骨架密實(shí)型礦料級(jí)配設(shè)計(jì)方法探究

羅立峰

(華南理工大學(xué)廣州學(xué)院, 廣州 516139)

0 概述

級(jí)配的好壞是影響路面早期損壞的重要因素。礦料級(jí)配決定了礦料顆粒間嵌擠力的大小及混合料密實(shí)程度，對(duì)路面的抗剪強(qiáng)度影響很大。

(1)

式中：

C——粘結(jié)力/kPa；

σ——剪切面上的法向正應(yīng)力/kPa；

φ——內(nèi)摩阻力/rad。

1 骨架密實(shí)型級(jí)配

骨架密實(shí)狀態(tài)是目前諸多級(jí)配設(shè)計(jì)理論共同追求的目標(biāo)，其原因是因?yàn)殡S著交通量的增大和軸載與胎壓的提高，對(duì)混合料的級(jí)配提出了越來越高的要求。而骨架結(jié)構(gòu)由于高的承載力，所以其抵抗外在荷載的能力較強(qiáng)，從而減輕了對(duì)粘結(jié)劑的依賴。正因?yàn)楣羌苊軐?shí)結(jié)構(gòu)混合料具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)，因此，在配合比設(shè)計(jì)中如何確定骨架結(jié)構(gòu)是比較重要的一環(huán)[2]。

筆者認(rèn)為,“骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)”其中包含了兩層含義，一是“骨架”，二是“密實(shí)”，這是兩個(gè)不同范疇的概念。 “骨架”首先是一個(gè)力學(xué)指標(biāo)，內(nèi)涵中包含了骨架的強(qiáng)弱；而“密實(shí)”首先是個(gè)體積指標(biāo)，要求對(duì)“骨架”形成的空間結(jié)構(gòu)嵌入和擠滿。幾檔料摻在一起，形成骨架，進(jìn)而形成比較強(qiáng)的骨架，是骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)中骨架設(shè)計(jì)的問題，筆者認(rèn)為是個(gè)力學(xué)問題；“密實(shí)”首先是為了保證“骨架”在受到外力作用時(shí)骨架不變形，保持抗力，有“定型”的作用，因此可以認(rèn)為是骨架強(qiáng)度的補(bǔ)充。但如何恰當(dāng)“密實(shí)”就有難度了，因?yàn)槊軐?shí)是個(gè)嵌擠的過程，嵌擠多了或嵌擠力過大了會(huì)破壞“骨架”，導(dǎo)致“骨架”強(qiáng)度下降；同樣，嵌擠少了或嵌擠力小了，起不到再補(bǔ)充和“定型”骨架的作用，同樣導(dǎo)致“骨架”抗力能力下降。

2 級(jí)配設(shè)計(jì)方法的回顧

配合比的設(shè)計(jì)方法，一般包括兩方面的設(shè)計(jì)：礦質(zhì)混合料的配合比設(shè)計(jì)和粘結(jié)劑最佳劑量的設(shè)計(jì)。本文主要研究的是前一部分，即礦質(zhì)混合料的配合比設(shè)計(jì)。目前礦質(zhì)混合料的主要設(shè)計(jì)步驟如下所述[3]：

(1)材料的準(zhǔn)備。按相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定取樣的方法，取足夠的數(shù)量且有代表性的礦料試樣，按有關(guān)規(guī)程所提出的技術(shù)要求進(jìn)行試驗(yàn)檢驗(yàn)。當(dāng)檢驗(yàn)不合格時(shí)，不得用于試驗(yàn)及施工。

(2)礦質(zhì)混合料的配合比設(shè)計(jì)。

①查閱有關(guān)規(guī)范推薦的礦質(zhì)混合料的級(jí)配范圍，確定混合料的類型。或直接采用施工圖所提供的礦質(zhì)混合料的級(jí)配范圍。

②礦質(zhì)混合料的配合比比例計(jì)算。根據(jù)各組成材料的篩分試驗(yàn)資料，采用圖解法或試算法，計(jì)算符合要求級(jí)配范圍的各組成材料的用量比例。

