影响级配碎石质量的因素分析

2014-04-15苏建岭

交通运输研究 2014年9期

苏建岭

（秦皇岛保神交通建设监理有限公司，河北秦皇岛 066000）

级配碎石是一种无黏结材料处治粒料的松散结构，通常可作为公路路面结构的底基层、基层、垫层或半刚性基层与沥青面层之间的中间层。由于这种结构不传递拉应力、拉应变，所以级配碎石作为路面结构层材料时处于三向受压的状态。而这些结构上的特点以及特殊的受力状态使级配碎石结构层不但具有温缩应力小、干缩应力小、水稳定性好的性能，而且能充分吸收其下层裂缝释放的应变能，从而达到抑制裂缝的效果。这种结构在2013年秦皇岛市公路大修工程中作为旧水泥混凝土路面碎石化结构补强层得到了应用，并且从建成通车后的使用情况来看效果较好。虽然级配碎石具有很多优点，但如果在施工过程中不加以科学的控制，势必会影响其施工质量及使用效果。所以必须对影响级配碎石质量的因素进行分析研究，并在施工中加以严格控制，以确保级配碎石的质量。通过总结和分析2013年秦皇岛市公路大修工程中级配碎石施工情况，笔者认为影响级配碎石质量的因素主要有以下几个方面。

1 原材料

由于级配碎石是一种松散的粒料结构，其材料组成主要是粗集料和细集料，而级配碎石内各组成材料的受力特性又呈非线性、各向异性，所以集料本身的特性直接影响了级配碎石的强度和模量。总结施工经验可知，级配碎石组成中的粗集料应满足抗压强度大、抗剪切强度大、永久变形小、耐久性好的要求；细集料应满足黏性大、塑性指数小、体积稳定性好的要求。

（1）粗集料

粗集料的特性主要包括硬度、表面摩擦力、颗粒形状和大小及其分布。试验室用集料压碎值、洛杉矶磨耗值、针片状指数、累计筛分通过率等物理指标来表示集料的这些特性。一般而言，同种石质轧制的碎石其强度随着最大粒径的增大而增大。这是由于较大颗粒之间的接触面较小，当荷载通过颗粒传递时，颗粒之间的接触点少、整体变形小，从而使级配碎石具有较大的强度。另外，粗糙颗粒的表面将会产生较大的强度。轧制的有棱角的以及破碎面多的颗粒可提供较高的刚度以及较好的荷载分布特性，其抗剪切性较好，永久变形小。

（2）细集料

细集料在级配碎石组成中主要起填充作用。表征细集料质量的物理技术指标主要有砂当量、液限、塑限及塑性指数。季节含水量的变化是导致级配碎石收缩或膨胀的主要因素。也可以说，细集料的质量直接影响级配碎石的体积稳定性。经研究，具有黏性和塑性的细集料对吸力有较大的影响。试验表明，当吸力为黏结颗粒的主要应力时，较高细集料含量和较高黏性的细集料将会导致较高的吸力，此时级配碎石有较高的强度。然而，当吸力相对于周围应力很小的时候，较高的细集料含量和较高黏度的细集料会由于上述颗粒的大小及润滑作用导致级配碎石强度减小。所以，为了保证级配碎石的体积稳定性，必须严格控制细集料的质量，特别是细集料的塑性指数。根据施工经验，一般认为细集料的塑性指数不超过4%时级配碎石的施工质量较好。

（3）岩石

经验表明，级配碎石的质量还与轧制碎石的岩石种类有关。根据国外多年来使用无黏结材料的经验，石灰岩是所有级配碎石材料中最好的。其主要原因是石灰岩容易轧制成四方体，易达到级配要求；同时，其细颗粒中碳酸盐含量较高，在拌和中与水一起对粗集料起到胶结的作用。因此，建议施工中尽可能采用轧制的石灰岩作为级配碎石结构层的材料。

2 级配组成

级配碎石的强度和模量一般比有结合料的稳定基层差。单从其结构形成上分析，级配碎石基层的强度主要源于其碎石颗粒本身的强度及碎石颗粒之间的相互嵌挤力。所以，控制级配碎石的质量除采用高质量的集料外，还必须调制出高密度的良好级配来保证碎石颗粒间的嵌挤力，从而提高级配碎石结构层的强度和稳定性，降低行车作用下的永久变形。

目前，我国有关碎石级配设计的方法主要有两种；一种是连续级配的设计方法；另一种是参照体积设计法设计沥青混合料而引入的填充系数法。在实际施工中，一般根据影响级配的因素（主要包括集料的最大粒径、公称粒径及集料通过4.75mm、0.5mm和0.075mm筛孔的含量）用连续级配设计法进行级配调整。然而，我国《公路路面基层施工技术规范》（JTJ 034—2000）中规定的级配碎石标准较宽，不适用作较重交通或高等级路面基层的级配碎石标准。所以，为了保证级配碎石结构层的力学性能（主要是强度与刚度），改善道路结构的整体性，必须对级配碎石的级配进行优化设计，并且必须保证优化后的级配曲线呈近似S型的光滑曲线。

另外，特别值得注意的是必须严格控制级配碎石混合料中的细集料用量。这是因为：

（1）细集料含量过大会使粗集料很难形成嵌挤，从而使级配碎石结构形成一种悬浮密实结构，这将严重影响级配碎石结构层的强度与刚度；

（2）细集料含量过大会影响级配碎石的排水功能，在潮湿、多雨的季节，排水及渗透能力差会导致级配碎石的抗压强度减小；

（3）细集料含量过大会导致在行车荷载的反复作用下，级配碎石产生过大的累积塑性变形，使路面发生剪切或疲劳破坏；

（4）由于我国的路面设计规范规定路面设计是按照界面完全连续的条件考虑的，当细集料含量较大时，级配碎石层的表面极易形成“光滑”的界面，这样就使得级配碎石基层与沥青面层之间的联结非常困难，影响了界面之间的连续。

3 确定最大干密度和最佳含水量的试验方法

级配碎石混合料的最大干密度及最佳含水量通常采用标准击实试验确定。但对于该类混合料而言，标准击实试验的主要缺点在于集料的方向性及分布与现场压实不相同，这样的成型方法不能反映材料的现场施工压实成型状况，很难达到试验的重现性。并且在击实过程中，击实锤会将大粒径的骨料击碎，从而改变设计的级配并影响试验的结果。相对于标准击实试验而言，振动成型法可以减少试件级配的变化，其成型方式与现场施工的方式相近。在其成型过程中，粗集料之间相互嵌挤较好，能充分发挥骨架的强度优势，细集料作为填料能充分填充骨架的空隙。这样充分模拟出了整个现场施工过程。所以，确定混合料的最大干密度及最佳含水量的最佳试验方法为振动成型法。