（道路与铁道工程专业论文）城市主干道级配碎石材料组成分析与应用研究.pdf

摘要 随着半刚性基层沥青路面结构在高等级公路中的广泛应用以及对其研究的加 深，其缺陷逐渐被研究者认识，大量的使用情况调查表明，反射裂缝是半刚性基 层沥青路面的主要病害，是造成高速公路沥青路面早期病害发生的重要原因。而 级配碎石基层具有良好的排水及消除反射裂缝功能，随着对其性能的进一步认识， 级配碎石基层沥青路面结构将会成为我国高等级公路路面结构多样化发展的重要 结构之一，基于这一背景，论文就级配碎石性能及应用进行了研究。 本论文首先研究了级配碎石的基本性能及其影响因素，分析级配碎石材料技 术指标，研究级配的影响因素，不同成型方法下不同级配的级配碎石力学性能， 提出应优选振动成型法，考虑最大粒径和级配组成选出最佳级配。接着采用均匀 设计法研究各档粗集料对级配及骨架间隙率的影响。采用贝雷法对级配进行检验 研究，确定最佳级配。 其次，研究了级配碎石基层沥青路面结构的设计方法，对级配碎石基层沥青 路面力学性能进行分析。通过对国外级配碎石沥青路面设计方法的研究，提出适 合我国的级配碎石沥青路面设计方法。通过b i s a r 程序进行力学计算，分析级配碎 石模量和厚度对路基顶面压应变和路表弯沉的影响。 最后，结合工程实际进行路面结构设计，级配组成设计和施工工艺研究，提 出利用力学性能检测手段结合常规压实度检测手段进行检测控制。提出合理的施 工技术指南。试验路的铺筑成功的解决了中南湿热地区级配碎石施工工艺问题， 为今后的柔性基层推广使用提供支持。 关键词：级配碎石；级配；c b r ；回弹模量；柔性基层 a b s t r a c t t h es e m i - r i g i db a s ea s p h a l tp a v e m e n ti s a p p l i c a t e dw i d e l yi n t h i st i m e ，b u t f o l l o w i n gt h ed e e p e rr e s e a r c ho ft h es t r u c t u r e ，t h ew e a k n e s so ft h i sp a v e m e n ti s r e a l i z e db yr e s e a r c h e rg r a d u a l l y t h ev a s ts u r v e yd a t as h o wt h a tt h er e f l e c t i o nc r a c ki s t h em a i np r o b l e mo ft h es e m i r i g i db a s ea s p h a l tp a v e m e n t ，a l s oi ti st h em a j o rr e a s o n o ft h ed i s e a s ei nt h ee a r l ys t a g eo ft h e a s p h a l tp a v e m e n ti nh i g h w a y f o rt h e s a t i s f a c t o r yp e r f o r m a n c ei nd r a i n a g ea n dr e f l e c t i o nc r a c ke l i m i n a t i o no ft h eg r a d e d c r u s h e da g g r e g a t eb a s ea s p h a l tp a v e m e n t ，a n df o l l o w i n gt h ed e e p e rr e a l i z a t i o no ft h i s p a v e m e n t ，i tw i l lb ea ni m p o r t a n ts t r u c t u r ei nt h ed i v e r s i f i e dd e v e l o p m e n to fh i g h w a y p a v e m e n ti no u rc o u n t r y b a s e do nt h ea b o v em e n t i o n e d ，t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e d t h ep e r f o r m a n c ea n da p p l i c a t i o no ft h eg r a d e db r o k e ns t o n e f i r s t l y ，t h e d i s s e r t a t i o nr e s e a r c ht h eb a s i cp e r f o r m a n c eo fg r a d e dc r u s h e d a g g r e g a t ea n di t si n f l u e n c ef a c t o r ，a n a l y s et h et e c h n i c a ld a t ao ft h em