硬质砂岩级配碎石应用研究

刘唐志，黄犀纯，张建卫，李俊杰

(1.重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074；2.路桥建设重庆公司，重庆 400020)

国内目前大多采用低剂量水泥稳定碎石作为高速公路路面垫层，应用的石料也多为性能优良的石灰岩。重庆涪丰石高速公路(涪陵—丰都—石柱)，沿线地势起伏较大，沟壑发育，有大量硬质岩挖方路段和隧道，产生了大量砂岩，同时建设区域内缺乏石灰岩等优质石料。用硬质砂岩形成的级配碎石替代低剂量水泥稳定碎石具有显著的经济价值和环保、节材意义。

级配碎石是一种由不同粒径石料组成的嵌挤密实型结构，通过压实使松散体形成骨架，从而具备一定强度[1]，级配对弹性模量值有较大影响，也是影响级配碎石强度与刚度的最重要的因素[2]。CBR值作为评价无黏结粒料力学性能的一个指标，它同时反应了材料的竖向刚度和剪切强度[3]。

笔者以石灰岩作对比，评价砂岩集料的物理力学性能；以CBR值作为检验指标，评价砂岩级配碎石不同级配的强度性能，并分析各级配间性能差异的原因；以细集料石灰岩掺配砂岩构成骨架型级配碎石，分析结构强度变化特点。

1 砂岩物理力学性质

硬质砂岩强度较大，可作为高等级道路路面面层、基层原材料，并有较好的效果，但是我国储量较小，分布地区较少，且由于各地区硬质砂岩性质不同，所以硬质砂岩不可能大面积作为筑路原料[4]。这就要求在实际应用中，针对工程应用的砂岩进行详细明确的试验研究，以保证砂岩的良好应用效果。

根据JTG E 41—2005《公路工程岩石试验规程》中岩石学简易鉴定(T 0201—1994)，现场(涪丰石高速涪陵段南沱互通)所取砂岩特征为：表层弱风化，胶结较好，颗粒粒径稍大，层理不明显，颜色呈灰白色和淡红色。

JTG D 70—2004《公路隧道设计规范》中将岩石划分为硬质岩和软质岩两大档次，以Rc=30 MPa(岩石单轴饱水抗压强度)作为硬质岩与软质岩的划分界限；再进一步划分为坚硬岩、较坚硬岩、较软岩、软岩和极软岩5个档次，Rc与坚硬程度对照关系如表1。

表1 Rc与岩石坚硬程度定性划分的关系

单轴抗压强度试验根据JGT E 41—2005《公路工程岩石试验规程》中T 0221—2005进行，主要用于岩石的强度分级和岩性描述，利用压力试验机测定天然状态、烘干状态及饱水状态下岩石试件的单轴极限抗压强度，试验用砂岩单轴抗压强度结果如表2。

表2 砂岩单轴抗压强度

根据试验结果，试验用砂岩为较坚硬岩，属硬质砂岩范畴。现选取重庆产石灰岩集料与该砂岩集料作物理性质试验，各项物理力学性质对比如表3。

表3 砂岩与石灰岩碎石物理性质

通过对比，砂岩与石灰岩碎石的各项指标均符合规范要求，值得说明的有：

1)道路工程中使用的石灰岩(含本试验用石灰岩)，其表观相对密度和毛体积相对密度一般在2.70以上和2.60以上，吸水率小于1%[5]。该砂岩的表观密度较常规应用的石灰岩偏小，吸水率较之偏大，说明该砂岩的开口孔隙较多，砂岩密实程度和强度都较石灰岩偏低。

2)该砂岩各项物理性质均较优良，唯塑性指数偏高。重庆年均降雨量达到1 000 mm以上[6]，为潮湿多雨地区，砂岩的塑性指数偏大，少量的塑性细土就能对集料的承载比产生明显的影响，塑性指数愈大，承载比愈小，或水稳性愈不好。结合规范[7]规定“在潮湿多雨地区，塑性指数与0.5 mm以下细土含量的乘积不应大于100”，该砂岩0.5 mm以下细土含量与塑性指数乘积为77.4，也满足规范要求。

