基于最大抗剪强度的碎石配比研究

邢心魁，滕德涛，张家文，刘 晶，孙冠晓

(1. 桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004；2. 广西岩土力学与工程重点实验室，广西 桂林 541004)

在路面基层中，级配碎石作为一种柔性材料，能很好的减少或延缓发射裂缝。目前，国内外衡量无黏结粒料强度及变形能力时，主要考虑其密实度，经典指标是加州承载比(CBR)值，同时也是评价级配碎石力学特性的主要指标。但级配碎石作为松散颗粒材料在受荷载的情况下，其主要破坏形式是剪切破坏[1-2]，所以在工程中提高级配碎石的抗剪强度至关重要。笔者以级配碎石的抗剪强度为主要研究对象，分析抗剪强度对级配碎石、空隙率影响。

1 基于最大抗剪强度的级配碎石设计

1.1 设计理念

由级配碎石混合料的强度理论可以知道，其抗剪强度主要来源于胶结料的黏结力与粒料的内摩阻力。在粒状材料的基本力学性能与影响因素中得出，要能得到较高的内摩阻力需要颗粒具有较好的形状、粗糙的表面纹理、较大的粒径以及粗颗粒之间能形成很好的嵌挤结构，且细集料与填充料在填充后对粗集料形成的嵌挤骨架结构不能有影响。级配碎石混合料是属于低黏结力的松散材料，其抗剪强度最终还是由内摩阻力即粗集料形成的嵌挤结构所决定。细集料的作用可以使级配趋于密实，从而有效的阻止结构发生较大的永久变形。所以，级配碎石抗剪强度与密实度之间具有复杂的相关关系，最大密实度与最大抗剪强度之间不具备完全的一致性[3-7]。

为此笔者改变以往以级配碎石密实度为主要评定标准的方法，提出以最大抗剪强度为主要评定标准的方法。

最大抗剪强度设计级配碎石混合料的基本思路为：①设计粗骨料为主骨架，实测其空隙率。主骨架的确定方法为：对相邻粗骨料按次一级的粒料占两者混合料的质量百分比(质量百分比从10%～100%)进行大型直剪试验，得出每相邻粒径间最大抗剪强度时的质量百分比，最后以各个相邻粒径组得出的最大抗剪强度时的质量百分比进行混合得出主骨架，测其抗剪强度；②设计细集料，测其空隙率。细集料的确定亦与主骨架的确定类似；③将设计好的细集料填充进主骨架空隙中，按照两者间最大抗剪强度时的质量百分比进行填充。这种设计方法充分考虑了粗骨料的嵌挤和内摩擦阻力，在保证粗集料、细集料最大强度的前提下，得出强度更大的混合集料。

1.2 试验方案

1.2.1 粗集料的试验方案

试验材料选用上面已测定好物理控制指标的粗集料(D≥4.75 mm，Dmax=16 mm)[8-11]。试验仪器采用自行研制的组装式大型直剪仪。

将粗集料分为3个筛分档。分别为：d1(13.2≤d<16.0)、d2(9.5≤d<13.2)、d3(4.75≤d<9.5)。测定每一筛分档的粗集料的抗剪强度。

根据d2档质量在d1档与d2档所组成的混合料之中，所占的质量百分比进行直剪试验，质量百分比按0～100%每10%的增量递增。再对d2档与d3档进行相同的试验。分别测得每一种质量比下的抗剪强度值。

测定每一种质量百分比时混合料的空隙率。找出空隙率与抗剪强度之间的关系。

选出d1档与d2档、d2档与d3档最大抗剪强度时的质量百分比。从d1档到d3档按抗剪强度最大时相邻粒组间的质量百分比进行混合，并测其抗剪强度。同时另一组按最小空隙率时相邻粒组间的质量百分比进行混合，并测其抗剪强度。最后对两组数据进行对比。

1.2.2 细集料的试验方案

试验材料选用上面已测定好物理控制指标的粗集料(D<4.75 mm，Dmin=0.6 mm)。试验仪器采用自行研制的组装式大型直剪仪。

将细集料分为3个筛分档。分别为：d4(4.75≤d<2.36)、d5(2.36≤d<1.18)、d6(1.18≤d<0.6)。测定每一粒组的细集料的抗剪强度。

以d5档的粗集料占d4档与d5档所组成的混合料的总质量的百分比进行直剪试验，质量百分比按0～100%每10%的增量递增。再用d5档与d6档进行相同的试验。分别测得每一种质量比下的抗剪强度值。

