倒裝式瀝青路面級配碎石基層性能研究

呂軍軍

(1.河北交規院瑞志交通技術咨詢有限公司 石家莊市 050091； 2.河北省道路結構與材料工程技術研究中心 石家莊市 050091)

大多數瀝青路面裂縫是由于基層在外界溫度和材料干縮應力作用下產生開裂后反射到面層的結果，尤其是在溫濕變化較大地區更明顯，這個因素也是半剛性基層的致命缺點[1]。此外，半剛性基層的排水性能較差，從路面滲入基層的水無法及時排出，積聚在基層，在車輛荷載和動水壓力作用下會使基層和面層逐漸發生破壞[2]?；谝陨蠁栴}，采用倒裝式路面結構，即在半剛性基層與瀝青面層之間加一層柔性級配碎石基層，從原材料性能等方面研究了級配碎石的力學性能及其對瀝青路面彎沉值和拉應力的影響。

1 級配碎石材料基本性能和級配設計

由于級配碎石組成較為松散，屬于無粘結料類的柔性材料，它的強度和模量與無機結合料類相比較小，其強度來源主要是礦料本身所具有的強度和集料之間的嵌擠力，以及密實度良好的級配[3]。因此，對于級配碎石的基本性能、組成材料性質和級配設計尤為重要。

1.1 基本性能要求

(1)碎石強度

美國AASHTO及ASTM僅僅明確了碎石的CBR值大于或等于80%，但并沒有針對碎石的抗壓強度或者抗剪強度等強度特性作出明確的規定[4]。結合國內2015年交通運輸部發布的《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)中對于重交通等級的高速公路和一級公路的基層集料壓碎值不超過26%，而對于級配碎石材料的CBR值要求不低于180%。

(2)碎石外形及表面構造

研究表明，級配碎石取得較高CBR值的關鍵在于：同樣級配且密實度相同前提下，應采用表面更為粗糙且棱角分明的軋制碎石，而不宜選用具有光滑表面的礫石[5]。在《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)中關于重交通等級的高速公路或一級公路的碎石針片狀含量不大于18%，且碎石中不應含有機物或黏土塊等。

(3)碎石液限及塑性指數

工程實踐表明，基層碎石塑性指數較大的瀝青路面會較早地出現破壞，而對應塑性指數較小的瀝青路面使用狀況往往較好，因此，應用于瀝青路面基層的碎石塑性指數不宜過大。圖1為CBR值隨塑性指數的變化規律，可以看出隨著碎石塑性指數的逐漸增大，其CBR值逐漸減小，當塑性指數大于15后，CBR值已基本趨于穩定。

英國運輸部發布的《新路面結構設計》要求用于瀝青路面或半剛性路面底基層的碎石塑性指數為0[6]。國內《公路路面基層施工技術細則》中對于級配碎石塑性指數要求在潮濕多雨地區宜小于6，但若滿足高速公路或一級公路的CBR值不低于180%要求時塑性指數不應大于4。

圖1 CBR值隨塑性指數的變化規律

1.2 原材料技術要求

試驗采用石灰巖碎石，集料規格主要分為4檔，其規格及比例分別為0～5mm∶5～10mm∶10～20mm∶20～30mm=36∶10∶20∶34。礦料的技術性質是影響級配碎石性能的關鍵因素，在實驗室應分別對集料的壓碎值、堅固性、針片狀含量、含水量及細集料的砂當量、液限及塑性指數等指標進行測試，檢驗結果分別見表1和表2。

表1 粗集料技術性質

表2 細集料技術性質

1.3 級配碎石組成設計

(1)確定級配

首先對組成級配碎石的原材料進行篩分試驗，結合篩分試驗結果及振動擊實試驗確定出性能較好的級配曲線，其篩分試驗結果和級配組成見表3，合成級配曲線見圖2。

(2)確定最佳含水量

采用兩種不同的成型方式：振動擊實和重型擊實確定級配碎石最大干密度下對應的最佳含水量。試驗結果見表4和圖3、圖4。

表3 原材料篩分及組成級配表

圖2 合成級配曲線

表4 兩種成型方式下干密度與含水量的變化關系

圖3 重型擊實下干密度與含水量的關系

圖4 振動擊實下干密度與含水量的關系

從圖3和圖4可以看出，重型擊實和振動擊實下的干密度均隨著含水量的增加而呈現出先增大后減小的變化趨勢，重型擊實下最大干密度對應的含水量為5.5%，最大干密度為2.335g·cm-3；振動擊實下最大干密度對應的含水量為4.6%，其最大干密度為2.377g·cm-3。

