集料针片状颗粒含量对CBR的影响

薛连旭，莫石秀，罗立峰，张先念

(1.广东省路桥建设发展有限公司，广州 510623；2.华南理工大学广州学院，广州 510800)

0 引言

针片状颗粒是指粗集料颗粒中最大长度方向(或宽度)与最小厚度方向(或直径)尺寸比大于3:1的颗粒[1]，在一定程度上可以表征集料抵抗压碎的能力[2]。针片状颗粒多呈细长或扁平状，在施工压实过程或正常行车过程中受到车辆荷载的反复作用后易发生压断和压碎[3]，导致集料之间的嵌挤作用减弱，进而影响混合料的路用性能。公路沥青路面施工技术规范对集料中的针片状颗粒含量进行了规定[4]，但规范所涉面较广、编写时间较早、适用于各种级配。近年来，研究学者开展了集料针片状颗粒含量对沥青混合料性能的影响研究，发现随着针片状颗粒含量的增大，集料破碎率增大，混合料孔隙率增大，水稳定性、抗疲劳性能、高温稳定性显著降低[1，5，6，7]。纪伦、张磊等[8-9]基于CT扫描技术，对不同针片状颗粒含量的混合料内部结构进行研究，并提出了不同针片状颗粒含量的沥青混合料结构参数和体积指标。作为粗集料间嵌挤能力的间接评价指标，集料承载比(CBR)受针片状颗粒含量影响程度的研究却几乎空白。基于此，本文通过改进的CBR试验[10]，分析研究针状与片状颗粒含量对CBR和破碎率的影响，用于指导粗集料嵌挤能力的评价，并在此基础上提出骨架嵌挤型密级配粗集料的针片状颗粒含量控制标准。

1 原材料

集料选用广西某石场的石灰岩，物理指标及筛分情况见表1和表2。开展CBR试验前，按照粗集料针片状颗粒含量试验(游标卡尺法)的检测方法[11]从同种规格集料中挑选针状及片状集料颗粒，通过回配的方式制备不同针状、片状颗粒含量的集料样品。

表1 石灰岩(10～20mm)物理指标

表2 石灰岩(10～20mm)筛分情况

2 试验方案

对《公路土工试验规程》中规定的土的承载比(CBR)试验方法[10]进行改进。

仪器设备：路面材料强度仪，贯入速度1mm/min；试筒，内径152mm、高170mm；贯入杆，端面直径50mm、长100mm；垫块和压块，直径151mm、高50mm；其它同T 0134-1993承载比(CBR)试验。

成型方式：采用“三装一压”的成型方式，即将混合均匀的试验样品分3次装入试筒，每装一次便对表面进行整平，然后继续装入下一层。最后一层装完并整平后，放置压力板，将试筒连同集料和压力板一起放置于路面材料强度仪上，施加10kN的荷载进行压实成型。成型后，从试筒中取出压力板，换上荷载板，调整好仪器，进行CBR贯入试验，计算不同针状或片状颗粒含量集料的CBR值。

图1 装料后放入压力板的状态

图2 压实成型过程

图3 贯入试验过程

3 试验结果分析

3.1 针状颗粒含量对CBR与破碎率的影响

分别配制针状颗粒含量为0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%的集料，并测试其CBR与破碎率，试验结果如图4所示。

图4 CBR与破碎率随集料针状颗粒含量的变化趋势

由图4可看出：CBR与破碎率随集料针状颗粒含量的变化趋势一致。当集料中的针状颗粒含量在0%～5%范围内时，CBR和破碎率呈上升趋势，可能是由于针状颗粒之间互相搭接成“梁体”，阻碍了贯入过程；同时，CBR升高的过程也是贯入力增加的过程，该过程中部分承载力较弱的“梁体”在逐渐增加的贯入力作用下开始断裂，故CBR和破碎率的增大速度逐渐变缓。当集料中的针状颗粒含量在5%～25%范围内时，CBR和破碎率呈先升后降的趋势，主要是由于随着针状颗粒含量的增多，针状颗粒破碎数量增多但幅度不大，因而破碎率降低，CBR也随之降低；随着针状颗粒含量的进一步增多，“梁体”的数量越来越多，贯入阻力提升，导致CBR和破碎率再次提升。当集料中的针状颗粒含量在25%～30%范围内时，CBR和破碎率呈下降趋势，主要是由于针状颗粒含量太多，“梁体”数量进一步增多，导致破碎率下降的同时CBR下降。

针状颗粒含量<25%时，CBR和破碎率两者间的波动较大；针状颗粒含量=25%时，CBR和破碎率发生重合；针状颗粒含量>25%时，CBR和破碎率两者间的相互影响不再敏感。说明集料中的针状颗粒含量超过25%后，针状颗粒不再是集料性质的影响因素，而变为主导性因素。因此，集料中的针状颗粒含量不宜超过25%。

