關于CBR-V礦料級配設計方法中“最大內摩阻力”取值的試驗研究

莫石秀，羅立峰，張先念

(1.廣東省路橋建設發展有限公司， 廣州 510623；2.華南理工大學廣州學院，廣州 510800)

0 概述

《道路與交通工程詞典》關于級配是如此定義的：級配 gradation，grading —砂、石等礦質材料按顆粒粗細的分級和搭配。配制質量合格的各種水泥混凝土、瀝青混合料以及其它砂石混合料，如級配碎石、級配礫石及其各種結合料穩定的混合料，都要求其礦質材料(包括粗、細集料，礦粉，土等)顆粒有一定的級配。集料的顆粒級配有一定的級配，有連續級配和間斷級配之分，見“連續級配”、“間斷級配”[1]。

《公路設計手冊路面(第三版)》關于集料級配是如此描述的[2]：路用礦質集料除滿足一定的強度要求外，還應具備合適的級配以滿足某些物理力學性質的要求。所謂集料級配，是指集料中不同粒徑粒料間的相互搭配關系，路用礦質集料的級配一般應滿足下列基本要求：最大的內摩阻力—其所組成的礦質集料，任何一級集料應不干涉或少干涉其它各級集料的緊密排列，使形成一個多級空間骨架結構，具有最大的內摩阻力；一定的孔隙率—采用不同粒徑的礦質集料，按一定的比例配合，使組成一種滿足一定孔隙率要求的礦質集料。

《道路與交通工程詞典》關于級配的定義著重于級配合成的方法，“礦質材料按顆粒粗細的分級和搭配”；《公路設計手冊路面(第三版)》不但說明了級配合成的方法，更明確了級配設計的目的“最大的內摩阻力和一定的孔隙率”。

從以上關于級配的論述中可以窺探到以下內容：一是集料級配的形成是通過不同粒徑的礦質集料搭配的結果。二是集料級配的基本要求是獲取最大的內摩阻力和一定的孔隙率。

如果將級配的形成定義為過程的話，那么獲取最大的內摩阻力和一定的孔隙率就是目的。但如果這樣定義的話其實有點“斷章”之嫌，因為這只是兩頭，真正的過程是施工過程，即拌和、攤鋪和碾壓。如果少了這個過程，那配比和其目的可能就成了空談。因為只有將設計的級配通過拌和、攤鋪和碾壓，才能實現級配設計的目的。當然這個拌和、攤鋪和碾壓過程中不能改變級配，否則，事與愿違，級配的目的就不可能100%實現或者說只能部分實現了。因此如果說級配和級配的目的是兩個橋墩的話，那拌和、攤鋪和碾壓就是兩個橋墩上部的梁。

對于礦質集料而言，影響中間過程拌和、攤鋪和碾壓最主要的因素是混合料的和易性。而和易性和最大的內摩阻力是相矛盾的，有了好的和易性可能就沒有了最大的摩阻力，反之，有了最大內摩阻力可能和易性相對變差，這里有一個取舍和平衡的問題，也有一個級配目的的定義問題，因此目前關于集料級配的說法是否科學合理，值得商榷。

CBR-V礦質集料級配設計方法[3-5]中骨架部分的設計是通過“最大內摩阻力”來定義取舍的。研究發現，“最大摩阻力”有時會出現在粒徑最大的單檔料上，這時如何取舍呢？如果按“最大內摩阻力”去取舍，則這個單檔料就是CBR-V礦質集料設計方法所尋找的骨架，但對于骨架密實型混合料明顯不合理，因為這種級配和易性差，在拌和、攤鋪和碾壓過程中易出現離析，嚴重影響施工質量。本文通過試驗研究，探究CBR-V礦質集料級配設計方法骨架部分“最大內摩阻力”的取舍原則。

