基于试件尺度对矿料承载比CBR的影响及其变异性

2022-03-19莫石秀罗立峰张先念

广东公路交通 2022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.广州城市理工学院，广州 510800)

0 引言

CBR-V法(力学-体积法)矿料配合比设计方法的思路是将一个矿质集料配合比设计分为两部分，即骨架部分的力学设计(CBR)和密实部分的体积(V)设计[1-4]。CBR-V矿质集料级配设计法能最大限度地发挥集料的骨架作用，所设计的沥青混合料配合比具有较高的抗剪性能，较高的抗车辙性能和优良的抗推移性能，因此尤其适用于南方湿热地区。

在利用CBR-V矿料级配设计方法进行级配设计时，由于所测CBR的对象是矿质集料，而矿质集料是散体材料，属非连续结构[5-7]，因此如果采用土的承载比(CBR)试验方法直接进行测定CBR值时，所测CBR值的离散性较大，以至于无法使用。为解决CBR试验结果离散性大的问题，薛连旭[8]等人提出了改进试件成型的方式提升CBR试验的稳定性；莫石秀[9]等人通过改变压板重量等措施，研究了对减小CBR测定值的离散性的效果。本文在上述研究的基础上，聚焦于试件的尺度效应，考察试件尺度变化对CBR试验值离散性的影响，为CBR-V矿料级配设计方法的顺利实施打下基础。

1 集料承载比(CBR)试验设备

1.1 路强仪

路强仪试验机为绍兴市成海机械设备有限公司生产的路面材料强度试验仪CH-128B，如图1所示。主要技术指标：

图1 路面材料强度试验仪

(1)试验系统工作电压：AC220V，50Hz。

(2)试验系统最大功耗：50W。

(3)允许最大传感器：200kN。

(4)负荷传感器示值精度：优于±1%，0.01mm。

1.2 试筒

为考察不同尺度的试件对集料承载比(CBR)测定及变异系数的影响，委托路强仪厂家加工直径分别为15.2cm、17cm、19cm、21cm、23cm、27cm，高度为18cm的压力桶。试件高度通过装料高度的不同进行限定，试验中装料高度分别为10cm、11cm、12cm、13cm、14cm、15cm、16cm、17cm、18cm，如图2所示。

图2 试验用加工的试模

1.3 贯入杆

端面直径50mm、长约100mm的金属柱。

1.4 荷载板

直径150mm，中心孔眼直径52mm，每块质量1.25kg，共4块，并沿直径分为两个半圆块。

1.5 压力板

直径148mm，厚20mm，中间刻画直径为50mm的同心圆，以方便贯入杆下压时对中。带耳，方便取放(该配件土工承载比CBR试验中没有，需另行加工)，如图3所示。

图3 压力板(单位：mm)

2 集料承载比(CBR)试验方法

2.1 试样

(1)根据具体试验确定料的数量，之后风干试料(必要时可在50℃烘箱内烘干)，用四分法将取出的试料分成6份，供制作试件之用。

(2)由试筒体积和集料紧密堆积密度反算所用一筒料的重量。

2.2 试验步骤

(1)将试筒放在坚硬的地面上，将备好的料再次掺配均匀，一次性倒入筒内并控制试料表面距试筒顶的距离，整平表面，放入压力板。

(2)将试筒连同试筒中的集料和压力板移动至路强仪，将贯入杆对中压力板的中心施加荷载。根据试验研究：石灰岩的成型压力为10kN，辉绿岩、花岗岩等成型压力为15kN。施加压力可以用路强仪，也可使用其他加载设备。

(3)达到成型压力后，卸载。

(4)取出加力板，换上荷载板,荷载板共4层。

(5)进行贯入试验。先在贯入杆上施加45N荷载，接着将测力和测变形的百分表指针调整至整数，并记读起始读数。然后，加荷使贯入杆以1mm/min的速度压入试件，同时测记三个百分表读数。记录测力计内百分表某些整读数时的贯入量，并注意使贯入量为250×10-2mm时，能有5个以上的读数。

