（材料学专业论文）级配碎石配合比设计及施工质量控制.pdf

摘要 近年来，随着我国经济建设的发展，公路建设项目大幅增长，现代化的施工水平日 益提高，为确保工程质量，降低成本，争创优质工程，结合多年来的实践，总结和探索 常用的级配碎石结构层材料配合比设计、施工技术及其质量控制。 在规范推荐的骨架密实型级配碎石基础上，通过填充试验，对骨架结构进行了优化； 通过对原材料选材、性能质量及质量提高的措施改善级配碎石材料的质量；通过击实试 验、c b r 、抗压回弹模量及掺砂量影响规律等检验其力学性能。结果表明原材料采取适 当的控制方法可提高其性能质量，设计级配具有较好的力学性能，可用于大面积施工作 业，为级配碎石垫层的推广提供了良好的技术支持。 通过对试验段的试铺，提出了施工质量控制的措施，首先严格控制碎石原材料的质 量，其次严格控制级配碎石材料的级配，再次要保证混合料均匀摊铺和碾压密实。针对 其施工质量控制中原材料及级配，提出了混合料取样干筛、成品混合料检测含水率等措 施分析拌合站拌合质量；在施工过程中提出了防止、减少离析的方法，并针对摊铺机摊 铺后的混合料在不同位置的离析情况，通过筛分试验经数据分析离析情况并提供解决措 施。同时在混合料拌合、运输、摊铺及碾压过程，分析质量控制的方法，提高级配碎石 的施工质量。 对高速公路级配碎石垫层的施工技术进行了系统研究，提出了适合宝三高速公路的 级配碎石垫层的施工质量控制指标，在实际工程应用中效果良好。 关键词：级配碎石；材料性能指标：液限及塑性指数；压碎值；体积法；优选级配：施 工质量控制；离析 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc h i n a se c o n o m i cc o n s t r u c t i o n ，h i g h w a y c o n s t r u c t i o np r o j e c t ss u b s t a n t i a lg r o w t h ，i n c r e a s i n gt h el e v e lo fm o d e mc o n s t r u c t i o n ，i no r d e r t oe n s u r et h eq u a l i t y , r e d u c ec o s t s ，a n ds t r i v i n gf o rq u a l i t ye n g i n e e r i n g ，c o m b i n e dw i t hy e a r s o fp r a c t i c e ，r e v i e wa n de x p l o r et h ec o m m o ng r a d i n gg r a v e ll a y e rm a t e r i a l s ，m i xd e s i g n ， c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n dq u a l i t yc o n t r 0 1 r e c o m m e n d e di nt h es t a n d a r df r a m e w o r kb a s e do nd e n s eg r a d e dc r u s h e ds t o n e ，t h r o u g h f i l l i n gt e s t ，t h eo p t i m i z a t i o no ft h es k e l e t o ns t r u c t u r e ；t h r o u g hr a wm a t e r i a ls e l e c t i o n ， p e r f o r m a n c e ，q u a l i t ya n dq u a l i t yi m p r o v e m e n tm e a s u r e st oi m p r o v et h eq u a l i t yo fg r a d e d c r u s h e ds t o n em a t e r i a l ；b yc o m p a c t i o nt e s t ，c b r , c o m p r e s s i v em o d u l u sa n di m p a c to fl a w s s u c ha st h ea m o u n to f s a n dm i x e dw i t ht e s ti t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h er e s u l t ss h o wt h a t a p p r o p r i a t ec o n t r o lo fr a wm a t e r i a l sc a ni m p r o v et h eq u a l i t yo ft h e i rp e r f o