CBR-V法矿质集料骨架嵌挤评价指标CBRmax求解的试验研究

2021-03-15莫石秀罗立峰张先念

广东公路交通 2021年1期

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 510800)

0 引言

CBR-V矿料级配设计方法是基于CBR试验的一种设计方法，通过CBR试验数据反映集料的状况。由于在试验中集料的不同特征得到了综合的体现，所以可以认为试验中考虑了集料的各种特征，是一个能够体现集料全部特征的设计方法，具有级配客观唯一性特征。CBR-V法大体可分两部分，即骨架嵌挤和密实填充，其中骨架嵌挤是通过力学指标CBR来表征判断的，其方法是对符合设计要求的档料按粒径从大到小依次累加式掺配，根据掺配过程中的CBRmax来确定该掺配时两档料的掺配比例，按照层层传递的方式逐次类推，直至粗细集料分界处，最终确定各档料的掺配比例[1-3]。在实际工程中应用该方法进行矿质集料配合比设计，表明该方法是可行的。那么该方法形成的机理如何呢？本文拟通过室内试验，研究分析其内在的作用机理。

1 原材料

集料产地：紫金临江芙蓉石场，岩性为辉绿岩；集料分级规格为：11～22mm、6～11mm、3～6mm。集料的基本性能见表1。

表1 集料的基本性能

各档料的筛分结果见表2。

表2 各档料的筛分结果

2 试验方法及试验设计

试验采用改进型矿质集料承载比实验方法(CBR)，根据试验研究，试件成型采用三装一压的方式。由于原材料为辉绿岩，所以成型压力采用15kN[4-5]。具体的试验设计思路是通过拉网式试验，摸查三种档料不同掺配比例工况下的CBR变化规律：

(1)按3因素4水平正交设计试验，开展16组试验，粗略摸查三种档料不同掺配比例工况下的CBR变化规律及CBRmax存在的可能范围。

(2)在上述基础上加密，按3因素4水平进行正交设计试验；再开展16组试验，期望能进一步摸查三种档料不同掺配比例工况下的CBR变化规律及CBRmax的存在范围。

(3)按CBR-V进行三档料掺配试验并找出CBRmax。目的是与正交试验结果互相比对，验证是否通过CBR-V法所获取的CBRmax就是三档料掺配后所能达到的最大值。

(4)对以上试验所获取的CBRmax可能存在范围内的掺配比例进行重新验证试验，验证试验的正确性。

3 正交试验及结果分析

首先开展L16(43)试验。其中3为因数即三档料10～20mm、5～10mm和3～5mm；4为试验水平，表3按10～20mm掺配量为20%、40%、60%和80%，5～10mm对应的为80%、60%、40%和20%，3～5mm对应的为5%、10%、15%和20%。然后按三档料掺配后的和为100%进行处理，得到不同掺配比例的十六组掺配比例。然后进行CBR试验，测定CBR5.0，试验结果见表3。

表3 L16(43)掺配试验及结果

表3是按CBR5.0降序排列的。表3表明，CBR5.0大于60的掺配比例，10～20mm的掺配量在55%～73%；5～10mm的掺配比例相对10～20mm的要小很多，在17%～38%范围内；而3～5mm掺配比例的规律不是很明显。可见对于已经确定的一组档料来讲，档料粒径最大的档料，对CBRmax影响最大，粒径次一级的，影响也次一级。

加密试验水平，再开展一组L16(43)试验。改变试验水平，10～20mm掺配量按30%、50%、70%和90%，5～10mm对应的为90%、70%、50%和30%，3～5mm不变。然后按三档料掺配后的和为100%进行处理，得到不同掺配比例的十六组掺配比例。然后进行CBR试验，测定CBR5.0，试验结果见表4。

表4 L16(43)掺配试验及结果

表4是按CBR5.0降序排列的。表4表明，规律与表3相同，但具体数值变化较大。CBR由原来的最大65，跳到了最大70； 10～20mm的掺配量由原来的55%～73%，跳到了58%～82%；5～10mm的掺配比例对于表3下降了，由原来17%～38%下降到9%～27%范围内；而3～5mm掺配比例的规律性仍然不是很明显。

