级配碎石原材料要求与合理的级配范围研究

李云鹤

【摘 要】 本文通过对级配碎石的原材料以及其设计方面的问题进行分析，并提出一些措施。

【关键词】 级配碎石；原材料；合理范围

引言：

级配碎石作为路面的结构层，必须具有良好的力学特性和稳定性才能起到间接承受车辆荷载的作用。级配是影响级配碎石力学特性（CBR值、抗剪切性能、回弹模量）、塑性总变形和渗透性能的主要因素，因此级配碎石的组成设计必须以级配碎石具有良好的力学特性、塑性总变形和渗透性能为出发点，用之检验级配的优劣。由于现有的级配碎石材料设计方法：1.停留在经验的阶段，不能根据需要进行级配设计，而只能通过微调进行级配设计，这样做费时费工；2.已有理论设计方法由于大多数是连续级配，因而级配碎石性能受到很大的限制。级配碎石作为隔断层，就必须对级配碎石材料性能提出更严格的要求。

一、级配碎石级配设计原则

有了高质量的碎石，级配便是影响级配碎石强度和模量的最重要因素。目前，集料级配的组成有两个原则，即嵌挤原则和级配原则。所谓嵌挤原则，就是将骨料颗粒用圆球来代替，以填充理论为基础，研究集料的组成设计。根据数学计算表明，若只是简单的将一种直径为D的球体堆积起来，得到的是同样大小球体堆积最松的状况，空隙率约为48%，在这种情况下再嵌入直径为0.732D的球体，则嵌入后空隙率由48%降为27%；若将一种直径为D的球体按棱柱体空间堆积，则得到最近同样大小球体最紧密的排列堆积，空隙率为26%，此时再嵌入直径为0.414D的球体，则嵌入后空隙率由26%变为21%。当然我们的集料颗粒并不是理想的圆球体，其主骨料的排列不会处于最松状态，也很难达到最紧密状态。根据级配原则，提出了两种级配，即连续级配和间断级配。连续级配是粒径由大到小，逐级递减，并按一定比例相互搭配起来，所得的级配曲线平顺光滑；间断级配是在连续级配中剔除一种或几种粒径而形成一种不连续级配。连续级配由于其颗粒可以按粒径大小有规则的组合排列，粗细搭配，从而得到较大密实度的混合料。

二、级配设计

（一）原材料集料

推荐采用石灰岩集料，不仅由于石灰岩具有塑性，保水性好，易碾压成型，而且石灰岩粉具有一定的水硬性能，有助于结构强度的形成。（见下表1、表2）

（二）级配设计

1级配设计原则

混合料的性能与其结构组成有着密切关系，结构决定了混合料的具体性能，对十级配碎石来讲，材料性能受到结构的影响将更加突出。按照粗细集料存在的具体情况，结构形式可以分为骨架一密实型，悬浮密实型和骨架孔隙型3种。集料在制备破碎条件下，会形成多个不规则的破裂面。在混合料中，集料直接的接触方式具有多样性。结合骨料的接触形式，认为骨架一空隙和骨架一密实型通过骨料间的直接接触来传递荷载，而悬浮一密实型的结构形式，颗粒之间通过压缩分散荷载，因此认为前面2种结构形式具有更强的承载力，适宜十重载交通条件。

2.级配范围及合成级配的确定

（1）本文级配碎石级配设计级配范围。级配碎石承载能力的形成，主要是其骨料之间形成的嵌锁结构。一所设计的级配碎石结构形式为骨架一密实型。级配范围参照我国现行规范要求。级配碎石级配范围详见表3。

（2）原材料筛分结果。各档集料筛分结果见表4所示。

（三）级配集料配合比设计

1.各种集料筛分

对选定的砂砾石料场和拟掺配的不同粒级的碎石进行了筛分试验。

2.配合比设计计算

根据设计文件和工程要求，选择级配碎砂砾混合料的配合比为，65%砂砾石∶（30-10mm）碎石占25%：（0～10mm）碎石占10%

3.最大干密度和最佳含水量

采用重型击实试验，确定级配混合料的最大干密度和最佳含水量

4. CBR验证

选择最佳含水量成型试件，按最不利状态进行四昼夜浸水CBR试验。

5.目标配合比设计结果

通过对级配碎砾石混合料的最大干密度、最佳含水量和CBR强度试验，其各项技术指标均符合要求，可用于试验路段级配碎砾石基层的生产配合比设计。

6.现场试铺

根椐目标配合比设计确定的掺配比例，进行集中厂拌和现场摊铺机铺筑，从检测的各项指标和成型效果来看，虽然强度较好，但嵌挤较差，级配碎砾石基层表面松散严重，有较多浮砂。不利于透层油的洒铺和结构层之间的结合。

三、级配碎石材料设计方法

（一）原材料选择

1.粗集料技术指标。岩性为了研究不同岩性对级配碎石混合料力学特性的影响规律，本文采用石灰岩、花岗岩和玄武岩三种不同集料进行级配碎石混合料CBR试验研究，见图2，可以看出，不同集料岩型对级配碎石混合料CBR产生一定的影响，相同级配情况下，CBR大小排序为：石灰岩、花岗岩、玄武岩级配碎石。因此，在有条件情况下级配碎石基层材料宜首选石灰岩和花岗岩。