r m a n c e ，d e s i g n g r a d i n gh a sg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，c a nb eu s e df o rl a r g e - s c a l ec o n s t r u c t i o no p e r a t i o n s f o rt h ep r o m o t i o no fg r a d e dg r a v e lc u s h i o np r o v i d e sa g o o dt e c h n i c a ls u p p o r t t h r o u g ht h et e s ts e c t i o no ft h et e s ts h o p ，p r o p o s e dc o n s t r u c t i o nq u a l i t yc o n t r o lm e a s u r e s ， f i r s to fa l lr a wm a t e r i a l sa n ds t r i c tq u a l i t yc o n t r o lo fc r u s h e ds t o n e ，f o l l o w e db ys t r i c tc o n t r o l o fg r a d e dc r u s h e ds t o n em a t e r i a lg r a d a t i o n ，m i x t u r ea g a i nt oe n s u r eu n i f o r ms p r e a d i n ga n d r o l l i n gc o m p a c t i o n f o ri t sc o n s t r u c t i o nq u a l i t yc o n t r o lo fr a wm a t e r i a l sa n dg r a d i n g ， p r o p o s e dm i x t u r eo fd r ys i e v es a m p l i n g ，p r o d u c tm i xa n do t h e rm e a s u r e st od e t e c tt h e m o i s t u r ec o n t e n to ft h eq u a l i t yo fm i x i n gp l a n tm i x i n g ；m a d ed u r i n gc o n s t r u c t i o nt op r e v e n t a n dr e d u c et h es e g r e g a t i o no ft h em e t h o d ，a n df o rp a v e ri nt h em i x t u r ea f t e rt h es e g r e g a t i o n s i t u a t i o ni nd i f f e r e n tl o c a t i o n s ，t h r o u g ht h es c r e e n i n gt e s tb yt h ei s o l a t i o na n dp r o v i d e dd a t a a n a l y s i ss o l u t i o n s m i x t u r ew h i l em i x i n g ，t r a n s p o r t ，s p r e a d i n ga n dr o l l i n gp r o c e s s ，a n a l y t i c a lq u a l i t yc o n t r o l m e t h o d st oi m p r o v ec o n s t r u c t i o nq u a l i t yg r a d e dg r a v e l g r a d e dg r a v e lc u s h i o no nt h eh i g h w a yc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo ft h es y s t e m ，p u t f o r w a r df o rb a ot h r e eg r a d e dg r a v e lc u s h i o nh i g h w a yc o n s t r u c t i o nq u a l i t yc o n t r o li n d i c a t o r s ， g o o de f f e c ti np r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：g r a d e dg r a v e l ； m a t e r i a lp e r f o r m a n c ei n d e x ；l i q u i dl i m i ta n dp l a s t i c i t yi n d e x ； c r u s h i n gv a l u e ； v o l u m em e t h o d ； o p t i m a lg r a d i n g ； c o n s t r u c t i o nq u a l i t y c o n t r o l ；s e g r e g a t i o n 长安大学硕上学位论文 1 1 课题的提出及研究意义 第一章绪论 随着经济的发展、社会的进步、文明程度的提高以及全球环境意识的进一步加强， 对公路交通也提出了更高的要求。