（材料学专业论文）级配碎石的级配与模量研究.pdf

摘要 论文通过对级配碎石的物理指标的分析，提出了级配碎石的原材料检验指标，研究 了不同的成型方法时不同级配的级配碎石的力学性能，得到了影响级配碎石性能的主要 因素，保证级配碎石基层的物理力学性能。 系统的总结和研究了级配碎石的级配设计方法，包括连续级配，间断级配，折断级 配，并通过c b r 试验将其与现有各类级配进行比较，为材料级配设计提供合理的设计 参数。 级配碎石模量与其应力状态有关，动三轴试验是研究级配碎石回弹模量最有效的方 法。本文总结了各种级配碎石回弹特性模型，通过不同级配动三轴试验，得到了级配碎 石不同级配的回弹模量模型。 通过铺筑试验路，研究了级配碎石基层的施工工艺，并通过对试验路的观测和分析， 提出了合理施工和检验施工质量的程序。对级配碎石的封层做了研究，提出了合理的封 层结构。 关键词：级配碎石，非线性，动三轴试验，模量，c b r a b s t r a c t o nt h eb a s eo ff o r m e rs t u d yc o n c l u s i o n ，i ts u g g e s t sp h y s i c si n d e xo fu n b o u n da g g r e g a t e a n di ta n a l y z e st h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fu n b o u n da g g r e g a t ei nd i f f e r e n ts h a p i n gm o d e s t h ef a c t o r si n f e c tm e c h a n i s mo fu n b o u n da g g r e g a t ea ref o u n d a sar e s u l t ，i ts u g g e s t s r e a s o n a b l eg r a d a t i o n ，w h i c hc a ns t r u c t u r eh i g h q u a l i t yu n b o u n da g g r e g a t eu p p e rb a s e s y s t e m a t i cs u m m a r ya n dr e s e a r c h o fg r a v e l g r a d i n gd e s i g nm e t h o d s ，i n c l u d i n g c o n t i n u o u sg r a d a t i o n ，d i s c o n t i n u o u sg r a d a t i o n ，b r e a k d o w ng r a d a t i o n ，c b rt e s ta n dp a s s e di t w i t ht h ev a r i o u se x i s t i n gg r a d a t i o nc o m p a r e dt om a t e r i a lg r a d i n gd e s i g nt op r o v i d er e a s o n a b l e d e s i g np a r a m e t e r s r e s i l i e n tm o d u l u sr e f l e c t st h ec h a n g eo fs t r e s s r e p e a t e dd y n a m i cl o a dt r i a x i a lt e s ti st h e b e s tm e t h o dw h i c hc a nb eu s e dt os t u d yc h a r a c t e r i s t i c so fr e s i l i e n tm o d u l u so fu n b o u i l d a g g r e g a t e t h r o u g hd i f f e r e n tg r a d a t i o nt r i a x i a lt e s tw a sg r a d e dg r a v e ld i f f e r e n tg r a d a t i o no f r e s i l i e n tm o d u l u sm o d e l p a v i n gt h er o a dt h r o u g ht h ep i l o ts t u d y t h et h i c ku n b o u n da g g r e g a t eb a s ec o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y , a n dt h r o u g ht r i a lr o a do b s e r v a t i o na n da n a l y s i s ，c o n s t r u c t i o no fa r e a s o n a b