2 砂岩碎石级配类型比较

我国JTG D 50—2006《公路沥青路面设计规范》根据级配碎石使用的不同层位和骨架结构提出了不同的级配组成范围，其中底基层及垫层级配范围如表4。

表4 沥青路面底基层及垫层级配碎石级配范围

其中级配1、3为连续型级配，级配1粒径连续按比例搭配，各筛通过率符合连续级配的talbol公式[8]：

P=100(d/D)n

(1)

式中：P为各粒级集料的通过率，%；D为最大粒径，mm；d为各粒级集料的粒径，mm；n为常数。

级配2为骨架型级配，粗集料含量较多，4.75 mm以下集料含量较少。为比较砂岩碎石连续型与骨架型级配的特性，特选取级配1和级配2两个级配类型，并分别取各筛通过率的上限、中值、下限共6个级配进行集料掺配，进行重型击实试验和CBR试验，并对所选石灰岩碎石进行同样试验。两种类型碎石各级配重型击实试验及CBR试验结果如表5。

表5 各级配重型击实及CBR试验结果

根据表5试验结果得出：

1)级配相同时，石灰岩级配碎石的最大干密度与CBR值均高于砂岩级配碎石，表明成型的级配碎石性能与集料种类和性质密切相关。

2)砂岩级配碎石的最佳含水率较石灰岩级配碎石高，这与砂岩碎石的吸水率较高有关，砂岩碎石有较多的开口空隙，吸水能力较高。

3)石灰岩级配碎石各级配CBR值均符合规范要求(垫层级配碎石CBR值应大于80%)，性能良好；砂岩级配碎石连续型各级配CBR值都符合规范要求，骨架型级配除上限外性能均较差，这一现象的主要原因为：①砂岩由于本身强度性能不足，所构成的骨架结构强度不高、嵌挤能力不足，大粒径碎石含量较多的级配，并不能保证结构整体的强度；②骨架型上限级配大粒径集料含量较少，而13.2 mm以下颗粒含量较其它两个级配丰富，有利于充分填充骨架间空隙，使得该级配密实效果较其它两级配优秀；③以重型击实为成型方法，骨架型级配较难击实，粗骨料间相互嵌挤效果形成较差，击实后表面粗糙不平；而连续型级配击实效果良好，击实完成后粗细集料密实、平整；两种级配类型的上限击实前后效果对比如图1。

图1 骨架型级配上限与连续型级配上限击实前后对比Fig.1 Contrast of compaction before and after between skeletontype gradation ceiling and continuous gradation ceiling

由上可知，连续型级配强度性能较好，为验证该级配的优良特性并优化其级配范围，根据Talbol连续级配公式〔式(1)〕，经比较选取常数n为0.4，0.55形成两个级配，使级配曲线分别在规范连续型级配中值的上下侧，并在该级配上下限以内，级配曲线如图2，CBR试验结果如表6。

图2 连续型级配比较Fig.2 Continuous gradation comparison

级配类型最佳含水率/%最大干密度/(g·cm-3)实测平均干密度/(g·cm-3)CBR值/%0.47.12.152.151250.555.52.142.13117

根据表5、表6可知：连续型级配偏上限的两级配和级配中值的干密度和CBR值都比较接近，可见集料在经历重型击实后这3个级配的各档集料形成了密实效果接近的状态；级配n=0.40与级配中值的CBR值差异不明显，级配n=0.55与级配下限较级配中值的CBR值递减，证明中值以上至n=0.40这个范围内的连续型级配达到其性能的最好状态。

根据上述连续型及骨架型级配比较及连续型级配优选可知：骨架型中值和骨架型下限级配，由于细料少，没有形成骨架密实结构，加之砂岩强度低，易破碎，从而影响其CBR值。对于连续型偏下限级配，碎石间形成的密实效果也相对较弱，从而影响其CBR值。由此表明：①针对砂岩级配碎石，级配的类型和范围选择对结构整体强度有重要影响；②砂岩级配碎石宜采用连续型中值偏上限的级配。

3 骨架型级配碎石掺配

通过上述比较可知，砂岩级配碎石仅在连续级配时表现合格，骨架型级配性能偏低不推荐使用。在工程实际中，采用一次鄂式破碎的砂岩碎石在4.75mm筛孔通过率不足20%，而采用连续级配该筛孔最低通过率需达到25%，这需要对砂岩进行二次破碎，以获得更多细集料方能采用连续级配。