从上世纪9 0 年代开始，中国进入了公路建设快速发 展的时期，进入2 0 世纪8 0 年代后，随着我国综合国力的增强，经济建设的全面进步， 高等级公路的里程不断增加。到2 0 0 9 年底，我国高速公路通车里程以达到6 5 万公里。 我国目前高等级公路沥青路面的主要结构类型为半刚性基层沥青路面，随着半刚性 沥青路面的大量使用，半刚性沥青路面出现的问题也越来越严重。半刚性基层具有较好 的路用性能，如较高的结构强度、承载能力、良好的整体稳定性和耐久性，其良好的性 能是实现“强基薄面 的结构提供了可靠保证。在我国半刚性基础路面的使用过程中， 出现了很多路面破坏现象：路面裂缝；车辙、推挤和拥包；冲刷、卿浆、局部网裂和坑 洞；沥青面层从基层表面脱落等。半刚性路面损坏的原因主要是由于由半刚性材料 本身的干缩和温缩等特性导致沥青路面出现的反射裂缝，同时由于半刚性材料水稳定性 差、结构排水性能差，路表或地下水渗入使半刚性路面遇水后易产生浮浆，导致承载能 力下降。 分析半刚性路面产生病害的原因，在施工技术方面：施工机械设备相对落后，施工 工艺水平较低，人员技术力量不足，施工期短及管理不善等；以及工程管理方面和路面 材料使用质量较差等方面。由于路面产生的病害，造成路面性能和使用寿命降低，浪费 国家基础建设资金，造成了不必要的损失。 近年来，国内外在减少半刚性基层沥青路面的反射裂缝方面，研究了诸多办法，一 方面通过对半刚性基层材料的合理组成设计，调整结合料用量与各规格集料间的比例， 增加粗集料用量，严格控制设计级配与成品混合料级配，以尽可能减小因其温缩和干缩 系数较大造成的沥青路面反射裂缝，提高路面的使用寿命；另一方面，提高路面的建设 成本，经济负担较重，通过增加沥青面层厚度，或采用全厚式路面结构以防止基层反射 裂缝的产生，为此需要将沥青面层厚度增加至1 5 2 5 c m 眩1 。国内外工程实践中也经常 应用较多的一项工程措施是在沥青面层和半刚性基层之间铺设一层韧性好、弹性模量低 的材料作为应力吸收层，以吸收半刚性基层反射裂缝。根据所用材料的不同，中间层综 合起来有以下几类：土工织物或格栅、应力吸收层、橡胶沥青封层和应力吸收膜等。 级配碎石是一种应用十分广泛、造价较低的筑路材料，常作为路面底基层或垫层， 第一章绪论 将其作为半刚性基层与沥青面层之间的中间层并不多见。其作为一种散体材料，其非线 性特点、良好的排水性能，可“吸收 半刚性基层裂缝尖端的应力应变，减少和延缓 路面反射裂缝的产生和发展，具有严格级配要求的优质级配碎石基层可起到路面排水基 层作用，改善路面结构排水性能。级配碎石过渡层进一步改善了其下半刚性基层可能遭 受的不利水温状况，大大减小了半刚性基层的温度、湿度变化及由此产生的温缩、干缩 应力，在很大程度上消除了半刚性基层的固有裂缝。被国内外应用于沥青面层与半刚性 基层之间设置的柔性过渡层，形成“倒装结构e 3 】。 为确保高速公路的平顺性、稳定性，路基表层设计采用了级配碎石填料结构，以控 制路基的变形，提高路基的稳定性，增强路基刚度形变的均匀性。 国内外对级配碎石的材料组成、力学特性和透水性能等开展了大量研究，对其级配 组成及其设计方法做了相关规定。但未提出其级配变化范围，而且推荐级配范围过宽， 随意性较大，不便于设计和施工。为此针对目前我国半刚性基层所存在的主要问题，系 统研究级配碎石柔性基层的设计方法和控制指标，同时利用现代先进机械设备，提出合 理的质量控制范围，对于级配碎石在我国的应用具有非常重要的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内研究及应用现状 我国“八五 攻关中，要求级配碎石基层应用于累计轴次不大与5 0 0 万次的道路中， 级配碎石结构层的强度与刚度都低于半刚性结构层且塑性变形较大。中国沥青路面设 计规范中的回弹模量推荐值为2 0 0 - - 3 5 0m p a 4 1 ，因此级配碎石基层在我国高等级公路 的推广受到了极大的限制。 我国先后铺筑了一些与级配碎石有关的试验路，如京石高速公路河北正定段试验 路，改性沥青应力吸收膜中间层及级配碎石基层防裂对比研究，西安试验路级配碎石基 层防裂研究，沪宁高速公路无锡试验路，级配碎石基层防裂研究，宁连一级公路淮阴试 验路段，级配碎石基层及土工格栅夹层防裂对比研究等。