l e q u a l i t yo fc o n s t r u c t i o na n dt e s t i n gp r o c e d u r e s g r a d i n go fg r a n i t eu n b o u n da g g r e g a t eb a s ea s ar e s u l to ft h er e s e a r c h ，t h er a t i o n a ls t r u c t u r eo ft h ec l o s u r e k e yw o r d s ： u n b o u n da g g r e g a t eb a s e ；n o n l i n e a r ；r e p e a t e dd y n a m i cl o a dt r i a x i a lt e s t ； m o d u l u s ；c b r 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 刻星 护口7 年6 月亿日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 多1 7 屋 叻 年易月屋日 导师签名： 铭本棚年 jl 长安大学硕十学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 2 0 世纪9 0 年代后，半刚性基层沥青路面几乎成为我国新建高等级公路唯一的可选 结构。相应的半刚性基层沥青路面设计规范、施工规范日趋完善，施工单位的施工机械、 施工技术比以前有了较大的进步，半刚性材料在“强基薄面 的思想上发展，成为我国 沥青结构的主要形式。 但是多年来的实践表明u 2 1 ，半刚性基层沥青路面结构也暴露出一些不容忽视的缺陷 和不足： 1 我国路面设计主要以弯沉作为承载能力设计指标，基层强度要求不断提高，至使 容许弯沉值不断减少，而半刚性基层强度过高，会导致半刚性基层干缩和温缩特性形成 沥青路面反射裂缝。 2 半刚性基层排水性能差，沥青面层空隙与裂缝渗入的雨水滞留于半刚性基层顶 面，无法排出的水在车辆荷载的反复作用下形成动水压力，造成基层冲刷，唧浆，降低 了沥青与半刚性基层之间的连接状态，从而加速路面结构的破坏。 这些缺陷和不足成为路面结构早期破坏原因之一。对于材料自身性质引起的破坏可 以通过半刚性基层材料的合理组成设计解决，如调整结合料用量和比例，增加粗骨料含 量并严格设计级配，以此尽可能减少温缩和干缩变形，增加半刚性材料的抗裂性能；在 施工方面，可以通过合格的压实工艺以达到合适的压实度等措施来解决。但这些措施不 能从根本上解决半刚性基层沥青路面的破坏，因此，应该从路面结构本身提出有效防止 和减少裂缝的合理结构。 级配碎石作为松散粒料结构，不传递拉应力，拉应变。作为基层材料时，处于三向 受压状态，如图1 1 所示，这些结构上的特点以及特殊的受力状态使得级配碎石层能充 分吸收其下层裂缝释放的应变能，从而达到抑止裂缝的效果。 第一章绪论 交通方向 7 图1 1 级配碎石三向受力状态 级配碎石用于路面中的不同位置，取决于气候条件，交通组成，以及各国的经济条 件和使用经验。一般而言，在路面中使用级配碎石粒料层有三种方法f 2 】： 1 在轻交通道路上用在薄沥青基层下。几乎所有的国家都采用这种结构，此时， 级配碎石粒料层较厚，成为主要承重层。 2 在中、重交通道路上用在厚沥青层下。这种情况下沥青层往往较厚。此时又有 两种方式：一种是要求采用较厚的级配碎石粒料层直接放在面层下做基层，厚度相对较 厚，另一种是在面层下设置一定厚度的沥青稳定碎石基层，在其下再采用一定厚度的级 配碎石粒料层作为底基层，此结构沥青层更厚，而级配碎石粒料层相对较薄。第二种结 构已经成为目前国外大部分国家中、重交通道路上最主要的结构形式，如美国的高强度 厚沥青路面，英国的长寿命沥青路面。 3 也有一些国家将级配碎石用在沥青层和半刚性层之间，作应力消散层( s t r e s s d i f f u s i o nl a y e r ) ，以减轻半刚性路面的反射开裂，称为倒装结构( i n v e r t e ds t u c t u r e ) ，在 我国称为半刚性碎石过渡层沥青路面结构，此时级配碎石被称为上基层。 开展级配碎石基层的研究、应用，可以丰富我国沥青路面的结构形式，同时也是适 应我国地域辽阔、气候、水文地址等自然条件各异，以及各地矿产资源、经济水平和交 通量差别较大的现状的需要。通过在半刚性基层与沥青层之间设置一定厚度的级配碎石 层可以有效改善路面的反射裂缝问题，在适当的条件下使用这种结构可以提高路面的长 久性能，有较好的经济性。 1 2 国内研究现状 我国在“七五 期间铺筑过一些倒装结构的沥青路面试验段，如京石高速公路河 2 长安大学硕士学位论文 北正定试验路段的改性沥青应力吸收膜上基层及级配碎石基层防裂对比研究，西安试验 路级配碎石基层防裂对比研究，沪宁高速公路无锡试验路级配碎石基层防裂对比研究。 研究表明级配碎石能有效防止反射裂缝。