1 試驗思路

采用改進型礦質集料承載比(CBR)試驗[6-8]測定CBR5.0。CBR5.0值的大小反映級配內摩阻力的大小。試驗材料采用路面面層常用的灰綠巖。為提高試驗的準確性，試驗中將礦質灰綠巖篩分為多個分級檔料，粒徑分別為16～19mm、13.2～16mm、9.5～13.2mm、4.75～9.5mm、2.36～4.75mm和0～2.36mm等八種檔料。試驗采用的摻配比例為0%、20%、40%、60%、80%和100%。摻配由最大粒徑一級檔料開始，分別與次一級、再次一級和再再次一級分別摻配，測定CBR5.0，然后進行數據分析，探析不同摻配比例下不同檔料摻配時內摩阻力的變化規律和性能。

2 原材料

輝綠巖：廣東河源紫金臨江芙蓉石場產，物理指標及篩分結果見表1。

表1 輝綠巖(10～20mm)物理指標

3 試驗結果及分析

3.1 各單檔集料與CBR5.0變化趨勢

各單檔集料與CBR5.0變化趨勢見表2及圖1所示。可見：

圖1 各單檔集料與CBR5.0變化趨勢

表2 各單檔集料與CBR5.0變化趨勢

(1)隨著粒徑的增大，CBR5.0逐漸增大。

(2)就本試驗粒徑范圍來講，最大粒徑為16～19mm，此時CBR5.0達到最大值113。

(3)根據級配的定義，礦質集料級配最主要的一個目的是最大內摩阻力。就以上各粒徑檔料來講，檔料16～19mm的內摩阻力最大，那是否整個材料就取該檔料呢？即合成級配為100%的16～19mm粒徑的礦質集料，這顯然是不合適的。

3.2 (16～19mm)與其他各單檔料摻配CBR5.0的變化情況

(16～19mm)與其他各單檔料摻配CBR5.0的變化情況見表3及圖2所示，可見：

圖2 (16～19mm)與其他各單檔料摻配CBR5.0的

表3 (16～19mm)與其他各單檔料摻配CBR5.0的變化情況

(1)集料粒徑16～19mm和其它各檔料摻配，不同比例時的變化趨勢存在一致性。

(2)集料粒徑16～19mm和其它各檔料摻配時，CBR5.0最大值為113，為16～19mm占比100%的單檔料。

(3)集料粒徑16～19mm與集料粒徑2.36～4.75mm摻配時，存在過程極值。在集料16～19mm摻量60%處，有CBR5.0最大值100.5；這個摻配跨過了13.2～16mm、9.5～13.2mm、4.75～9.5mm三檔集料。按照Bailey Method關于集料不干涉粒徑比例因子應為最大公稱粒徑的0.22倍，對應的集料粒徑應為3.52～4.18mm，取相近的篩孔為2.36～4.75mm。這再次證明Bailey Method的正確性。

(4)集料粒徑16～19mm和其它各檔料摻配，在其摻量為60%處存在CBR5.0峰值。

(5)在集料16～19mm與集料13.2～16mm摻配過程中，CBR5.0的表現有點“另類”。16～19mm集料中隨著13.2～16mm摻量的減小在20%～80%間不但沒有增長，還有下降的趨勢，這說明可能粒徑相近的集料在摻配過程中易發生干涉所致。同時也是一個啟示：在級配的調整過程中，跨粒徑調整有利于骨架的增強，跨度大小符合貝雷系數0.22倍。

當16～19mm集料摻量為80%、13.2～16mm集料摻量為20%，出現本次整個摻配試驗的低值，CBR5.0為58.3，該值為除0～2.36mm集料以外本次試驗在該比例摻配時的最低值，這說明當16～19mm與13.2～16mm兩種集料摻配時，且當13.2～16mm低摻量時，對整個骨架的形成有一定的“破壞”作用。