但这种倒装结构是否能抵御重 载交通的疲劳破坏作用还不确定，因此这些研究成果几乎全部停留在试验路观测上，没 有再做更深入的研究，这种倒装结构并未大面积的推广应用。 东南大学何兆益通过试验路观测以及室内试验对级配碎石进行了系统的分析研究。 通过不同级配的试验结果对比，得到力学性能较为良好的级配以及成型方法。并进行了 动三轴和静三轴的试验对比，研究了级配碎石的非线性特性。对具有优质级配碎石基层 长安人学硕士学位论文 的半刚性沥青路面弯沉、沥青面层底面弯拉应力进行了深入分析，提出级配碎石基层的 合理厚度。并对级配碎石层控制反射裂缝的原因及施工方法进行了初步的探讨【5 】。 哈尔滨工业大学曹建新对级配碎石组成结构及力学性能进行了研究。通过对主骨 架、细集料以及混合料的c b r 值、回弹模量值与塑性永久变形的对比研究，得出组成 结构是影响级配碎石混合料物理力学性质的决定性因素，而组成结构的形成是级配与施 工工艺综合作用的结梨6 。 同济大学的袁峻在三轴试验的基础上，对级配碎石的动弹模量依应力状态而变化的 非线性模型进行了研究，并对影响级配碎石回弹模量的各种因素以及它们的影响趋势进 行了评价。同时还提出了我国级配碎石基层的结构设计参数 7 1 。 长安大学徐鸥明从材料基本性能试验入手，结合粒料类基层材料的物理力学性能与 结构性能关系，对内蒙风化石在路面基层中的适用性进行研究，分析了适合风化石的室 内振动压实试验方法以及影响粒料c b r 值的因素；并采用室内大型直接剪切试验以评 价粒料的嵌挤强度，提出适合内蒙古牧区小交通道路的级配碎石控制指标和级配范围【8 】。 长安大学莫石秀针对青藏高原多年冻土地区道路结构特点，通过大量室内试验，提 出了级配碎石的抗剪切性能指标，分析了级配、含水量、密实度、剪切速率、侧压力对 抗剪切性能的影响规律；系统研究了级配对c b r 值、渗水性能、导热性能的影响规律； 提出了适合于多年冻土地区的级配碎石基层形式1 9 。 长安大学马毳、王秉纲、莫石秀通过级配碎石c b r 试验研究，分析了不同筛孔及 其通过率对级配碎石c b r 值、抗变形能力和剪切性能的影响及变化规律。分析了级配 碎石的c b r 值、抗变形能力和剪切能力随4 7 5 m m 、2 3 6 m m 、0 6 m m 、0 0 7 5 r a m 筛孔通过率的变化规律，并推荐关键筛孔4 7 5 r a m 、2 3 6 r a m 、0 6 m m 和0 0 7 5 r a m 基于以上性能通过率合理变化范卧1 0 】【l l 】。 纵观这些研究工作和研究成果可见，目前有关级配碎石的研究主要集中在级配碎石 材料的力学特性和稳定性、室内重复动三轴试验、级配组成设计方法以及试验路观测等 方向。 1 2 2 国外研究及应用现状 级配碎石是一种典型的古典路面结构层，在汽车交通的初期，用以修筑面层与基层， 当汽车交通发展到现代，级配碎石在国外已广泛用于路面结构的基层与底基层【1 2 】。 在美国、澳大利亚及南非将级配碎石层作为减小沥青面层反射裂缝层，且效果良好。 第一章绪论 国外路面结构设计中级配碎石多为级配碎石基层和底基层，而作为过渡层的结构设计方 法并不多。目前只有澳大利亚的设计体系中，提出有关优质级配碎石作为过渡层沥青路 面的设计方法，而且国外所有的设计方法均未对级配碎石层提出设计控制指标。国外许 多设计方法都提出了考虑级配碎石等未处治粒料非线性特点的设计模量计算方法，但均 是针对直接置于土基之上的粒料基层。 j a n o o 与b a y e r ( 2 0 0 1 ) 在美国宾夕法尼亚州底基层材料研究中，对级配碎石粗集料的 形状、表面纹理构造、棱角性进行了试验分析，划分了集料评价指标与等级；进一步通 过不同尺寸试样的动三轴试验，分析了级配组成、粒径、集料等级、试样尺寸、含水量、 密实度、空隙率等对混合料动弹性模量和剪切性能的影响，提出试样尺寸对混合料的动 弹性模量有明显影响，混合料的摩阻角和粘聚力对剪切应变和应力有明显影响，影响程 度与空隙率、级配类型相关，集料等级可以表征混合料的性能【1 3 1 。 a r d a w s o 在d r e s d e n 大学对两种级配碎石材料进行了室内三轴试验，他通过试验 发现由于松散粒料材料间没有粘结料，在车轮荷载作用下它只能承受压应力而不能承受 拉应力，所以松散粒料材料的s h a k e d o w n 行为不像其它金属类材料那样，而是表现三阶 段安定行为：塑性安定阶段( p l a s t i cs h a k e d o w n ) ) 塑性蠕变阶段( p l a s t i e c r e e p ) 累积破 坏阶段( r a t e h e t i n g ) 。且三阶段安定行为只存在抗压安定上限，而不存在抗拉下耐1 4 】。 一般将级配碎石作为下基层，较厚的沥青混凝土起到了上基层的作用，因此对碎石 的级配要求不严，通常采用a a s h o 、a s t m 等标准，这些标准较宽，不适于作为基层 或过渡层级配碎石的要求。