室內與現場結合級配碎石級配組成優化

張國祥， 萬銅銅， 王惠敏， 張 琛， 汪海年

（1.河北省高速公路延崇管理中心，張家口 075061； 2.長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室，西安 710064；3.西安航空學院能源與建筑學院，西安 710077）

半剛性基層瀝青路面結構因其高強度而被廣泛應用，而由于水泥穩定類材料易在荷載、溫度和水等外界作用下板體性開裂，使得業內學者逐漸重視級配碎石柔性材料作為路面結構基層或過渡層的使用［1-2］. 級配碎石材料具有良好的抗裂、抗凍、防水、追溯性、無疲勞破壞、水損壞小等特點，且具有更低的工程造價，因而備受廣大道路建設者的青睞［3-5］. 然而因其存在變形和承載力問題，被公認為是制約其應用的主要弊端.

為提升級配碎石的抵抗塑性變形的能力，國內外學者主要從優化材料級配組成設計［6］、改善成型方法［7］、采用土工格柵約束［8］及SRX聚合物、微黏結處理［9-10］等方面進行研究. 除第一種方法外，其他均需引入外界手段來達到目的，增加成本的同時使現場鋪筑更為復雜. 級配組成在級配碎石路用性能中扮演著至關重要的角色，密實型的級配在強度及施工和易性方面較好，開級配表現出更優的排水能力，但是均在強度方面稍微有所欠缺；而骨架密實型級配碎石可兼顧強度和排水能力［11］. 在級配組成設計研究方面，國外學者目前主要采用Taibol設計法、貝雷法及填充系數法來進行級配碎石級配設計［12-13］；國內長安大學涂帥［11］、馬骉等［14］、陳忠達等［15］對級配碎石應用的級配進行了優化設計，主要結合室內試驗，采用抗剪強度和CBR作為性能評價指標，且提出了多級骨架嵌擠的級配碎石密實級配設計方法；西南交通大學曹明明［12］采用逐級填充級配設計方法進行了級配碎石的粗集料配比組成設計，發現逐級填充法設計級配性能最優；東南大學馬士杰［16］采用現有的級配設計理論，以CBR和動態回彈模量為設計指標對級配碎石的級配組成進行了優化.

綜上分析，目前級配碎石級配組成設計理論方法發展較好，但鮮有與現場鋪筑相結合方面的研究，僅依靠理論并不能保證設計出的級配具有優良的性能；同時逐級填充法中粗細集料配比優化評價指標也未統一. 因此，本文結合工程項目，采用逐級填充方法進行級配碎石初步級配組成設計. 室內以CBR、最大干密度和抗剪強度指標優選粗細集料配比，室外將不同粗細配比級配碎石直接應用到工程現場試鋪，進行貝克曼梁彎沉檢測；進而分析室內與現場指標的關聯，推薦室內級配碎石粗細集料配比評價指標，以供廣大道路工作者參考.

1 原材料

1.1 集料

本文集料取自河北延崇高速ZT-8 標段原材料，主要為石灰巖，分為D1（＞0～5 mm）、D2（＞5～10 mm）、D3（＞10～20 mm）、D4（＞20～30 mm）四檔. 試驗中以4.75 mm 作為粗細集料的劃分粒徑，粗細集料的技術要求如表1和表2所示，均符合規范要求，且在規范要求的基礎上，加入了粗集料的磨耗值指標及細集料的砂當量指標［8］.

表1 粗集料技術指標Tab.1 Technique indexes of coarse aggregates

表2 細集料技術指標Tab.2 Technique indexes of fine aggregates

1.2 級配控制范圍

骨架密實型級配碎石級配表現更優的力學性能. 本文結合項目實際情況，各檔集料的篩分結果如表3所示.

表3 級配碎石的級配范圍及篩分結果Tab.3 Grading range and sieving results of graded gravel

2 試驗方案

2.1 逐級填充法

本文依托工程項目料源，分為D1：（＞0～5 mm）、D2（＞5～10 mm）、D3（＞10～20 mm）、D4（＞20～30 mm）共4個檔次. 基于逐級填充方法，以體積參數指標評價骨架嵌擠程度，實施流程如圖1所示［12］.

圖1 逐級填充法流程圖Fig.1 Flowchart of gradual filling method

1）將D2、D3、D4 按不同的比例逐級填充，采用擊實試驗試筒，容積V為2177 cm3，內徑為15.2 cm，進行插搗及振實試驗，振實試驗采用水泥混凝土振動臺，控制時間3 min；根據各檔集料的毛體積密度ρ和質量M，按公式（1）和（2）計算礦料間隙率VCA，對D2∶D3∶D4 比例進行優選，最終確定粗集料初步配合比.

