級配碎石瀝青路面倒裝結(jié)構(gòu)的評價與應(yīng)用研究

羅群星，繆樹民，楊 康

(1.貴州省凱里公路管理局，貴州 凱里 556000; 2.重慶交通大學(xué)，重慶 400074)

1 概述

近些年來，隨著國家公路網(wǎng)建設(shè)不斷完善，我國干線公路的里程數(shù)明顯增加，這些公路中，半剛性基層瀝青路面占比最大，相比于其他瀝青路面結(jié)構(gòu)，半剛性基層瀝青路面具有較高的強(qiáng)度、剛度及承載能力，更能適應(yīng)重交通的發(fā)展需求。然而，隨著建設(shè)年限及應(yīng)用的增加，半剛性基層瀝青路面自身的缺陷逐漸暴露。半剛性基層透水性差容易產(chǎn)生路面唧漿等關(guān)聯(lián)性損壞；材料收縮開裂引起面層反射裂縫出現(xiàn)；基層與面層的結(jié)合薄弱造成流動性車轍；維修養(yǎng)護(hù)的性價比低等。其中，反射裂縫的問題更為困擾[1-2]。如何避免由于半剛性材料收縮開裂引起瀝青路面反射裂縫至今是研究的熱點(diǎn)。

直至價格較低、施工便利的級配碎石引起大眾的注意，提出了級配碎石層放置在瀝青面層與半剛性基層之間的方法，證明能夠有效的減少反射裂縫的產(chǎn)生，這種夾層式結(jié)構(gòu)被稱作級配碎石瀝青路面倒裝結(jié)構(gòu)。級配碎石材料屬于粒料類，在較高壓實(shí)度下抗壓能力較大且無法承受拉應(yīng)力，能夠消散應(yīng)力，因此從根本上阻礙了反射裂縫產(chǎn)生的途徑[3]。

何兆益[4]對四種典型級配進(jìn)行兩種成型方式的研究，結(jié)果表明振動成型的最大干密度和最佳含水率分別比擊實(shí)成型的增大3%～5%，5%～10%，CBR、彈性模量均較高，高密實(shí)度是材料高強(qiáng)度的必要措施；徐鷗明[5]通過大量的試驗(yàn)，明確了風(fēng)化石的室內(nèi)振動壓實(shí)試驗(yàn)方法；王龍[6]研究得到振動成型比擊實(shí)成型的最佳含水率平均高出1.0%，以16%作為臨界孔隙率判斷擊實(shí)成型是否產(chǎn)生大范圍的破碎作用，振動成型能夠生成良好的結(jié)構(gòu)，塑性變形減少2倍；張永升、黃曉明等[7]研究了由變k法設(shè)計的混合料在不同成型方式下對比成型前后的混合料組成變化，結(jié)果表明振動成型幾乎不會擾動原始級配，擊實(shí)成型由于大顆粒集料的破碎導(dǎo)致細(xì)集料比例增多。

在國外，級配碎石基層或下基層的設(shè)計通常采用ASTM，AASHO等標(biāo)準(zhǔn)。A. Dawson和F.Lekarp[8]從最大剪應(yīng)力比和應(yīng)力路徑著手，提出了一種模擬粒料類材料永久變形的模型，得到一個極限應(yīng)力比值，如果累計永久變形超過此極限，則無法保持平衡漸變失效；Sabine Werkmeister[9]進(jìn)行的變形研究的對象是未處治粒料類材料。分析了影響道路永久變形行為的主要因素，基于三軸試驗(yàn)，得到材料的本構(gòu)模型，并借助有限元手段，建立了一個解析路面設(shè)計模型。

由于目前倒裝結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用主要是鋪筑試驗(yàn)路，且多應(yīng)用于高速公路，目前尚未覆蓋二級及二級以下公路，且尚未大面積的建設(shè)投入使用，本文針對二級公路，提出三種級配碎石的級配設(shè)計，分別對其基本性能進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究。考慮到級配的變異性，本文通過級配細(xì)化的手段研究級配的變異性規(guī)律，基于室內(nèi)試驗(yàn)性能與路面性能相匹配的思路，為級配設(shè)計提供一個新的角度。并進(jìn)行試驗(yàn)段鋪筑，為二級公路重、中等、輕交通下的級配碎石瀝青路面典型倒裝結(jié)構(gòu)和相關(guān)質(zhì)量控制方法提供參考。