国外近年来主要对级配碎石的力学特性进行了相关研究，对 试验条件、设备、试件成型方法、尺寸、材料类型、级配等提出了较明确的要求。但也 有尚未解决的问题，如级配碎石的施工方法与控制、压实度的检验方法等。如何通过室 内外试验得出级配碎石材料的力学反应特性，以便于应用于我国的设计体系中，也是有 待于进一步深入研究的。至于级配碎石的动弹模量，国外已经进行过大量研究，并得到 了级配碎石非线性特性的表达式及参数的取值范围，但由于研究试验条件与试验设备不 同，材料、试验级配、试件尺寸以及成型方式的差异，所得出的结果变化较大。 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。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。国外为了说明无粘结粒状材料的非 线性，通常将粒状材料分成副层以调节回弹模量在交通和荷载的作用下沿深度变化应力 4 长安大学硕士学位论文 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。 各向异性是粒状材料的重要特性，但在道路结构设计中通常被忽略。对于道路结构 中粒状材料各向异性的研究很少，这主要由于粗粒状材料的测试比较困难。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。内在的各向异性是粒状 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。 采用力学分析方法设计时，级配碎石主要以其弹性参数( 模量、泊松比) 表征，但 前提是需满足抗剪强度和塑性变形的要求，级配碎石结构层究竟能承受多大的剪切应力 和变形，如何评价其抗变形能力以及采用什么评价指标，国内外尚未见相关报道，也没 有相应的试验设备。 至于结构分析方面，d u n c a n 、d e h l e n 等曾在2 0 世纪6 0 年代后期将有限元引入路面 结构响应分析，并考虑土基和粒料非线性，得到路面结构非线性响应。 总之，在美国、澳大利亚、南非等虽也将级配碎石作为防裂过渡层用，并取得较好 结果，但仍限于工程试用，并没有从这一结构特点出发，系统研究优质级配碎石过渡层 材料特性、级配、动三轴力学特性、抗剪切性能、非线性响应及结构厚度设计，以及碎 石过渡层防裂机理分析等，更没有将这种路面结构普遍推广。 1 3 本文研究目的及内容 1 3 1 研究思路 综上可知，级配碎石无论是作为防止反射裂缝的过渡层还是作为柔性路面的基层， 对于解决目前半刚性基层早期破坏的问题，都将具有重大意义。提高级配碎石基层的使 用性能，须从内因和外因两方面入手，内因是材料级配设计，通过合理的材料级配设计， 使粗细集料搭配而够形成骨架密实结构。外因包括两个方面：基层结构组合合理设 计，发挥级配碎石回弹模量依赖于应力状态而变化的非线性；现场的碾压工艺，使级 配碎石集料既达到规范规定的压实度要求，形成骨架密实结构，又避免有过多的压碎 而使集料结构形式改变。 本文旨在通过级配碎石材料特性，提高材料性能，优选配合比设计方法，通过级配 碎石的力学性能找到合理的级配，并以c b r 值和孔隙率检验级配是否合理，最后推荐 最佳目标级配。在对影响级配碎石性能的各个环节研究的基础上，通过试验路探究级配 第一章绪论 碎石的施工工艺及控制方法，并提出一些质量控制的要点及措施，以供规范完善、补充， 并对实际工程应用提供技术参考。 1 3 2 研究方案 本研究通过室内试验以及理论分析研究，对级配碎石垫层进行全面系统的分析和研 究，为级配碎石用于路面工程提供可靠的技术支持。主要研究内容包括： 1 、级配碎石原材料技术指标研究 旨在对级配碎石原材料性能质量提高，从原材料出发提高级配碎石混合料性能指 一 标。 2 、级配碎石级配研究 通过填充系数法确定级配碎石混合料级配，保证级配碎石混合料的路用性能。通过 室内试验，确定合理的混合料级配，在不同结构类型混合料性能对比分析，对试验路的 检测及分析，综合考虑施工难易程度，确定合理的级配。 3 、级配碎石垫层混合料性能研究 对级配碎石混合料进行c b r 、孔隙率、抗压强度、抗压回弹模量等检测，确保混合 料性能。 4 、级配碎石基层施工工艺研究 本研究通过大量的调查、室内外试验和统计分析，结合试验路，提出适合高速公路 的级配碎石垫层材料的主要质量控制指标要求。施工技术研究：根据试验路的工程实践， 研究级配碎石的施工工艺及质量控制方法。 6 长安大学硕士学位论文 第二章级配碎石材料的性能研究 2 1 级配碎石材料概述 优质级配碎石结构层强度主要来源于碎石本身及碎石颗粒之间的嵌挤力，因此，对 于碎石结构层，应保证高质量的碎石材料，获得高密度的良好级配和合理的高质量的施 工压实手段。通常影响碎石材料的选用有如下的几个因素： ( 1 ) 集料强度：在总结国内外经验及国内使用情况基础上，我国提出一级公路以 上重交通路面，级配碎石集料压碎值应不大与2 6 ，此值对于优质级配碎石基层是合适 的，且石料强度不低于级。 ( 2 ) 集料形状，构造：富有棱角及表面纹理的轧制碎石，在相同级配及湿度下， 通常比光滑表面的圆形颗粒砾石或破碎面较少的碎石组成的级配碎石混合料具有更高 的c b r 值和渗透系数，同时集料的针片状集料含量应不大于2 0 ，避免级配碎石混合 料在成型过程中的压碎问题，使混合料的级配发生改变。 ( 3 ) 液限、塑性指数：当小于0 5 m m 粒料的含量较大时，其塑性指数对级配碎石 性质影响较大。研究表明，塑性指数越大，级配碎石混合料的承载比越小，或水稳性越 差。当细粒料含量少时，其塑性指数对强度的影响不大，但细粒料的含量增大，其塑性 指数对混合料的影响会增大。因此，应严格控制级配碎石小于0 5 m m 含量和塑性指数。 我国相关规范规定高速公路液限小于2 8 ，塑性指数小于6 。当材料的塑性较高的时 候，应限制其细料的含量。 ( 4 ) 含泥量：实践证明，含泥量的多少对级配碎石的特性有较大大的影响，含泥 量较大，不但会影响到级配碎石的排水功能，同时对级配碎石混合料粗集料之间的嵌挤 效果产生负面的影响。 ( 5 ) 含水量：含水量是保证级配碎石混合料碾压成型后达到足够的密实度重要因 素之一。含水量较低会造成碾压时，级配碎石颗粒之间的摩擦力较大，进而影响级配碎 石混合料碾压密实效果；含水量过高会造成混合料经碾压一定时间内出现“反弹的现 象。 ( 6 ) 集料洁净度 碎石中不应有粘土块、植物等有害物质。泥土对结构强度、水稳性、耐久性等危害 非常大，必须引起重视。为此规定砂当量大于6 0 。 7 第二章级配碎石材料的性能研究 2 2 级配碎石材料的基本性能及影响因素 2 2 1 粒状材料的基本力学性能及影响因素 级配碎石的强度、模量较一般稳定基层差，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，相应的其力学指标分别以抗 压强度与抗剪强度表征。因此，对级配碎石基层的研究和应用，主要在于通过取得高质 量的碎石，获得高密度的良好级配以及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永久变形。使用中的粒状材料其性能较复杂。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【1 5 】。 2 2 2 粒状材料的耐久性及体积稳定性 耐久性是指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。增强材料的耐久性可确保材料不会被显著的破坏，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【1 6 1 。 2 3 材料的物理性能指标 由各种大小不同的粒级碎石组成的混合料，当其级配符合技术规范时，称为级配碎 石。 2 3 1 材料基本物理技术指标 我国在工程中一般使用材料的物理性能指标评定集料的内在性质和生产工艺，评定 材料物理性质的标准一般有：集料的压碎值、洛杉矶磨耗值、吸水率、针片状含量及 长安大学硕士学位论文 细集料含泥量及其液限、塑性指数。 由于级配碎石垫层的强度主要来源于材料的强度和嵌挤作用，顾应采用高质量的轧 制碎石材料。材料的类型对级配碎石性能影响很大。大量的工程经验表明，石灰岩是级 配碎石中最好的原材料。由于石灰岩材料中碳酸盐含量较高，拌合后和水一起对粗集料 起到胶结料的作用。而对于粗砂变质岩等材料，由于针片状颗粒含量较多，石料的几何 形状不利于嵌挤作用，施工时易离析，碾压过程中级配有不同程度的变化，并难以压实 成密实状态行车作用下会产生较大的瞬时变形【1 引，因此建议施工时采用轧制的石灰岩作 为级配层的材料。因当地没有石灰岩，应使石料具有较好的几何形状和较好的级配。 2 3 2 母岩的选择 级配碎石由于对原材料要求较高，顾在选取母岩或料场时，应考虑以下因素： 1 、母岩山体应具有较薄的山披土，减少细集料中土的含量，以减小细集料的液限 及塑性指数。 2 、母岩山体中应具有较少的层间水。如山体中层间水较多，会造成石料破碎后含 有较多土质杂质或石料中水绣较多，石料中新破碎面较少，级配碎石混合料的嵌挤作用 较差。 3 、在内蒙古地区，由于山体中片状岩石较多，应考虑石料中针片状的含量。混合 料中由于针片状含量较多，石料容易断裂，混合料的抗压强度不足，易产生永久变形。 宝三高速公路级配碎石的母岩情况： 宝三高速公路级配碎石使用的母岩均为各标段自选，经试验分析后确定，母料山体 的图片如图2 1 、图2 2 ： 图2 1l m 0 3 标段母岩山体图片图2 2l m 0 4 标段母岩山体图片 本文依托工程地区山体，由于山体中存在较多的碎石土等杂物，级配碎石对石料的 质量要求很高，其液限及塑性指数均较我国相关规范要求最高值大，需对母岩做适当处 9 第二章级配碎石材料的性能研究 理，具体处理方法为：在母岩山体经爆破、挖掘开采后，对母岩进行过筛处理，筛子的 形状为长条壁状，长度为4 m ，筛壁的间距为4 c m ，筛子的设置为斜坡形，采用与地面 夹角为4 0 0 ，使母岩经过筛后筛除其中混扎较多的碎石土等杂物，且及时将过除掉的杂 物经装载机移除至其他位置，避免降低过筛的质量。