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级配碎石材料强度及塑性变形特性
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级配碎石基层材料基本性能分析(2009年第4期总第112期）
来源：福建省交通运输厅
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（三明市高速公路有限责任公司，三明 365000）
摘要 作为柔性基层材料之一的级配碎石，其材料的物理性能和颗粒级配等都对级配碎石的基本性能产生很大影响，本文结合现场试验分析了级配碎石基层材料的基本性能，从而对级配碎石基层材料的设计与施工具有一定意义。
关键词 级配碎石　基本性能 分析
级配碎石作为一种柔性材料，以其非线性特点和良好的排水性能被应用于半刚性基层沥青路面结构中，减少或延缓反射裂缝，改善路面结构排水性能[1]，但其强度、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。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。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粒状材料的基本力学性能及其影响因素
2.1材料的抗压强度
抗压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。影响粒状材料抗压强度的主要因素有：
（1）颗粒的大小和形状：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时。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强度。
（2）颗粒的粗糙程度及形状：颗粒粗糙程度及形状对强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强度，并且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轧制的砾石要比轧制的石灰岩要好。
（3）细料含量及其细料的塑性：具有粘性和塑性的细料对吸力有影响，因此可以假设抗压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吸力，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的颗粒大小以及润滑的作用导致强度减小。
（4）密度及其含水量：压实层的特性（例如密度，含水量和颗粒的排列方向）对材料的强度影响很大。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，则抗压强度也会降低。道路应该具有足够的刚度以扩散从路面传来的应力和应变并将其传至下面路层，同时保证下面的各层不会出现较大的变形。
2.2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小密度。当细料含量在8％和12％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（或者是较低的有效应力），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。
2.3永久变形
永久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。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角光滑的材料相比永久变形要小。
（2）级配：对于给定的压实功，具有最佳级配指数的级配所产生的永久变形较小。
（3）细料含量：当细料的含量超过一界限值（8％～12％，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，永久变形显著的减小。在低含水量的情况下永久变形相对比较小。
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。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。
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。
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），例如洛杉矶磨耗值，华盛顿分解值，10%细料值，不佳石料含量（US）以及不佳边角料含量（TOT）。
（2）颗粒大小和形状，例如针片度指数（FI）。
（3）细料性能，例如液限（LL），线性收缩（LS），塑性指数（PI），吸水量（WA）。
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。
3.1材料类型的选取
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30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。其主要原因为：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，并难以压实成密实状态，在行车作用下会产生较大的瞬时变形[2]，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。
3.2材料强度
美国AASHTO M147-65（1995）以及其他一些国家的规范对强度的评定通常采用洛杉矶磨耗值，一般规定磨耗值不应超过50。我国的《公路路面基层施工技术规范》JTJ034－2000规定高速公路和一级公路基层的级配碎石集料压碎值&26％。因此本课题采用沥青路面用粗集料压碎值试验（T0316－2000）评定集料的性能。
3.3集料形状、构造
富于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4.75mm筛以上破裂面作为控制指标，并要求不超过50％。我国则规定针片状集料含量应不超过20％。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）（T0312－2000）测定集料。
3.4液限、塑限指数
级配碎石中&0.5mm含量及其塑性指数应严格限制，AASHTO及ASTM均规定其液限应&25％，塑性指数&4%～6％。我国规范JTJ034－2000规定液限&28％，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。
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。
4 级配碎石级配选择
级配是影响级配碎石强度与刚度最重要的因素。一般来说，密度使级配碎石获得高的CBR值、回弹模量及抗永久变形能力。当材料具有较大密度，并有较好透水性的级配，即是我们所寻求的最佳级配。国内有关级配以下两种：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0.075mm含量等。
何兆益[3]通过对各种室内成型试件的CBR测试试验表明，最大粒径越大，集料中起骨架作用的粗集料相对较多，从获得级配碎石最大CBR值来看，最大粒径以37.5 mm为最佳；而最大粒径为50 mm可以获得最大干密度，37.5 mm次之，31.5 mm最小。国外一般认为，良好施工、较大粒径的级配碎石作为基层，可以显著提高路面的强度，路面弯沉较小且在服务期间变化不大，从而显著提高沥青路面结构的抗疲劳性能，并降低了车辙深度。
但最大粒径越大，在运输、摊铺过程中的粗细颗粒离析会成为主要问题，一旦施工中发生离析，其性能会大大降低。采用较大的粒径时，也不容易机械整平，而且用于拌和及整平的设备容易磨损。林有贵和罗竞[4]对工程实践研究表明最大粒径为37.5mm的级配碎石施工中离析较大，而31.5mm的不易离析，质量均匀，并建议级配碎石的最大粒径不宜超过31.5mm。因此级配碎石最大粒径的确定，应该综合考虑最大粒径对级配碎石性能的影响以及具体的气候条件，并确保施工中不离析。一般建议最大粒径取31.5 mm或者26.5 mm。
袁峻[5]等通过室内试验发现，0.075mm 粒径碎石的含量对于CBR值也具有驼峰曲线， 在某一含量处达到最大值。随着0.075 mm 筛通过率增加，集料的强度增加，当达到某一含量后则强度又会随着0.075 mm筛通过率增加而迅速降低，同样在最佳值的左侧即0.075 mm筛通过率较低的一侧，随着其通过率的降低，强度降低较大，而在最佳值右侧随着通过率的增加， 抗剪强度降低缓慢一些。
通过对泉三高速公路三明段路面工程SMB3标不同路段进行级配碎石的筛分和含水量的现场试验，结果如图1所示。从图中可以看出含水量与细集料含量关系很大，在设计级配一致的情况下，细集料含量都大于12%时，当细集料的含量越大，含水量越大，偏离最佳含水量就越大，其强度越低；而当细集料越少，含水量越小，偏离最佳含水量也越大，导致其强度也下降。可见现场应该控制细集料的含量从而控制含水量在最佳含水量附近，进而保证级配碎石的强度。
图1 含水量与细集料含量的关系图
级配碎石的性能受到众多因数的影响，通过上述的试验研究与分析，可以发现只要级配碎石符合规定的指标，就可以控制级配碎石的相应的性能，从而保证级配碎石基层的性能，发挥级配碎石基层的优势。
[1] 莫石秀. 多年冻土地区级配碎石路用性能及设计方法研究[D] . 西安:长安大学，2004.
[2]Sean Davitt，Irish Experience in the Use of Unbound Aggregates in Roads
Unbound Aggregates in Road &Construction，2000
[3]何兆益. 碎石基层防止半刚性路面裂缝及其路用性能研究[D ]. 东南大学， 1997
[4]林有贵， 罗竞. 级配碎石基层的回弹模量及沥青路面设计弯沉的研究[J ]. 中南公路工程， 2001， 26 （4）
[5]袁峻. 级配碎石的级配选择[J ].公路， 2005，（12）.
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