大粒径级配碎石在路网大中修改造升级中的应用效果分析

摘要：文章通过对大粒径级配碎石在广西路网大中修改造升级中的应用效果进行总结分析，提出大粒径级配碎石的原材料要求、推荐级配范围及现场施工控制要点，并采用现场承载板法依次对旧沥青路面、大粒径级配碎石基层进行回弹模量检测。结果表明，大粒径级配碎石较传统级配碎石具有较高的模量，抗重载能力强。

关键词：大粒径级配碎石;路网;大中修改造;应用效果

0 引言

目前路网国省道干线公路大中修工程建设普遍存在投资费用低、旧路路况复杂、地方标准缺乏等困难，在这种条件下，用有限的资金建设出品质工程是道路工作者需要解决的紧迫问题。

半刚性基层在我国高等级沥青路面建设中应用较普遍，技术也相对较成熟，但大规模使用后发现，半刚性基层材料性能受环境温度和湿度变化影响很大，且由于其密实度较高、水泥固结作用等极易产生温缩和干缩裂缝[4]。另外，由于路网干线公路提质改造工程中基本只能采用半封闭或开放施工，不能中断交通施工，因此若采用半刚性基层，其在施工期间的早期开裂问题和因交通荷载作用造成在半刚性材料结构强度形成之前形成损伤（即早损问题）[3]，将严重影响着路面结构的整体性与承载能力，大大缩短路面结构的使用寿命。

级配碎石材料由于不含结合料，是一种松散粒料结构，温缩、干缩系数几乎为零，受周围温度和湿度变化影响小，不传递拉应力和拉应变。工程实践表明，级配碎石作为路面柔性结构层可有效地防治反射裂缝，改善基层排水，但其抗重载能力不足，受环境湿度变化和重载交通作用下易产生车辙变形（尤其是粉料洁净度稍差时），影响路面的施工质量，严重时会发生剪切破坏等结构性破坏[1-2]。

已有工程实践表明，大粒径级配碎石混合料既继承了传统级配碎石材料的长处，又弥补了其抗重载能力不足的缺点，同时可利用重载交通荷载的二次压密作用，促进骨架的嵌擠稳定，减少道路的后期养护开支，对于路网公路大、中修工程的建设和施工环境具有较强的适应性和经济效益。鉴于此，本文通过对已有大粒径级配碎石材料在路网公路大、中修工程中的应用实践经验，提出大粒径级配碎石的材料要求、推荐级配范围及施工要点控制，并通过在S311线大寺至板利公路大中修工程中采用现场承载板法测试其回弹模量，表征其在旧沥青路面中加铺的适应性，为往后大粒径级配碎石材料在广西路网公路大中修工程中的更大范围推广应用提供借鉴。

1 原材料要求及推荐级配范围

1.1 原材料要求

目前已施工建设完结的大粒径级配碎石层采用的集料粒径规格为20～50 mm、20～40 mm、10～30 mm、5～10 mm的碎石及4.75 mm以下的石屑组配而成，考虑到现场施工的和易性及均匀性，其最大粒径宜控制在53.0 mm。从岩性角度出发，目前基于地方石材的限制，其集料大多采用石灰岩或花岗岩集料。从施工效果上来看，石灰岩集料较花岗岩集料易于碾压成型，且稳定性较好。有研究表明，采用具有粘附性的细集料能够改善级配碎石的成型稳定性。同时，从便于施工均匀性和防离析角度考虑，具有较好粘附性的细集料在与水发生作用后，能更好地粘附或分散在粗集料中。故综合考虑：大粒径级配碎石用粗集料可采用石灰岩或花岗岩粗集料，但细集料宜选用石灰岩或其他具有一定粘附性的细集料。

大粒径级配碎石着重以粗集料的嵌挤骨架提供结构强度，故应适当提高对碎石的针片状及压碎值要求，建议按一级或高速路面基层中级配料对碎石的要求，要求碎石中针片状颗粒的总含量应≤20%，压碎值≤30%。碎石中应避免含有黏土块、植物等有害物质，粉料应控制好含泥量[5]。碎石应由坚硬耐久的岩石轧制而成，且应具有足够的强度和耐磨性能，其颗粒形状应具有棱角，近似立方体，无软质石料及其他杂物。应采用反击式、圆锥式或冲击式破碎机作为二级破碎。不同粒径的碎石应分开堆放，堆放石屑的场地应架设防雨蓬。

