矿质集料承载比试验方法研究

薛连旭,莫石秀,罗立峰,张先念

(1.广东省路桥建设发展有限公司，广州 510623；2.华南理工大学广州学院，广州 516139)

0 引言

矿质集料承载比试验是测定路面材料承载能力的主要方法之一。目前在测定矿质集料承载比(CBR)时，主要参照现行公路工程集料试验规程规定的粗集料堆积密度及孔隙率试验中的成型方法。粗集料堆积密度及空隙率试验主要涉及自然堆积状态、振实状态、捣实状态三种测试集料堆积密度的成型方法[1]。现有研究表明，自然堆积状态下的集料离析程度较小，但由于该状态下的集料过于松散，贯入量过大，宜导致CBR测试数据失真，不宜采用；振实状态下的集料易发生较大离析，即细集料下沉、粗集料上浮，故不宜采用；捣实状态下的集料离析情况较振实状态有所缓解，但时常也会出现测定值离散性较大的情况[2-5]。张永升等[6]对比分析了击实成型、振动成型方法对级配碎石性能的影响，发现击实成型法对级配碎石的扰动较大，振动成型法对级配碎石的扰动较小。陈树仁[7]分析了击实法成型承载比试件的不足：成型方法繁琐、所需时间长，与实际施工过程中的碾压成型法存在较大差异，提出了静压成型承载比试件的方法。

基于此，本文采用“三装三捣”和“三装一压”方法成型集料CBR试件，对比研究合适的CBR试件成型方法和成型压力指标，用于指导粗集料承载能力的评价，为工程集料的选取提供参考。

1 试验思路

选用我国公路路面工程中最常用、最具代表性的三种石料：石灰岩、花岗岩和辉绿岩，对“三装三捣”和“三装一压”两种集料CBR试件成型方法进行对比研究。

“三装三捣”成型方法：将待测集料混合均匀，分三次装入试筒内，每装入1/3的高度，用捣棒由边至中均匀捣实25次。“三装一压”成型方法：将待测集料混合均匀，分三次装入试筒内，每装入1/3的高度，将表面整平，再继续下一层，待最后一层装完整平后，放置压力板，将试筒连同集料和压力板一起放置于路面材料强度仪上，施加恒定荷载进行压实成型。“三装一压”成型方法可以弥补自然堆积状态集料过于松散、贯入量过大导致测试数据失真的缺陷，使得集料由松散状态转为紧装状态。随后，将成型好的集料CBR试件放置于路面材料强度仪上,进行CBR试验。

2 原材料

选取广西某石场的石灰岩、广东某石场的花岗岩和辉绿岩，取其中10～20mm粒径范围的集料作为研究对象，其物理指标及筛分结果见表1和表2。

表1 矿质集料物理指标

表2 矿质集料筛分结果

3 试验结果与分析

3.1 石灰岩集料承载比试验

3.1.1 “三装三捣”成型方法

选用同种同批材料、同一设备、同一操作人员，采用“三装三捣”法成型两组(为保证数据的稳定性，每组6个试件)石灰岩集料试件并进行承载比(CBR)试验，CBR与破碎率测试结果见表3。

表3 “三装三捣”法成型的石灰岩集料试件的CBR与破碎率试验结果

由表3可以看出：

(1)采用“三装三捣”成型方法测得的石灰岩集料CBR值为22.1%、破碎率为2.1%。

(2)每组测试数据中，石灰岩集料CBR测试值的变异系数相差不大，分别为14.4%、16.7%；石灰岩集料破碎率测试值的变异系数相差也不大，分别为17.5%、15.3%。两组测试数据间，CBR测试值与破碎率测试值的变异系数分别为12.8%、13.0%。

(3)该方法测得的参数离散性虽达不到土的承载比(CBR)试验(T 0134—1993)规定的精密度和允许差CV≤12%的要求[8]，但相差不大。若适当放宽精密度和允许差的要求，采用“三装三捣”成型方法进行石灰岩集料CBR试验是基本可行的。

3.1.2 “三装一压”成型方法

“三装一压”成型方法主要考察成型压力对集料CBR试验结果的影响。为确定合适的成型压力，本试验分别选用5kN、10kN、15kN和20kN四个级别的压力成型集料试件，并进行石灰岩集料CBR试验。采用该方法成型的石灰岩集料CBR与破碎率测试结果见表4及图1～图2。