從以上設(shè)計(jì)過程可知，在礦質(zhì)混合料的配合比設(shè)計(jì)中，涉及到的僅為篩分試驗(yàn)結(jié)果，也就是只考慮了礦料的粒徑分布情況，但其他各項(xiàng)性狀均未考慮。

一般來說，評(píng)價(jià)礦料的性狀指標(biāo)可分為三大類：第一類是物理指標(biāo)、力學(xué)指標(biāo)，包括強(qiáng)度、磨光值、磨耗率、酸堿性、密度、吸水率等；第二類是體積指標(biāo)，包括幾何形狀(如針片狀顆粒含量、棱角性、破碎面等)；第三類是工程指標(biāo)，包括軟石含量、粉塵含量、含泥量等。

這些指標(biāo)的大小以及對(duì)混合料的性能產(chǎn)生影響，都是級(jí)配設(shè)計(jì)要考慮的。可是目前的級(jí)配設(shè)計(jì)過程中除粒徑大小以外，其它性狀均未考慮[2]。

由于目前的礦料級(jí)配設(shè)計(jì)方法沒有在設(shè)計(jì)過程中考慮礦料的性狀，所以只能通過完成配比后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，相對(duì)來講比較被動(dòng)，可以說目前的礦料級(jí)配設(shè)計(jì)方法均為驗(yàn)證法。如何才能變被動(dòng)為主動(dòng)呢？筆者認(rèn)為應(yīng)從一開始礦料級(jí)配設(shè)計(jì)初始就應(yīng)該考慮礦質(zhì)材料的性狀，這樣設(shè)計(jì)針對(duì)性比較強(qiáng)。

3 骨架密實(shí)型礦料級(jí)配的設(shè)計(jì)思路

將骨架密實(shí)級(jí)配混合料的骨架及密實(shí)分開進(jìn)行設(shè)計(jì)。“骨架”設(shè)計(jì)思路是由粗到細(xì)，逐級(jí)填充逐級(jí)找出最強(qiáng)“骨架”，直至倒數(shù)第二檔；“密實(shí)”設(shè)計(jì)思路是骨架級(jí)配設(shè)計(jì)完成的礦質(zhì)級(jí)配集料的間隙率應(yīng)等于最后一檔料(最細(xì)的一檔料)的體積，通過體積法完成密實(shí)填充。

對(duì)于骨架強(qiáng)弱，目前還沒有一個(gè)比較公認(rèn)可行的評(píng)價(jià)方法[2]，但由于CBR(%)普遍且不失為較好的一種評(píng)價(jià)“骨架”強(qiáng)弱的方法[4]，故在此采用CBR(%)法評(píng)價(jià)“骨架”的強(qiáng)弱，CBR值越大，骨架越強(qiáng)。“密實(shí)”采用體積法(V)進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)而通過微調(diào)完成整個(gè)配合比設(shè)計(jì)。兩種方法合并在一起，利用了強(qiáng)度設(shè)計(jì)和體積設(shè)計(jì)的概念，故稱之為強(qiáng)度體積法，簡(jiǎn)稱為CBR-V法。

假定有i檔料，從粗到細(xì)依次定義為1到n。最粗的一檔料定義為一級(jí)摻配；最粗的一檔料和次粗的一檔料摻配，定義為二級(jí)摻配；通過CBR試驗(yàn)找出最大CBR值所對(duì)應(yīng)的摻配比例，形成新的檔料。二級(jí)摻配后形成的新的一檔料和第三檔料摻配，定義為三級(jí)摻配；通過CBR試驗(yàn)找出最大CBR值所對(duì)應(yīng)的摻配比例，形成新的檔料。依次類推，直至(n-1)級(jí)。通過試驗(yàn)測(cè)定(n-1)級(jí)摻配料的間隙體積；通過試驗(yàn)測(cè)定第n檔料的體積。其設(shè)計(jì)思想可用式(2)表示。

VDRC=Va

(2)