式中：ρ為插搗、振實后的集料密度（g/m3）；ρt為合成毛體積密度（g/m3）；Wi為Di擋集料質量（g）.

2）控制細集料D1的摻量（質量分數分別為40%、35%、30%、25%），得到級配碎石級配.采用振動壓實成型級配碎石混合料，振動壓實試驗參數配置如表4所示；進而獲得最大干密度與最佳含水率，以CBR和抗剪強度值優選粗細集料配合比.

表4 振動壓實參數配置Tab.4 Parameter configuration of vibration compaction

2.2 CBR試驗

按照《公路土工試驗規程（JTG 3430—2020）》中T 0134—2019 進行級配碎石CBR 試驗. 控制粗細集料的質量比分別為60∶40、65∶35、70∶30、75∶25，在最佳含水率下配料，悶料，并分別成型Φ150 mm×120 mm（h）大小試件. 在不飽水狀態下進行CBR試驗，貫入桿速度為1.25 mm/min，讀取兩側百分表在整數值時的貫入量，繪制單位壓力P與貫入量l的關系曲線，按照式（3）和式（4）分別計算CBR值，取兩者間的較大值作為該材料的CBR值.

式中：CBR為承載比；P為單位壓力（kPa）.

2.3 三軸剪切試驗

三軸剪切試驗包括試樣制備，試驗儀器安裝及加載和測量過程. 先取烘干石料按粗細集料的質量比分別為60∶40、65∶35、70∶30、75∶25 進行配料，在最佳含水下進行混合料拌制，混合料拌好后悶料. 試樣制備采用AASHTO 規范振動擊實［17］，由于本文采用級配碎石級配最大粒徑為26.5 mm，因此試樣尺寸為Φ150 mm×300 mm（h）. 為控制試樣密度與擊實試驗中一致，本文采用高度誤差控制法［18］，按8 層進行分層擊實，每層加入100%壓實度計算試樣質量的1/8，并計算達到96%壓實度所需各層的高度（h=37.5 mm）；每層擊實結束后，測量試樣表面至試筒口高度hi，進行4組對角位置處測量，取平均值ˉh，進而得到各層試樣高度Δh，計算Δh與h的相對誤差，誤差不超過0.5%時才能進行下一層擊實；且各層擊實前進行拉毛，最后進行表面整平. 試樣擊實完成后，進行套膜，并裝入三軸室內，制樣完成，如圖2所示.

圖2 三軸剪切試驗Fig.2 Triaxial shear test

試驗采用UTM-30 試驗儀配套粒料材料三軸剪切試驗模塊，安裝±5 mm LVDT 位移傳感器，控制加載速率為1%/min，分別在圍壓為27.6、68.9、103.4 kPa 下進行三軸剪切試驗［19］.根據摩爾庫倫準則，繪制應力摩爾圓，作應力圓的公切線，即可獲得內摩擦角φ和黏聚力c，如圖3所示.

圖3 摩爾-庫倫強度準則Fig.3 Mohr-Coulomb strength criterion

2.4 現場試鋪檢測

依托項目ZT-8 標段，在水泥穩定碎石層基礎上進行級配碎石混合料試鋪. 同樣采用四組粗細集料配比，分別在最佳含水率下采用拌和站進行級配碎石拌和，采用運輸車取料分層堆積，碾壓過程為鋼輪壓路機振動壓實，膠輪壓路機收尾. 試驗段試鋪中不同粗細集料配比級配碎石混合料區域分布如圖4所示.

鋪筑完成后進行灌沙法壓實度檢測，每塊區域檢測三個點，如圖4所示. 并于當天下午，采用貝克曼梁進行彎沉測試. 測試采用BZZ-100標準測試車，后軸標準軸載為100 kN，胎壓控制為0.7 MPa；彎沉量程采用5.4 m長的貝克曼梁. 每間隔5 m布置測試點，按照《公路路基路面現場測試規程》（JT 3450—2019）和《貝克曼梁測定路基路面回彈彎沉試驗方法》（T 0951—2008）方法，分別進行4個區域的彎沉測試，即每個區域進行4個彎沉點測試.

圖4 現場試鋪試驗布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of site paving test layout

3 結果分析與討論

3.1 粗集料配比確定

1）Ⅰ級填充為將D3∶D4 不同比例進行干混，保持D3 和D4 的混合料總質量不變，按照D3 占總質量的0%、10%、20%、30%，40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%進行插搗和振實試驗，試驗結果如圖5（a）；

2）Ⅱ級填充，將D2摻入到D3和D4的混合料中，試驗結果如圖5（b）所示.