表4 “三装一压”法成型的石灰岩集料试件的CBR与破碎率试验结果

图1 不同压力下的石灰岩集料CBR及变异系数变化趋势

图2 不同压力下的石灰岩集料破碎率及变异系数变化趋势

由表4及图1～图2可以看出：

(1)随着成型压力的增加，石灰岩集料CBR的均值逐渐增大；变异系数呈先下降后上升的趋势，成型压力在10～15kN范围内时的变异系数较小，其中当成型压力为10kN时的变异系数为13%，小于采用“三装三捣”成型石灰岩集料试件的变异系数。

(2)随着成型压力的增加，石灰岩集料破损率的均值逐渐增大、变异系数呈先增大后减小的趋势，其中当成型压力为15～20kN时的变异系数较小，小于等于采用“三装三捣”成型石灰岩集料试件的变异系数。

(3)综合考虑石灰岩集料CBR变异系数和破碎率变异系数，推荐石灰岩集料采用“三装一压”成型试件时采用成型压力15kN，此时石灰岩集料CBR变异系数刚好可以满足土的承载比(CBR)试验(T 0134-1993)规定的精密度和允许差CV≤12%的要求。

(4)对比“三装三捣”和“三装一压”两种成型方式，且考虑到“三装一压”离析较小、变异系数较小等优势，石灰岩集料承载比试验采用“三装一压”成型方式且成型压力采用15kN是可行的。

3.2 花岗岩集料承载比试验

3.2.1 “三装三捣”成型方法

选用同种同批材料、同一设备、同一操作人员，采用“三装三捣”法成型两组(为保证数据的稳定性，每组6个试件)花岗岩集料试件并进行承载比(CBR)试验，CBR与破碎率测试结果见表5。

表5 “三装三捣”法成型的花岗岩集料试件的CBR与破碎率试验结果

由表5可以看出：

(1)采用“三装三捣”成型方法测得的花岗岩集料CBR值为19.3%、破碎率为1.7%，均小于采用“三装三捣”成型方法测得的石灰岩集料的CBR值和破碎率值。

(2)每组测试数据中，花岗岩集料CBR测试值的变异系数相差较大，分别为54.8%、40.6%，大于同种方法测得的石灰岩集料CBR测试值的变异系数；花岗岩集料破碎率测试值的变异系数相差不大，分别为31.2%、36.2%，大于同种方法测得的石灰岩集料破碎率测试值的变异系数。两组测试数据间，CBR测试值与破碎率测试值的变异系数分别为17.6%、12.4%。

(3)该方法测得的参数离散性达不到土的承载比(CBR)试验(T 0134—1993)规定的精密度和允许差CV≤12%的要求且相差甚远,因此，不宜采用“三装三捣”成型方法进行花岗岩集料CBR试验。

3.2.2 “三装一压”成型方法

“三装一压”成型方法主要考察成型压力对集料CBR试验结果的影响。为确定合适的成型压力，本试验分别选用5kN、10kN、15kN和20kN四个级别的压力成型集料试件，并进行花岗岩集料CBR试验。采用该方法成型的花岗岩集料CBR与破碎率测试结果见表6及图3～图4。

表6 “三装一压”法成型的花岗岩集料试件的CBR与破碎率试验结果

图3 不同压力下的花岗岩集料CBR及变异系数变化趋势

图4 不同压力下的花岗岩集料破碎率及变异系数变化趋势

由表6及图3～图4可以看出：

(1)随着成型压力的增加，花岗岩集料CBR的均值逐渐增大；变异系数呈现较轻微的波动，基本维持在12%～20%范围内，明显小于采用“三装三捣”成型花岗岩集料试件的变异系数，其中当成型压力为15kN时的变异系数最小，为12.5%。

(2)随着成型压力的增加，花岗岩集料破损率的均值逐渐增大、变异系数呈先增大后减小的趋势，但均小于采用“三装三捣”成型花岗岩集料试件的变异系数。

(3)综合考虑花岗岩集料CBR变异系数和破碎率变异系数，推荐花岗岩集料采用“三装一压”成型试件时采用成型压力15kN。

(4)对比“三装三捣”和“三装一压”两种成型方式，且考虑到“三装一压”离析较小、变异系数较小等优势，花岗岩集料承载比试验采用“三装一压”的成型方式且成型压力采用15kN是可行的。

