级配碎石混合料组成设计的试验研究

级配碎石混合料组成设计的试验研究

曹建新

(广州市市政工程设计研究院　广州市　510060)

　　摘　要:采用紧密嵌挤骨架2密实原则,对级配碎石混合料的组成设计进行系统的室内试验研究,并且在规范范围内设计了5种走向的级配类型,进行重型击实及振动碾压试验。可用以指导混合料的组成设计,并且有效地克服级配碎石基层永久变形大和弹性模量偏低的缺点。

　　关键词:级配碎石;组成设计;振动碾压

　　在我国,对于重交通的高等级沥青混凝土路面来说,基层形式主要是半刚性基层。但是由于半刚性基层密实而且刚度大,常常出现反射裂缝和水损害等路面病害。近年来,国内外对于在半刚性基层上铺筑级配碎石上基层进行了不少理论研究和试验路修筑,主要是基于以下2点考虑:(1)半刚性下卧层的刚度较大,利于级配碎石材料的非线性发挥,大大减少反射裂缝发生;(2)级配碎石上基层的空隙为水的排除提供了途径。我们以2000年8月修建的辽源试验路和2001年8月修建的通化试验路为契机,对于级配碎石混合料的组成设计进行了系统的室内试验研究。参考二灰碎石的设计经验[1],以及沥青混合料的组成设计方法[2],对级配碎石混合料的设计采用紧密嵌挤骨架2密实原则,引入填充系数K,推导出设计公式,以期改善级配碎石材料固有的回弹模量较低以及永久变形较高的缺陷。

1　评价指标

级配碎石材料的性质是松散材料,由松散材料的强度构成原理,嵌挤作用占有重要的地位。所以室内试验研究突破按连续级配设计的传统方法,而是按照紧密嵌挤骨架2密实原则设计。级配碎石基层的刚度和强度低于半刚性基层,室内试验将提高级配碎石的强度和刚度作为方向,评价指标除了常用的干密度、空隙率和CB R外,采用动弹模量试验。这种试验方法得到的数据可以分离出弹塑性变形,计算回弹模量和塑性总变形,回弹模量反映了混合料强度的大小,而塑性总变形则是与路面永久变形对应的室内试验指标。

2　紧密嵌挤骨架2密实结构的试验研究

211　设计思路

实践表明,采用紧密嵌挤骨架2密实原则设计混合料可以改善混合料的路用性能,间断级配是形成骨架密实结构的有效途径。紧密嵌挤骨架2密实结构必须保证以下2个条件:(1)主骨架紧密嵌挤,形成具有较好内摩阻力的骨架结构;(2)细集料、水以及细集料中的空隙填充主骨架形成的空隙,形成密实的混合料结构,并且细集料不能对主骨架形成较大的干涉。引入填充系数K表示填充程度,即细集料、水和细集料中的空隙体积与骨架空隙体积的比值。212　设计方法

(1)选择和实测原材料,严格控制石料压碎值,保证在荷载作用下,石料的嵌挤作用不受破坏,测定石料的表观密度。原材料选用通化采石厂轧制石灰岩,其性能指标为压碎值:814%;液限:1915%;塑限:1615%;塑性指数:3%;针片状颗粒含量: <26%,从指标看满足我国规范JTJ058-94规定。

(2)确定主骨架的级配组成,测定物理力学指标。骨架级配类型定义为以下2种:当某一档粒料含量超过60%的级配称为单级嵌挤级配,试验选择的级配由19～16mm档粒料主要承担嵌挤作用,骨架4档粒径19～16mm、19～1312mm、1312～915mm、915～4175mm的含量比例为67∶17∶10∶6;由各

收稿日期:2003-10-27

　公路　2004年2月　第2期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　H IGHW A Y　Feb12004　N o12　档粒料共同组成嵌挤结构的级配称为级配嵌挤骨架,根据4档粒径的分布不同选择有代表性的3种级配,19～16mm、16～1312mm、1312～915mm、915～4175mm4档粒径的含量比例分别为:A型47∶23∶15∶15;B型15∶23∶47∶15,C型15∶15∶23∶47。在振动工艺下,最佳含水量为115%,测定物理力学指标如表1所示。

表1　主骨架试验数据

级配类型表观密度

g c m3

干密度

g c m3

空隙率 %CB R

%

各应力下(M Pa)的塑性总变形 mm各应力下(M Pa)的回弹模量 M Pa

5101551015

单级嵌挤21729118313219114017831637148561690572 A型2172911130171250.575.29—2604—B型2.7301.88231.11540.581.684.26517667676 C型2.7311.86731.61271.094.48—620613—