2 級配類型及類型分析

依據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果，混合料的密度是級配設(shè)計的首要考慮要素之一，會對混合料的性能產(chǎn)生重大影響，而級配設(shè)計是希望獲得碎石的組合密度最大。其中，目前常用的級配設(shè)計方法主要有泰勒法、多級嵌擠法、規(guī)范中值法[10]，本文分別依據(jù)三種方法進(jìn)行級配設(shè)計，并用G1，G2，G3表示，其級配組成見表1，圖1。

表1 基于G1，G2，G3的級配擬合后通過率

基于泰勒法設(shè)計的級配G1中，31.5 mm～19.0 mm，4.75 mm～1.18 mm通過率接近規(guī)范推薦級配上限，說明此粒徑范圍內(nèi)含量較少，G1屬于懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)；基于多級嵌擠法設(shè)計的級配，4.75 mm～0.075 mm粒徑通過率接近推薦級配下限，4.75 mm～9.5 mm的集料含量偏多，粗集料含量達(dá)到了74.5%，G2屬于骨架空隙結(jié)構(gòu)；基于推薦級配中值擬合的級配，粗集料含量達(dá)到62.3%，G3屬于骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)[11-14]。

3 室內(nèi)試驗(yàn)

3.1 最大干密度及最佳含水率

本文采用重型擊實(shí)試驗(yàn)確定三種級配混合料的最佳含水率和最大干密度，繪制擊實(shí)曲線，確定建筑垃圾混合料的最優(yōu)含水率w0和最大干密度ρd，試驗(yàn)過程參考JTG E40—2007公路土工試驗(yàn)規(guī)程T 0131—2007。結(jié)果如圖2所示。

由試驗(yàn)曲線可以得知，三組級配的擊實(shí)曲線均呈現(xiàn)出：隨著含水率的增加干密度先增大后減小的趨勢，提取每條擬合曲線對應(yīng)的最大值點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，對應(yīng)的橫坐標(biāo)為該級配的最佳含水率，對應(yīng)的縱坐標(biāo)為該級配的最大干密度，見表2。表2中結(jié)果顯示，基于泰勒法設(shè)計的級配G1密實(shí)度最大，基于多級嵌擠法設(shè)計的級配G2的密實(shí)度較低。

表2 G1，G2，G3擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

3.2 CBR試驗(yàn)

加州承載比CBR(California Bearing Ratio)是美國加利福尼亞州提出的一種評定基層材料承載能力的試驗(yàn)方法，可用于表征集料的強(qiáng)度，CBR試驗(yàn)使用主機(jī)是北京生產(chǎn)的路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀，采用浙江省瑞安市東方測力設(shè)備廠生產(chǎn)的ES-60kN標(biāo)準(zhǔn)測力儀，以及量程為0 mm～10 mm的百分表。CBR值按式(1)計算:

CBR=p/ρs×100

(1)

其中，p為對應(yīng)于某一貫入度的土基單位壓力,kPa;ρs為相應(yīng)貫入度的標(biāo)準(zhǔn)壓力,kPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 CBR試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：試驗(yàn)結(jié)束后，繪制橫坐標(biāo)為單位壓力(p)，縱坐標(biāo)為貫入量(l)的關(guān)系曲線，三組級配的試驗(yàn)曲線圖見圖3，本試驗(yàn)三種級配測得的CBR平均值見表3。JTG/T F20—2015公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則規(guī)定，級配碎石用作二級公路時CBR應(yīng)大于120%，級配G1和級配G3滿足規(guī)范要求；基于泰勒法設(shè)計的級配G1比骨架型級配G2和G3的CBR值大。

3.3 動態(tài)三軸壓縮試驗(yàn)