3.2 片状颗粒含量对CBR与破碎率的影响

分别配制片状颗粒含量为0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%的集料，并测试其CBR与破碎率，试验结果如图5所示。

图5 CBR与破碎率随集料片状颗粒含量的变化趋势

由图5可看出：破碎率随集料片状颗粒含量的变化趋势类似于CBR与破碎率随针状颗粒含量的变化趋势。主要区别在于集料中的片状颗粒含量在0%～10%范围内时，破碎率变化呈上升趋势，即该范围增大，说明片状颗粒更易被压碎，可能是由于片状颗粒受力面积比针状颗粒大所致。

片状颗粒含量<10%时，片状颗粒含量对CBR几乎没有影响，即该阶段片状颗粒不会影响集料间的嵌挤性；片状颗粒含量=25%时，CBR和破碎率发生重合；片状颗粒含量>25%时，CBR和破碎率两者间的波动较大。该特性对于级配很重要，对骨架嵌挤要求不高的连续型级配，集料中的片状颗粒含量可超过10%；但对骨架嵌挤型级配，集料中的片状颗粒含量不宜超过10%。

3.3 针状、片状颗粒含量对CBR的影响对比

针状、片状颗粒含量分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%集料的CBR测试结果如图6所示。

图6 CBR随集料针状、片状颗粒含量的变化趋势对比

由图6可看出：当针状颗粒含量或片状颗粒含量<20%时，CBR随针状颗粒含量或片状颗粒含量的变化趋势基本一致；且在针状颗粒含量或片状颗粒含量0%～30%范围内，含有针状颗粒集料的CBR值始终大于相同含量的片状颗粒集料的CBR值。说明针状颗粒在集料中不仅会形成“梁体”，甚至会“钉”入其中并形成“卡点”，从而阻止集料滑移；片状颗粒在集料中大多只能形成“梁板”，平铺于集料中，容易发生集料滑移。由此可推断，集料中针状颗粒比片状颗粒的危害性大。

在针状颗粒含量或片状颗粒含量为10%、20%处，集料的CBR值出现了两次相交。当针状颗粒含量或片状颗粒含量>20%后，CBR随针状颗粒含量或片状颗粒含量的变化趋势完全相反，预计会在含量31%处出现第三次相交。说明当含量为10%、20%、31%时，针状颗粒与片状颗粒对CBR的影响基本相同。结合上两节的分析，仅考虑针状颗粒含量或片状颗粒含量为10%和20%两种情况。当针状颗粒含量或片状颗粒含量为10%时，CBR值几乎没有变化；当含量为20%时，CBR值下降了5%。这两个限值提供了一个划分集料品级的依据，即对于可靠度要求比较高的工程，针状或片状颗粒含量宜小于10%，其他工程宜小于20%。

当针状颗粒含量或片状颗粒含量>20%时，针状颗粒和片状颗粒在集料中的作用机理各异，可能是由于针状颗粒仍在断裂增加了嵌挤力；而片状颗粒形成的大量“板体”，使得集料在贯入过程中更易滑动，导致CBR下降。但具体原因需进一步研究分析。

3.4 针状、片状颗粒含量对破碎率的影响对比

针状、片状颗粒含量分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%集料的破碎率测试结果如图7所示。

图7 破碎率随集料针状、片状颗粒含量的变化趋势对比

由图7可看出：破碎率随集料针状颗粒含量和片状颗粒含量的变化趋势一致，其区别在于出现峰值和拐点的位置。当针状或片状颗粒含量<20%时，两种集料的破碎率不但趋势一致，数值也基本一致；当含量大于20%时，两种集料的破碎率变化趋势一致，但数值开始出现分化。

4 结论

(1)集料中针状颗粒含量超过25%后，针状颗粒不再是集料性质的影响因素，而变为主导性因素，建议集料中的针状颗粒含量不宜超过25%。

(2)片状颗粒含量<10%时，片状颗粒含量对CBR几乎没有影响，即该阶段片状颗粒不会影响集料间的嵌挤性，建议对骨架嵌挤型级配的集料中的片状颗粒含量不宜超过10%。

(3)当含量为10%、20%时，针状颗粒与片状颗粒对CBR的影响相当，但含量为20%时的CBR值更优。基于此，提出了划分集料品级的依据，即对于可靠度要求较高的工程，针状或片状颗粒含量宜小于10%，其他工程宜小于20%。

(4)破碎率随集料针状颗粒含量和片状颗粒含量的变化趋势一致。当针状或片状颗粒含量<20%时，破碎率变化趋势与数值均一致；当含量大于20%时，破碎率变化趋势一致、数值开始出现分化。

综合分析，建议骨架嵌挤型级配或可靠度要求较高的工程所用粗集料中的针片状颗粒含量不宜超过10%，其他级配或工程所用粗集料中的针片状颗粒含量不宜超过20%。