但针对级配碎石材料本身的力学特性研究不够 全面、系统，对级配碎石的稳定性研究较少，而且一些试验路没有在多雨潮湿地区铺筑， 没有发挥出级配碎石的排水性的优点，致使此种结构并没有在工程中得到推广应用。“八 五 攻关报告指出级配碎石基层适合在累计轴次小于5 0 0 万以下的道路使用，这基本上 限制了级配碎石作为柔性基层在沥青路面在高等级道路上的应用。 东南大学的何兆益博士通过试验路的观测以及室内试验对级配碎石进行了分析研 究p 】。通过不同级配的试验结果对比，得到力学性能良好的级配以及成型方法。考虑了 级配碎石的非线性特性，对其分别进行了动三轴和静三轴的试验。提出级配碎石半刚性 基层的合理厚度，并对级配碎石层控制反射裂缝的原因以及施工方法进行了初步的探 讨。 哈尔滨大学的曹建新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 j 。通 过对主骨架、细集料以及混合料的c b r 值、回弹模量值与永久变形的对比研究，得出 组成结构是影响物理力学性质的决定性因素，而组成结构的形成是级配与工艺综合作用 的结果。通过不同试验的对比，得出具有较高强度的优质级配以及成型方式。 北京公路研究所采用弹塑性有限元法，分析了不同模量、不同厚度的级配碎石对沥 青面层，半刚性基层层底应力影响，不同模量、不同厚度的半刚性基层对沥青面层，半 刚性基层层底应力影响，从而提出合理的级配碎石模量、厚度。提出了a i 体系级配碎 石设计参数建。 长安大学莫石秀对多年冻土地区级配碎石最大干密度的影响因素，单个粒径变化对 c b r 值的影响，动态回弹模量、抗剪强度及稳定性进行了研究【5 1 。论文推荐了关键性筛 孔通过率，最大粒径以及最佳n 值。分析了剪切速率对剪切试验各项指标的影响。从渗 水、导热性能、抗冻三方面分析了级配碎石稳定性。提出了多年冻土地区级配碎石设计 方案。 长安大学徐鸥明研究分析了粒料的室内振动压实试验方法以及影响粒料c b r 值的 因素，为了评价粒料的嵌挤强度，还进行了室内大型直接剪切试验【6 1 。在结合室内研究 和试验路研究的基础上，推荐了适合牧区道路粒料基层的材料选择参数及配合比设计。 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防止反射 裂缝的作用，但对级配碎石的设计原则和级配设计方法研究的并不多，对级配碎石这类 3 第一章绪论 松散级料的施工方法与质量控制均未提出要求。因此对于级配设计方法，结构设计参数 的选取以及影响因素的分析等问题还有待进一步的研究。 1 3 国外研究现状1 4 , 7 ，8 驯 无结合料处治粒料在国外是一种应用极为普遍的筑路材料，至今仍广泛用于国外柔 性路面的基层和底基层，用于基层的常为较优质的碎石层。级配碎石作为半刚性基层与 沥青面层之间的中间层尚不多见，但在美国、澳大利亚及南非作为减少沥青路面反射裂 缝措施仍获得较多利用，且效果较好。 作为一种上基层，级配碎石材料研究的重点应为级配及其动弹性模量依赖应力状态 而变化的非线性模型。然而，由于级配碎石在国外用得较多的是作柔性路面下基层( 面 层和主要承重基层为沥青混凝土) ，因此对级配碎石级配要求不严，通常采用a a s h o 、 a s t m 等标准，这些标准范围较宽，并不一定适合作为优质级配碎石级配标准，以获得 高密实、高刚度而又具有良好透水性的优质级配碎石。 国外在过去和现有的道路设计方法中，对于无粘结粒状材料的强度特性采取保守的 观点。通常将柔性道路作为弹性层状体系放置在均匀的半无限空间体上进行分析。在公 路、城市道路路面及机场道面中使用的粒料类基层材料通常呈现出弹塑性以及粘性性 质，即其应力应变关系通常不是线性关系而是非线性关系，因此其回弹模量不是常 数，而是依赖于材料的应力状态。土基和粒料基层材料在路面结构中的实际回弹模量值， 随汽车荷载大小、路面结构层及厚度和下卧层刚度而异。柔性道路中无粘结粒料层的力 学性能对于整个道路结构中的结构整体性是很重要的。因此对于薄面层的柔性道路应考 虑无粘结粒状材料的非线性。为了说明无粘结粒状材料的非线性，通常将粒状材料分成 几层以调节回弹模量在交通和荷载的作用下沿深度应力改变而发生的变化。现今的分层 确定模量的方法有很多，这些方法都各不相同。多层层状弹性方法可以说明竖直应力的 变化，但不能有效的解释侧向或水平方向应力的变化。 对于粒状材料的本构模型理论归纳起来，有两大类：一是弹性非线性模型理论。它 以弹性理论为基础，在各微小的荷载增量范围内，把土体看作弹性材料，从一个荷载增 量变化到另一个荷载增量，土体的弹性常数发生变化，以考虑非线性；二是弹塑性模型 理论，认为土体的变形包括弹性和塑性变形两部分，把弹性理论和塑性理论结合起来建 立本构模型。根据道路上行车荷载的特点及路面的变形特性和路面设计方法上的习惯， 柔性路面结构非线性分析可采用弹性非线性模型理论来建立反映路面材料模量的本构 4 长安大学硕士学位论文 模型。 各向异性是粒料材料的重要特性。各向异性被定义为在各向同性应力状况下轴向 应变和径向应变之间的比值。各向异性是粒状材料内在的物理特性，主要是由于材料的 沉降或者排列引起的。应力引起的各向异性发生在土壤颗粒应变过程中。