a t e r i a lu s e di n g r a d e dc r u s h e da g g r e g a t e ，r e s e a r c ht h ed i f f e r e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e si nd i f f e r e n t g r a d u a t i o nb yu s i n gd i f f e r e n tm o l d i n gm e t h o d st oc o n f i r mt h ei n f l u e n c ef a c t o ro f g r a d u a t i o na n d a d v a n c et h a tt h eb e s tg r a d u a t i o ns h o u l db em a d eu pi nt h e c o n s i d e r a t i o no fm a x i m u ms i z eo fa g g r e g a t eb yp r i o r i t i z e du s es h a k i n gm o l d i n g m e t h o d t h e n ，r e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo fa l lg r a d e s o fc o a r s e a g g r e g a t e t ot h e p e r c e n t a g eo fv o i d si na g g r e g a t eb yu s i n gu n i f o r md e s i g nm e t h o d ，a n dc o n f i r mt h e b e s tg r a d u a t i o nb yv e r i f y i n gu s et h eb a i l e ym e t h o d s e c o n d l y ，t h ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c ho nt h ed e s i g nm e t h o d sa n da n a l y s i so ft h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fg r a d e dc r u s h e da g g r e g a t ea s p h a l tp a v e m e n t ，a n dr a i s et h e s u i t a b l ed e s i g nm e t h o di no u rc o u n t r y sr e a l i t yb yc o m p a r i n gt h em e t h o d si no t h e r c o u n t r i e s t h e n ，t h ed i s s e r t a t i o na n a l y s et h ei n f l u e n c eo fm o d u l u sa n dd e p t ho fg r a d e d c r u s h e da g g r e g a t et oc o m p r e s s i v es t r a i ni nt h et o ps u r f a c eo fs u b g r a d ea n dp a v e m e n t d e f l e c t i o n a tl a s t ，t h ed i s s e r t a t i o na d v a n c e st h a tt h eq u a l i t yc o n t r o li nt h ec o n s t r u c t i o n s h o u l du s et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sc h e c k i n ga n dg e n e r a ld e g r e eo fc o m p a c t i o n c h e c k i n gc o n s i d e r i n gt h ep a v e m e n ts t r u c t u r e ，g r a d u a t i o nd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n p r o c e s s ，a l s ot h er a t i o n a lc o n s t r u c t i o nm a n u a l t h ec o n s t r u c t e dt e s tr o a ds o l v e dt h e p r o b l e mo fc o n s t r u c t i o np r o c e s si nh o ta n ds t i c k ys o u t hc