回彈模量是表示級配碎石層力學(xué)特性的重要指標(biāo)，有關(guān)研究表明，回彈模量具有較強(qiáng)的應(yīng)力依賴性，所以其取值應(yīng)考慮其應(yīng)力相關(guān)性[15]。本文以不同級配的三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果為例，進(jìn)行應(yīng)力狀態(tài)與回彈模量的相關(guān)性研究。分析過程見圖4，圖5。

由圖4，圖5中顯示的規(guī)律可以看出：在圍壓和偏應(yīng)力相同的情況下，不同級配的回彈模量值存在較大差異。級配G1的回彈模量值最大，骨架型級配的回彈模量較小，這是因?yàn)楦鶕?jù)不同級配形成的試樣骨架特性和密實(shí)度不同，在相同的應(yīng)力情況下，試樣的回彈變形量不同導(dǎo)致的；三組級配隨偏應(yīng)力和體應(yīng)力的變化規(guī)律相似。

回彈模量差距隨著圍壓的增加而變化，當(dāng)圍壓達(dá)到140 kPa時，三組級配的回彈模量非常接近。因此，倒裝結(jié)構(gòu)在應(yīng)用時可以增加底基層的強(qiáng)度，增強(qiáng)級配碎石基層受到的偏應(yīng)力約束，提高倒裝結(jié)構(gòu)的回彈模量。

3.4 級配變異性試驗(yàn)

集料在承受外力作用情況下會破碎，影響到集料的嵌擠效果，使得混合料的強(qiáng)度下降，且隨著擊實(shí)功作用變異程度會發(fā)生變化，故本文通過級配細(xì)化的手段研究級配的變異性規(guī)律，基于室內(nèi)試驗(yàn)性能與路面性能相匹配的思路，為級配設(shè)計提供一個新的角度。

由于材料擊實(shí)后粗集料可能發(fā)生破碎，此時測得的CBR值不能反映設(shè)計級配的承載能力，而是在原級配基礎(chǔ)上變化成為級配細(xì)化后的承載能力。因此，本文通過對不同級配進(jìn)行持續(xù)的擊實(shí)做工，分析其在擊實(shí)前后相同粒徑的通過率變化情況，用于分析級配的變異性。不同擊實(shí)遍數(shù)下的級配變化曲線見圖6。

圖6中G(i)表示原始級配擊實(shí)i遍后的篩孔通過率，由圖可知：三組級配均會發(fā)生變異，但變異程度和變異的趨勢不同，G1級配的變化程度較為穩(wěn)定；各級配隨著成型遍數(shù)的增加，級配間的細(xì)化程度逐漸減弱。細(xì)化速率降低可能有以下兩個原因：1)隨著級配細(xì)化的不斷發(fā)展，試件內(nèi)可發(fā)生破碎的粗集料不斷減少，而細(xì)集料難以破碎，因此級配趨于穩(wěn)定；2)試件內(nèi)細(xì)集料含量的上升，緩沖了粗集料間的點(diǎn)接觸及點(diǎn)傳荷方式，削弱了應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此降低了級配細(xì)化速率。

通過相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)表明：級配G1，G2，G3的CBR值分別為230%，105%，121%，平均回彈模量分別為259 MPa，208 MPa，233 MPa；懸浮密實(shí)型級配G1的CBR和回彈模量比骨架型級配G2和G3大，級配優(yōu)良使得混合料性能較優(yōu)異，并且對不同級配進(jìn)行持續(xù)的擊實(shí)做工發(fā)現(xiàn)G1的級配變異程度較為穩(wěn)定。因此選取G1級配進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)段鋪筑研究。

4 試驗(yàn)段工程

4.1 倒裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

G242錦屏大同至黎平高屯公路改擴(kuò)建工程位于黔東南州錦屏縣與黎平縣境內(nèi)，路線全長60.313 km，其中新建路基13.055 km，利用敖市街道1.06 km，利用老路拓寬改建46.198 km，老路利用率為78.3%，為了研究倒裝結(jié)構(gòu)與半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)以及路用性能，提出兩種倒裝結(jié)構(gòu)，共設(shè)計三種路面結(jié)構(gòu)方案。分別為半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)和級配碎石瀝青路面倒裝結(jié)構(gòu)1，2，如表4所示。