圖5 逐級填充粗集料配比曲線Fig.5 Ratio curve of coarse aggregate filled step by step

根據礦料間隙率VCA 的大小來判斷填充的骨架嵌擠程度，VCA最小時表明達到最優的骨架嵌擠結構. 分析圖5（a）可以看出，隨著D3摻量的增加，礦料間隙率呈現出先增大后減小的趨勢. D3摻量的過量增加，已逐漸破壞已形成的骨架嵌擠結構，導致VCA增大. 對比分析圖5（a）和5（b）的數據結果，發現D2（4.75～9.5 mm）這一檔集料摻入后，VCA明顯下降，說明D2檔位集料對級配碎石的嵌擠強度影響較大：在D2檔摻入前，最小的振動VCA值維持在30%左右，處于一個穩定的區間；而D2檔摻入之后，VCA 下降了2%左右，說明D2 檔集料在混合料中起骨架嵌擠作用的同時，也起填充作用. 最終，根據最小礦料間隙率VCA 最終確定的粗集料級配組成為D2∶D3∶D4=16.9∶23.9∶59.2；進而可計算出不同粗細集料配比級配碎石級配，如圖6所示. 四種級配的區別主要在于粒徑2.36、4.75、9.5 mm這三檔集料含量.

圖6 不同粗細集料配比級配曲線Fig.6 Gradation curves of coarse and fine aggregate with different proportions

3.2 不同粗細集料比最大干密度對比

室內基于振動壓實成型方法得到不同粗細集料配比級配碎石混合料干密度和含水率曲線如圖7所示. 可以發現，60∶40、65∶35、70∶30及75∶25粗細集料配比的最大干密度分別為2.521、2.525、2.530、2.514 g/cm3，最佳含水質量分數分別為4.3%、4.35%、4.5%及4.2%. 其中70∶30配比具有最大的干密度值，說明該配比級配碎石具有更高的密實程度和骨料嵌擠強度；而75∶25配比的最大干密度和最佳含水率均最小，符合正常規律；由于細料含量少，不足以填充粗集料嵌擠形成的空隙，表現出骨架懸浮的狀態；60∶40配比則表現出懸浮密實的狀態.

圖7 干密度與含水質量分數關系曲線Fig.7 Relation curve of dry density and moisture mass fraction

現場級配碎石鋪筑密度檢測，每個區域檢測3次，取其平均值，如表5所示. 同樣70∶30配比級配碎石現場密度最高，與室內得到規律一樣；現場壓實度達到99%以上，符合壓實預期98%的標準.

表5 現場測得干密度Tab.5 Dry density measured on site

3.3 不同粗細集料比CBR對比

對四組配比級配碎石混合料進行CBR 試驗，取三個平行試件平均值作為該配比的CBR值，如圖8所示.

圖8 CBR值分布Fig.8 CBR value distribution

同樣可以發現粗細集料配比為70∶30 時，級配碎石CBR值最大，達到529%，承載能力最強，其次分別65∶35、60∶40及75∶25，但均符合現有的規范標準≥200%，這與采用的成型方法有關；與室內振動壓實得到的級配碎石相比重型擊實等成型方法成型的級配碎石更為密實，強度更高. 此外，干密度大的級配碎石混合料對應的CBR 值也大. 級配碎石混合料中的粗集料形成穩定的骨架嵌擠結構，細集料恰好填充到骨架空隙中達到骨架密實狀態.其中，在粗細集料比為70∶30 的比例下，級配碎石即形成了骨架密實結構，強度最高.

3.4 不同粗細集料比抗剪強度對比

相比CBR試驗存在模具側限，三軸剪切試驗可根據級配碎石路面結構層的圍壓受力來評價其抵抗塑性變形的能力，并結合摩爾-庫倫準則計算破壞剪應力，評判結構層強度方面優于CBR試驗. 本節對四組粗細集料配比級配碎石混合料進行三軸剪切試驗，試驗結果如表6所示，可發現抗剪強度參數與CBR值并無明顯對應關系. 但一定程度上粗集料含量越大，其內摩擦角越大；細料含量越大，其黏聚力也越大. 粗集料的存在更有利于形成強嵌擠骨架結構，從而提高內摩擦力；而細集料的存在，使得顆粒間的膠結作用增強，不利于骨架形成，因此表現出高黏聚力和弱摩擦力.

表6 級配碎石最佳含水率下三軸剪切試驗Tab.6 Triaxial shear test of graded gravel with optimum water content

級配碎石基層圍壓變化范圍為0～120 kPa［16，20］，在比較中需考慮圍壓的變化. 分別取27.6、68.9、103.4 kPa三種圍壓，根據表6中的摩爾-庫倫參數及公式（5）～（7），計算最佳含水率、100%壓實度狀態下級配碎石的破壞剪切強度，即抗剪強度τ，分布如圖9所示.

式中：σ剪切滑動面上的法向正應力（kPa）；σ1為主應力；σ3為圍壓（kPa）；α為破壞面傾角（°）.