h i n aa n dp r o v i d e dt h e s u p p o r tt od e v e l o p m e n to ft h ef l e x i b l eb a s ea s p h a l tp a v e m e n t k e yw o r d s ：g r a d e dc r u s h e da g g r e g a t e ；g r a d a t i o n ；c b r ；r e s i l i e n tm o d u l u s ； f l e x i b l eb a s e u 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：劫1 曼 节日期。年，月玎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：衫i 建佛 导师签 日期：沙扣年r 月2 ，日， 一 日期：山1 0 年f 月 1 1 问题的提出 第一章绪论 我国高等级公路的里程随着经济的迅速发展，不断的增加。到2 0 0 9 年底，我 国已经修建完成的高速公路通车总里程达到6 5 3 万公里，这其中半刚性基层沥青 路面是主要的路面结构类型【1 2 1 。据相关统计，我国9 0 以上的高等级公路沥青路 面的基层和底基层均是采用了水泥稳定碎石、二灰稳定碎石等半刚性材料。施工 便捷、使用成本低、材料强度和模量高、板体强度随着龄期的增加而逐渐增长等 众多优良路用性能是上述半刚性基层的突出优点，因而在我国得以很大范围的广 泛应用，在道路建设与经济发展中起到了巨大的推动作用。但是随着长期的使用 和深入的研究，发现我国广泛采用的半刚性基层沥青路面，虽然解决了强度不足 的问题，但半刚性基层沥青路面结构却有其难以避免的缺点： ( 1 ) 沥青面层产生的反射裂缝就是由于半刚性基层容易丌裂所导致，从而严 重影响了沥青路面结构的强度和使用性能。 ( 2 ) 半刚性基层几乎不透水，本身致密的结构使其排水条件差。从沥青面层 渗入的雨水，无法迅速得到排除，就积存在沥青层中或沥青层与基层之间的孔隙 中，直接导致路面早期水损害的发生。 分析产生这些病害的原因：既有包括机械设备不先进，施工水平不高，技术 力量不足，施工管理不善等施工方面的原因；也有工程管理方面的原因；还有路 面材料采用不当和路面结构设计不合理的原因。正因为有这些病害的存在，使得 沥青路面路用性能和使用寿命大幅降低，浪费了资金，造成了国家基础建设不必 要的损失。所以抓好工程管理，提高施工工艺和技术水平以及提高结构设计理论 和水平是改善道路建设的重要环节。 半刚性基层的这些缺陷限制了其更广泛的应用。广大的工程技术人员为解决 路面产生反射裂缝、抗车辙能力不足和路面结构耐久性差等问题，在沥青路面结 构设计和材料组成方面均采取了不少的改进办法，比如：利用沥青改性技术、加 厚沥青面层、添加玻璃纤维格栅、添加沥青混凝土加强筋等措施，但这些措施的 使用效果均很有限，而且使工程的造价大幅增加。因此，对路面建设具有重要意 义的工作就是研究采用何种既经济、又能有效地防止和减少各种病害的措施。 与半刚性基层不同的是，级配碎石基层具有较强的柔性和适应变形的能力， 可以有效地减少路面结构中应力的集中现象，使路面结构受力更均匀；并且各层 间粘结良好，路面整体承载能力提高。欧美各国以及日本在内的多数国家绝大部 分均采用了柔性基层作为沥青路面结构中的一部分；国内众多学者也开始重视柔 性基层的应用研究。作为道路研究工作人员，就要结合气候特点和交通特点深入 研究柔性基层沥青路面的材料与结构组合设计以及施工工艺和技术，并能进行指 导实体工程的研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 关于级配碎石柔性基层沥青路面，我国尽管在设计规范施工中对级配碎石、 级配参数等做出了技术上的要求，但受到路面结构设计指标的影响，至今级配碎 石都很少应用于道路路面建设。针对半刚性基层沥青路面结构早期损坏的特点， 在过去的几年中，国内一些单位开始了对粒料级配碎石基层沥青路面结构的研究， 其中长沙理工大学、长安大学、哈尔滨工业大学、东南大学对粒料柔性基层材料 的室内力学性能开展了较系统的研究，并修建了试验路，对施工工艺、质量控制 和使用性能进行了探索性的研究。但对柔性基层沥青路面结构设计方法、设计指 标以及长期使用性能未能进行系统研究。 从2 0 0 1 年起，交通部公路科学研究院考察了国际上高速公路普遍采用的路面 结构，结合西部课题有关沥青稳定碎石和级配碎石结构设计指标的项目，对柔性 基层、组合式基层沥青路面进行了深入细致的研究。在多个省市的高速公路上铺 筑了不同结构类型的沥青路面试验路，其中包括江苏省沿江高速公路试验路、青 海省平西试验路、山西省祁临高速试验段等，各路面结构形式见表1 1 表1 3 。 