2.3 试验数据处理

(1)贯入量为2.5mm时的材料承载比CBR2.5：

式中：p2.5—贯入量为2.5mm时对应的单位压力(kPa)。

(2)贯入量为5.0mm时的材料承载比CBR5.0：

式中：p5.0—贯入量为5.0mm时对应的单位压力(kPa)。

试验结果应以2.5mm时的承载比作为校核，采用贯入量为5.0mm时的承载比结果。若出现贯入量为2.5mm时的承载比大于5.0mm时的承载比，则本次试验废止，重新补做一次试验。本次试验每组6个试件。在进行试验数据处理时，先将6个试验数据平均，删除和平均值差值最大的两个试验数据，保留4个有效数据；然后按照4个有效数据利用EXCEL表格进行均值(AVERAGE)、无偏差方差(STDEV.S)(n-1)及变异系数(CV)计算整理。

3 原材料

为得到比较有代表性的试验数据，选取了种类和粒径大小不同的三种集料，它们分别为花岗岩19～31.5mm，石灰岩19～26.5mm和辉绿岩16～19mm，前后历时半年，进行了近300次集料承载比(CBR)试验。

3.1 集料(19～31.5mm)

选用万禾石场生产的19～31.5mm花岗岩碎石，其物理参数见表1。

表1 集料(19～31.5mm)花岗岩碎石物理参数

3.2 集料(19～26.5mm)

选用华润水泥(封开)有限公司石场生产的集料(19～26.5mm)石灰岩碎石，其物理参数见表2。

表2 集料(19～26.5mm)石灰岩碎石物理参数

3.3 集料(16～19mm)

选用河源芙蓉石场生产的集料(16～19mm)辉绿岩碎石，其物理参数见表3。

表3 集料(16～19mm)辉绿岩碎石物理参数

4 试验结果与分析

4.1 花岗岩(19～31.5mm)

4.1.1CBR值及变化趋势

不同尺度试件测定花岗岩(19～31.5mm)集料的CBR值及变化趋势见表4和图4所示。

表4 不同尺度试件测定花岗岩(19～31.5mm)集料CBR值(单位：%)

图4 不同尺度试件测定花岗岩(19～31.5mm)集料CBR值的变化趋势

由表4和图4可知，同径不同高度时CBR值的变化规律性不强，变化波动性不大，总体表现为对高度变化的敏感性不强。具体情况为直径小的两个φ15.2cm 和φ17cm表现为先降后升的趋势，变化趋势如凹形抛物线；其余三个表现为先升再降的趋势，呈凸形抛物线。变化波动最大的为φ19cm，最小的为φ23cm，次小的为φ15.2cm，说明φ19cm随高度变化，CBR值变化比较明显，φ23cm随高度变化时CBR值的变化不明显，φ15.2cm处于两者之间。

此外，试桶直径由小到大的变化过程中，CBR值由大逐渐变小。总体来看，试模直径越小，CBR值越大，主要是因为侧压力与CBR成正比的关系所致。当试模直径小时，侧压力较大，导致CBR变大；当试模直径变大时，侧压力变小，表现为CBR比较小。

4.1.2 变异系数(CV)及变化趋势

不同尺度试件测定花岗岩(19～31.5mm)集料CBR值的变异系数(CV)及变化趋势见表5和图5所示。

表5 不同尺度试件测定花岗岩(19～31.5mm)集料CBR值的变异系数(CV)

图5 不同尺度试件测定花岗岩(19～31.5mm)集料CBR值的变异系数变化趋势

由表5和图5可知，同径不同高度时变异系数的变化趋势为φ15.2cm、φ19cm、φ21cm和φ23cm表现为先升后降的变化趋势，其趋势线呈凸形；φ17cm表现为逐渐上升的过程。

根据土的承载比(CBR)试验(T0134—1993)规定的精密度和允许差CV≤12的要求[10]，由表5和图5可知，φ17cm、φ19cm和φ23cm均不能满足这一要求，只有φ15.2cm和φ21cm部分试件高度范围能满足这一要求。能满足精密度和允许差CV≤12要求的是φ15.2cm试件高度小于12cm和φ21cm大于17.6cm的部分。由此也可以看出，花岗岩集料(19～31.5cm)进行CBR试验时，其离散性比较大。分析认为，要提高该档料CBR试验的成活率，应注意控制档料的针片状含量。相关研究表明[11]，针片状含量应控制在10%以内。

4.2 石灰岩(19～26.5mm)

4.2.1CBR值及变化趋势

不同尺度试件测定石灰岩(19～26.5mm)集料的CBR值及变化趋势见表6和图6所示。

表6 不同尺度试件测定石灰岩(19～26.5mm)集料CBR值(单位：%)