各标段采用以上方法经过筛后的母 岩中的碎石土等杂质明显降低，破碎后的细集料的相应液限及塑性指数随有一定程度上 的较低，其液限及塑性指数由原来的2 8 0 旷2 9 和7 降低为2 6 , - , 2 8 和6 ，但液限及 塑性指数仍然较高，提出在母岩经碎石场一级颚式破碎机后，进入二级破碎前在进行过 筛处理，筛子采用网状，筛孔大小为3 c m ，面积为4 m z 且采用振动形式增加过筛质量。 即母岩经一级破碎前后均进行过筛处理，经破碎后集料的液限及塑性指数均有不同程度 的降低，分别为2 5 0 旷2 6 和5 ，经过筛处理后的集料的质量得到了较大的提高，工程 使用状况良好。 2 3 3 粗集料性能分析 试验用粗集料分为三种规格，分别为4 7 5 m m 9 5 m m 、9 5 m m 1 9 m m 和 1 9 m m 3 7 5 m m 。粗集料的性能指标主要有：压碎值、针片状、洛杉矶磨耗值、密度等， 本文使用的粗集料性能详细数据见表表2 5 、表2 6 和表2 7 。 我国对集料压碎值的判定比宽泛，当石料压碎值达到3 0 时，石料的强度已经很差， 尽管满足部分强度要求，但级配碎石混合料在摊铺、碾压的过程重，石料压碎较多，势 必造成混合料级配的变化。所以本文提出在集料压碎值满足国家规范规定范围内，取 5 m m - - , l o m m 、9 5 m m - - - 1 3 2 m m 、l o m m - - - 2 0 m m 集料，对该集料压碎前后进行筛分试验，取得 的数据如表2 1 、图2 3 ： 表2 15 - l o m m 集料压碎前后对照表 筛孔d i 1 3 29 54 7 52 3 61 1 8o 6o 3o 1 5o 0 7 5 压碎前 1 0 09 9 36 7o 5o 50 50 50 50 5 l m l 压碎后 1 0 0 9 9 6 4 8 92 1 21 1 9 4 7210 5 差值 o0 3- 4 2 2 - 2 0 71 1 4 - 4 2 1 50 5 o 压碎前 1 0 09 8 76 3 0 3o 10 10 1o 1 0 1 l m 2 压碎后 1 0 09 9 85 0 52 0 51 0 94 10 10 1o 1 差值 o1 1- 4 4 2- 2 0 21 0 8_ 4o00 压碎前 1 0 0 9 9 72 6 70 5o 50 50 50 5o 5 l m 3 压碎后 1 0 09 9 96 0 72 2 81 1 55 72 52 52 5 差值 oo 2- 3 42 2 3115 22- 2- 2 1 0 长安大学硕士学位论文 表2 15 m m , - v l o m m 集料压碎前后对照表( 续) 筛孔d i 1 3 29 54 7 52 3 61 1 80 6o 3o 1 5 0 0 7 5 压碎前 1 0 09 5 23 8o 40 40 40 40 4 0 4 l m 4压碎后 1 0 09 7 94 7 32 0 41 2 47 64 53 12 1 差值 02 74 3 5_ 2 01 27 2_ 4 12 7一1 7 压碎前 l o o9 8 2 5 3l 0 8 0 1 0 1 o 1 o 1 l 压碎后 1 0 09 9 34 7 61 9 67 84 51 70 8o 5 差值 01 14 2 31 8 674 4 1 6一o 70 4 各标段筛孑l 最大差值 o2 7- 4 4 22 2 3一1 27 24 12 72 级配曲线图l ：擞篓麓嚣：篇主篓需曩嚣= ：褰嚣萼曩嚣= 等塞篓嚣曩嚣：篇墨篓譬曩嚣 1 0 0 9 0 励 l 一 删 芑7 0 ，衫 褥 旁 求5 0 孝 要4 0 旁 圈3 0 移 2 0 ，d少 旁 1 0 矿。 于 ，：皇p 吖 翟 ”可o 乃0 - 5n 3o = 6r 1 82 3 64 7 59 51 3 2 筛孔尺寸( 妯) 图2 35 m m l o m m 压碎前后级配变化曲线图 通过以上表2 1 数据分析，5 嗍l o m m 中集料经压碎值实验后，集料的级配发生了 较大的变化，其中4 7 5 r a m 筛孔的变化率最大，其中除l m 0 3 标为3 4 ，其余均在4 0 4 5 之间。变化次之的为2 3 6 m e 和1 1 8 m e 筛孔，分别为2 2 3 和1 2 。 表2 21 0 衄2 0 衄集料压碎前后对照表 筛孔d i2 6 5 1 9 1 61 3 29 54 7 52 3 61 1 8o 6 压碎前 1 0 01 0 08 6 64 0 34 70 4 l m l压碎后1 0 01 0 09 4 37 8 25 6 82 4 51 3 77 53 8 差值 o0- 7 73 7 95 2 1- 2 4 1一1 3 7- 7 53 8 压碎前 1 0 09 6 17 1 35 2 38 10 9 l m 2压碎后 1 0 01 0 09 3 38 0 55 2 22 0 59 86 64 7 差值 03 92 22 8 2- 4 4 11 9 69 。