论文部分内容阅读
【摘 要】采用逐级填充振动成型法进行水稳砾石的目标配合比试验，采用贝雷法对所设计的混合料合成级配进行了分析和评价，最终得到了水稳砾石基层的推荐级配范围。在设计的级配范围内，成型试件，进行无侧限抗压强度及抗折强度测试，研究了水泥剂量对抗折强度的影响。结果表明，当水泥剂量为4.0%时，水稳砾石无侧限抗压强度和间接抗拉强度能够满足现行规范对中等交通量的高速公路和一级公路对于半刚性基层材料的强度要求。
【关键词】半刚性基层；水稳砾石；级配范围；水泥剂量；无侧限抗压强度
Gravel with water stable Performance Research Design and Road Test
Xiong Yong1，Pang Zheng-song2
（1.Taizhou Road and Water Engineering Management Consulting Co.， Ltd Linhai Zhejiang 317000；
2.Linhai Port Economic Development Service Center Linhai Zhejiang 317000）
【Abstract】Using progressively filled vibration molding method with the goal of water stable gravel ratio test， using the Bailey method for the design of synthetic mixtures were analyzed and graded evaluation， finally got water stable graded gravel grassroots recommended range. Gradation within the scope of the design， molding specimens， unconfined compressive strength and flexural strength testing， the effect of the cement dosage strength against the fold. The results showed that when the cement dose was 4.0%， the water-stable gravel unconfined compressive strength and indirect tensile strength to meet the current specifications for medium traffic highways and highway semi-rigid material for strength requirements.
【Key words】Semi-rigid；Water stable gravel；Gradation range；Cement dose；Unconfined compressive strength
1. 概述
在河流分布较多的山区和戈壁地区（我国新疆、西藏等地区）修建公路，往往由于地形地质条件的限制，使得开采石料存在困难。而沿河两岸和广袤的戈壁上有大量的砾石分布，研究将砾石作为路面底基层、基层和面层的石料具有显著的经济效益和社会效益，工程实践价值巨大。然而，由于自身特性，砾石在岩性组成、棱角性等方面与常规破碎集料有明显差异，用于水稳碎石基层时，其混合料组成（级配范围、最佳水泥用量等）及路用性能到底如何，目前尚无相关研究成果。本文主要针对水稳砾石材料组成、配合比设计、路用性能开展试验研究，在此基础上提出适合于水泥稳定基层的砾石级配范围，最佳水泥用量，以及力学性能指标。
表1 试验用水泥常规性能检测结果
表2 砾石粗集料技术指标试验结果
2. 原材料试验
水稳基层原材料主要包括：水泥、集料（砾石）、水，主要原材料试验结果如下。
2.1 水泥。
采用普通硅酸盐325水泥，进行水稳砾石试验，水泥常规指标试验结果见表1。试验结果表明，水泥各项指标满足规范对于水稳材料用水泥的要求。
2.2 粗集料。
对所取砾石样品进行了粗集料压碎值和针片状颗粒含量的试验，试验结果见表2。
从试验结果来看，粗集料各项技术指标能够满足国家规范及相关研究成果所提出的对于水稳碎石基层的技术指标要求。
2.3 细集料。
对于细集料，主要进行了含泥量以及塑性指数试验，因为这两项指标会影响到混合料的力学性能及收缩开裂。试验结果见表3。
从试验结果来看，砾石细集料性能也能够满足国家规范对于水稳基层原材料的技术要求。
表3 细集料技术指标试验结果
2.4 水。
水稳基层对水没有特殊要求，一般人畜饮水和自来水都可以用于实际工程。
3. 混合料配合比设计
3.1 级配设计。