(6)CBR5.0表現優異的區間在集料16～19mm摻配量40%～100%的范圍。

3.3 (13.2～16mm)與其他各單檔料摻配CBR5.0的變化情況

(13.2～16mm)與其他各單檔料摻配CBR5.0的變化情況見表4及圖3所示，可見：

圖3 (13.2～16mm)與其他各單檔料摻配CBR5.0的

表4 (13.2～16mm)與其他各單檔料摻配CBR5.0的

(1)在集料13.2～16mm與集料9.5～13.2mm摻配過程中，CBR5.0的表現類似于19～16mm集料與13.2～16mm集料摻配，有點“另類”，前降后升，在13.2～16mm摻量80%和9.5～13.2摻量20%時達到最大，CBR5.0為79.33，這也是本組試驗中的最大值。這種現象用“干涉”明顯解釋不通，因為其表現明顯是對骨架的“加強”，表現為“16～19mm集料與集料13.2～16mm兩種集料摻配時，且當13.2～16mm低摻量時，對整個骨架的形成有一定的“破壞”作用相反的效應。這些現象所包含的原理尚不清楚，須進一步深入研究，但從另一個角度來講，這預示著礦質級配構成的復雜性。

(2)集料粒徑13.2～16mm與集料粒徑0～2.36mm摻配時先逐漸增長，在80%處達到極值后下行；在此點處其它幾檔料的摻配也達到極值，且除了集料粒徑9.5～13.2mm的CBR5.0比較大以外，其它幾檔料的CBR5.0接近。其產生的機理是什么呢？還有待進一步研究。推測是由于集料粒徑范圍較短，易出現滑移所致。摻配20%的9.5～13.2mm檔料能補足集料粒徑過短的缺陷，減少滑移，提高了內摩阻力，出現CBR5.0極值的現象。

(3)集料粒徑13.2～16mm除與集料粒徑0～2.36mm摻配表現趨勢不同以外，與其它幾檔料摻配后CBR5.0的變化趨勢基本一致。

(4)集料粒徑13.2～16mm與各檔料摻配，CBR5.0表現比較優異的范圍在其摻配量為20%～100%。

3.4 (9.5～13.2mm)與其他各單檔料摻配CBR5.0的變化情況

(9.5～13.2mm)與其他各單檔料摻配CBR5.0的變化情況見表5及圖4所示，可見：

圖4 (9.5～13.2mm)與其他各單檔料摻配CBR5.0的

表5 (9.5～13.2mm)與其他各單檔料摻配CBR5.0的

(1)集料粒徑9.5～13.2mm與其它各檔料不同比例摻配時，CBR5.0的變化趨勢有一致性。

(2)集料粒徑9.5～13.2mm與各檔料摻配，CBR5.0表現比較優異的范圍在其摻配量為40%～100%。

(3)集料粒徑在9.5～13.2mm與各檔料在40%～100%摻配范圍，CBR5.0變化幅度不大。

(4)集料粒徑在9.5～13.2mm與各檔料摻配時，CBR5.0表現比較優異的是和集料粒徑2.36～4.75mm在40%～100%范圍，這個比例對應的CBR5.0值趨同，說明在此范圍內增減集料粒徑2.36～4.75mm檔料的量對CBR5.0影響不大。