综合分析表3和表4的试验结果，CBRmax应存在于10～20mm掺配量在55%～82%之间，取其中间值大概在68.5%附近；5～10mm掺配量在9%～38%之间，同样取中间值为23.5%，可能会在23.5%附近出现；3～5mm的掺配量不好确定，但按照100%总量推算，约在8%附近，估计可能不超过8%。

表3和表4显示，最大的CBR5.0为70，那么是否CBRmax等于70呢？不好说。因为两个试验加起来掺配料的间隔在10%左右，虽然有一定的涵盖性，但也是所有可分比例中的“九牛一毛”，不足以窥全豹。因此只能说可能是70，或者已经逼近CBRmax了。同时从组成比例来看，形成抗剪强度的主要是最大一档料10～20mm，其次是5～10mm，再其次是3～5mm。

4 CBR-V法骨架嵌挤试验及分析

4.1 一级掺配

10～20mm与5～10mm不同掺配比例时CBR5.0的试验结果见表5和图1所示。

表5 10～20mm与5～10mm不同掺配比例时CBR5.0试验结果

图1 10～20mm与5～10mm不同掺配比例时CBR5.0试验结果

分析表5和图1，可知10～20mm档料与档料5～10mm不同掺配比例时，CBR5.0试验结果有两个凸起的卡点。卡点1在档料10～20mm掺量为65%处，在档料5～10mm掺量为35%处，记作卡点(65/35)；卡点2在档料10～20mm掺量的35%处，在档料5～10mm掺量的65%处，记作卡点(35/65)；卡点1的CBR5.0为71，卡点2的CBR5.0为55.2。按照CBR5.0越大骨架最强的理念，若要所设计的混合料骨架最强，则本案例应只选取CBR5.0=71所对应的掺配比例，但作为研究，为扩大研究范围，了解其内在的规律和事实，本次试验将卡点2也纳入了选取范围，从另一个方面证明上一级CBR的较大值，其对应比例的合档料与次一级档料掺配后仍是较大值，具有传递性。

4.2 二级掺配

4.2.1 (65/35)二级掺配

由表6和图2可知，卡点(65/35)获取的CBRmax为75.3，对应的各档料的比例由表7知为10～20mm：5～10mm：3～5mm=62%：34%：4%。

表6 5～20mm与3～5mm不同掺配比例时CBR5.0试验结果

表7 表6三档料表示的CBR5.0试验结果

图2 5～20mm与3～5mm不同掺配比例时CBR5.0试验结果

4.2.2 (35/65)二级掺配

由表8和图3可知，卡点(35/65)获取的CBRmax为63.2，对应的各档料的比例由表9知为10～20mm：5～10mm：3～5mm=32%：59%：10%。通过试验，分析卡点(65/35)和卡点(35/65)获取的不同CBRmax，两者之间差别是比较大的。一级掺配时卡点1和卡点2间的CBR分别为71和55.2，差值为15.8，相差约22.3%；二级掺配后卡点1和卡点2间的最大CBR分别为75.3和63.2，差值为11.8，相差约16%，差值有所减小，但差值仍然比较大。这说明CBRmax确实具有传递性，CBR-V法选取每级CBRmax作为衡量矿质集料骨架强度思路是正确的。

表8 5～20mm与3～5mm不同掺配比例时CBR5.0试验结果

表9 表8三档料表示的CBR5.0试验结果

图3 5～20mm与3～5mm不同掺配比例时CBR5.0试验结果

合并表7和表9，结果见表10。

表10 合并表7和表9的结果

由表10可知，通过CBR-V法获取得CBRmax为75.3，相比正交试验设计方法获取得70有一定的提高，虽然无法肯定地说75.3就是最大值CBRmax，但可以推断，通过CBR-V法获取的最大值更接近CBRmax，并可以代表CBRmax，进而可以认为就是CBRmax。

5 正交设计与 CBR-V法试验结果对比分析

将正交设计试验结果CBR5.0大于60以上的值和CBR-V法设计试验结果CBR5.0大于60以上的值合并整理并排序，成果见表11。从表11可知，排名前三位的均为CBR-V法所获取的，其CBR5.0分别为75.3、73.6和73.4，分别大于正交试验设计获取的最大值70的7.6%、5.1%和4.9%，这说明通过CBR-V法获取CBRmax相比正交试验设计来讲，效率更高，工作量更小，最主要的是能找到可能最接近CBRmax的值。可见在获取CBRmax时，CBR-V有不可替代的优势。