　　主骨架结构的回弹模量值相差不大,大部分在600～700M Pa之间波动。但是塑性总变形值相差却很大,强度主骨架的嵌挤作用,并不是级配越粗越好,要同时考虑结构的稳定性。虽然前3种级配都反映了

S M A设计级配的原则,但却是B型级配塑性总变形最小,是因为B型在强调了嵌挤作用的同时兼顾了小一级粒径的填充作用。C型级配塑性变形偏大的原因是只注重密实而忽略了大粒径的嵌挤作用。

(3)细集料按照泰波公式设计。细集料在混合料

中主要起填充作用,一般是按照泰波公式的计算方法设计成连续级配,然后按照密实度最大原则选择细集料进行混合料设计。室内试验泰波公式n值分别取:n=014、n=015、n=0155、n=016、n=017和n=018。对于粗细集料的最大粒径,S M A-19规定以4175mm作为粗细界限,S M A-915以2136mm 作为粗细界限,即最大公称尺寸的1 4处,本文室内试验混合料最大粒径为19mm,所以将4175mm作为细集料的最大粒径。细集料成型工艺选择3种:振动成型、重型击实和轻型击实。室内试验测定的3种工艺的最佳含水量为8%,在前2种工艺下,级配n =0155干密度均达到最大值,分别为21283g c m3和21212g c m3;轻型击实工艺下,级配n=015干密度达到最大值,为11984g c m3。由试验得出以下2条结论:以干密度作为指标,最佳n值随工艺发生变化,在振动工艺时达到最大值,说明工艺从击实工艺变化为振动工艺之后,最佳n值已由0145～015变化为0155;振动工艺较重型击实和轻型击实工艺能够取得最好的压实效果。根据密实度最大原则,细集料级配选择为n=0155,工艺选择为振动工艺,此时的试验参数作为混合料设计时的参数(见图1)。

图1　3种成型工艺情况下细集料级配与干密度的关系

思路推导出粗细集料用量百分比公式[3]:

q x+q c=100

q x

(1-V x)Θx=K

q c(V c-Ξ(1-V c)Θc)

(1-V c)Θc

(1)

式中:q x为细集料重量百分数;q c为粗集料重量百分数;V x为细集料空隙率;V c为粗集料空隙率;Θx为细集料表观密度;Θc为粗集料表观密度;K 为填隙系数;Ξ为粗集料最佳含水量。

(5)将步骤2和3的试验参数代入步骤4可得到K值下的粗细集料的质量百分比,结合主骨架和细集料的级配和含水量计算混合料的级配及含水量。以单级嵌挤骨架为例,K值的选择分别为015、017、110和113,粗细集料比例和混合料的级配如表2所示。

采用紧密嵌挤2骨架密实原则设计的级配碎石混合料,振动工艺下的回弹模量值大部分在600～700M Pa之间,远大于规范JTJ014-97表D2提出的级配碎石上基层的抗压回弹模量取值(300～350M Pa)。说明振动工艺下适当的材料组成可以有效地提高级配碎石材料的回弹模量值,改善其力学性能(见表3)。

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8

1

—　　　　　　　　　　　　　　公　　路　　　　　　　　　　　　　　　　2004年　第2期　表2　单级嵌挤骨架设计混合料示例

K值

质量百分率 %

粗细

混合料级配

通过下列筛孔(mm)的质量百分率 %

191613.29.54.752.361.180.60.30.150.074

0.5752510050403227191593

0.7683210054423531211410753

1.06040100605145412819139 1.354461005449463121151075

表3　混合料力学试验数据汇总

级配类型K 干密度

g c m3

空隙率 %CB R

%

各应力下(M Pa)的塑性总变形 mm各应力下(M Pa)的回弹模量 M Pa

101520101520

单级嵌挤0.52.09922.8—2.614.717.48738839861

0.72.17120.1—2.073.184.74635638676

1.02.25017.1—2.853.925.22668726738 1.32.25716.9—3.054.816.51684794825

A型0.72.16120.62053.045.087.73698746721

0.92.17520.02151.502.875.93613588346

1.2

2.21318.51871.99

3.19

4.77581590518

B型0.72.120.52153.6.92—587569—

0.92.16820.21771.482.924.97697742771

1.2

2.18719.41702.19

3.6.186********

C型0.72.10622.61592.826.10—661302—

0.92.13521.42193.656.65—597314—

1.2

2.18519.6224

3.515.69—556509—

　　主骨架和由其形成的混合料的回弹模量波动范围均在600～700M Pa之间,但是相同应力时的塑性变形值,主骨架远大于混合料;而空隙率测定数值范围,混合料为1619%～2218%、骨架为3017%～3219%。说明:骨架是回弹模量的主要影响因素,而细集料的填充则对控制塑性总变形有较大的影响。兼顾骨架的嵌挤和混合料密实的紧密嵌挤骨架2密实原则设计混合料正是考虑了强度和永久变形。