2 級配碎石材料性能

(1)CBR試驗

CBR試驗操作簡單，常用于表征土體或無粘結類材料的力學性質，為了測試級配碎石的CBR強度指標大小，仍然采用振動擊實和重型擊實兩種成型方法對最佳含水量下的級配碎石進行強度指標CBR試驗，試驗結果見表5。

表5 級配碎石強度指標CBR試驗結果

從表5試驗結果可以發現，兩種擊實方法得出的CBR值都滿足指標要求，振動擊實方法對應的CBR強度指標值整體上更高，振動擊實CBR平均值相對重型擊實高出23%，說明振動擊實方法更有利于級配碎石形成強度。

(2)抗壓強度

采用振動擊實方式制備最佳含水量時的級配碎石試樣，進行無側限抗壓強度試驗，試驗結果見表6。從結果來看，無側限抗壓強度平均值為1.13MPa，滿足抗壓強度不小于0.7MPa的要求，8組試件試驗結果標準差為0.08，偏差系數為7.1%，滿足不大于15%的技術要求。

表6 無側限抗壓強度試驗結果

(3)抗剪強度

在倒裝式瀝青路面服役過程中，由路面傳遞到基層的荷載應力超過級配碎石所能承受的極限應力時，碎石集料會重新排列，即產生剪切變形[6]，目前國內關于級配碎石的抗剪切強度還沒有相關規范要求。借助于UTM伺服儀對級配碎石試件進行三軸試驗，利用三軸試驗結果計算出級配碎石抗剪強度指標，見表7，軸向應變與最大主應力關系見圖5。

從表7可以看出，級配碎石的粘聚力C值為151kPa，并非為0，且得到的抗剪強度也是一個相當大的數值552.5kPa，一方面由于級配碎石中的細料表現出了較強的粘聚性，另一方面級配碎石中表面粗糙的粗集料的咬合作用，使作用于級配碎石的剪切作用力受到阻礙，因而具有較大的抗剪強度。

表7 級配碎石三軸試驗結果

圖5 軸向應變與最大主應力的關系曲線

(4)彎沉值和層底拉應力

以某城市支路倒裝式瀝青路面結構為例，通常情況下，瀝青面層厚度為4～15cm，基層厚度在30～40cm，設置于面層與半剛性基層之間的級配碎石層厚在8～15cm范圍。采用路面設計程序系統HPDS對表8中路面結構類型進行彎沉值和層底拉應力計算，路基回彈模量取35MPa，路面各層的抗壓模量均取規范中值，計算結果見表9、表10。

表8 瀝青路面結構類型

表9 瀝青路面頂面彎沉值

表10 瀝青路面面層及半剛性基層層底拉應力

從表9可以看出，在瀝青面層與半剛性下基層之間增加級配碎石層后，隨著級配碎石層厚度的增加，瀝青路面頂面的彎沉值增大，主要由于級配碎石屬于無粘結性材料，且級配碎石回彈模量較小，在車輛荷載的反復作用下，碎石層容易產生變形，并產生較大的彎沉[7]。

從表10可以看出，在未設置級配碎石夾層時由于半剛性基層模量較大，來自路面的荷載應力主要通過半剛性基層進行擴散，而增加了級配碎石基層后，瀝青層底拉應力隨著級配碎石層厚度的增加而逐漸增大，但該結果是在半剛性基層未開裂條件下計算得到的[8]。此外，隨著級配碎石層厚度增加，半剛性基層層底拉應力逐漸減小，說明級配碎石層可以有效減少半剛性下基層的開裂，緩解反射裂縫的發生。因此，在進行級配碎石基層設置或厚度選擇時應謹慎考慮。

3 結論

通過對級配碎石材料的研究，得出以下結論：

(1)從級配碎石原材料和級配設計出發，針對級配碎石的基本物理力學性能提出了相應的技術要求，分別采用振動擊實和重型擊實試驗確定了級配碎石的最大干密度和最佳含水量。

(2)通過CBR、無側限抗壓強度和三軸試驗分析了級配碎石在最大干密度和最佳含水量時的力學性能，級配碎石的各項力學指標均滿足要求，并表現出了較好的力學性質。

(3)采用路面設計程序HPDS分析了增加級配碎石層及改變厚度對瀝青路表彎沉和各層底拉應力的變化規律，級配碎石層雖可以改善半剛性基層的反射裂縫，但增加級配碎石厚度會增大瀝青層底的拉應力和路表彎沉，在進行級配碎石層設置或選擇級配碎石厚度時應綜合考慮。