时各参数间关系见表3。

表3 CBR与回弹模量En的关系

由此可见，回弹模量En与CBR的比值不可能是个定值。经过比较，β=0.68的曲线性质最接近CBR标准碎石的测定曲线，β=0.90时接近于CBR值小或模时的曲线。因此，如果CBR=100时，β=0.68，CBR=3时β=0.9，可把(3)式转为

En=7.2CBR0.9

(8)

4 结 论

(1)骨架型级配整体性能不足，中值以上的骨架型级配才能达到级配碎石垫层的应用要求(CBR值)，能提供的各粒径变化范围偏窄，不利于现场施工，不推荐使用。

(2)连续型级配有较好的工作性能(规范中值及偏上更优)，其CBR值及回弹模量均较高，空隙率小，表现出优良的抗变形能力。考虑到偏上限级配细料含量较高不利于碎石层备料施工和发挥排水性能，因此推荐使用连续级配中值附近级配作为施工级配，保证各粒径碎石连续搭配。

(3)砂岩作为不常使用的道路工程材料，存在部分缺陷，但严格控制砂岩集料物理力学性质及级配，能保证该砂岩级配碎石成功良好应用。

[1] 袁峻.级配碎石柔性道路设计方法的研究[D].南京.东南大学，2004.

[2] 何兆益.碎石基层防止半刚性路面裂缝及其路用性能研究[D].南京.东南大学.1997.

[3] 交通运输部.《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034—2000)[S].人民交通出版社，2000.