级配对大粒径级配碎石力学性能的影响分析

摘要：为提升道路工程中大粒径级配碎石基层混合料质量，文章从级配角度对大粒径碎石混合料力学性能进行研究，基于“变I法”进行级配设计，并通过室内试验测定不同级配碎石CBR值，探究了筛孔通过率、贝雷参数、压实密度等参数对混合料CBR值的影响。研究表明：9.5 mm筛孔通过率控制在35%～45%、4.75 mm筛孔通过率控制在30%～40%时，大粒径级配碎石的力学性能最佳；贝雷参数FAc在0.5～0.6、FAf在0.55～0.65时，CBR值较好；压实密度与CBR呈线性正相关，可通过控制关键筛孔通过率、细集料含量以及压实工艺提升压实密度，从而实现大粒径级配碎石力学性能的提升；控制“变I法”I1在0.65～0.70、I2在0.7～0.75时，可得到良好的骨架密实型级配。

关键词：大粒径级配碎石；筛孔通过率；贝雷参数；压实密度；CBR试验

0引言

级配碎石层作为一种柔性的路面结构层，能够有效分散行车荷载对路面造成的应力作用，在公路建设中得到广泛的应用，常用做底基层和垫层。大粒径级配碎石通常指最大公称粒径在25～63 mm的碎石混合料，因其具有良好的力学性能，在工程中逐渐得到推广。

大粒径级配碎石基层与普通级配碎石相比，拥有更好的抗剪强度和承载力［1］。目前，大粒径级配碎石的研究成果较少，更多的是在普通级配碎石方面［2-8］。现有的关于大粒径级配碎石方面的研究主要分为施工质量控制和力学特性研究两方面，施工质量方面主要研究含水率、压实机械、压实厚度和碾压变速等因素对大粒径级配碎石的压实效果的影响［9］，以及大粒径级配碎石在工程应用中的质量控制问题［10-13］；力学性能方面研究成果主要有大粒径级配碎石的永久变形规律分析［14-15］、大粒径级配碎石的振动压实原理分析以及不同成型方式下的混合料试件力学性能研究［16-18］，鲜有关于大粒徑级配碎石力学性能影响因素方面的研究成果。

此外，级配碎石相关研究表明“变I法”适用于碎石基层的级配设计，可得到良好的骨架密实结构，并通过实际工程验证其优良的稳定性与耐久性［19-20］。故本文将采用“变I法”进行大粒径碎石级配设计，研究级配对大粒径级配碎石的力学性能影响，推荐合理的I值范围，以期为大粒径级配碎石基层的工程应用提供借鉴。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

试验采用石灰岩碎石作为大粒径级配碎石基层材料，对试验用集料进行性能测试，试验结果如表1所示。

1.2 级配设计

本文采用“变I法”进行级配设计，该级配设计法基于最大密度曲线理论而来，同时结合了粒子最大干涉理论，可以得到良好的骨架密实型结构。该级配设计方法以4.75 mm为级配关键筛孔，将4.75 mm筛孔以上的I值设定为I1，分别是0.6 mm、0.62 mm、0.65 mm、0.7 mm和0.75 mm；将4.75 mm及以下筛孔I值设定为I2，分别是0.6 mm、0.65 mm、0.7 mm、0.75 mm和0.78 mm，分别命名为I-1、I-2、I-3和I-4。此外，结合已有工程进行级配设计，分别命名为GC-1（钦州国省干线）、GC-2（兴业国省干线）和GC-3（百色国省干线）。设计级配如图1所示。

1.3 试验方法

1.3.1 最佳含水率测试

相关研究表明，碎石基层的含水率对压实度、抗剪性能以及长期稳定性有着重要影响［21］。为此，通过室内试验测定不同大粒径级配碎石最佳含水率，试验过程如下：

（1）将不同大粒径级配碎石混合料放入105 ℃烘箱中5 h，烘干至恒重并取出后，冷却至室温。

（2）在冷却至室温的大粒径级配碎石中加入自来水，自来水的掺量分别为3.0%、3.5%、4.0%、4.5%和5.0%，并搅拌均匀。

（3）将搅拌好的大粒径级配碎石分两层压实，每层压实时间为4 min，压实设备为振动压实成型仪。

（4）计算压实后的大粒径级配碎石混合料的密度，并绘制含水率-密度曲线图，得到级配碎石的最佳含水率。

1.3.2 CBR试验

本研究采用路面材料强度实验仪测试大粒径级配碎石混合料试样的CBR值，具体试验步骤如下：

（1）将通过振动压实制样方式成型的大粒径级配碎石混合料放置于路面材料强度实验仪操作台上。

（2）在试样顶面和加载装置之间放置一根直径为50 mm的金属压杆，压杆上端有一横杆，横杆两端各有一小孔用于放置百分表，将百分表固定并归零。

（3）启动仪器，当压杆快要接触试样表面时调整加载速率至1 mm·min-1。

（4）时刻观察百分表的位移变化，当有百分表位移变化达到2.5 mm时记录下此时压力传感器上显示的压力数值（F1），当左右两侧百分表变形位移都达到2.5 mm时再记录下此时压力传感器上显示的压力数值（F2）。