表1 1江苏沿江高速公路试验段 ab cd s m a 1 34 c ms m a 1 34 c ms m a 一1 34 c ms m a - 1 34 c m a c - 2 06 c ma c 一2 06 c ma c 一2 06 c ma c 一2 06 c m a c 一2 58 a m a c - 2 58 c ma c - 2 58 c ma c 一2 58 c m a t b - 2 57 c ma t b - 2 57 c ma t b - 2 57 c ma t b - 2 51 8 c m 水稳碎石1 9 a m水稳碎石1 5 c m级配碎石1 5 c ma c - 1 09 c m 水稳碎石1 9 c m水稳碎石1 6 c m水稳碎石1 6 a m级配碎石1 6 c m 二灰土2 0 c m二灰土2 0 a m二灰土2 0 c m二灰土2 0 c m 石灰土路基8 0 c m石灰土路基8 0 c m石灰土路基8 0 c m石灰土路基8 0 c m 2 表1 2山西祁- 临高速公路试验段 abcd a c 1 64 c ms m a 一1 64 c ms m a 1 64 c ms m a - 1 64 c m a c - 2 05 c ma c 一2 06 c ms m a 一2 08 c m a c 一2 08 c m a c - 2 56 c ma c - 2 08 c ma t b 一2 51 2 c ma t b 一2 51 2 c m 水稳碎石3 6 c m级配碎石3 8 c m水稳碎石2 0 c m水稳碎石2 0 c m 石灰稳定土1 6 c m石灰稳定土1 6 c m水泥稳定土2 0 c m石灰稳定土2 0 c m 表1 3 青海西平高速公路试验段 ab c a c - 1 34 c ma c 一1 34 c ma c - 1 34 c m a c - 2 05 c ma c 一2 05 c ma c - 2 05 c m a c - 2 56 c ma c 一2 58 c ma t b - 2 51 2 c m 低强水稳2 0 c m级配碎石1 8 c m级配碎石3 4 c m 水稳砂砾3 0 c m水稳砂砾3 0 c m天然砂砾4 0 c m 各试验路通车后使用情况均表明，柔性基层沥青路面能够显著减少早期裂缝 数量，车辙也并没有因为沥青混合料层厚度的增加以及级配碎石层的介入而增大， 且柔性基层具有良好的抗水损害性能。 东南大学的何兆益通过不同级配组成的试验结果比较研究，得到了力学性能 较好的级配和成型方法。通过试验路的观测和室内试验对比分析对级配碎石进行 了分析研究【3 1 。考虑了级配碎石的非线性特性，分别对其进行了静三轴和动三轴 的试验。提出了级配碎石层的合理厚度，并对级配碎石层限制反射裂缝的原理以 及级配碎石的施工技术方法进行了初步的探讨。 哈尔滨工业大学的曹建新通过对主骨架粗集料、细集料以及混合料的c b r 值、回弹模量与永久变形的对比分析研究，就级配碎石基层材料的组成结构和动 力特性进行了研究【4 】。得出级配组成结构是影响级配碎石物理力学性质的决定性 因素，而组成结构的形成是级配组成与施工工艺综合作用的产生结果。通过不同 试验方法的对比，得出具有较高强度和较好性能的优质级配以及成型方式。 长安大学的莫石秀的论文对关键性筛孔通过率，最大粒径以及最佳幂指数a 值进行了推荐。对多年冻土地区级配碎石集料各个粒径的变化对c b r 值的影响， 最大干密度的影响因素，动态回弹模量及抗剪强度等进行了研究【5 1 。分析了剪切 试验中剪切速率对各项指标的影响情况。从渗水性、导热性、抗冻性三个方面分 析了级配碎石的稳定性性能。提出了多年冻土地区级配碎石的设计参考方案。 东南大学的袁峻建立的级配碎石动弹模量随应力状态而变化的非线性模型是 建立在三轴试验的基础上，并对级配碎石回弹模量的各影响因素以及它们的影响 趋势进行了分析评价【6 】。同时还对我国级配碎石基层的设计提出了结构设计参数。 从以上的国内研究现状可以知道，虽然试验路的观测结果均表明级配碎石层 具有有效防止反射裂缝的作用，但对级配碎石的设计原则和级配组成设计方法研 究的并不多，对级配碎石这类无粘结粒料的施工方法控制与质量体系控制均未提 出要求。因此对于选取级配设计方法，结构设计参数以及对其影响因素的分析等 问题还有待进一步的研究。 1 2 2 国外研究现状 根据美国沥青协会( a i ) 研究的结论，半刚性基层沥青路面的一些弱点可以通 过沥青稳定碎石基层和级配碎石基层克服，解决了半刚性基层沥青路面早期严重 破坏的问题，由于沥青稳定碎石的模量与沥青面层接近、沥青稳定碎石基层与沥 青面层的层间粘结效果好等优点，国际上普遍采用沥青稳定碎石、级配碎石等柔 性基层n s 】，有利于提高路面受力的协调性，延长路面使用寿命。 欧美各国以及日本在内的大多数国家的高速公路路面结构中绝大部分采用了 柔性基层【吼1 2 。在国外，经过长期的应用和研究，己经具有了较为完备的理论基础 和丰富的设计施工经验，技术日趋完善和成熟。 在2 0 世纪6 0 年代以前，美国和英国等国家就进行了沥青路面的足尺试验研 究，比较了不同基层类型对路面性能的影响，研究的基层类型包括贫混凝土基层、 沥青混凝土基层、级配碎石基层、开级配沥青碎石基层和泥胶结砂基层，结果发 现碾压沥青混凝土基层的路用性能最好，级配碎石和泥胶结砂的路用性能最差。 