级配碎石基层性能研究综述

2018-11-20 15:35:28 中城华宇
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摘要:为分析级配碎石作为公路沥青路面半刚性基层过渡层的可行性,阐述了级配碎石的优劣性,以及国内外级配碎石的研究和应用情况,并对其研究方向进行了展望。研究结果表明:通过对原材料性能、配合比设计指标、级配、试验方法、施工工艺等方面的研究和改进,可提高级配碎石的综合性能,充分发挥其优点、抑制其缺点,为其作为公路沥青路面半刚性基层过渡层提供指导。

 

关键词:级配碎石;原材料性能;配合比设计;施工工艺;性能

 

近些年来,国内公路沥青路面因半刚性基层干缩、温缩所引起的路面反射裂缝的问题日益突出,路面结构早期破坏严重,在此背景下级配碎石作为基层材料的相关研究不断深入。

 

级配碎石属于柔性材料,其作为基层具有抑制反射裂缝、改善上下层材料温湿状态、易维修、造价低廉等优点,但因其作为松散材料的一种具有刚度小、整体性差等缺点,在重交通的作用下,易产生较大的塑性变形,从而使路面形成较大的永久变形,严重时会使沥青路面发生剪切破坏或者疲劳破坏。在国外,较厚的级配碎石基层主要用在中、轻交通道路工程中,铺在较薄的沥青面层下;较薄的级配碎石基层主要用于重交通道路工程中,铺在较厚的沥青面层下。同时,他们还对级配碎石的力学性能进行了研究,对其试验条件、试件成型方法、尺寸、级配等都提出了明确的要求,但他们在级配碎石的永久变形、长期性能、施工控制方法等方面还没提出有更好的办法。

 

在国内,以前级配碎石一般只运用于交通量较少的公路基层,或是重载交通公路的垫层。在国内大部分实际公路设计中,无论道路交通量有多大,一般都倾向于运用技术较为成熟半刚性基层,而不采用级配碎石基层。因此将其作为沥青面层与半刚性基层的过渡层这种现象并不常见。不过,这种结构在解决半刚性基层固有的缺陷(反射裂缝、渗水能力差,轴载敏感系数小)时具有较大突破,因而具有较大的研究价值。已铺筑一些试验路,并对试验路进行系统观测和分析。

 

针对级配碎石基层作为过渡层的倒装结构,本文主要是通过对其原材料性能,配合比设计,施工工艺等的研究总结分析,以提高级配碎石性能,降低行车荷载所引起的永久变形及其他性能。

 

原材料的性能

 

级配碎石基层由于没有粘结料的粘结作用,其强度主要来源于集料本身的强度和碎石颗粒的嵌挤作用,因此探究集料的性能对改善级配碎石基层强度及其它性能有着重要的作用。而影响碎石材料的性能主要有以下几个方面:

 

(1)集料强度。集料的强度与级配碎石基层的强度有着直接的关联。一般而言,集料的强度越高,级配碎石基层的强度也就相应的越高。因此,为了保障级配碎石基层有足够的强度,我国《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034-2000)中做了的相关规定:高速公路和一级公路基层的级配碎石所用石料的压碎值≤25%。

 

(2)集料形状。选择表面纹理丰富及富有棱角的轧制碎石,可以更好的发挥集料的嵌挤作用,集料的稳定性和强度也就可以得到相应提高,同时其渗透系数也有所提高,排水也就更容易。因此,我国的相关规范则规定集料的针片状含量应不大于20%,然而,由于级配碎石层现在是作为过渡层,跟以往的作为一般基层的功能作用有所不同,建议在重交通道路工程运用中,其针片状含量应低于15%。

 

(3)液限、塑性指数要求。研究表明,增大小于0.5mm粒料的含量,其塑性指数对级配碎石性能的影响也越来越大。塑性的细料遇水容易膨胀,从而使其强度及水稳性降低,同时有塑性细料的集料的CBR值及抗永久变形能力远低于无塑性细料集料。因此,为了保障集料有较好的性能,应严格控制小于0.5mm粒料的含量及其塑性指数,建议液限<25%,塑性指数<4%。