o d a 和s u d d o 发现应力引起的各向异性主要由于塑性变形。这样就可以用重复荷载三轴仪器测量粒状 材料的回弹各向异性特性，通过循环单元压力简化。 用简单的规律来定义粒状材料的各向异性很困难。各向异性可能是由于很多因素引 起的，例如矿物类型，颗粒材料，密度和级配。研究表明粗粒径材料比细粒径材料对各 向异性更加敏感。粒料层压实的结果即竖向刚度比水平方向的要高。换句话说，对于各 向同性的试验环境下，粒状层的水平方向变形要比竖向的大。对于道路工程来说，内在 的各向异性可定义为由于压实和重力引起的粒状材料的内在物理特性。 各向异性的影响对于疲劳设计可能并不重要，因为考虑各向同性和各向异性材料的 特性计算的道路年限则相差1 0 。这样，使用各向异性会导致超设计问题。在任何各向 异性荷载作用下粒状材料的各向异性更加显著，但测得的各向异性对偏应力荷载施加的 次数并不敏感。因此对于道路分析需要定义粒状材料的方向性这一力学性能，例如使用 2 个杨氏模量和两个泊松比。 1 4 主要研究内容 综合前述分析，不难看出，本文旨在通过级配碎石的力学性能找到合理的级配，以 及级配碎石基层半刚性夹层沥青路面的施工工艺以及合理设计方法，提出一系列研究成 果及重要建议，供规范完善、补充以及实际工程应用时作为参考。 为达到上述目标，论文从室内外试验和理论分析两方面展开以下工作： 使用弹性层状体系程序对半刚性基层设置级配碎石后应力的变化进行分析，确定了 设计的控制指标。 对级配碎石材料设计方法进行研究，选取级配，在不同的成型方法下对其力学特性 进行比较，以确定优质级配的范围，以及级配碎石的物理技术指标，得到高质量的级配 碎石材料。 对优质级配碎石进行动三轴试验研究，建立级配碎石动弹性模量依赖应力状态而变 化的非线性模型，对不同岩性和级配的级配碎石进行比较并评价。 施工工艺研究及质量检测方法，级配碎石封层的研究。 5 第一章绪论 通过比较国内外级配碎石层的设计方法，吸取别人的经验，提出我国级配碎石基层 的结构设计流程和级配选择流程。 6 长安大学硕士学位论文 2 。l 概述 第二章级配碎石材料的基本技术性质分析 级配碎石的强度、模量较一般结合料稳定基层低，从结构强度形成上看，碎石基层 强度主要来源于碎石颗粒本身的强度以及碎石颗粒之间的嵌挤力。因此，级配碎石基层 的良好应用，主要在于通过取得高质量的碎石，获得骨架密实结构的良好级配，良好的 施工压实手段来提高级配碎石的强度和稳定性，以降低行车作用下的变形和塑性变形。 使用中的粒状材料的性能是很复杂的。它是由许多相关的因素控制的。 ( 1 ) 粗颗粒的内在特性例如：硬度，表面摩擦力和污染程度；它们通常与获得材料 的原材料的地质特性、矿物学性质和岩类学性质有关。 ( 2 ) 生产的集料的特性，例如：颗粒形状和大小，大小分布，细料含量，细料塑性 等等，它们主要与将原材料生产成适合道路施工材料的生产控制方法有关。 ( 3 ) 压实层的特性，例如：密度、含水量和颗粒的分布；它们与施工或者压实方法 有关。 ( 4 ) 边界条件，例如湿度范围，施加在边界的应力和变形。它们与外部因素有关， 这些因素确定了道路短期和长期的特性。 下面就各种相关的因素对级配碎石材料性能的影响进行介绍。 2 2 级配碎石的基本性质及影响因素1 4 6 l 2 2 1 强度 强度主要被定义为材料在被施加应力但未达到剪切破坏时的弹性变化。级配碎石的 强度主要由两方面组成，一个是石料之间的嵌挤力和摩擦力，还有就是细料的微结后， 强度会提高，影响粒状材料强度的主要因素有： ( 1 ) 颗粒的大小：许多研究人员认为粒状材料的强度随着最大粒径的增大而增大， 特别是具有相同数量的细料和相似的级配曲线的时候。对于给定的限制范围，较大的粒 径能够提供较大的强度，这主要由于颗粒之间的接触比较少。当荷载通过粗颗粒传递时， 颗粒之间的接触点少，整体变形小因此有较大的刚度。 ( 2 ) 颗粒的粗糙程度以及形状：颗粒粗糙程度以及形状对刚度的影响并不十分明确。 许多研究人员认为粗糙的颗粒表面将会产生较大的刚度。并且轧制有棱角的以及破碎面 7 第二章级配碎石材料的基本技术性质分析 多的颗粒与为轧制棱角光滑的颗粒相比能够提供更高的刚度以及较好的荷载分布特性。 然而，一些研究人员却认为为轧制的砾石要比轧制的石灰岩要好。 ( 3 ) 细料含量以及细料的塑性：具有粘性和塑性的细料对吸力有影响，因此可以假 设强度同样受到这些因素的影响。特别是当吸力为粘结颗粒的主要应力时( 例如在没有 限制或者低围压的状况下以及，或者干燥的情况下) 。在这一情况下，较高细料含量和较 高粘性的细料将会导致较高的嵌挤，因此，有较高的强度。然而，当相对于周围应力， 吸力很小的时候( 例如在浸润的情况下) ，较高的细料含量和较高粘度的细料会由于上 述颗粒大小以及润滑作用导致强度减小。 ( 4 ) 密度以及含水量：压实层的特性( 例如密度，含水量和颗粒的排列方向) 对材 料的刚度影响很大。当密度增加的时候，材料的刚度也在增加。在湿润程度较高的时候， 如果排水以及渗透能力较差，则强度也会降低。 道路应该具有足够的强度度以扩散从路面传来的应力和应变并将其传至下面的路 层，同时保证下面的各层不会出现较大的变形。 