式中：VDRC—除最后一檔料(最細(xì)的一檔料)以外，其它集料搭配合成的級(jí)配集料的間隙率；

Va—最后(也是最細(xì)的一檔料)一檔料的體積。

CBR-V設(shè)計(jì)方法的基本原理：

為方便敘述，現(xiàn)假定用于級(jí)配的集料為四檔，由細(xì)到粗，分別記作A、B、C和D，其對(duì)應(yīng)的量分別記作aij、bij、Cij和dij(角標(biāo)i為摻級(jí)配級(jí)數(shù)，j為該摻配級(jí)所對(duì)應(yīng)的量(%))。若各摻配集料的公稱最大粒徑為31.5mm，依據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20-2015)表3.8.2，D、C、B和A四檔料分別為G2(20～30mm)、G8(10～20mm)、G11(5～10mm) 和XG3(0～5mm)。為求取方便，前面幾檔料定義為骨架區(qū)，最后一檔料定義為密實(shí)區(qū)。按此原則本文中D、C、B三檔料為骨架區(qū)，A檔料為密實(shí)區(qū)。分級(jí)求取D、C、B三檔料的級(jí)配比例。

3.1 一級(jí)摻配

一級(jí)摻配屬單檔料摻配，只需分別通過CBR試驗(yàn)，求取對(duì)應(yīng)的CBR值。分別記作CBR(D)1、CBR(C)1、CBR(B)1；對(duì)應(yīng)的量分別記作d11、c11、b11。

3.2 二級(jí)摻配

二級(jí)摻配為D和C兩檔料之間的摻配。兩檔料所對(duì)應(yīng)的量滿足式(3)關(guān)系：

d2j+c2j=100

(3)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或參考規(guī)范級(jí)配范圍，選取不少于5個(gè)比例：d21、d22、……d2n和c21、c22、……c2n，一一對(duì)應(yīng)分別進(jìn)行摻配，通過CBR試驗(yàn)求取CBR(DC)21、CBR(DC)22、……CBR(DC)2n。之后，利用統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并求出CBR(DC)2max，其對(duì)應(yīng)的配比即為D和C兩檔料的最佳摻配比例。摻配完成的料定義為(DC)，成為新的一檔料。

3.3 三級(jí)摻配

三級(jí)摻配是將二級(jí)摻配后獲取的新的一檔料(DC)和更細(xì)的B檔料進(jìn)行摻配。兩檔料所對(duì)應(yīng)的量滿足式(4)關(guān)系：

(dc)3j+b3j=100

(4)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或參考規(guī)范級(jí)配范圍，選取不少于5個(gè)比例：(dc)31、(dc)32、……(dc)3n和b31、b32、……b3n，一一對(duì)應(yīng)分別進(jìn)行摻配，通過CBR(%)試驗(yàn)求取CBR(DCB)31、CBR(DCB)32、……CBR(DCB)3n。之后，利用統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并求出CBR(DCB)3max，其對(duì)應(yīng)的配比即為(DC)和B兩檔料的最佳摻配比例。摻配完成的料定義為(DCB)，成為新的一檔料。若剩余的料超過一檔以上，則以此類推。

3.4 求取(DCB)集料的間隙率VCADRC

定義A檔料的體積Va=VCADRC，則a=ρa(bǔ)×Va。ρa(bǔ)為A檔料的緊裝密度。

3.5 四級(jí)摻配

四級(jí)摻配是將三級(jí)摻配后獲取的新的一檔料(DCB)和A檔料進(jìn)行摻配。兩檔料所對(duì)應(yīng)的量滿足式(5)、式(6)關(guān)系：

(dcb)4+a=100

(5)

(dcb)4=(100-a)

(6)

3.6 各檔料的求解

令a4=a，則通過反演推算出配比各值。具體計(jì)算可參照表1進(jìn)行。當(dāng)料檔超過4檔時(shí)，可按表1中的規(guī)律類推。

表1 級(jí)配反演推算

注：此處僅提供四級(jí)，可加推。

4 相關(guān)參數(shù)試驗(yàn)測(cè)試的有關(guān)建議及說明

(1)ρa(bǔ)為細(xì)集料的緊裝密度。在瀝青混合料中，細(xì)集料是指粒徑小于2.36mm的天然砂、人工砂(包括機(jī)制砂)及石屑；在級(jí)配碎石、水泥(石灰)穩(wěn)定級(jí)配碎石中，細(xì)集料是指粒徑小于4.75mm的天然砂、人工砂。試驗(yàn)測(cè)試方法采用《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42-2005)中的T 0331-1994 細(xì)集料堆積密度及緊裝密度試驗(yàn)[5]。