表 4 試驗(yàn)路瀝青路面結(jié)構(gòu)

4.2 松鋪系數(shù)

施工過程中要結(jié)合試驗(yàn)路集料的特性預(yù)設(shè)松鋪系數(shù)，不能隨意預(yù)設(shè)。預(yù)設(shè)的松鋪系數(shù)如果太大，會使得攤鋪的厚度超高，可能無法滿足設(shè)計要求且造成資源的浪費(fèi)；預(yù)設(shè)的松鋪系數(shù)如果太小，則會使得攤鋪厚度偏小，影響施工質(zhì)量，本試驗(yàn)路初步確定按照松鋪系數(shù)1.20鋪設(shè)試驗(yàn)段。按照規(guī)定布置測點(diǎn)的斷面和高程檢測點(diǎn)，本試驗(yàn)路段施工前經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，最終確定的松鋪系數(shù)為1.22。

4.3 壓實(shí)度控制

為了確定試驗(yàn)路的最優(yōu)碾壓工藝，在不同碾壓工藝組合的行車道上取點(diǎn)，本試驗(yàn)路使用單鋼輪壓路機(jī)和膠輪壓路機(jī)型號分別為XG260和IXP301。

綜合各種因素分析共設(shè)置了三種不同的碾壓工藝，三種碾壓工藝主要在樁號K50+700～K51+000附近試驗(yàn)，試驗(yàn)段碾壓組合與壓實(shí)度關(guān)系及最終確定的碾壓組合如表5所示。

根據(jù)表5確定的最終碾壓工藝進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)路鋪設(shè)，施工過程中對試驗(yàn)路其他路段按照規(guī)范要求進(jìn)行壓實(shí)度檢測，檢測結(jié)果見表6。

表5 碾壓組合表

表6 壓實(shí)度檢測結(jié)果

經(jīng)以上數(shù)據(jù)綜合分析，經(jīng)試驗(yàn)段鋪筑后，壓實(shí)度檢測結(jié)果均滿足基層施工規(guī)范要求，證明了試驗(yàn)路所確定碾壓工藝的合理性。但是，由表6中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，樁號K50+100，K50+250和K50+450比樁號為K50+650，K50+850的壓實(shí)度低，原因是因?yàn)樵囼?yàn)段設(shè)置倒裝結(jié)構(gòu)1和倒裝結(jié)構(gòu)2的結(jié)構(gòu)層不同，級配碎石基層的厚度存在差異。

4.4 彎沉檢測

表7 彎沉檢測結(jié)果

傳統(tǒng)半剛性基層路面結(jié)構(gòu)的彎沉平均值和代表值均比兩類倒裝結(jié)構(gòu)彎沉要小，倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面2的彎沉最大。因?yàn)榈寡b結(jié)構(gòu)在水穩(wěn)層和面層之間設(shè)置了模量較低的級配碎石柔性基層作為防止反射裂縫的緩沖層。

5 結(jié)論

1)本文通過對G1，G2，G3三種不同級配的級配碎石進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)測得CBR值分別為230%，105%，121%，平均回彈模量分別為259 MPa，208 MPa，233 MPa，并且在相同的重復(fù)擊實(shí)做功下，級配G1變異程度較為穩(wěn)定，綜合分析表明懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)G1可以作為級配碎石倒裝結(jié)構(gòu)中的碎石級配。

2)本文提出兩種級配碎石瀝青路面倒裝結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行試驗(yàn)段鋪筑，對施工中的碾壓過程提出參考，并對碎石層壓實(shí)度以及路面彎沉進(jìn)行檢測，為二級公路重、中等、輕交通下的級配碎石瀝青路面典型倒裝結(jié)構(gòu)和相關(guān)質(zhì)量控制方法提供參考。