 

(4)集料洁净度。集料中不应该含有有植物、粘土块等有害物质,泥土对级配碎石结构强度,水稳性、耐久性等有着极大的影响,为此相关规范规定其砂当量不小于60%。

 

配合比设计

 

级配

 

影响级配碎石强度与刚度最重要的因素是级配。一般来言,密级配的级配碎石容易获得较高的密实度,较高的回弹模量、CBR值及抗永久变形能力。因此,具有较大密实度和较好透水性的级配就是我们寻求的最佳级配。

 

在国内,间断级配设计方法、连续级配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是级配碎石级配设计主要方法。在国外如美国的Fuller公式、前苏联的K法以及我国林绣贤教授的I法就属于连续级配设计方法;张肖宁教授提出的粗集料孔隙法就是填充系数设计方法。此外,如长安大学利用间断级配设计法和折断级配设计法研究的级配碎石最佳级配组成;交通部公路科学研究院在试验研究的的基层上推荐了级配碎石的合理级配范围;同济大学依据最大密度曲线理论再通过试验研究提出了最佳理论的级配组成。哈工大提出了紧排骨架-密实级配设计方法,设计了单级嵌挤和多级嵌挤类2种主骨架级配等。

 

从以上的设计调研中可以看出,级配碎石的组成设计方法虽然很多,但是都是基于传统的试验方法而提出来的,并且级配范围都相对过于宽泛,不利于生产级配的控制,从而影响施工质量的控制。

 

设计指标

 

国外的级配碎石通常采用ASTM、AASHO等标准,但这些标准都较宽,对级配碎石的要求不甚严格。

 

目前我国的现行规范上对级配碎石没有混合料的设计性能指标要求,仅对级配砾石要求4d饱水CBR强度不小于160。因此在部分高速公路上对于级配碎石基层完全是只要进行各档集料筛分,按照基层施工规范的宽泛的级配范围确定目标配合比和级配曲线,再进行重型击实确定最大干密度和最佳含水率即可进行施工。对于严格要求质量的高速公路,则参照级配砾石,采取CBR为设计指标,基层CBR>100%,底基层CBR>80%,然后在实际的施工和室内试验中发现,此设计控制指标非常容易达到,标准严重偏低,这也直接影响了级配碎石的施工质量控制,其路用性能无法得到保证。因而国内学者开始对级配碎石的CBR及其他设计指标指标进行大量的试验研究,长安大学的莫石秀通过试验提出了基于CBR值和剪切强度双指标控制的级配碎石组成设计方法和级配控制图;长安大学的王秉刚提出了以CBR与抗剪强度双指标控制级配碎石设计,并推荐出了设计标准建议值;天津市政设计研究院和长安大学采用自行研发设计的柔性剪切仪研究了不同成型试件方法下的级配碎石抗剪强度,同时发现CBR与抗剪强度的良好关联性,提出级配碎石材料设计以CBR为设计指标控制即可,并提出复合路面设计标准为CBR>300%;哈尔滨工业大学对于振动台成型级配碎石的动力变形特性进行研究分析,提出了级配碎石材料设计指标为永久变形、弹性模量双指标控制;广州市政工程设计研究院提出了干密度、CBR、回弹模量和塑性变形4个指标进行设计控制;哈尔滨工业大学的王磊通过级配碎石的抗剪强度研究,提出抗剪强度指标,并对剪切速率相同的CBR值和围压为50kPad抗剪强度之间建立关系,提出了在施工过程中通过CBR值来控制级配碎石的抗剪强度。

 

从以上的国内外对级配碎石设计指标的标准及研究中看出,主要集中在级配碎石的CBR值上的同时较多的倾向于抗剪强度。然而因试验方法、加载条件等的不一样,目前还并未完全针对基于振动成型方式的级配碎石材料提出大家一致认可的统一的设计指标和标准。

 

试验方法

 

