基于CBR 強度的改性級配碎石級配設計研究

張軍

（無錫市明大交通科技咨詢有限公司，江蘇 無錫 214100）

0 引言

改性級配碎石材料在滿足結構強度要求的前提下能夠有效地減少半剛性材料的收縮開裂、提高級配碎石水穩定性能、發揮級配碎石的排水性能，在改善現有級配碎石體積穩定性、力學性能、長期性能和施工性能方面存在諸多優勢[1]，可應用于二級及以下公路基層中。目前規范中并沒有適用于低劑量水泥改性級配碎石的級配范圍、評價方法和標準，同時未針對施工條件和瀝青路面基層的力學要求來研究碎石的合理級配。本文根據對設計級配的混合料進行相關的試驗，制定改性級配碎石的合理級配范圍和施工配合比設計方法。

1 改性級配碎石試驗級配設計

沙慶林[2]將SAC 礦料級配設計方法推廣應用到水泥穩定碎石基層中，發明了粗集料斷級配密實水泥穩定粒料的級配方法及其骨架的檢驗方法。該設計方法仍使用SAC 中的基本計算方法，通過計算粗細集料的質量通過率，得出粗集料斷級配密實水泥穩定粒料的集料級配曲線，避免了以往全憑經驗確定集料級配而難以保證公路質量的做法。

低劑量水泥改性級配碎石的級配設計采用SAC設計方法的思路和算法，將0.075 mm、0.6 mm、4.75 mm、9.5 mm、31.5 mm 五個關鍵篩孔作為SAC 設計方法中的控制點。采用SAC 算法公式，由控制點0.6 mm與4.75 mm、4.75 mm 與9.5 mm、9.5 mm 與31.5 mm算得剩余篩孔2.36 mm、9.5 mm、26.5 mm 的值。即可認為把混合料原來八檔中的0.6～2.36 mm 與2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm 與9.5～19 mm、19 ～26.5 mm與26.5～31.5 mm 通過SAC 算法分別合并成0.6～4.75 mm、4.75 ～19 mm、19 ～31.5 mm 這 三 大 檔 集料，而通過SAC 算法能夠保證該檔集料擁有相對較大的密度。最終調節0～0.075 mm、0.075～0.6 mm、0.6～4.75 mm、4.75～19 mm、19～31.5 mm 這五大檔集料的比例，通過性能試驗來確定改性級配碎石級配范圍。

將0.6～4.75 mm、4.75～19 mm、19～31.5 mm 分別作為一檔，計算關鍵篩孔的取值，求得圖1 改性級配碎石設計級配曲線。級配Xpmn 代表下限級配，級配Spmn 代表上限級配，p、m、n 分別為0.6mm、4.75 mm、19 mm 篩孔對應的通過率編號，對應的編號值越大，其通過率越大。

顯然，從圖1 中可以看出，在級配圖上SAC 算法是將所求段的起始控制點用直線進行連接。這種設計方法具有明顯的優勢，不僅在級配圖中能避免設計的級配出現犬牙交錯的現象，而且涉及的控制點多，得到的級配范圍廣、選擇多，利于對改性級配碎石的級配進行深入的研究討論。

圖1 改性級配碎石設計級配曲線

2 級配范圍研究

2.1 設計下限范圍的確定

對設計的18 個級配下限進行CBR 試驗，整理得到圖2 所示的設計級配下限的CBR 曲線圖。總結規律如下：

圖2 設計級配下限的CBR 曲線圖

（1）在其他通過率不變的條件下，隨著19 mm 篩孔通過率的減小，各曲線的CBR 值均增加，即19～31.5 mm 的粗集料增加，4.75～19 mm 的中集料減少，能增加CBR 值。同時對比虛實曲線，顯然虛線的變化量更大，0.6 mm 篩孔通過率越小，0～0.6 mm 的填料越小，改變相同的19 mm 篩孔通過率的值，其CBR 值的變化量越大。