2 2 2 塑性变形 塑性变形又叫累积残余变形是指压实材料的体积在施加一段时间应力后卸载，产生 的不可恢复的变形。在反复荷载作用下，当累计残余变形达到一定值时，路面会产生沉 陷和车辙，这也是沥青混凝土路面出现损坏的情况之一。路面的这种残余变形，是路基 和路面个结构层发生塑性变形的综合，其中影响级配碎石塑性变形影响的因素有： ( 1 ) 颗粒形状：一些研究人员认为，当不同的材料压实成相同的密度，具有棱角的 材料与棱焦光滑的材料相比永久变形要小。 ( 2 ) 级配。 ( 3 ) 细料含量：当细料的含量超过一界限值( 8 - - - 1 2 ，依材料而定) ，永久变形 将会增加。在弹性区域( 应力远低于剪切强度) 细料含量对永久变形的影响不大，但在 破坏区域附近则影响很大。这说明细料含量过大会阻止大粒径颗粒之间的嵌锁。 ( 4 ) 密度和含水量：随着密度的增加，塑性变形显著的减小。在低含水量的情况下 永久变形相对比较小。 级配碎石材料对结构总变形的抵抗能力分为两部分：1 骨架之间的嵌挤会阻止结构 总变形发生的趋势，所以结构中最大粒径越大，嵌挤的作用越明显，总变形会越小；2 细集料的加入也会阻止结构总变形发生的趋势，细集料的填充会使结构更为紧密，减少 8 长安大学硕士学位论文 了颗粒在空隙之间发生位移的可能性。 2 2 3 剪切强度 粒状材料的剪切强度可以被定义为材料抵抗剪切应力的能力。影响剪切强度的因素 有： ( 1 ) 颗粒形状和表面纹理( 摩擦和粗糙程度) ：在固定的孔隙度下，颗粒的形状以及 表面纹理将会影响无粘结材料的剪切强度。通常认为具有棱角和表面粗糙的轧制岩石抗 剪切性能较好，相比较而言，棱角光滑以及光滑表面的河砂则性能较差。 ( 2 ) 细料的百分含量以及细料的塑性：通常，细料含量过多将阻止大颗粒之间的嵌 锁，而细料含量过少则会减少密度。当细料含量在8 和1 2 之间的时候，材料比较稳 定。细料塑性含量大则会降低材料的剪切强度。当细料含量比较少( 小于8 ) 时，则 细料的塑性对于材料的剪切强度影响不大。然而，当细料含量大的时候，细料塑性变大 时就会减小材料的剪切强度。 ( 3 ) 颗粒大小或者级配：通常认为材料在最大密度时具有最大的稳定性以及强度。 ( 4 ) 密度和含水量：随密度的增加以及含水量的减小材料的剪切强度增加。含水量 的少量增加会微小的减少颗粒之间的摩擦力，但同时也会增加颗粒之间的毛细吸引力。 然而，浸润的程度较高会产生较高的孔隙压力( 或者时较低的有效应力) ，这样就会导 致较低的剪切强度。因此在施工时应控制目标密度以及含水量。 2 2 4 耐久性和体积稳定性 耐久性即为材料抵抗磨耗和风化的能力，它与材料在重复荷载和长期风化下性能的 变化有关。限制耐久性可确保材料不会显著的破坏，颗粒大小和形状不受改变，并在道 路的施工和使用时期内控制出现细料增加和塑性增加的情况。 体积稳定性是指压实土壤的体积由于含水量的改变而变化的性能。这主要由于季节 含水量的变化引起的。含水量的变形通常会导致收缩或者膨胀，进而引起相邻层次的破 坏，因此应加以控制。细料的含量和质量是影响体积稳定性最主要的因素。 2 2 5 小结 从以上的分析可以看出，集料的内在性质和不同生产工艺产生的特性，材料形成的 级配以及压实的特性是影响级配碎石层基本性能的主要因素。因此为了得到性能良好的 级配碎石层，应对上述几个方面分别提出严格的标准进行控制。 9 第二章级配碎石材料的基本技术性质分析 2 3 材料的物理技术指标 对于集料的内在性质和生产工艺的控制通常使用材料的物理技术指标进行评定。评 定材料物理性质的标准一般有： ( 1 ) 原材料质量( 颗粒强度，硬度和耐久性) ，例如洛杉基磨耗值，华盛顿分解值， 百分之十细料值，不佳石料含量( u s ) 以及不佳边角料含量( t o t ) ( 2 ) 颗粒大小和形状，例如针片度指数( f i ) ( 3 ) 细料性能，例如液限( l l ) ，线性收缩( l s ) ，塑性指数( p i ) ，吸水量( w a ) 。 对于我国的控制指标可参照国外的控制指标以及国内的试验条件确定。 2 3 1 材料的选取 实践表明，级配碎石的成败与否，关键在于材料的质量、配比和洁净度。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。成渝高速公路开挖发现基层有 数量不少的泥土和风化页岩，在水的作用下，严重影响其嵌挤作用而丧失承载能力，集 料颗粒容易发生相对位移，路面出现车辙和网裂。 级配碎石包括级配砾石、级配碎砾石和级配碎石。作为半刚性基层与沥青面层的中 间层，由于受较大的应力作用，应采用高质量的轧制级配碎石。不同的材料类型其性能 也会有一定的差异。爱尔兰根据3 0 年无粘结材料使用经验表明，石灰岩是所有作为级 配碎石材料中最好的。分析其原因有以下三点：石灰岩容易轧制成四方形形状，容易达 到级配要求，同时其细颗粒中碳酸盐含量较高在拌和中和水一起对粗集料起到胶结料的 作用。而对于粗砂岩、变质岩等材料由于针片状颗粒含量较多在施工中容易离析，施工 中难压实成密实状态，在行车作用下会产生较大的瞬时变形，因此建议施工时采用轧制 的石灰岩作为级配碎石层的材料。 