6 0 年代，英国修筑了几条分别是采用贫混凝土基层、湿拌碎石基层、水泥稳 定土基层、沥青稳定碎石基层和渣油碎石基层的试验路，通过对试验路几十年的 开裂和变形观测以及各项试验研究，结果表明：较其他类型基层，沥青稳定碎石 基层表现出更好的使用性能和经济效益。因此，在英国所采用的最为广泛的基层 类型就是沥青稳定碎石基层。 7 0 年代，全厚式沥青路面结构引入了德国。研究结果表明，采用全厚式沥青 路面的公路，可以获得更加优良的路面使用性能。加拿大和美国在同一时期也进 行了大量的试验和应用研究，结果也证明：沥青稳定碎石基层与沥青混凝土面层 的结构层系数最为接近，并大大高于级配碎石基层、无机结合料基层、热沥青砂 基层的结构系数。 8 0 年代，欧美各国将研究重点转向对长寿命沥青路面的研究，为满足未来更 4 大的交通量和轴重不断增加的需求， 层的一种全厚式沥青路面结构类型， 4 0 一5 0 年。 以沥青混凝土柔性抗疲劳作为沥青路面的基 从而将原来的路面设计寿命2 0 年，提高到 进入9 0 年代以后，原有的沥青路面结构随着交通量的迅速增长，已经不能满 足路面的长期使用需求，各国都进行长寿命沥青路面的研究。在英国，原来2 0 年的设计使用寿命已经无法满足交通量的飞速增长的需要，随后也展丌了长寿命 道路的研究。研究的主要内容包括： ( 1 ) 车辙调查 通过对5 1 条道路的车辙情况进行调查发现，当沥青层厚度小于1 8 c m 时，随 着沥青层厚度的增加车辙量会显著增加，但当沥青层厚度超过1 8 c m 后，增加沥青 层厚度对车辙影响不大。对4 5 条密级配沥青碎石基层路面道路的调查发现，当沥 青面层与沥青碎石基层的总厚度在1 8 3 6 c m 之间时，沥青层厚度对车辙率的影响 不明显；热碾压的沥青碎石基层路面的车辙率与水泥稳定基层路面相近；对于较 厚的沥青层道路，车辙的大部分主要发生在沥青层的表面。 ( 2 ) 疲劳调查 在主要的结构层上没有检测到任何疲劳开裂和疲劳损坏，这表明影响沥青稳 定基层剩余寿命的主要因素不是交通量等级；残余寿命差别9 0 以上是由于沥青 的用量和沥青硬度的不同而引起的；疲劳寿命差异的主要影响因素是沥青的老化。 ( 3 ) 推荐典型结构 在准备好的土基上铺筑三层，上层为2 3 c m 的磨耗层、中层为2 0 4 0 c m 的 高模量沥青稳定基层、下层为一定厚度的底基层。这样可以保证路面不会出现基 层的疲劳丌裂，保证了路面的长久使用性能。 美国沥青协会的研究人员认为全厚式沥青路面以及将高强沥青混凝土铺筑在 级配碎石上可以增加路面的疲劳寿命，并将路面可能的破坏限制在沥青路面的表 层。j i mh u d d l e s t o n 等人根据对长寿命路面性能的分析，提出了长寿命路面的设 计概念。这种路面结构的优点是能够应付未来更大的交通量和轴重的增加，在表 面开裂后只需更新磨耗层而保持其下各层的永久性。 b i g l 与b e r g ( 1 9 9 6 ) 对试验路路面级配碎石基层选用的四种不同级配组成结 构，分别进行了不同含水量下冻结和融化状态的动二轴试验，还有不同含水状态 下的水力学特性、冻敏感性试验，在开展寒区道路路面工程试验研究中，分析了 级配碎石含水量、密实度、材料级配组成对其特性的影响和在冻融过程中的特性 变化1 1 3 1 。 对于级配碎石的动弹模量，m u s h a r r a fa n dz a m a n ，s f b r o w n ，g o n z a l o r a d a ， v i n c e n t c j a n o o 和j o h nj b a y e 等进行了大量的研究，并得到了级配碎石非线性 特性的表达式和参数取值范围 1 4 1 7 1 ：但是，这些研究由于试验条件与试验设备的不 同，还有材料、级配、试件尺寸以及成型方式的差异，而导致他们所得出的结果 变化较大。 国外沥青路面结构主要有以下特点： 1 ) 绝大部分国家路面基层都采用沥青稳定粒料，稳定细粒土( 水泥土、石灰 土) 只用作底基层，有的国家只用做路基改善层。 2 ) 使用广泛的结合料是水泥和沥青，石灰使用的比较少，此外还有使用低活 性慢凝材料和工业废渣，如粉煤灰粒状矿渣粉等。例如法国采用矿渣稳定沙砾， 石灰粉煤灰稳定沙砾和火山狄稳定沙砾。 3 ) 许多国家用沥青稳定碎石做基层的上层，而且用沥青做结合料的结构层的 总厚度( 面层+ 基层的上层) 常大于2 0 c m 。 1 3 研究的目的和内容及技术路线 1 3 1 研究思路 从泰波公式不同的幂指数n 值和最大粒径选取不同级配研究其最大干密度和 c b r 值，采用均匀设计法考虑不同粒径含量对级配碎石粗集料骨架组成规律的影 响进行了深入研究。通过级配碎石的体积参数和力学性能找到合理的级配，结合 c b r 值和孔隙率评价是否合理，最后推荐最佳目标级配。 1 3 2 研究方案 本研究通过室内试验及理论分析研究，对级配碎石基层进行系统的分析和研 究，为级配碎石用于沥青路面结构提供可靠的技术支持。主要研究内容包括： 选出三个合适的幂指数n 值和两个最大公称粒径，对正交初选出来的共6 个 级配进行最佳干密度和c b r 研究，结合干密度和c b r 选择出最佳级配。 采用均匀设计法，对粗集料进行组配，检测每种组合粗集料的骨架间隙率， 找出几种关键筛孔集料对填充性的影响程度，以判别每级集料对矿料级配的影响 程度。