(2)合成集料間隙率VCADRC。試驗(yàn)測(cè)試方法采用《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42-2005)中的T 0309-2005 粗集料堆積密度及孔隙率試驗(yàn)。該試驗(yàn)中關(guān)于孔隙率的計(jì)算提供了兩種計(jì)算方式，水泥混凝土和瀝青混凝土。本文建議采用“5.4 瀝青混合料用粗集料骨架搗實(shí)狀態(tài)下的間隙率按式(T0309-4)計(jì)算”[2]。具體計(jì)算時(shí)應(yīng)換算為體積。

式中：VCADRC—搗實(shí)狀態(tài)下粗集料骨架間隙率(%)；

ρb—按T 0304確定的粗集料的毛體積密度(t/m3)；

ρ—按搗實(shí)法測(cè)定的粗集料的自然堆積密度(t/m3)。

(3)CBR試驗(yàn)[6]。CBR試驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)試方法采用《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)中的T0134-1993 承載比(CBR)試驗(yàn)。計(jì)算公式如式(7)所示。

(7)

式中:P—對(duì)應(yīng)的2.5mm和5mm貫入量的礦料單位壓力/kPa；

PS—與礦料相同貫入量的標(biāo)準(zhǔn)單位壓力/kPa。

在測(cè)定CBR2.5和CBR5時(shí)，由于此時(shí)只是粗集料(一般來講大于3mm)，所以試驗(yàn)規(guī)程中的部分內(nèi)容需要調(diào)整，未說明的部分同規(guī)程。

①標(biāo)定路面材料強(qiáng)度儀及百分表。

②試樣可在烘箱內(nèi)烘干。

③成型：推薦采用搗實(shí)成型。將摻配好的集料分三次裝入，每次1/3高度。每裝入一層用搗棒由邊至中均勻搗實(shí)25次，搗實(shí)深度約至下層的表面。之后重復(fù)上一步驟，再裝下一層，其他類同。加最后一層，搗實(shí)25次后，使集料表面齊平[7]。

④連同底座一起搬上路面材料強(qiáng)度儀上，安裝荷載板，進(jìn)行貫入試驗(yàn)，并計(jì)算出CBR2.5和CBR5。

⑤CBR2.5和CBR5，若出現(xiàn)CBR2.5大于CBR5時(shí)，試驗(yàn)重做。同時(shí)發(fā)現(xiàn)有跳表現(xiàn)象時(shí)應(yīng)歸零重做，最終以CBR5為準(zhǔn)。

5 結(jié)論及建議

通過將骨架密實(shí)級(jí)配混合料的骨架及密實(shí)分開進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出了強(qiáng)度體積設(shè)計(jì)法的設(shè)計(jì)思路，即CBR-V法。由于該方法應(yīng)用實(shí)例較少，故建議僅用于生產(chǎn)配比的校核和驗(yàn)證。具體建議如下：

(1)在骨架密實(shí)型級(jí)配碎石配合比設(shè)計(jì)中，可直接采用CBR-V法進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)，也可用于驗(yàn)證或參考修正已有的級(jí)配設(shè)計(jì)。

(2)在骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定級(jí)配設(shè)計(jì)中，應(yīng)用CBR-V法進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到水泥量對(duì)體積的影響，建議采用內(nèi)摻法。同上，可直接采用此法進(jìn)行配比設(shè)計(jì)，或用于驗(yàn)證或參考修正已有的級(jí)配設(shè)計(jì)。

(3)在骨架密實(shí)型的瀝青混凝土級(jí)配設(shè)計(jì)中，本文的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，但可用此方法驗(yàn)證生產(chǎn)配比中的集料配比情況，作為集料配比修正的參考。