2 3 2 材料强度 美国a a s h t om 1 4 7 6 5 ( 1 9 9 5 ) 以及其他一些国家的规范对强度的评定通常采用洛 杉基磨耗值，一般规定磨耗值不应超过5 0 。我国的公路路面基层施工技术规范j t j 0 3 4 - - 2 0 0 0 规定高速公路和一级公路基层的级配碎石集料压碎值 2 6 。因此本课题采用沥 青路面用粗集料压碎值试验( t 0 3 1 6 - - 2 0 0 0 ) 评定集料的性能。 2 3 3 集料形状、构造 1 0 长安大学硕士学位论文 富有棱角及表面纹理丰富的轧制碎石，在相同级配及密实度下通常比光滑表面的圆 颗粒具有更好的力学性能，因而应采用轧制集料，通常国外的规范，例如加拿大采用 4 7 5 r a m 筛上破裂面作为控制指标，并要求不超过5 0 。我国则规定针片状集料含量应 不超过2 0 。本课题采用沥青路面用粗集料针片状颗粒含量试验( 游标卡尺法) ( t 0 3 1 2 - - 2 0 0 0 ) 测定集料。 2 3 4 液限、塑限指数 集料塑性指数对级配集料承载比的影响非常明显，随着塑性指数增大，级配集料承 载比急剧下降，当大于1 5 后，承载比变化已不太明显。为此，应严格限制级配碎石重 o 5 m m 含量及其塑性指数，a a s h t o 及a s t m 均规定其液限应 2 5 ，塑性指数4 - - , 6 。我国规范j t j 0 3 4 - - 2 0 0 0 规定液限 2 8 ，塑性指数 6 。当材料的塑性较高的时 候，应限制其细料的含量。 砂和石屑的含量对级配碎石影响也较大，有些工程由于石屑的塑性指数较大，为了 降低塑性指数，采用掺加砂的方法降低细料的塑性指数，而一般研究表明，级配碎石中 加入砂会起润滑作用，不利于集料间形成嵌挤稳定的骨架，而且砂中0 0 7 5 以下部分胶 结作用差，在重型击实试验脱模时发现完全采用石屑的试件基本能够成型，而完全采用 机制砂的试件基本不能完整成型。 2 3 5 级配碎石的排水性能 级配碎石与半刚性材料相比，具有一定的渗水性能，级配碎石的这种性能是保持其 耐久性的必要条件，如果级配碎石的水不能很好的排出，会促进面层沥青混合料的剥离 和级配碎石基层本身强度的下降。 下表2 1 给出的常见材料的渗水系数k 的一些情况，表中的数据说明了各种材料的 渗水系数的数量级。 表2 1 一般情况下常见材料的渗水系数k 材料类型渗水系数( c r n s e c ) 级配碎石 ( 1 0 0 0 - 、, 1 0 0 ) x1 0 5 未筛分碎石5 0 1 0 一5 破碎砾石 0 0 7 4 m m 通过率5 5 0 0 x1 0 5 第二章级配碎石材料的基本技术性质分析 0 0 7 4 m m 通过率1 0 5 0 1 0 5 0 0 7 4 m m 通过率1 5 5 1 0 5 粘土小于0 0 1 1 0 5 一般认为渗水系数k 小于1 0 7 为不渗，1 0 - 7 - - 1 0 _ 2 为微渗水，大于1 0 - 2 为强渗水， 级配碎石渗水系数大多为1 0 - 2 - 1 0 。3 ，因此属于微渗。 级配碎石的密实性，c b r 强度与渗水性具有不一致性，即为了提高路面强度，必须 选择很密实的级配，以获得最大的干密度，而太密实又不利于级配碎石材料的现场渗水， 不利于结构的耐久性。因此，需要平衡两者的关系。一般认为( 参考资料) 提高材料的 渗水可以通过降低0 0 7 5 m m 的通过率来实现，在潮湿地区应该考虑材料的渗水性能， 可以适当降低材料0 0 7 5 的通过率，但是不能过分强调材料的渗水而导致级配碎石的空 隙率太大，强度太低；而在干旱地区主要考虑结构强度，0 0 7 5 r a m 的通过率应该尽量取 高值。 设置级配碎石过渡层的一个明显优势就是级配碎石可以有效排水，从而起到路面排 水基层的作用，这一功能对于进一步改善高等级公路路面使用品质，延长使用寿命极为 重要。同时，必须注意在路面结构设计时，应该充分考虑路面结构排水设计，使得路表 水下渗到基层，通过级配碎石向路面两侧排出结构以外，因此一般要求采用满铺级配碎 石，不宜采用硬路肩，以防水被封住无法排出。 2 4 小结 国外的各规范级配碎石基层，底基层材料类型和技术要求见下表2 2 所示： 表2 2国外各规范级配碎石技术要求 国家或部门液限塑指磨耗值 砂当量耐久性 安定性 材料类型要求及其它 细料，即4 7 5 m m 以下料应 该是天然砂或人工砂和细 f h w a2 5 5 0 3 5 1 2 矿料颗粒。粗集料破裂面不 小于5 0 。 基层2 5 43 5 9 5 m m 以上料至少7 5 ， a s t m 颗粒必须具有2 个或2 个以 底层2 5 6 3 0 上的破裂面 1 2 长安人学硕士学位论文 基层 2 5 o 基层为质量较好的碎石、碎 矿渣 英国 底层 2 5 0 - - 6 基层 2 0 3 05 0 法国集料较硬，级配碎石主 要采用两种材料，即粗砂岩 法国 和砂质砂砾。不同的交通量 底层 2 5 4 05 0其材料要求不同，同时还规 定了微型狄法尔耗值。 