运用贝雷法进行检验。 结合国内外级配碎石基层设计方法，分析级配碎石基层沥青路面结构力学性 能，得出一定的控制指标。 通过大量的调查和室内外试验及软件分析，结合试验路设计，施工，检测工 作，提出适合中南湿热地区城市道路的级配碎石基层的主要质量控制指标要求， 并为指导级配碎石柔性基层应用提供参考。 6 2 1 概述 第二章级配碎石基本性能研究 级配碎石是由几种不同粒径的碎石按一定比例和石屑掺配伴制而成的混合 料，其模量与强度相对于一般稳定性基层差一些，碎石颗粒之间的嵌挤力和碎石 颗粒本身的强度是级配碎石基层强度的主要结构构成。所以，对级配碎石基层的 应用和研究，提高级配碎石的强度和稳定性，就是主要通过控制高质量碎石的生 产，设计高密度的良好级配的获得和优秀的施工压实技术来实现。使用的集料的 材料性能复杂，相关控制因素如下： ( 1 ) 粗颗粒的性能：与原材料的矿物学性质、地质特性和岩类学性质有关，如 硬度，表面摩擦力和污染程度。 ( 2 ) 生产的集料特性：主要与生产方法控制有关，如颗粒大小形状及其分布情 况，细料塑性等。 ( 3 ) 压实成型的特性：与施工压实方法有关，如含水量、密度和颗粒的分布。 ( 4 ) 边界条件：与外部因素有关，如温度湿度情况，在边界的约束，这些因素 决定了道路短期养护和长期使用的特性。 下面分别对各种相关因素对级配碎石的材料性能的影响进行说明。 2 2 级配碎石材料的基本力学性能及其影响因素 2 2 1 强度 包括抗压强度和抗剪强度。抗压强度是指材料在无侧向约束状态下未达到剪 切破坏时的弹性变化能力，即所能承受的最大压力。级配碎石的剪切强度是指材 料抵抗剪切应力的能力。影响级配碎石材料强度的因素r s 】有： ( 1 ) 材料粒径或者级配组成：当具有相似的级配曲线和相同的细料比例的时 候，随着最大粒径的增大材料的强度也增大。当通过粗颗粒传递荷载时，粗颗粒 之间的接触点很少，使整体变形减小从而获得较大的强度。 ( 2 ) 颗粒表面纹理( 摩擦和粗糙程度) 和形状：粗糙的颗粒表面能产生较大 的强度，在固定的孔隙率下，颗粒的形状以及表面纹理构造是会影响无粘结材料 的剪切强度。轧制的有棱角的以及破碎面多的颗粒与未轧制的棱角光滑的颗粒相 比能够提供较好的荷载分步特性和更高的强度。轧制的砾石比轧制的石灰岩要更 好。通常认为棱角光滑以及光滑表面的河砂性能较差，而具有棱角和表面粗糙的 轧制岩石抗剪切性能较好。 7 ( 3 ) 细料含量及细料的塑性：通常大颗粒之间的嵌挤会因细料含量过多而被 阻止，但是细料含量过少则会使密度减小。细集料的粘性或塑性会影响集料间的 吸引力，这些因素从而同样影响到混合料的强度，特别是当粘结颗粒的吸力为主 要应力时。在这一情况下，较高的细料含量和细料的较高粘性将会产生较高的吸 力，从而获得较高的强度。然而，当吸力相对于周围的应力很小时，较高的细料 含量和高粘性的细料会导致混合料的强度减小，是由于上述的颗粒太小以及起到 润滑的作用。当细集料的含量控制在1 0 左右时，材料组成相对比较稳定。材料 的剪切强度会因细料塑性含量大而降低。当细料含量小于8 时，则材料的剪切强 度受细料的塑性的影响作用不大。但是，材料的剪切强度在细料含量大的时候， 随着细料塑性变大就会减小。 ( 4 ) 含水量和密度：含水量的少量增加会稍微的减少颗粒之间的摩擦力，但 同时却会增加颗粒之间的毛细吸引力。然而，在湿润程度较高的时候，会产生较 高的孔隙压力( 或者是较低的有效应力) ，如果排水以及渗透能力较差，则抗压强 度就会降低，这样也会导致剪切强度的降低。 材料最高的稳定性以及最大强度是在最大密度时具有。材料的剪切强度随着 密度的增加以及含水量的减小而增加。当密度增加的时候，材料的刚度也在增加。 为了扩散从路面传来的应力和应变，并将其传至下面的结构层，道路应该具有足 够的刚度同时保证下面各层不会出现较大的变形。因此在施工的时候压实层的特 性( 例如密度，含水量和颗粒的排列方向) 对材料的强度影响很大，应控制含水 量和密度。 2 2 2 变形 永久变形是指在施加一段时间的应力后卸载时，压实的混合料材料的体积产 生的不可恢复的变形。其影响因素有如下几点： ( 1 ) 颗粒形状和级配：笔者认为，当不同的材料压实成相同的密度时，具有 棱角的材料与棱角光滑的材料相比永久变形要小。具有最佳级配指数的级配对于 给定的压实功，所产生的永久变形较小。 ( 2 ) 细料含量：在应力远低于剪切强度时细料含量对永久变形的影响不大。 但在应力接近于剪切强度附近时则影响较大。永久变形在细集料的含量超过一定 范围的界限值( 依材料而定) 时，就会增加。这说明粗集料颗粒之间的嵌锁会受 到细料含量过大的阻止。 ( 3 ) 密度和含水量：在一定范围内，永久变形随着密度的增加显著减小。永 久变形在含水量低的情况下相对比较小。 2 2 4 耐久性和稳定性 耐久性与材料在长期风化和重复荷载下性能的变化有关，它是指材料抵抗风 8 化和磨耗的能力。不改变颗粒大小和形状，可增强材料的耐久性以确保材料不会 发生显著的破坏，并在道路的施工时期内和使用过程中控制细料含量过多和塑性 增加的情况出现。 