8石6_ 4 7 压碎前 1 0 09 9 48 3 86 0 21 2 9o 1 l m 3压碎后 1 0 01 0 09 4 18 3 75 8 42 6 51 1 76 33 差值 o0 61 0 32 3 5- 4 5 5- 2 6 41 1 7 - 6 3 3 压碎前 1 0 0 9 4 7 6 5 4 3 74 3o 1 l m 4 压碎后 1 0 09 8 38 6 27 2 55 2 22 5 11 2 78 45 4 差值 o 3 6 - 2 0 83 5 5- 4 7 92 51 2 78 45 4 压碎前 1 0 09 7 98 2 25 4 69 11 2 l j x 压碎后 1 0 01 0 09 4 18 1 45 1 61 9 71 0 45 74 8 差值 02 1 一1 1 9 2 6 8- 4 2 51 8 5一l o 45 74 8 各标段筛孔最大差值 03 92 23 7 95 2 12 6 41 3 78 4。5 4 第二章级配碎石材料的性能研究 级配蝴i ：雠篓罢曩篓：兰篆嚣需曩嚣：巢篡譬曩茎二二麓鬈篙嚣：甏嚣罢豢嚣 1 0 0 9 0 8 0 ； 7 0 i 6 0 蛊5 0 蓍4 0 3 0 2 0 1 0 0 4 7 59 5 筛孔尺寸( ) 图2 4l o m - - 2 0 m m 压碎前后级配变化曲线图 通过以上表2 2 数据分析，1 0 m m - - - 2 0 m m 中集料经压碎值实验后，集料的级配也 发生了较大的变化，其中9 5 m m 筛孔的变化率最大，其中l m 0 1 标达到5 2 1 ，为几个 标段中最大，其余均在4 2 - 4 8 之间。变化次之的为1 6 r a m 、1 3 2 m m 和4 7 5 m m 筛孔， 分别为2 2 、3 7 9 和2 6 4 。 通过对以上数据综合分析，对不同规格集料压碎前后级配对照，其中5 m m - - - 1 0 m m 压碎前后级配平均变化值曲线图2 5 。 1 0 0 9 0 8 0 ；7 0 褥6 0 鑫5 0 召4 0 3 0 2 0 l o 0 级配曲线图 二二三三三三三亘三二二二二二三三三三日 2 _ 3 6 筛孔尺寸( 4 ) 。7 5 图2 5 5 m m - - l o m m 压碎前后级配平均变化值曲线图 1 2 长安大学硕士学位论文 级配曲线图 - 一压碎前平均值十压碎后平均值 1 u u 9 0 。 8 0 盆 7 0 。 碍 6 0 求5 0 ， 骂 4 0 明 3 0 ， 2 0 1 0 n 广卅 r 一， v u o 1 1 6z j o o- ) y )i j zl dl y上0 ) 筛孔尺寸( mm ) 图2 6l o m m 2 0 m m 压碎前后级配平均变化值曲线图 在我国，压碎值用来测定粗集料的抗破碎能力，作为一种石料力学性能的重要指标， 但几乎所有国家都采用洛杉矶磨耗值表示粗集料的抗破碎能力。从以上数据可以看出， 石料经压碎值实验后，不同粒径的集料均有不同程度的压碎现象。其中5 m m , - 一l o m m 集料 4 7 5 r a m 筛孔压碎后通过率变化最大，平均值达4 3 ：1 0 m m ，- - - 2 0 m m 集料9 5 m m 筛孔压碎 后通过率变化最大，平均值达4 6 。可以看出，经粗集料压碎值试验后，不同规格集料 下限筛孔变化最大。对比各标段压碎值数据，压碎值对不同集料的抗破碎能力的判断较 准确，但石料的破碎程度不能较准确的确定。 表2 3 各标段集料压碎值 l堡壁笪! 丝!l! 垒：兰l! i ：三! 鱼：zl! ! ：墨! ! ：ii 通过对比表2 3 中各标段压碎值数据，可知各标段集料抗压碎能力较高，压碎值均 在1 7 以下，最小的压碎值为l j x 的1 1 5 。 ，、 5 m m 1 0 m m 压碎前后各筛孔通过率变化图 u v 3 6口1 1 8口4 7 5 2 4 5 o4 0 爨鬻 水 麓 。 j 粤3 5 “ 出强。 i _ 蓑3 0 糌2 5 鞠 圜 i 勰需 _ _ _ _ _ _ _ 豳 骜2 0 圈 黼 i ll卜 i 蕊- 卜 高1 5 圈r _f 一r _ 按1 0 5 u l m o i ( 1 6 4 ) l m 0 2 ( 1 5 2 ) l m 0 3 ( 1 6 7 ) l m 0 4 ( 1 5 8 ) l j x ( 1 1 5 ) 图2 7 各标段5 m m - - l o m m 压碎前后各筛孔通过率变化与压碎值关系图 第二章级配碎石材料的性能研究 各标段5 m m l o m m 集料经压碎值试验前后各筛孔通过率与压碎值的大小存在如下关 系：集料压碎前后4 7 5 m m 筛孔的通过率变化最大，基本上随压碎值的减小4 7 5 m m 通过 率变化越大，但压碎值的减少2 3 6 m m 筛孔的通过率也少有减少，其中1 1 8 m m 筛孔通