因此，从提高骨架型砂岩级配碎石性能与提高集料利用率两方面出发，考虑砂岩掺配4.75 mm以下石灰岩构成骨架型级配，以提高原始骨架型砂岩级配碎石性能，并研究相关掺配特性。

试验方案将石灰岩掺配方案以粒径简化划分为0～0.075 mm，0.075～0.6 mm，0.6～1.18 mm，1.18～4.75 mm，0～4.75 mm 等5组，以石灰岩完全替代相应粒径的砂岩，同时选定表4中级配2(骨架型)的上限、中值、下限等3个级配，分别掺配砂岩级配碎石，具体掺配方案及试验结果如表7。

表7 石灰岩掺配试验方案及结果

根据试验结果，得5组3个级配的最大干密度与CBR值结果，如图3。

图3 最大干密度与CBR值关系Fig.3 Relationship between maximum dry density and CBR

对3个级配，定义：

ΔCBR=CBR1-CBR2

(2)

式中：CBR1为某掺配方案对应级配CBR值，%；CBR2为该级配的原始砂岩级配碎石CBR值，%。则各掺配方案ΔCBR如图4。

图4 各掺配方案ΔCBR值Fig.4 ΔCBR of each mixing scheme

对3个级配，定义：

T=ΔCBR/Q

(3)

式中：Q为对应掺配方案所掺石灰岩质量百分率，%；其它符号含义同上。

则各掺配方案T值如图5。

图5 各掺配方案T值Fig.5 T of each mixing scheme

根据以上结果分析可知：

1)级配碎石的CBR值随最大干密度增加而增加，与级配种类无关。掺配石灰岩后，混合型级配碎石仍以骨架型上限级配强度性能表现良好。

2)ΔCBR值表明了各掺配方案级配碎石强度提高值。就3个不同级配的强度提高效果而言，级配上限<级配中值<级配下限；这与原始骨架下限砂岩级配碎石的CBR值较低有关，掺配石灰岩后能较显著改善级配碎石强度。5#方案为以石灰岩完全取代4.75 mm以下集料，取代后结构CBR值有6%～14%的增长，但中值和下限两个级配CBR值仍小于100，表明掺配细集料石灰岩对结构强度有一定的提高，但由于起骨架结构的碎石仍为砂岩，提高效果有限。

3)T值为对应掺配方案单位百分质量石灰岩的CBR平均提高值。这里单独定义T值的目的在于，同一个级配中所掺各档石灰岩的质量不同，不同级配间同档粒径所掺石灰岩也不同，这样就不能简单说明某档石灰岩在掺配中对结构所产生的本质影响；而构造的T值表征了各档单位质量碎石引起的CBR提高值，一定程度上反映了各掺配方案的本质

效果并可以相互比较。比较1#～4#方案可得：①骨架上限和中值两个级配，1#方案对CBR值的提高最为明显，3#方案最弱，表明在集料偏细的情况下，0.075 mm以下集料的性质显著影响结构整体强度性能，这主要与石灰岩有较低的塑性指数有关；②比较3个级配，4#方案的提升效果均较强，且随着集料构成越粗表现越明显，表明1.18～4.75 mm集料填充于骨架结构空隙时嵌挤和抗压能力对结构整体强度有密切关系。

4)通过石灰岩掺配使得结构强度提升这一现象，表明砂岩级配碎石的强度主要仍由各档粒径碎石密实填充形成，骨架间的嵌挤效果较弱。

4 结 论

1)硬质砂岩作为一种天然岩石具有密度低、吸水率大的特性，但根据其物理力学性质试验结果能够应用于作为级配碎石原料。

2)对于砂岩级配碎石，级配的类型和范围选择对结构整体强度有重要影响。

3)对于砂岩级配碎石，骨架型级配整体强度偏低，且难以压实；连续型级配，具有相对较好的强度性能，且容易压实成型，因此宜采用连续型级配进行设计，且规范连续型中值偏上限的级配达到其最佳强度性能。

4)掺配细集料石灰岩对骨架型砂岩级配碎石强度有一定的提高，0.075 mm以下细料的塑性指数及1.18～4.75 mm集料强度显著影响级配碎石强度。对于砂岩组成的级配碎石，骨架间的嵌挤效果较弱，强度主要由不同粒径碎石间的相互密实填充形成。

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