由于季节含水量的变化引起的压实土壤的体积发生变化的性能称之为体积稳 定性。这主要是因为含水量的改变通常会导致材料部分收缩或者膨胀，进而引起 整体中相邻的不同层次发生破坏，因此应加以严格控制。影响体积稳定性最主要 的因素就是细料的含量和品质。 从以上研究可以看出，影响级配碎石层基本性能的主要因素是集料的内在性 质以及不同生产工艺产生的材料特性，材料的级配形成规律以及施工中压实的特 性等。所以，为了获得到性能优良的级配碎石基层，就应该对上述几个方面分别 进行控制，提出严格的标准。 2 3 级配碎石原材料性能试验及技术指标 2 3 1 碎石材料技术指标要求 对于无结合料粘结的级配碎石基层，其强度形成主要源于碎石本身强度和颗 粒之间的嵌挤作用。高质量的碎石材料，良好的级配，精细施工，是级配碎石集 料之间均匀嵌挤、密实，结构层总体上具有良好的路用性能的基础，其原材料应 从以下几个方面保证质量。 ( 1 ) 级配碎石集料强度 对于碎石材料的强度要求，我国交通运输部2 0 0 6 年颁布的公路沥青路面设 计规范( j t gd 5 0 - 2 0 0 6 ) 规定，用于高速公路、一级公路基层的级配碎石集料压 碎值不大于2 6 ，底基层不大于3 0 我国对于压碎值特别重视，但其他国家都采用磨耗值来评定集料的抗破碎能 力，洛杉矶磨耗值可反映施工荷载和车轮荷载作用下集料抵抗相互摩擦、碰撞等 的剪切破碎情况，因此也应作为一项重要的技术指标。 ( 2 ) 级配碎石集料形状、纹理构造 在相同的级配组成和密实度的条件下，采用富有棱角且表面粗糙、纹理丰富 的轧制碎石比采用表面光滑的砾石具有更高的c b r 值，因而应采用e l n 集料。我 国公路沥青路面设计规范( j t gd 5 0 2 0 0 6 ) 规定，碎石中针片状总颗粒含量不 超过2 0 ，碎石中不应有粘土块、植物等有害杂质。 ( 3 ) 级配碎石集料的液限( w 。) 和塑性指数( i ，) 集料中小于0 5 m m 含量及其塑性指数对级配碎石性质的影响较明显，随着塑 性指数增大，级配集料承载比急剧下降。国外最先由美国和欧洲国家针对冰冻地 区规定，液限一般小于2 8 ，塑性指数小于6 。但近些年来，对用做沥青路面基 9 层的级配碎石的塑性指数要求更为严格，有的国家规定基层级配集料的塑性指数 不大于3 或4 ，文献 1 8 】研究表明，无塑性的级配碎石其c b r 值及其抗永久变形能 力远好于有塑性者。 用不同塑性指数的相同级配的集料，在最佳含水量下用重型击实成型法制成 试件u 9 1 ，测得c b r 值与塑性指数的关系图，如图2 1 图2 1 塑性指数对级配碎石c b r 值的影响 我国规范公路沥青路面设计规范( j t gd 5 0 2 0 0 6 ) 中规定液限小于2 8 0 5 ， 塑性指数小于9 ，建议 2 0 1 用于湿热地区的级配碎石基层，其液限小于2 5 0 5 ，塑性指 数小于6 ，最好没有。 ( 4 ) 级配碎石集料的砂当量( s e ) 砂当量是指细集料中所含的粘性土或杂质的含量，用来评定集料的洁净程度。 公式是： s e = h 2 h ! 木1 0 0 ( 2 1 ) 式中：s e ：砂当量， h i ：试筒中絮状物和沉淀物的总高度， h 2 ：试筒中用活塞测定的集料沉淀物的高度 实践表明，级配碎石的质量，关键在于材料的质量、级配和洁净度。长期以 来制约级配碎石在我国应用的最主要因素是级配碎石的质量较差。其中碎石混合 料中含有泥土是最大的影响因素，关于这一点，我国有很多教训。砂当量的大小 直接影响集料的品质，我国没有具体要求，但是砂当量也应作为一项技术指标要 来检验材料的质量。 2 3 2 原材料性能试验结果 本试验采用的原材料主要为望城坪塘石灰岩碎石集料，根据集料试验规程对 1 0 原材料的检验结果如表2 1 ，试验结果表明原材料满足公路沥青路面设计规范 ( j t gd 5 0 2 0 0 6 ) 对级配碎石基层材料技术指标的有关规定。 表2 1 碎石集料物理力学性能试验结果 液限 塑性 压碎值磨耗值坚固性砂当量 针片状表观 技术指标 指数含量相对 ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( ) 密度 2 0 3 0 m m1 8 57 32 7 1 7 5 2 0 m m2 0 92 2 82 181o 22 7 2 3 0 5 m m16 31 92 8 68 6 52 7 3 2 技术要求 2 862 64 01 24 5l5 2 4 级配的影响因素 级配是影响级配碎石强度与刚度最重要的因素。一般来说，连续密级配易于 获得高密度，从而使级配碎石获得高的c b r 值、回弹模量及抗永久变形能力。影 响级配的因素主要有级配类型、最大粒径及集料中通过4 7 5 m m 、0 6 m m 、o 0 7 5 m m 的含量等。 2 4 1 级配类型 级配类型对级配碎石密实度、强度和透水性有重要影响，密实集料粒径分布 常用f u l e r t a l b o l 公式表示： p x = 1 0 0 ”2 ， 式中：p x 一一通过某一粒径d ，的集料百分率( ) ； 口凇一一集料最大粒径( m m ) ； d ，一一拟求筛孔径； n - - - - 指数。 