室内的试验关键是如何更好的模拟现场施工时的压实功和压实方法。早在1933年美国R.R.Proctor发明了确定最大干密度和最佳含水率的室内成型试验方法,即现在的葡氏击实成型法,这在当时的压实机械的情况下是能得到很好的模拟。但随着压路机吨位的增大,就需要增大压实功才能更好的模拟重型机械设备的现场效果,于是在葡氏击实方法的基础上进行改进和完善,形成了重型击实和轻型击实。目前在我国现行的基层施工规范里对级配碎石的试验方法采用的是重型击实法,再测试混合料的最佳含水率和最大干密度。

 

振动成型方法主要有2种:振动锤振动成型方法和振动台成型方法。英国、瑞典主要采用第1种,美国、日本、澳大利亚和丹麦等国家主要采用第2种方法。但目前绝大多数的国家或部门采用重型击实成型方法。在我国目前对级配碎石的成型方法,随着压实机械的振动碾压及对压实质量要求提高,对振动成型开展了一定的研究,如哈尔滨工业大学、长安大学及东南大学,并开发出了国产的振动成型试验仪。

 

国内的振动成型分为振动台成型和表面振动成型2种。哈尔滨工业大学采用的表面振动成型试验方法,由自行设计的频率、振幅与激振力等振动碾压三要素可调的上置振动压实设备实现。试验研究证明要提高沥青里面级配碎石基层的使用性能,就必须首先解决级配碎石的强度,降低其塑性变形。而采用振动成型试验方法能大幅度的减少级配碎石的塑性变形积累,提高级配碎石的路用性能,正基于此提出了骨架密实型的级配与振动成型试件的力学特性要优于悬浮密实级配及重力击实之类的静压法。

 

长安大学对级配碎石进行了不同试验方法下的物理力学特性、变形特性、级配衰减和水稳性等情况的研究,重点针对振动成型设计方法、施工技术和路用性能做了研究,表明振动成型法较传统的重型击实法能较大的提供级配碎石的路用性能,最大干密度与CBR强度分别相应的提高8%、30%左右。

 

级配碎石的试验方法直接关系到其力学特性,随着现在压实工艺不断的发展到调频调幅,吨位的不断增大,重型击实成型法和静压成型法已无法模拟现场的有效碾压实况,导致室内试验与碾压实际的出入较大,CBR强度很容易超出规范100%以上;现场压实功也远大于室内试验,压实度超百现象频繁发生,无法有效的控制级配碎石的施工质量。

 

提高级配碎石性能措施研究

 

级配碎石的强度、稳定性,模量相对于半刚性基层较差,渗水性较强,从其结构强度形成机理来说,级配碎石基层的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。总结国内外相关文献,分析影响级配碎石回弹模量、塑性变形、CBR值、渗透性的因素,进而提高其性能。

 

级配碎石回弹模量

 

级配碎石刚度的重要指标及设计参数是由回弹模量表征出来的。其作为粒状材料在交通荷载作用下表现出非线性和依赖于时间的弹塑性特性,为了表述这种非线性,回弹反应通常用回弹模量表达。柔性基层是设置于土基或其它基层上,其弹性模量一般较低,强度及刚度也相应地较低。而其回弹模量主要与级配碎石干密度和含水量、应力水平、粗细骨料的结构和强度有关,因此提高碎石质量和控制好干密度和含水量,可以提高其回弹模量,进而提高其强度。

 

级配碎石塑性变形

 

沥青路面在车辆荷载作用下发生弹性变形和残余变形,在反复的车辆荷载作用下,残余变形也会随着时间的推移而慢慢累积,当其累积到一定程度后,路面会产生沉陷或车辙,这种现象便是路面经常出现的一种损坏形式。路面出现的这种残余变形,是路基和路面各结构层材料的共同作用。然而,对于级配碎石基层而言,其塑性变形主要来源于其剪切破坏,因此只有当其剪切强度达到一定要求时,它的塑性变形才得以减小。级配碎石基层的抗剪强度与其密实度、细集料含量、含水量、材料性状有关,通过控制好这些因素,以提高其抗剪强度。

 

级配碎石CBR值

 