（5）计算大粒径级配碎石混合料试样左右两侧贯入2.5 mm时的平均压力值，将平均压力值换算为压强值，并将压强值转换为CBR值。具体转换公式为：

2 试验结果分析

对不同的大粒径级配碎石混合料进行CBR试验测试，试验结果如表2所示。

由表2可知，当I1控制在0.65～0.75，I2控制在0.7～0.78时，CBR值较大，大粒径级配碎石混合料抗剪、抗压效果好。其中当I1为0.7、I2为0.75时，CBR值最大，可能该情况下的级配碎石骨架嵌挤效果较好，且集料间空隙填充得较为密实。此外，实际工程中的级配则更加接近I1为0.65、I2为0.70情况下的I级配曲线，该情况下的粗集料骨架结构更好，故推荐I1为0.65～0.70、I2为0.7～0.75的“变I法”级配设计。

由图2可知，9.5 mm筛孔通过率控制在35%～45%、4.75筛孔通过率控制在30%～40%时，大粒径级配碎石的力学性能最佳。随着9.5 mm、4.75 mm的筛孔的增加，大粒径级配碎石混合料的CBR值先增加后减小，且受9.5 mm的筛孔通过率的影响较大，相关系数R2达到了0.953 8。随着9.5 mm和4.75 mm的筛孔通过率的增加，大粒径碎石之间的空隙得到填充，级配碎石混合料的密度增大，试件整体的抗剪、抗压能力增强，CBR值增大。此外通过9.5 mm和4.75 mm筛孔通过率对CBR值的影响曲线，可知，粒径为4.75～9.5 mm的集料对大粒径级配碎石混合料抗剪性能有着重要影响，当这档集料的含量过多时，会对级配碎石的骨架形成干涉，影响大粒径集料间的嵌挤效果，从而导致CBR值减小。

由图3可知，细集料含量对大粒径级配碎石混合料的CBR值有显著影响。随着贝雷参数的FAc、FAf值的增大，CBR值先增大后减小，两者与CBR值的相关性良好，当R2＞0.7，其中FAc在0.5～0.6、FAf在0.55～0.65时，CBR值较好。细集料在大粒徑级配碎石混合料中主要起填充作用，随着细集料含量的增加，碎石混合料更加密实，能够使其抗剪、抗压能力得到进一步加强，而过多的细集料含量则会形成干涉效果。故控制好细集料的含量对大粒径级配碎石的抗剪、抗压性能有着重要影响。

由图4可知，压实密度与CBR值密切相关，提高大粒径级配碎石的压实密度，能够有效地增加CBR值。由压实密度和CBR值两者的相关性可知，级配碎石的压实密度亦受筛孔通过率和细集料含量的影响，合理的筛孔通过率和细集料含量能够有效地减小集料之间的空隙。此外、压实密度与工程中的压实工艺也密切相关，故提升压实工艺，对大粒径级配碎石混合料抗剪、抗压和长期稳定性有着重要影响。

3 结语

（1）推荐I1为0.65～0.70、I2为0.7～0.75的“变I法”级配设计，在该范围下，能得到骨架嵌挤效果好、集料空隙密实度高的级配。

（2）当9.5 mm筛孔通过率控制在35%～45%、4.75筛孔通过率控制在30%～40%时，大粒径级配碎石的力学性能最佳。通过对比9.5 mm和4.75 mm筛孔通过率对CBR的影响，发现粒径为4.75～9.5 mm的集料含量对大粒径级配碎石力学性能有着显著影响。

（3）当贝雷参数FAc在0.5～0.6、FAf在0.55～0.65时，CBR值较好。

（4）压实密度与CBR呈线性正相关，通过控制关键筛孔通过率、细集料含量以及压实工艺提升压实密度，从而提升大粒径级配碎石的力学性能。

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作者简介：黄绍祥（1978—），工程师，主要从事公路工程工作。