1.2 推荐级配范围

根据以往靖西、横县、宾阳、浦北、合浦、上思等地区8个已施工完结的工程经验及文献资料，综合考虑机械、施工和易性及均匀性，建议路网工程中大粒径级配碎石级配范围可参考表2所示，其中从施工和易性及防离析的角度出发，建议若现场采用石灰岩集料，2.36的通过率宜取中值偏下;若采用花岗岩集料，2.36的通过率宜取中值偏上。

2 现场控制要点

2.1 施工离析控制

大粒径级配碎石混合料由于粗骨架粒料较多，粒径相对偏大，故施工过程中的主要问题就是围绕如何减少施工局部离析。

局部离析会导致粗细集料分离，级配产生波动，导致骨架结构的不均匀，降低大粒径级配碎石基层的承载力。大粒径级配碎石层离析产生的原因有：

（1）拌和机传送带离析。由于粗细集料自重不同，粗细集料在传送带末端输送到料斗的过程中由于惯性作用粗集料继续向前传送，细集料则很快降落，造成粗细集料在料斗里面发生离析。

（2）摊铺离析。大粒径级配碎石层所用摊铺机型号一般较老，螺旋布料器进料口处无反向螺旋，且摊铺机未加装侧挡板，螺旋布料器中布料量不足，造成布料口离析较重，尤其是料车尾料。

（3）摊铺机停机换料离析。运料车尾料一般粗颗粒含量多，而在大粒径级配碎石层摊铺过程中，基本都是尾料摊铺完再换新料摊铺，因此停机换料处粗集料明显多于正常摊铺路段。

（4）级配设计。由于大粒径级配碎石骨料粒径增大，且骨料用量明显增加，因此在施工过程中难免会产生离析。

以上四种离析情况，第一、二、三种是根源，第四种情况可以通过优化级配设计来减少离析。第一种离析可以通过在传送带末端加设挡板来改善;第二种离析可以在摊铺机加装反向螺旋或控制螺旋布料器内混合料高度来改善;第三种则建议减少收斗次数，将新旧料在送料板上直接混合摊铺以减少离析。

2.2 大粒径级配碎石层洒布石粉用量控制

大粒径级配碎石基层碾压完成后，其表面具有较多的空隙，如果不及时洒布石粉进行填隙密实，在车辆作用下，表面碎石会被压散、带走，从而产生坑槽，进而影响整体结构稳定性。在施工过程中，石粉洒布量应根据以下要点进行控制：（1）结构面空隙填实、嵌挤稳定，在荷载作用下碎石不飞散;（2）对于粗集料离析处适当提高洒布量，细集料离析处少撒或不撒。洒布石粉的目的也是为了保证碎石表面嵌挤的稳定，确保结构的完整。

3 现场承载板法检测回弹模量分析与评价

为掌握旧路加铺大粒径级配碎石的适用性及承载力表征，拟对S311线大寺至板利公路（新G210线）大寺至板利段沥青路面大修工程中同一路段的旧路面、加铺大粒径层依次进行现场承载板法检测各结构层的回弹模量。其原路面为沥青路面，大中修加铺结构为15 cm大粒径级配碎石基层+15 cm掺2.0%水泥改善大粒径级配碎石+1.5 cm两油两料同步碎石封层+5 cmAC-16C沥青混凝土下面层+4 cmAC-13C沥青混凝土上面层。将设计值（弹性模量及厚度）转化为各结构层顶当量回弹模量，然后将实测值与设计值相比较，由此对比设计与施工的一致性及加铺大粒径层后路面结构的承载力状况。

3.1 实测各结构层层顶当量回弹模量

路面结构的厚度设计是以弹性层状体系为理论，各结构层为弹性层，路基为弹性半空间体，以承载板法测路基以及各结构层顶的当量回弹模量时即将各层顶以下看作为弹性半空间体。根据弹性层状理论和Bisar软件计算旧沥青路及加铺各结构层层顶的当量回弹模量。详见表3～5。