3.5 (4.75～9.5mm)與其他各單檔料摻配CBR5.0的變化情況

(4.75～9.5mm)與其他各單檔料摻配CBR5.0的變化情況見表6及圖5所示，可見：

圖5 (4.75～9.5mm)與其他各單檔料摻配CBR5.0的

表6 (4.75～9.5mm)與其他各單檔料摻配CBR5.0的

(1)集料粒徑4.75～9.5mm與其它各檔料不同比例摻配時，CBR5.0的變化趨勢有一致性。

(2)集料粒徑4.75～9.5mm與其它各檔料不同比例摻配時，CBR5.0值在集料粒徑4.75～9.5mm摻量60%處達到極值。

3.6 (2.36～4.75mm)與(0～2.36mm)摻配CBR5.0的變化情況

(2.36～4.75mm)與(0～2.36mm)摻配CBR5.0的變化情況見表7及圖6所示，可見：

圖6 (2.36～4.75mm)與(0～2.36mm)摻配CBR5.0的

表7 (2.36～4.75mm)與(0～2.36mm)摻配CBR5.0的

(1)集料粒徑2.36～4.75mm與集料粒徑0～2.36mm不同比例摻配時，CBR5.0表現為隨集料粒徑2.36～4.75mm摻量的增加而逐步上升的趨勢。

(2)最小值在集料粒徑2.36～4.75mm摻量為0%處，最大值在集料粒徑2.36～4.75mm為100%處。

4 討論及建議

4.1 討論

總結并分析以上結果，得到以下結論：

(1)隨著粒徑的增大，CBR5.0逐漸增大；就本試驗粒徑范圍來講，最大粒徑為16～19mm，此時CBR5.0達到最大值113。

(2)集料粒徑16～19mm與其它次檔料摻配結果顯示，其單檔料的CBR5.0最大，為113。集料粒徑16～19mm檔料與次檔料摻配的最佳范圍為40%～100%。

(3)當集料16～19mm集料摻量為80%、13.2～16mm集料摻量為20%時，出現本次整個摻配試驗的低值，CBR5.0為58.3；該值為除0～2.36mm集料以外本次試驗在該比例摻配時的最低值，這說明當16～19mm集料與集料13.2～16mm兩種集料摻配時，且當13.2～16mm低摻量時，對整個骨架的形成有一定的“破壞”作用。

(4)集料粒徑13.2～16mm檔料與次檔料摻配的最佳范圍為20%～100%;集料粒徑9.5～13.2mm檔料與次檔料摻配的最佳范圍為40%～100%;集料粒徑4.75～9.5mm檔料與次檔料摻配的最佳摻量在60%左右；集料粒徑2.36～4.75mm檔料與次檔料摻配無范圍。

(5)集料粒徑16～19mm與集料粒徑2.36～4.75mm摻配時，存在最大值。在集料16～19mm摻量60%處，有CBR5.0最大值100.5；這個摻配跨過了13.2～16mm、9.5～13.2mm、4.75～9.5mm三檔集料。按照Bailey Method關于集料不干涉粒徑比例因子為最大公稱粒徑的0.22倍，為3.52mm～4.18mm之間，取相近的篩孔為2.36～4.75mm。這再次證明Bailey Method的正確性。

(6)集料粒徑在9.5～13.2mm與各檔料摻配時，CBR5.0表現比較優異的是和集料粒徑2.36～4.75mm在40%～100%范圍，這個比例對應的CBR5.0值趨同，說明在此范圍內增減集料粒徑2.36～4.75mm檔料的量對CBR5.0影響不大。集料粒徑9.5～13.2mm單檔料的CBR5.0為68，雖不是最大，但位列第二，因此最大粒徑對內摩阻力的影響無法忽視。

(7)集料粒徑2.36～4.75mm與集料粒徑0～2.36mm不同比例摻配時，CBR5.0表現為隨集料粒徑2.36～4.75mm摻量的增加而逐步上升的趨勢；最小值在摻量為0%處，最大值在為100%處。

4.2 建議

基于以上分析及試驗成果，考慮到施工過程中拌和、攤鋪和碾壓對和易性的要求和單檔料易離析的事實，提出CBR-V礦質集料級配設計骨架設計部分最大內摩阻力取用時的建議：

(1)4.75mm以上檔料間的摻配比例范圍限制在大一級粒徑集料摻量為40%～80%范圍內，在此范圍內選取最大內摩阻力對應的摻配比例為CBR-V礦質集料設計方法骨架部分摻配比例。

(2)根據試驗結果和以往試驗經驗2.36～4.75mm檔料的摻配比例建議限制在0%～12%范圍內。

(3)隨著0～2.36mm檔料摻量的增加，合成級配的內摩阻力直線下降，因此在合成級配時應審慎定奪該檔料的摻量；對于CBR-V礦質集料級配設計，該檔料定義為填充料，因此不存在此問題，但該結論對級配的調整有意義。

(4)試驗成果顯示集料不干涉粒徑比例因子為最大公稱粒徑的0.22倍，這再次證明Bailey Method的正確性。這一結論對級配調整具有重要的指導意義。

(5)集料級配的定義宜修改為：集料級配是指集料中不同粒徑間的相互搭配關系。路用礦質集料的級配一般應在滿足施工和易性要求的基礎上，滿足最大的內摩阻力和一定的孔隙率等基本要求。