图6 不同尺度试件测定石灰岩(19～26.5mm)集料CBR值的变化趋势

由表6和图6可知，同径不同高度时CBR值的变化规律性不强，对高度变化的敏感性不强，基本平顺。同径不同高度时的CBR变化波动最大的为φ21cm，最小的为φ15.2cm，次小的为φ19cm，说明φ21cm随高度变化，CBR值变化比较明显，φ23cm随高度变化时CBR值的变化不明显。试桶直径由小到大变化过程中，CBR值由大逐渐变小。总体来看，试模直径越小，CBR值越大，这一规律和花岗岩碎石(19～31.5mm)CBR试验一致。

4.2.2 变异系数(CV)及变化趋势

不同尺度试件测定石灰岩(19～26.5mm)集料CBR值的变异系数(CV)及变化趋势见表7和图7所示。

表7 不同尺度试件测定石灰岩(19～26.5mm)集料CBR值的变异系数(CV)

图7 不同尺度试件测定石灰岩(19～26.5mm)集料CBR值的变异系数变化趋势

由表7和图7可知，同径不同高度时变异系数变化趋势为φ17cm、φ21cm和φ23cm表现为先降后升的变化趋势，其趋势线为凹形；φ15.2cm和φ17cm变异系数表现为先升后降的趋势，其趋势线呈凸形。

根据土的承载比(CBR)试验(T0134—1993)规定的精密度和允许差CV≤12的要求；φ15.2cm在10～18cm试验高度范围内均满足要求，φ17cm在11～16cm试验高度范围内满足要求，φ19cm在大于15cm高度范围内满足要求，其它φ21cm和φ23cm全部试验高度及其它部分均不能满足这一要求。

相比花岗岩碎石(19～31.5mm)CBR试验，满足精密度和允许差CV≤12要求的范围已得到较大提升，这当然与材料本身有关，但大概率应该主要是因为集料的粒径减小所致。由此可见，当集料最大粒径由31.5mm下降到26.5mm时，CBR试验的稳定性会得到较大的提高，说明CBR试验对集料粒径的敏感性较高，也表明新近颁布的行业规范，趋向于降低集料粒径大小的思路是正确的。集料的粒径适当降低后，减少了混合料的离析，从而大幅度提升混合料的施工质量。

4.3 辉绿岩(16～19mm)

4.3.1CBR值及变化趋势

不同尺度试件测定辉绿岩(16～19mm)集料的CBR值及变化趋势见表8和图8所示。

表8 不同尺度试件测定辉绿岩(16～19mm)集料CBR值(单位：%)

图8 不同尺度试件测定辉绿岩(16～19mm)集料CBR值的变化趋势

由表8和图8可知，同径不同高度时CBR值变化规律性不强，波动性不大，基本平顺。同径不同高度时的CBR随试模直径的增大而减小且规律性明显。总的规律同花岗岩碎石(19～31.5mm)和石灰岩碎石(19～26.5mm)。

4.3.2 变异系数(CV)及变化趋势

不同尺度试件测定辉绿岩(16～19mm)集料CBR值的变异系数(CV)及变化趋势见表9和图9所示。

表9 不同尺度试件测定辉绿岩(16～19mm)集料CBR值的变异系数(CV)

图9 不同尺度试件测定辉绿岩(16～19mm)集料CBR值的变异系数变化趋势

由表9和图9可知，同径不同高度时变异系数变化有波动但不明显。不同径同高度时的变化有波动也不明显。

变异系数对试件高度和直径的变化不敏感，说明该种料对试件尺度的敏感性下降了，不同于花岗岩(19～31.5mm)和石灰岩(19～26.5mm)。

根据土的承载比(CBR)试验(T0134—1993)规定的精密度和允许差CV≤12的要求，各尺度试件试验均满足要求。

进一步分析以上数据，该档料(16～19mm)辉绿岩集料在不同尺度试件测定集料承载比(CBR)时变异系数如此稳定，应与该料的粒径大小、针片状含量有关。可以预测当档料小于20mm、针片状含量小于10%时，测定集料承载比(CBR)时，变异系数较小，易满足承载比(CBR)试验(T0134—1993)规定的精密度和允许差CV≤12的要求。