南非 4 - - - , 6 基层 2 8 6 - 9压碎值：按交通等级2 6 、3 0 、3 5 中国压碎值按交通等级 底层 2 8 6 - - 9压碎值：按交通等级3 0 、3 5 、4 0 通过国内外控制指标的比较，可以看出我国的规范控制试验虽然简单，但也能很好 的反映材料的基本性能。因此，建议材料的物理指标如表2 3 所示，以这些控制指标来 确保材料的稳定性。 表2 3 建议级配碎石物理指标 指标试验规程取值 粗集料含泥量t 0 31 0 一2 0 0 5小于8 集料压碎值t0 3 1 6 2 0 0 0小于2 6 洛杉矶磨耗值t0 3 1 7 2 0 0 0 小于3 5 针片状指数 t0 3 1 2 2 0 0 0 小于2 0 4 7 5 r a m 筛上破裂面 t0 3 4 6 2 0 0 0 小于5 0 砂当量t0 3 3 4 1 9 9 4大于4 5 液限t 0 1 1 8 9 3 小于2 5 塑限t 0 1 1 8 9 3小于4 安定性 t 0 31 4 - - 2 0 0 0 小于1 2 渗水系数 t 0 9 7 1 9 5 大于5 0 1 0 。 1 3 第三章级配碎石的级配研究 3 1 概述 第三章级配碎石的级配研究 级配是影响级配碎石强度与刚度最重要的因素。一般来说，密实的级配易于获得高 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。通常获得较为密 实级配，并使之有较好透水性的级配，即是我们所寻求的最佳级配。国内有关级配碎石 级配设计主要有以下两种方法：连续级配的设计方法以及参考体积设计法设计沥青混合 料而引入的填充系数法设计级配碎石混合物。但由于理论模型与实际情况有差距，仅根 据这些理论并不能设计出性能良好的级配碎石。需要将理论与实践相结合得到所需的级 配。 通常认为影响级配的因素主要有最大粒径，公称粒径及集料中通过4 0 0 4 筛( 5 m m ) 、 4 0 # 筛( o 5 m m ) 和2 0 0 # 筛( o 0 7 4 r a m ) 含量等。 集料的粒径越大，则强度越高，但工艺性较差( 如易离析，不易整平，对拌和设备 磨损较大等) 。对基层级配碎石，最大粒径通常为4 0 - - - - 5 0 r a m 。试验表明，最大粒径为3 7 5 m m 时，c b r 值最大；最大粒径为5 0 m m 时，可获得最大干密度。级配碎石最大粒径，应综合 考虑对级配碎石性能的影响，确保施工中不离析，以及具体材料、气候条件确定。 在本试验中选取最大粒径为3 1 5 m m 和2 6 5 m m 的级配进行研究，各国相应的级配控 制指标见表3 1 和表3 2 。 表3 1 最大粒径为3 1 5 m m 的级配范围 日本法国加拿大 1 9 m m 通过率( ) 7 5 9 2 。58 5 1 0 09 0 - l o o 4 7 5 m m 通过率( )3 0 6 53 0 5 33 5 6 0 0 6 m m 通过率( )1 0 3 05 5 2 11 0 5 2 2 0 0 7 5 m m 通过率( ) 2 1 02 1 00 - - 5 1 4 长安大学硕上学位论文 表3 2 最大粒径为2 6 5 m m 的级配范围 加拿大f h w a美国加州 1 9 m m ( )8 0 1 0 09 7 - 1 0 09 0 - - 1 0 0 4 7 5 m m 通过率( ) 5 5 7 03 5 - - 4 73 5 5 5 0 6 m m 通过率( ) 7 2 3 1 2 2 l8 2 5 0 0 7 5 m m 通过率( )0 - - - 54 82 9 按照各国各级控制筛孔的通过率，建议各控制筛的通过率如表3 3 所示。按照表3 3 中取值的上限，下限以及中值，以形成平滑曲线为原则，通过插值确定其它各级筛孔的 通过率。 表3 3 建议控制筛号的通过率 最大粒径( t o o3 1 52 6 5 1 9 r a m 通过率( )8 5 1 0 09 0 - - 9 5 4 7 5 r a m 通过率( ) 3 0 5 53 5 - 5 5 0 6 r m 通过率( )8 2 08 2 0 0 0 7 5 唧通过率( )2 1 02 1 0 目前，集料级配的组成有两个原则，即嵌挤原则和级配原则。所谓嵌挤原则，就是 将骨料颗粒用圆球来代替，以填充理论为基础，研究集料的组成设计。根据数学计算表 明，若只是简单的将一种直径为d 的球体堆积起来，得到的是同样大小球体堆积最松的 状况，空隙率约为4 8 ，在这种情况下再嵌入直径为0 7 3 2 d 的球体，则嵌入后空隙率由 4 8 降为2 7 ：若将一种直径为d 的球体按棱柱体空间堆积，则得到最近同样大小球体最 紧密的排列堆积，空隙率为2 6 ，此时再嵌入直径为0 4 1 4 d 的球体，则嵌入后空隙率由 2 6 将为2 1 。当然我们的集料颗粒并不是理想的圆球体，其主骨料的排列不会处于最松 状态，也很难达到最紧密状态。 所谓级配原则，主要是根据c a g 魏矛斯提出的粒子干涉理论，认为颗粒间的空隙 1 5 第三章级配碎石的级配研究 应由次一级颗粒所填充，其所余空隙又由再次一级的颗粒所填充，但填隙的颗粒不得大 于其间隙的距离，否则将发生干涉现象，就是这种既有填充、又有干涉，而不过分干涉 的大小颗粒之间一定数量的分配的干涉理论为级配原则奠定了理论基础。