3.2 设计条件下各结构层层顶理论当量回弹模量

在充分考虑旧路路况、残留承载能力及加鋪大粒径层受力特点的基础上，结合设计文件及公路沥青路面设计规范的相关内容，利用Bisar软件，采用静态模量计算各结构层层顶回弹模量理论值。为更好地在设计计算中体现旧路情况，其中旧路的静态模量按照实测值代入计算，其他路面结构层的模量及厚度的取值如表6所示（由公路沥青路面设计规范可知，传统级配碎石模量取值一般在200～300 [HTSS]MPa之间）。

由弹性层状体系理论可知，当路面结构确定后，各结构层的响应仅与荷载的大小有关。因此，为了方便后续计算分析，将荷载固定为0.7 [HTSS]MPa，直径为30 cm。依据表6的路面结构参数，建立弹性层状模型，计算在设计值的条件时，各结构层顶的当量回弹模量计算结果如表7所示。

3.3 实测当量回弹模量与设计条件下的当量回弹模量理论值对比分析

（1）大粒径级配碎石层层顶当量回弹模量对比

按设计条件下的结构层层顶理论当量回弹模量反算结果可知，大粒径级配碎石层顶设计当量回弹模量为290MPa，实际检测的均值为375MPa，且所有检测点的当量回弹模量均>290 MPa，说明大粒径级配碎石层整体强度较高，能满足设计要求，且其模量较传统级配碎石要高。但变异系数也达到了13.8%。由此可见，大粒径级配碎石层在整体强度上能达到设计的要求，但大粒径级配碎石层的强度的均匀性一般。这主要是由于大粒径级配碎石层材料在实际施工时，局部离析较重，大粒径级配碎石层的下承层强度不均匀。

（2）2.0%水泥改善大粒径层层顶当量回弹模量对比

根据理论计算得出2.5%水泥改善大粒径层顶面的当量回弹模量的设计值为389 MPa，实测平均值为479.8MPa，说明掺加一定量的水泥能够通过水泥的胶合作用进一步增强大粒径级配碎石粗集料骨架的嵌挤稳定能力，从而提高大粒径级配碎石的承载能力及抗雨水冲刷能力。

4 结语

（1）由承载板法实测当量回弹模量和设计结构参数条件下的当量回弹模量对分分析可知，在设计条件下，大粒径级配碎石模量取值为400MPa时（高于传统级配碎石的200～300 MPa），其实测值仍能满足设计结构参数条件下的模量要求，说明大粒径级配碎石的整体承载能力要优于传统级配碎石，具有较好的抗重载能力。

（2）由实测当量回弹模量分析统计可知，各结构层层顶当量回弹模量值计算的变异系数均超过10%。建议实际现场施工中应在级配设计、机械选择及工艺过程中进一步加强防离析控制。

（3）本文通过对广西路网大中修工程中大粒径级配碎石的原材料要求、推荐级配范围及施工关键点进行总结分析，对大粒径级配碎石在路网大中修工程中的进一步推广应用具有一定的指导意义。建议应持续对相关实体应用工程进行跟踪观测，掌握大粒径级配碎石加铺沥青路面方案的适用性和病害产生及扩展的规律，为进一步优化该技术提供参考。

参考文献：

[1]夏彩娟，谭继宗.大粒径级配碎石在大修工程中的应用研究[J].西部交通科技，2018，134（9）：92-95.

[2]赵洲清.荷载型裂缝在不同沥青路面结构中扩展规律研究[D].长沙：长沙理工大学，2012.

[3]谷小阳.级配碎石复合式基层沥青路面力学性能研究[D].西安：长安大学，2015.

[4]刘景莉.高速公路级配碎石基层沥青路面结构性能研究[D].天津：河北工业大学，2012.

[5]齐光远.路面基层施工的质量控制[J].水利天地，2004（6）：28-29.

作者简介：龙海涛（1978—），工程师，主要从事公路工程工作。