CBR值反映的是在局部荷载作用下,材料的抗剪能力。级配、密度、最大粒径及填充细集料的含量都会对级配碎石的CBR值的产生影响。材料局部抗剪能力包括两个部分,一是骨架之间的嵌挤作用阻止结构变形发生的趋势,所以结构中最大粒径越大,嵌挤的作用表现越明显,变形就会越小。但当粒径过大时,集料会出现离析现象,结构也较为松散,在车辆荷载作用下容易发生位移和变形,其粒径之间的嵌挤作用也有所降低,因而其粒径只是在其容许范围内,越大越好。二是加入的细集料也会阻止结构变形发生的趋势,加入的细集料可以填充粗集料形成骨架时所引起的空隙,使整体结构更紧密,减少大颗粒在空隙之间移动的可能性,结构变形也会减小,进而提高结构的局部抗剪能力。但过量的细集料将会减弱粗集料的嵌挤作用,因而当细集料超过一定比例的时候,材料在车辆荷载的作用下,反而更容易发生位移和变形。因此,良好级配可以提高集料的CBR值。

 

级配碎石渗透性能

 

路面结构内部的水,一部分是通过路面接缝和裂缝以及路面混合料的孔隙渗入路面结构内,另一部分是地下水通过毛细作用,渗流到路面结构下部。进入路面结构内的自由水,当基层材料透水性能较好时,可以向路基和两侧路肩结构渗流而逐渐排走;当路基和路肩基(垫)层的渗水性能较差时,其排水的速度较慢,需要数周或数月才能排除,因而路面结构便类似于被安置在封槽式“浴盆”内。

 

存留于路面结构内的水分,会浸湿各结构层材料和路基土,使其强度下降,变形增加,最终导致路面结构的承载力降低;而集滞在层间结合处空隙内的自由水,在行车荷载的作用下,形成孔隙水压力或高流速的水流,冲刷层面材料,并从裂缝处向外“卿泥”,促使沥青面层出现松散,掉粒,坑洼等病害。然而,在半刚性沥青混凝土路面结构中,设置级配碎石基层作为过渡层不但可以起到路面排水的作用,而且可以吸收和削减半刚性基层裂缝尖端应力和应变,削弱动载荷的冲击和疲劳破坏作用,减少和延缓了反射裂缝的产生,从而可以减少地下水上升带来的水损害。

 

施工工艺

 

级配碎石基层虽然具有良好原材料性能和优异的配合比设计,但如果没有良好的施工工艺,其性能也不会有提升,因此级配碎石基层的施工对其整体性能提升有着至关重要的作用。

 

在实际的工程运用中,主要是控制好施工过程中级配碎石的含水率和压实工艺。含水率在整个施工过程中至关重要,它将直接影响级配碎石的压实度,进而影响到级配碎石的整体稳定性和强度。当含水率过大时,集料表面较为湿润,在压实的过程中可能会出现“弹簧”现象,而导致集料难以压实;当含水率较小时,集料表面缺乏水湿润,摩擦力较大,增大了压实难度,从而难以压实,因此在施工的过程中必须严格控制好集料的含水率。

 

压实工艺对级配碎石压实度也有重要的影响,不同的碾压次数与碾压机型号,就有不同的压实度和压实效果,但其相对于含水率而言,其可控性较高,一般只需按照设计好碾压机型号,碾压次数及其碾压顺序进行操控,便可顺利施工。

 

此外,离析是影响级配碎石基层性能的另一重要因素,应从拌合、运输、摊铺、碾压等各环节注意,加强管理、规范操作,尽量减少离析现象出现。

 

结论

 

(1)级配碎石基层作为过渡层可以有效的减小半刚性基层所引起的反射裂缝对路面结构造成的影响,同时其较强渗水性能可以有效的减少路面的水损坏。

 

(2)通过选择高质量碎石、密实的配合比和良好的施工工艺,可以有效的提高级配碎石强度、刚度、稳定性等性能。

 

(3)大面积施工时,级配碎石基层的施工需重点控制合成级配、含水量、压实度等指标,同时减少离析现场的发生。