公式2 - 2 表明除d m 。外，指数n 是影响粒径分布的重要因素。 2 4 2 最大粒径 国外用的较多的级配碎石最大粒径为2 5 m m ，3 7 5 m m ，4 0 m m ，5 0 m m 等，功 能往往好于小粒径的级配碎石。我国通常有两种最大粒径的使用，即2 6 5 m m 和 3 1 5 m m ，本文也从这两种粒径进行研究。 243 小于0 0 7 5 r a m 含量 一些研究口】认为， o0 7 5 m m 含量为8 - l o 的级配碎石密实度最大，而c b r 值则以6 一8 为最大。c h a r l e sr m a r e k 研究认为稳定性以4 - 5 为最大，且通 过47 5 r a m 含量为3 9 ，11 9 r a m 为1 6 左右的缴配碎石功能较好。 本文采用n 取o4 5 - 0 5 5 ，最大粒径取3 i 5 和2 6 5 ，同时采用国内规范公路 路面基层施工技术规范( j t j 0 3 4 2 0 0 0 ) 级配进行对比。研究各级配的含水量和干 密度关系发对c b r 的影响。级配曲线及各筛孔通过率如图22 和表22 所示。 表22 各种级配集料通过蚌孔百分率情况 各筛孔通过率( ) n 值级配 3 l52 651 91 61 3 29547 523 611 806o3 0 1 500 7 5 3 15 a1 0 09 267 967 366 775 824 263 l22 271 691 22 9 16 6 7 04 5 2 65 a1 0 08 627 987 326 31 4 623 362 481 8l1349670 3 15 b1 0 09 187 767 l26 465 483 892 75 1 931 39996848 05 2 65 b1 0 08 467 787 075 984 232 992 ll1 5l 1 067652 3 15 c 1 0 09 087 576 886 2 15 183 542 421 65l l2785537 o5 5 2 65 c1 0 08 347 596 835 683 892 65l801 2 6 875942 规范1 0 09 2l8 8 27 7 l6 314 202 7 l1 821 408 15032 图22 级配曲线图 2 5 成型方法对级配碎石力学性能的影响 2 5 1 级配碎石成型方法 实验室成型无粘结材料试件的方法【：z 】通常有以下五种：静压成型、击实成型、 振动成型、揉搓压实成型、剪切旋转压实成型。 重型击实成型采用直径1 5 2 c m x 高1 2 c m 试筒分三层击实，每层击实9 8 次。 振动成型法仍采用重型击实法相同试筒，将其固定于振动台上，振动台频率为 6 0 h z ，振幅2 m m ，以模拟路上实际压实情况。压块施加压力为1 3 8 k p a ，分三层 振实，每次振动时间为5 m i n 。 不同成型方法下最大干密度和最佳含水量的确定根据上述各种成型方式优缺 点的介绍以及现有的试验条件，本研究分别用击实法和振动法成型试件。 2 5 2 级配碎石最佳含水量和最大干密度 对于最大粒径为3 1 5 m m 的三个级配材料的含水量与干密度在不同成型方式 下的关系，可通过表2 3 和图2 3 ，2 4 ，2 5 表示。 表2 3 两种成型方式干密度对比 方法 击实成型振动成型 级叭 含水量干密度g c m 3 含水量干密度g c m 3 2 82 3 0 53 91 9 9 8 3 82 3 5 85 o2 3 5 5 级配a 4 82 4 135 92 3 7 9 ( 细) 5 82 4 2 l6 52 3 7 5 6 82 3 6 77 42 13 5 2 72 2 6 53 52 0 9 8 3 72 3 4 44 72 3 1 6 级配b 4 72 3 9 55 02 3 9 9 ( 中) 5 62 4 0 l5 22 3 8 7 5 7 2 3 3 0 6 o2 3 5 9 1 82 1 2 52 01 9 3 5 2 42 17 3 2 5 2 0 0 2 级配c 3 22 2 3 93 32 0 6 9 ( 粗) 4 02 9 4 43 82 1 2 5 5 0 2 1 9 94 52 0 16 1 3 图2 3 级配a 两种成型方式下的密度曲线 图2 4 级配b 两种成型方式下的密度曲线 图2 5 级配c 两种成型方式下的密度曲线 研究发现最大粒径为2 6 5 m m 的级配也具有与上图相似的密度走势。不同级配 不同成型方式下的最佳含水量和最大干密度如表2 4 所示： 1 4 表2 4 最大干密度和最佳含水量 击实成型振动成型 级配类型 干密度 含水量 干密度含水量 3 1 5 c 粗 2 2 4 63 42 1 2 83 5 3 1 5 b 中2 4134 9 2 4 0 8 5 2 3 1 5 a 细 2 4 2 15 52 3 8 75 7 2 6 5 c 粗 2 2 0 24 32 12 64 5 2 6 5 b 中2 3 8 4 5 o2 3 7 65 2 2 6 5 a 细 2 4 3 75 3