3.3 辉绿岩集料承载比试验

3.3.1 “三装三捣”成型方法

选用同种同批材料、同一设备、同一操作人员，采用“三装三捣”法成型两组(为保证数据的稳定性，每组6个试件)辉绿岩集料试件并进行承载比(CBR)试验，CBR与破碎率测试结果见表7。

表7 “三装三捣”法成型的辉绿岩集料试件的CBR与破碎率试验结果

由表7可以看出：

(1)采用“三装三捣”成型方法测得的辉绿岩集料CBR值为40.2%，大于同种方法成型的石灰岩集料和花岗岩集料；破碎率为0.4%，小于同种方法成型的石灰岩集料和花岗岩集料。

(2)每组测试数据中辉绿岩集料CBR测试值的变异系数相差较大，分别为44.2%、26.8%，小于同种方法测得的花岗岩集料CBR测试值的变异系数，大于同种方法测得的石灰岩集料CBR测试值的变异系数；辉绿岩集料破碎率测试值的变异系数相差也较大，分别为38.0%、72.3%，大于同种方法测得的石灰岩集料和花岗岩集料破碎率测试值的变异系数。两组测试数据间，CBR测试值与破碎率测试值的变异系数分别为14.2%、34.0%。

(3)该方法测得的参数离散性达不到土的承载比(CBR)试验(T 0134-1993)规定的精密度和允许差CV≤12%的要求且相差甚远。因此，不宜采用“三装三捣”成型方法进行辉绿岩集料CBR试验。

3.3.2 “三装一压”成型方法

“三装一压”成型方法主要考察成型压力对集料CBR试验结果的影响。为确定合适的成型压力，本试验分别选用5kN、10kN、15kN和20kN四个级别的压力成型集料试件，并进行辉绿岩集料CBR试验。采用该方法成型的辉绿岩集料CBR与破碎率测试结果见表8及图5～图6。

表8 “三装一压”法成型的辉绿岩集料试件的CBR与破碎率试验结果

图5 不同压力下的辉绿岩集料CBR及变异系数变化趋势

图6 不同压力下的辉绿岩集料破碎率及变异系数变化趋势

由表8及图5～图6可以看出：

(1)随着成型压力的增加，辉绿岩集料CBR的均值逐渐增大；变异系数呈现较轻微的波动，基本维持在12%～20%范围内，明显小于采用“三装三捣”成型辉绿岩集料试件的变异系数，其中当成型压力为15～20kN时的变异系数均较小，分别为16.1%、14.1%。

(2)随着成型压力的增加，辉绿岩集料破损率的均值逐渐增大、变异系数呈先减小后增大的趋势，其中当成型压力为10～20kN时的变异系数较小，小于采用“三装三捣”成型辉绿岩集料试件的变异系数。

(3)综合考虑辉绿岩集料CBR变异系数和破碎率变异系数，推荐辉绿岩集料采用“三装一压”成型试件时采用成型压力15kN。

(4)对比“三装三捣”和“三装一压”两种成型方式，且考虑到“三装一压”离析较小、变异系数较小等优势，辉绿岩集料承载比试验采用“三装一压”的成型方式且成型压力采用15kN是可行的。

4 结论与建议

(1)通过振动、“三装三捣”和“三装一压”三种成型方式对比分析，“三装一压”成型方式成型的集料试件离析最小，建议采用“三装一压”成型方式进行矿质集料承载比(CBR)试验。

(2)对比“三装三捣”和“三装一压”两种成型方式，且考虑到“三装一压”离析较小、变异系数较小等优势，石灰岩、花岗岩和辉绿岩采用“三装一压”法成型集料试件时的成型压力宜采用15kN。

(3)集料岩性不同，相同压力下采用“三装一压”法成型集料试件的CBR和破碎率的变异系数也不相同。成型压力为15kN时，石灰岩、花岗岩和辉绿岩CBR测试值的变异系数分别为12.0%、12.5%、16.1%。

(4)由于矿质集料为散体材料，变异系数普遍较大，很难达到土的承载比(CBR)试验(T 0134—1993)规定的精密度和允许差CV≤12%的要求，建议矿质集料承载比(CBR)的变异系数允许值取CV≤17%。