分析圖9 可知，總體表現出70∶30 粗細配比級配碎石混合料抗剪強度最優，其次分別為75∶25、65∶35、60∶40，除了75∶25 比例外. 其余與CBR 結果大體相似，分析原因為粗集料的存在有利于形成骨架嵌擠結構，在圍壓的束縛下，不易發生松散，因而黏結力減弱，摩擦角增大，且圍壓越大，級配碎石抗剪強度越高，因此可通過增加級配碎石層側限的方法來提高其強度.

圖9 抗剪強度值分布Fig.9 Distribution of shear strength values

3.5 不同粗細集料比現場彎沉值對比

采用現場平均回彈彎沉指標來評價級配碎石層的承載能力. 試驗段鋪筑后，對四組粗細集料配比的級配碎石層彎沉進行測試，結果如表7所示.

表7 現場彎沉實測值表Tab.7 Values of deflection measured in field

分析可知，區域Ⅱ和區域Ⅲ，即65∶35和70∶30配比級配碎石層區域，測得平均回彈彎沉值相對較小，說明現場鋪筑承載能力最高，其次是區域Ⅳ和區域Ⅰ（75∶25和60∶40配比）；結果與室內試驗結果相符，驗證了室內試驗的可靠性，即室內設計出的高強度級配碎石配比現場鋪筑后同樣具有更高的強度.

3.6 室內與現場指標關聯性分析

為分析室內設計指標的可靠性，采用線性擬合方法進行室內級配碎石強度評價指標與現場實測彎沉指標間的關聯性分析，如圖10所示.

圖10 室內評價指標與實測回彈彎沉值擬合關系Fig.10 Fitting relationship between indoor evaluation index and measured rebound bending value

圖10（a）為CBR和實測彎沉值的線性擬合關系，得到相關系數R2為0.650 5，呈線性負相關，CBR越大，則彎沉值越??；圖10（b）為最大干密度與實測彎沉值的線性關系，R2為0.630 6，相比CBR的相關系數小，最大干密度越大，則彎沉值越??；圖10（c）為27.6、69.3、103.4 kPa三個圍壓下抗剪強度與實測彎沉值的線性關系，得到相關系數R2分別為0.686 6、0.598 8及0.607 4，同樣抗剪強度越大，彎沉值越小. 27.6 kPa圍壓下抗剪強度與實測彎沉值相關性更高，而另外兩個圍壓下相差不大，可能由于實測彎沉時，級配碎石層所受圍壓較小，27.6 kPa圍壓更符合實際情況. 此外，對比三個室內指標，27.6 kPa圍壓下的抗剪強度指標與彎沉值的相關性最好，其次是CBR、最大干密度及69.3 kPa 和103.4 kPa 圍壓下的抗剪強度. 綜合分析推薦室內采用CBR和27.6 kPa圍壓下的抗剪強度指標作為室內優選粗細集料配比的指標.

4 結論

本文采用工程項目料源，基于逐級填充法進行了室內級配碎石組成設計，以CBR、最大干密度和三軸剪切強度指標優化了粗細集料配比；結合現場灌沙法與貝克曼梁回彈彎沉檢測，分析了室內指標與回彈彎沉指標的關聯程度，驗證了逐級填充法的可靠性. 得出主要結論如下：

1）基于振動壓實成型和逐級填充級配設計方法設計出的級配碎石強度均高于規范值（CBR≥180%），CBR值提高近150%，27.6 kPa圍壓下抗剪強度達693.5 kPa；現場鋪筑級配碎石層壓實度均達到99%以上，實測平均回彈彎沉范圍最高為110.5（0.01 mm）.

2）逐級填充法采用礦料間隙率VCA指標評價了搗實與振實下D2、D3和D4粗集料干混狀態的骨架嵌擠程度，粗集料搗實和振實狀態下的最小VCA指標值分別為32.0%和28.6%，根據最小VCA指標值確定了粗集料最優質量配比為D2∶D3∶D4=16.9∶23.9∶59.2.

3）級配碎石粗細集料含量存在最優配合比例，粗集料含量或者細集料含量過多均不利于形成骨架密實結構. 以CBR和最大干密度作為評價指標時，配比排序為70∶30＞65∶35＞60∶40＞75∶25；以抗剪強度作為評價指標時，配比排序為70∶30＞75∶25＞65∶35＞60∶40；基于平均回彈彎沉指標得到的配比排序為70∶30＞65∶35＞75∶25＞60∶40.

4）經過現場試鋪驗證，粗細集料配比優化評價指標中27.6 kPa圍壓下的抗剪強度指標與現場鋪筑效果關聯性最高，其次為CBR 指標；推薦采用CBR 和27.6 kPa 圍壓下抗剪強度指標進行逐級填充法中粗細集料配比評價.