测定每一种质量百分比时混合料的空隙率。找出空隙率最小时的质量百分比。

选出d4档与d5档、d5档与d6档最大抗剪强度时的质量百分比。从d4档到d6档按抗剪强度最大时相邻粒组间的质量百分比进行混合，并测其抗剪强度。

1.2.3 混合料的试验方案

将以最大抗剪强度为基准得出的细集料级配按其占混合料总质量的百分比，从10%到100%加入到以最大抗剪强度为基准得出的粗骨料之中。测定不同质量比时的抗剪强度，对比找出最大抗剪强度对应的质量百分比，以及对应的空隙率。同时参考JTJ 034—2000《公路路面基层施工技术规范》(以下简称《规范》)给出的级配碎砾石基层材料的规范级配范围，在范围内选取试验对应的d1(13.2≤d<16.0)、d2(9.5≤d<13.2)、d3(4.75≤d<9.5)、d4(2.36≤d<4.75)、d5(1.18≤d<2.36)、d6(0.6≤d<1.18)等6种筛分档，调整了3种级配进行试验研究。级配调整原则为：a号、b号、c号级配分别为规范建议值的上限、下限和中值级配。测定3组试样的抗剪强度，最后得出基于最大抗剪强度的碎石级配。

1.3 原材料

在《规范》给出的级配范围内，选择相应粒径的碎石。选取的碎石筛分粒径为16～0.6mm。测定石料的表观密度,包括粗集料、细集料的表观密度。石料的表观密度在级配设计中是一个很重要的参数，自始至终都影响级配碎石混合料的设计结果，按照JTJ 058—2005《公路工程集料试验规程》测定。同时试验采用的石灰岩集料,其压碎值为5.8%,集料的含水率都为1.5%。表观密度如表1。

表1 碎石密度Table 1 Gravel density

1.4 粗集料级配选取

试验以寻求最大抗剪强度对应的级配为目的。将3种不同的筛分档按相邻两者的质量比进行配比，测定不同比例下的抗剪强度，以得出最大抗剪强度的质量比，以及相应的空隙率。该试验主要是测定级配碎石的抗剪强度，室内常规直剪仪不能满足试验要求，所以采用自行研制组装式大型直剪仪(图1)进行试验。该直剪仪经过精确的试验校准与理论验算，能满足试验所需要的要求。

1—滚轴；2—液压千斤顶；3—下剪切盒；4—滚珠；5—上剪切盒； 6—刚性支撑；7—荷重传感器；8—传力板与传力块；9—液压千 斤顶；10—滚轴；11—外框架；12—侧向支撑

组装式大型直剪仪的剪切盒尺寸为Ф340 mm×330 mm(直径×高)。为使得最大限度地消除摩擦因素对试验的影响，提高试验结果的精度。该直剪仪使用钢珠作为上下剪切盒的支持与滑动组件，减小了剪切过程中剪切盒上下之间的摩擦力，提高了试验结果的精度；同时，可通过更换钢珠的大小来改变剪切缝的大小，实现不同试验对开缝尺寸的要求，可以大大提高试验结果的精度。

同时，通过对两组不同密度的干砂试样进行对比试验。结果表明：该大型直剪仪的数据稳定性、精确性与可靠性良好，可满足笔者研究工作需要。

碎石作为无黏性土，其黏聚力一般忽略不计，可以直接用内摩擦角表示抗剪强度。试验先进行两相邻筛分档的抗剪强度试验。

试验中采用小一级的筛分档所占总质量的百分比进行配比。在d1和d2两个筛分档中，按d2档所占总质量的百分比从10%到100%进行配比并做直剪实验，所得结果如图2。当d2占总质量的20%时两者组成的混合料内摩擦角达到最大值，即此处为混合料的最大抗剪强度。经试验测定d1和d2干密度分别为1.650，1.633 g/cm3，通过计算得出空隙率与d2占总质量的百分比的关系如图3。在质量比为30%的时候空隙率为最小，也就是说此时达到最密实。对比图2和图3可得出，最大抗剪强度与最小空隙率不在同一质量百分比处。

图2 质量百分比与内摩擦角关系Fig.2 Relationship between quantity percentage and internal friction angle