（2）19 mm 通過率為79%和68%的情況下，隨著4.75 mm 篩孔通過率的減小，CBR 值呈減小趨勢，即4.75～19 mm 的中集料增加，0.6～4.75 mm 的細集料減小，CBR 值變大。但19 mm 通過率為60%的情況下，隨著4.75mm 篩孔通過率的減小，CBR 值先減小后增大。

（3）在其他通過率不變的條件下，隨著0.6 mm 篩孔通過率的減小，相對應的CBR 值基本上相應地減小。

根據相關研究，7 天齡期的低劑量水泥改性級配碎石CBR 最低要求為160%[3-4]。以級配范圍廣為原則， 同時要求級配范圍內混合料的CBR 不小于160%，因此選擇級配X221 作為低劑量水泥改性級配碎石的級配下限。

2.2 設計上限范圍的確定

同理，對設計的18 個級配上限混合料進行CBR試驗，整理得到圖3 所示的級配上限的CBR 曲線圖。總結規律如下：

圖3 設計級配上限的CBR 曲線圖

（1）在另外兩個關鍵篩孔通過率不變的條件下，隨著4.75 mm 篩孔通過率的減小，各曲線的CBR 值均增加，即19～31.5 mm 的粗集料增加，4.75～19 mm的中集料減少，能增加CBR 值。

（2）0.6 mm 篩孔通過率對CBR 的影響分析，出現了兩種截然相反的規律。對于實曲線即19 mm 篩孔控制為98%的設計級配，在4.75 mm 篩孔通過率不變的條件下，隨著0.6 mm 篩孔通過率的減小，其CBR 值相應減小，即0～0.6 mm 的填料減少，0.6～4.75 mm 中集料增加，其CBR 值減小。對于虛曲線19 mm 篩孔控制為86%的設計級配，在4.75 mm 篩孔通過率不變的條件下，隨著0.6 mm 篩孔通過率的減小，其CBR 值也相應增加，即0～0.6 mm 的填料減少，0.6～4.75 mm 中集料增加，其CBR 值減小。

對于上述規律，可以這樣認為：0～0.6 mm 集料同時包括水泥主要起黏結作用，0.6 ～4.75 mm 與4.75～19 mm 同時具有部分黏結作用和部分骨架嵌擠咬合作用，但骨架咬合作用比黏結作用更大。相對地，4.75～19 mm 的咬合能力比0.6～4.75 mm 要強，19～31.5 mm 的集料主要用來形成骨架。19 ～31.5 mm的集料很少時，不足以形成一定的骨架，因此增加0～0.6 mm 集料的量來提高黏結力，提高4.75～19 mm集料的量來提高咬合力，這樣整個級配的強度提高。當19～31.5 mm 集料的量逐漸開始形成骨架時，提高0.6～4.75 mm、4.75～9.5 mm 集料的量來提高骨架咬合力，這樣整個級配的強度也相應提高了。在一定條件下，提高骨架咬合力比提高集料的黏結力更有利。

改性級配碎石7 天齡期CBR 最低要求標準為160%，設計的級配上限都達到了標準，但為使范圍內的級配都滿足強度要求，并且級配范圍足夠廣、級配曲線更合理，最終將S222 作為改性級配碎石的級配上限。

2.3 改性級配碎石級配范圍合理性研究

在正常施工級配設計時，盡量使設計的級配接近級配范圍的中值。由于所涉及的改性級配碎石屬于連續級配，并沒有根據其結構類型進行研究，因此選擇規范[5-6]中非骨架密實和懸浮密實的連續級配范圍，計算其級配中值。

根據規范中值繪制級配曲線圖形與n=0.45 和n=0.5 的級配進行對比，見圖4。從中可以看出，目前規范中級配曲線的中值基本上接近n=0.5、n=0.45 最大理論密度曲線，尤其是細集料的通過率基本上已經大小相同。

圖4 級配曲線對比圖

由試驗得到的改性級配上下限值確定改性級配碎石設計級配范圍，將改性級配碎石設計級配的中值與n=0.45、n=0.5 的級配最大理論密度曲線進行對比，見圖5。從中可以明顯看出，改性級配碎石的級配中值基本上與n=0.5 mm 的曲線重疊。因此，改性級配碎石設計的級配范圍是可行的。