（1）针片状颗粒含量要求粗集料的针片状颗粒含量影响级配碎石材料的嵌挤结构，从而影响其强度，然而我国规范对级配碎石材料并没有提出这一指标的具体要求。针片状颗粒容易在生产拌合、摊铺、碾压过程中压碎，而使级配碎石混合料力学特性大幅度降低，因此应对级配碎石中针片状颗粒含量进行严格的控制。欧洲国家规范规定级配碎石混合料中针片状含量，应根据情况不超过20%。爱尔兰规范则规定其应小于35%。某对于重中交通要求应小于25%，轻交通应小于35%。实践经验表明，只要选用合适的破碎机设备，使级配碎石材料中的针片状含量小于20%的要求还是比较容易达到的，因此，鉴于我国材料的實际情况，建议级配碎石材料中的针片状颗粒含量宜小于20%。（3）压碎值和洛杉矶磨耗值我国规范中一般将压碎值作为级配碎石的粗集料的强度技术指标，而许多地方普遍采用洛杉矶磨耗值作为级配碎石材料强度的一个技术参数，因此，建议增加洛杉矶磨耗值作为级配碎石材料的强度指标之一。由于我国各地材料差异性较大，级配碎石用粗集料的强度标准不能太高，但也不能太低，参考沥青路面施工技术规范，在28%～30%的标准上适当放宽到35%。因此，建议级配碎石的粗集料强度的双重控制指标要求为：压碎值<26%、洛杉矶磨耗值<35%。根据各地实际情况，可以将洛杉矶磨耗值要求提高到<30%。

（二）石屑和砂对力学特性的影响

细集料的含量对级配碎石的影响较大，一些工程项目采用掺加砂的方法来降低石屑的塑性指数。若把级配碎石混合料看作是形成骨架的粗集料和起填充作用及黏结作用的细集料（石屑和砂）两部分组成，如果粗集料骨架结构相同，石屑和砂的力学特性即可以反映整个级配碎石试件的力学特性，为了研究石屑、机制砂和天然砂对级配碎石力学特性的影响规律，对相同级配的石屑、机制砂和天然砂分别采用振动试验方法成型试件，测试不同材料的最大干密度与CBR值，试验结果见表5。

由表5可以看出，石屑试件的力学特性优于砂（机制砂或天然砂）试件的力学特性，分析原因可知，石屑有棱角且0.075mm筛孔下集料的黏结能力好，而砂中0.075mm筛孔下集料的黏结力差，而且级配碎石中掺加砂会起润滑作用，不利于集料间形成稳定的嵌挤骨架。因此，不建议级配碎石材料中掺加砂，应尽量采用完全轧制而成的石屑，若因条件限制必须掺加砂，应采用机制砂且限制其使用比例。

四、级配碎石施工工艺

（一）级配的调制

由于我国己经习惯于生产厂拌的水泥稳定碎石混合料，普遍具有厂拌的条件。与路拌法相比，集中厂拌的混合料级配更容易控制，拌和更加均匀，因此级配碎石生产质量容易得到保证，同时生产率也大大提高。但是由于基层拌合楼精度不是很高，因此需要预先进行标定。此外在正式施工之前，需进行试拌，对级配进行抽检，符合要求后，方可进行大规模施工。由于没有结合料，级配碎石取样涉及到均匀性问题。由于料的惯性下落，无论从料斗还是料车上取料，都会产生离析现象。最好的办法就是在拌合楼运转一段时间，待出料稳定以后，停止拌合，使混合料停留在传送皮带上，根据试验需要用料的多少，截取一段（需将这一段从上至下全部取尽）进行筛分。这里对传送带提出要求：传送带倾斜角度不能太大，以防止停止拌合后，传送带上的料全部下滑到地面。筛分数据如符合级配要求，则进行大规模施工，否则应继续调整级配。拌和含水量的调整级配碎石在运输、摊铺、碾压过程中含水量会有损失，为了使现场级配碎石能够在接近最佳含水量下碾压，在拌和过程中的加水量根据现场情况进行调整。比较好的控制含水量的方法：在干旱少雨，气温高的时候，在拌和生产前一天晚上向粗集料浇洒适量水预先吸水饱和的办法（石屑宜保持干燥），拌合场含水量一般根据路途远近，保证混合料运到现场时，比最佳含水量略高。等摊铺机摊铺完毕稍加碾压后，根据情况用洒水车进行补水。在雨季则必须根据下承层的潮湿程度调整拌合楼的含水量。假如由于施工工期影响，必须在雨期施工，则同时必须考虑降雨对混合料含水量的影响。

（二）级配碎石的碾压

级配碎石混合料是由矿物集料组成的，在施工中，静碾压路机利用静荷载克服混合料中固体颗粒间的摩擦力、粘结力，挤出空气，使各颗料间相互靠近，振动压路机则利用振动频率接近于材料固有频率使材料发生共振，使级配材料间减小阻力，相互移动达到最稳定状态；轮胎压路机通过其特有的搓揉作用，可使颗粒前后左右位移，而使混合料更加密实而穩定。而且轮胎与路面始终保持弹性接触，而且接触面积会随压实度的增加而减小，从而进一步增强路基的承载能力，使集料嵌入路面材料中。

五、结束语

级配集料的强度、稳定性不仅受集料的类型及性能的影响，同时与最大粒径4.75mm、0.425mm、0.075mm的通过率有关，而材料的水稳定性又与0.425mm以下材料的通过率及其塑性指数有关。研究级配碎石的级配范围就是研究这些筛孔的合理的通过率，使得级配碎石混合料获得最佳的密实状态、力学性能。

参考文献：

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