图3 质量百分比与空隙率关系Fig.3 Relationship between quantity percentage and voidage

在d2和d3两个筛分档中，按d3档所占总质量的百分比从10%到100%进行配比并做直剪实验，所得结果如图4。经试验测定得出d2和d3的干密度分别为1.633，1.670 g/cm3，计算得出空隙率与d3占总质量的百分比的关系如图5。在d2和d3两个筛分档中，当d3占总质量的30%时两者组成的混合料内摩擦角达到最大值，即此处为混合料的抗剪强度最大；在质量比为40%时空隙率为最小。对比两图也可清晰的得出，虽然当最大抗剪强度与最小空隙时的质量百分比有所变化，但所反映出来总的趋势还是与上一级配得出的结论相似。

图4 质量百分比与内摩擦角关系Fig.4 Relationship between quantity percentage and internal friction angle

图5 质量百分比与空隙率关系Fig.5 Relationship between quantity percentage and voidage

按d1(13.2≤d<16.0)、d2(9.5≤d<13.2)、d3(4.75≤d<9.5)这3档中得出的最大抗剪强度时的质量百分比进行级配，并测定其抗剪强度、空隙率以及表观密度。同时按这3档得出的空隙率最小时的质量百分比进行级配，测定其抗剪强度、空隙率以及表观密度。得出的结果如表2。

表2 粗骨料性能指标Table 2 Properties of coarse aggregate

由表2可知，基于最大抗剪强度的碎石级配表现出骨架-空隙结构的特性，大粒径颗粒占的比重远大于小粒径颗粒，这能让该级配中大粒径颗粒间形成很好的嵌挤作用，粗集料中的颗粒能够充分发挥其承载力作用。按最小空隙率配比的级配大粒径使用量只是前一种级配的一半左右，虽有很好的密实度但大粒径的嵌挤作用没能得到充分利用，有一部分大粒径颗粒是悬浮于次级粒径之中的。在此可以得出基于最大抗剪强度的碎石级配更有优势。

1.5 细集料级配选取

d4，d5，d6的干密度分别为1.651，1.590，1.610 g/cm3。试验结果如表3。

表3 细集料试验结果Table 3 Test results of fine aggregate

细集料在级配碎石中主要的作用是提供黏结力与填充粗集料之间形成的空隙率，使级配具有更好的密实度与强度。细集料本身之间所产生的空隙率极小，且从表3中得出两者的质量百分比是相邻的，所以在本试验中细集料的空隙率大小对整个级配碎石的影响很小。对细集料按最大抗剪强度进行级配，结果如表4。

表4 细集料级配组成Table 4 Gradation of fine aggregate

由表4可知，细集料亦如粗骨料一般，最大粒径的砂子在配比中所占的比重大于其它粒径的砂子。细集料主要是起到填充作用，但按照文中方法对其进行配比，使其除了填充作用外还能提供一定量的抗剪强度。

1.6 混合料级配

将以最大抗剪强度为标准得出的细集料级配按其占混合料总质量的百分比，从10%到100%加入到以最大抗剪强度为标准得出的粗集料之中。测定每一次质量比的抗剪强度，对比找出最大抗剪强度对应的质量百分比，以及对应的空隙率，结果如图6、图7。

图6 质量百分比与内摩擦角关系Fig.6 Relationship between quantity percentage and

图7 质量百分比与空隙率关系Fig.7 Relationship between quantity percentage and voidage

同时对设计好的级配碎石进行直剪试验，测出a，b，c这3组级配的抗剪强度以及空隙率，结果如表5。

表5 混合料数据汇总Table 5 Mixture data collection

基于最大抗剪强度的级配对应的粗集料用量相对于规范给出的范围要大出很多(6倍左右)，而细集料需求相对较少，表明最大抗剪强度得出的级配大粒径集料的嵌挤与内摩阻力得到极好的发挥。结合表5的数据可以得出：基于最大抗剪强度得出的碎石级配在具有较高的强度同时也能具有较低的空隙率，虽然其表现出来的是骨架-空隙型，但更偏向于骨架-密实型，这更符合实际工程的需求。

2 结 语

最大抗剪强度对应的级配碎石虽然属于骨架-空隙结构，其抗剪强度以镶嵌-挤压和摩阻力为主，对应的碎石级配对大粒径的骨料需求量比基于最大密度配比要大，但其较小的空隙率，表明了细集料发挥的填充作用达到较高程度。按照文中的方法进行级配，还具有更好的抗剪强度。虽然其表现出来的是骨架-空隙型，但更偏向于骨架-密实型，这更符合实际工程的需求。

通过试验研究和理论计算结果，笔者提出的基于最大抗剪强度的级配方法可以补充、完善现行规范中级配碎石的范围，便于设计和施工控制，提高级配碎石使用性能。

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