3　规范建议级配的试验研究

311　级配设计

参考文献[4]附录C3给出了级配碎砾石基层材料的规范级配范围,在规范级配的范围内,调整了5种级配进行试验研究。级配调整原则为:1号、2号、3号级配分别为规范建议值的上限、下限和中值级配;4号级配为在建议范围内由粗集料部分的上限向细集料部分的下限走,调整的偏细的一种级配类型;5号级配则是在建议范围内,由粗集料部分的下限向细集料部分的上限走,调整的一个偏粗而且较为密实的一种级配类型。5种类型的级配如表4所示。312　室内试验

规范范围内5种级配的试验,成型方法有2种:重型击实和振动成型。在2种成型工艺下测定以下3种指标:干密度、空隙率和CB R值。参考文献[5]给出的土基和碎石材料的CB R值与回弹模量值的近似关系,将规范级配的室内测定的CB R数据换算为回弹模量值,如表5所示。

由CB R值换算的回弹模量值,5种级配在振动成型工艺下的回弹模量值大于在击实成型工艺下的回弹模量值,增大幅度在413%～124%之间。振动工艺在提高材料强度方面更加有效。5种级配类型之间的比较则是5号级配最大,达到49612M Pa,但是远远小于采用按照紧密嵌挤骨架2密实原则设计的混合料的回弹模量,2种方法形成混合料的空隙

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1

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　2004年　第2期　　　　　　　　　　　曹建新:级配碎石混合料组成设计的试验研究

表4　级配范围内5种类型混合料级配

通过下列筛孔(mm )的质量百分率 %

31.526.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.074规范建议值—

10085～100—

—

60～8030～5015～30—

10～20—

—

2～8上限1号1001001009580503021.22014.1108下限2号1009485787060301510.6107.152中值3号

1009792.586.579.5704022.515.91510.67.554号1001001009584744021.214107.1525号

100

94

85

78

74

40

26

21

20

14.1

10

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表5　级配范围内5种混合料试验数据

级配碎石

理论密度

g c m 3

击实成型

振动成型

干密度

g c m 3

空隙率 %

CB R %回弹模量

M Pa 干密度

g c m 3

空隙率 %

CB R %回弹模量

M Pa 1号2.7932.30417.5163.3301.02.19321.4866.3313.82号2.7962.22020.0669.7328.32.12324.0778.0363.33号2.7952.27918.4653.0256.62.21520.7571.5335.94号2.7992.21820.7634.7175.22.15822.9060.3288.15号

2.970

2.105

24.55

45.0

221.4

2.322

16.77

110.3

496.2

率均在20%±3%之间,说明强度不仅取决于密实,

而是集料的排列组合。

4　结论

(1)试验证明:按照紧密嵌挤骨架2密实原则设

计级配碎石混合料可以提高材料的强度,并且可以

有效控制永久变形。

(2)振动工艺比起击实工艺,在提高材料的强度和密实度2个方面来说更加有效,并且振动工艺有助于实现紧密嵌挤骨架2密实结构。

参考文献:

[1]　王哲人1高速公路沥青路面材料、工艺与结构的一体

化[J ]1中国公路学报.2000,13(增刊)1

[2]　吴旷怀1按体积法设计沥青混合料[D ]1哈尔滨建筑

大学硕士论文,19951

[3]　曹建新1重载交通下级配碎石基层材料组成结构与动

力特性的研究[D ]1哈尔滨工业大学硕士论文1

[4]　JTJ 014-97,公路沥青路面设计规范[S ]1

[5]　林绣贤1柔性路面结构设计方法[M ]1北京:人民交通

出版社,19881

Exper i m en ts and Research on Com position D esign of Graded M acadam M ixtures

CAO J ian -x in

(Guangzhou M unici pal Engineering D esign and R esearch Institute ,Guangzhou 510060,Ch ina )

Abstract :A cco rding to the p rinci p le of skeleton em bed clo sely and th ick ly ,the system atic indoo r ex 2p eri m en ts are taken to research the com po siti on design of graded m acadam m ix tu res ,and five typ es of graded m ix tu res in sp ecificati on range are designed to take heavy com p acti on and vib rati on ro lling exp eri 2m en ts

.It can be u sed to gu ide the design of m ix tu re and overcom e effectually the disadvan tages that the p erm anen t defo rm ati on of graded m acadam base is large and its m odu lu s of elasticity is low er .

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011—　　　　　　　　　　　　　　公　　路　　　　　　　　　　　　　　　　2004年　第2期