根据级配原 则，提出了两种级配，即连续级配和间断级配。 3 2 连续级配的组成特点及设计思路1 1 9 i 连续级配是某一矿质混合料在标准筛孔配成的套筛中进行筛析时。所得的级配曲线 平顺圆滑，具有连续的性质，相邻粒径的粒料之间，有一定的比例关系( 按质量计) 。 这种由大到小，逐级粒径都有，并按比例互相搭配组成的矿料混合料，称为连续级配矿 质混合料。 最大密度曲线是通过试验提出的一种理想曲线，w b f u l l e r 和他的同事研究认为： 固体颗粒按粒度大小，有规则的组合排列，粗细搭配，可以得到密度最大，空隙最小的 混合料。初期研究的理想曲线是：细集料以下的颗粒级配为椭圆形曲线，粗集料为与椭 圆曲线相切的直线，由这两部分组成的级配曲线，可以达到最大的密度。这种曲线计算 比较繁杂，后来经过改进，提出简化的抛物线最大密度理想曲线。改理论认为：“矿质 混合料的颗粒级配曲线越接近抛物线，则其密度越大”。最大理论曲线是一种理论的级 配曲线，在实际应用的时候，矿质混合料的级配曲线应该允许在一定范围内波动，所以 目前多采用n 次幂的通用表达如式( 2 1 ) ，这个公式又称为：t a l b o l 公式。 川o o ( 甜 - ) 式中： p各粒级集料的通过率( ) d 最大粒径( m m ) d 各粒级集料粒径( m m ) 刀 常数 诺丁汉( n o t t i n g h a m ) 大学s f b r o w n ( 布朗) 研究认为，当n 取0 3 5 - - 0 4 0 时，集料可获得最大密度及良好的抗永久变形能力。n 值小，集料总的粒径分布是细而 实，反之则粗而密实，且透水性较好。东南大学何兆益研究认为：级配碎石从密实度、 强度、良好透水性及施工综合考虑，以最大粒径为4 0 m m 5 0 m m 为最佳，小于0 6 m m 的 含量1 5 、小于0 0 7 5 m m 的含量为5 一- - 6 的连续级配较好( 针对圆孔筛而言) ，n 取 0 4 5 - - - , 0 5 5 ，以获得较粗、密实且透水性好的优质碎石基层。 1 6 长安大学硕士学位论文 3 3 基于体积设计法的间断级配研究 间断级配是在连续级配中剔除一种或几种粒径而形成一种不连续级配。 3 3 1 体积设计法的设计理念 当前级配设计理论都基于假设：1 假定基本颗粒为规则的球体；2 假定各分级颗粒 粒径都相等。但在实际应用中，存在着理论和实际的差异。因为实际上在高等级道路应 用中，石料都采用碎石，其颗粒形状近似正立方体；各分级粒料也不是均匀等粒径的， 其颗粒粒径在一定范围内连续，这将造成理论与实际的较大差异。 根据上面的分析我们知道，要得到具有良好路用性能的级配碎石混合料必须保证两 个条件：1 主骨架充分嵌挤以形成骨架结构，保证良好的内摩阻力；2 细集料充分填充 主骨架的空隙，使混合料密实。由此产生体积设计法的基本思路：首先，确定设计空隙 率。然后设计主骨架，实测其空隙率；并根据主骨架空隙率以及级配碎石设计空隙率确 定细集料，使细集料体积及设计空隙体积的总和等于主骨架矿料空隙的体积。这样既有 利于主骨料充分嵌挤，又充分利用细料的填充作用。 3 3 2 间断密级配的组成特点及设计思路1 8 1 9 i 1 间断级配介绍 间断级配就是指在矿料颗粒组成中，大小颗粒不是连续存在，而在某一个或某几个 粒径范围内没有或很少矿料颗粒所组成的一种矿质混合料。这种混合料不仅有足够数量 的粗骨料可以形成空间骨架，而且又有必要数量的细料填充于骨架间的空隙，使混合料 有较高的密实度而形成为一种骨架密实结构，其内摩阻力和粘结力均较高，缺点是施工 时易发生离析，施工成本较高。 根据级配碎石混合料的结构强度可知，要得到具有良好路用性能的级配碎石混合料 必须保证两个条件：1 主骨架充分嵌挤以形成骨架结构，以保证良好的内摩阻力。2 细 集料充分填充主骨架的空隙，使混合料密实。 2 基于体积设计法的间断级配设计方法 在进行设计之前，我们对k 法进行介绍： p 工硼o ( 卜筹) 2 ， 1 7 第三章级配碎石的级配研究 p ， 不同粒径d x 时通过率， ( 3 3 ) ( 3 4 ) x 级数 d最大粒径 d ，各级粒径 聆 级数 基于体积设计法的间断级配设计步骤如下： ( 1 ) 分别测定2 6 5 m m ，1 9m m ，1 6m m ，1 3 2m m ，9 5n l l l l ，4 7 5m m ，2 3 6n l l l l ，1 1 8 m m ，0 6r n n l ，0 3r n l l l ，o 1 5m m ，0 0 7 5m l n ， o 0 7 5m m 的毛体积密度p ，其测定方法可参 照有关技术规范。 ( 2 ) 根据不同功能要求确定混合料的设计目标空隙率，孔隙率为1 0 ，1 2 ，1 4 ； ( 3 ) 选取间断点以上第一个筛孔通过率，采用k 法确定主骨料级配，( 如间断 2 3 6 m m ，则取4 7 5 m m 取定的通过率) ；将间断点以上集料换作为一个整体，计算各档 料在其中所占的比例。振动成型，并测定间断点以上集料的振实密度和振实孔隙