圖5 改性級配碎石級配范圍及相關中值

同時將改性級配碎石設計級配范圍與規范級配范圍進行對比，見圖6。改性級配碎石的范圍顯然比級配碎石和水穩碎石的范圍更廣，對施工集料的選擇更多。

圖6 設計改性級配碎石與規范級配范圍

3 改性級配碎石設計方法

3.1 一般規定

（1）用作上基層或基層的改性級配碎石的礦料應用預先篩分成3 組或以上不同粒徑的碎石及4.75 mm以下的石屑組配而成。缺乏石屑時，可以添加細砂礫或粗砂。

（2）當改性級配碎石用于二級公路及以下等級公路的基層時，其最大粒徑應控制在37.5 mm 以內；用作上基層的改性級配碎石，其最大粒徑宜控制在31.5 mm 以內。

（3）水泥劑量以水泥質量占全部礦料干質量的百分率表示，即水泥劑量= 水泥質量/ 干質量。改性級配碎石混合料中水泥劑量為2%～2.5%[7-8]。

（4）用作上基層的碎石壓碎值不應超過28%（滿足排水要求），用作基層的碎石壓碎值不應超過30%。

（5）改性級配碎石上基層/ 基層施工時，應遵守下列規定：

a. 顆粒組成應是一根順滑的曲線，塑性指數應符合規定。

b. 應該采用集中廠拌法拌制混合料，并用攤鋪機攤鋪混合料。混合料必須拌和均勻，沒有粗細顆粒離析現象。

c. 正式施工前，應該對拌和設備進行標定，以保證碎石配料和水泥劑量的準確性。

d. 在最佳含水量時進行碾壓，作為上基層時應該達到重型擊實標準下100%的壓實度，作為二級公路的基層時應該達到重型擊實標準下98%的壓實度。

e. 應使用12 t 以上三輪壓路機碾壓，每層的壓實厚度不應超過15～18 cm。用重型振動壓路機和輪胎壓路機碾壓時，每層的壓實厚度可達20 cm。

3.2 材料要求

（1）軋制碎石的材料可以是各種類型的巖石（軟質巖石除外）、圓石或礦渣。圓石的粒徑應是碎石最大粒徑的3 倍以上。

（2）碎石中針片狀顆粒的總含量應不超過20%。碎石中不應有黏土塊、植物等物質，碎石壓碎值不大于26%。

（3）應進行顆粒分析、液限和塑性指數、碎石或礫石的壓碎值、有機質含量（必要時做）、硫酸鹽含量（必要時做）、水泥的標號和終凝時間試驗。改性級配碎石混合料的碎石顆粒組成、塑限指數、壓碎值均需滿足表1 的要求。

表1 改性級配碎石顆粒組成范圍及要求

3.3 混合料組成設計

改性級配碎石混合料組成設計流程如下：

（1）宜在級配范圍內計算1～3 組粗細不同的配比，繪制設計級配曲線，分別位于級配范圍的上方、中值及下方。采用重型擊實試驗確定設計的改性級配碎石混合料的最大干密度和最佳含水量。

（2）根據最佳含水量和最大干密度成型CBR 試驗試件，壓實度為98%，所用試件不少于3 個，在齡期到期前4 d 進行泡水，水面應高于試件頂面2.5 cm左右。測得的7 d 齡期的CBR 值不小于160%。

（3）當無論怎樣調節配合比都無法滿足要求時，應重新選擇集料種類或水泥種類；當所選擇的幾種配合比均能滿足要求時，則可從經濟、技術方面確定一種最優級配。

4 結語

通過SAC 的計算方法得到關鍵篩孔的通過率，最終形成36 個不同級配。分別測定這些級配組成的混合料的7 d CBR 強度，經對比分析得到了改性級配碎石的級配范圍。得到的改性級配碎石級配中值基本上與n=0.5 mm 的曲線重疊，設計的級配范圍是可行的，且改性級配碎石的范圍比規范中級配碎石和水穩碎石的范圍更廣，對施工集料的選擇更多。另外，還總結提出了適用于施工的改性級配碎石配合比設計方法。