3.1.1 混合料的级配设计采用逐级填充表面振动压实法。振动压实的基本原理是振动使被压实材料的内部产生振动冲击，被压实材料的颗粒在受到振动冲击的作用下，从初始的静止状态逐步过渡为运动状态，被压实材料的摩擦力也从初始的静摩擦状态逐步过渡到动摩擦状态。由于材料具有水分的离析作用，使得材料颗粒的外层会包围一层水膜，形成了颗粒运动的润滑剂，为颗粒运动提供了十分有利的条件。被压实材料颗粒之间有着很多不等的间隙，在振动冲击的作用下，被压实材料其颗粒间的相对位置变化出现了相互的填充现象，即较大颗粒间所形成的间隙通过较小颗粒来填充，较小间隙通过水分来填充。被压实材料中空气的含量也在振动冲击过程中减少了。当颗粒间的间隙减小了，其密实度就会增加；当其间隙减小到颗粒间接触面增大时，就会使被压实材料内的摩阻力增大，从而其承载力就会提高。 3.1.2 采用逐级填充法对大于4.75mm的集料进行振动压实，可以计算空隙率和振实密度。依据最大振实密度，通过各档集料的比例来确定粗集料的级配。为了能够获得密实度较佳、骨架较为良好的骨架密实级配，还需要进一步确定细集料的级配。但是如果考虑施工的和易性，在设计级配时，骨架良好的情况下各档粒料能够连续分布，以免出现断档的情况。
3.1.3 表面振动压实法具体操作过程为：将一定质量的集料装在一定容积的振实筒中，在其上面加上质量为255Kg的垫块，放在振动台上，振动频率为30 Hz，振动时间为3分钟，然后量取高度，计算振实密度。其设计过程如下：
（1）确定被填充骨料规格D0，将一定质量的此粒径的骨料放入振实筒中，加上重255Kg的垫块，振动3分钟，然后测量其振实后的高度，利用公式ρ=m/v计算其振实密度，计算空隙率。
（2）D0的用量为100，D1为下一级填充料，要以D0用量的一定比例，将D1逐次加入D0中，在这个过程中要保证集料的总量不变，每次加入之后，振动并测得振实密度，从而建立振实密度与填充数量的关系曲线。
（3）通过最大振实密度来选择第二级填充料的最佳用量。
（4）以此类推，进行第三、第四级填充，最后分别得到各级粒径的最佳填充比例，即主骨料的级配。
3.1.4 本文粗、细集料的区分是根据4.75mm筛孔为界限的，并采用逐级填充的方法，对粗集料进行表面振动压实并计算最大振实密度。其实际操作步骤如下：
3.1.5 第一级填充：确定第一级母料使用粒径为31.5～26.5mm的粒料，将粒径为26.5～19mm的粒料按照不同的比例加入31.5～26.5mm的粒料中，考察其振实密度数值的变化，确定26.5～19mm的粒级粒料最佳掺配比例，试验结果如表4和图1所示。
表4 第一级填充结果
表5 采用逐级填充振动成型法设计的水稳砾石级配结果
3.1.6 按照第一级填充的步骤分别进行第二级填充、第三级填充和第四级填充，最终得出了水稳砾石按照逐级填充振动成型压实法设计的合成级配结果，见表5和图2。
3.2 水稳砾石推荐级配范围。
（1）在上述试验结果的基础上，设计了粗中细三个级配，合成级配通过率见表6；水泥用量统一为4.5%，通过最大干密度试验确定的最佳含水量分别为：4.8%（粗级配）、5.2%（中级配）、5.5%（细级配）；采用振动成型法成型试件，试件脱模后外观完好，养生7天，实测无侧限抗压强度，试验结果见表7。
表6 水稳砾石粗中细三个级配通过率
表7 水稳砾石粗中细三个级配无侧限抗压强度
（2）从试件成型过程及强度试验结果来看，在国家规范范围内所选的粗中细三个级配的水稳砾石无侧限抗压强度代表值（水泥剂量为4.5%）分别为：4.5MPa、4.9MPa、4.7MPa，均在4.0MPa以上，能够满足高速公路或一级公路水稳基层的强度要求。
（3）因此，根据室内试验结果，考虑到施工过程中的变异性，提出了适合于水稳砾石的推荐级配范围，见表8、表9。
表8 水稳砾石推荐级配范围（适用于高速、一级公路）
表9 水稳砾石推荐级配范围（适用于二级以下公路）
4. 采用贝雷法对水稳砾石级配进行评价
贝雷法是一种系统的级配设计和检验方法，用该方法设计的级配粗集料能形成嵌挤结构，可以把它作为混合料的骨架。贝雷法可以用来评价矿料级配的一系列参数，对理解集料级配与混合料中空隙体积的关系有一定的好处。通过一定的改善，贝雷法已经可以适用于任何一种混合料的设计方法。
4.1 合成级配中粗细集料分界点计算。
本次试验选用了三个级配，其级配通过率见表10。采用贝雷法对其进行了评价，三个级配对应的D、PCS、SCS、TCS等参数值计算结果见表11。
表10 试验对比用级配通过率
表11 不同级配结构各级分界点
4.2 采用贝雷法计算合成级配参数值。
（1）采用贝雷法对三种不同级配结构类型的破碎河滩砾料水泥稳定碎石混合料嵌挤结构进行评价，对所选的三种不同级配结构类型的 值、 值和 值进行计算，计算结果如表12所示。
表12 水稳砾石合成级配贝雷法三参数计算结果
（2）计算结果表明，三种级配的 值均在0.4～0.8之间，集料级配所形成的骨架结构较好，混合料比较容易压实。
4.3 贝雷法三参数取值范围建议。
根据室内试验、理论计算和分析结果，对于水稳砾石混合料合成级配的 值、 值和 值三参数的取值范围建议如下，见表13。
表13 水稳砾石贝雷法级配设计各参数取值范围
表14 水稳砾石设计级配
5. 水稳砾石路用性能试验
本研究针对水稳砾石进行了无侧限抗压强度和劈裂强度试验。
5.1 抗压强度试验。
（1）选用表14的级配，水泥用量为4%，含水量为5.0%，采用振动成型法成型混合料试件，进行无侧限抗压强度试验，试验结果见表15。
（2）从试验结果来看，6个试件的平均无侧限抗压强度为4.4MPa，实测值最大为4.8MPa，最小值为3.9MPa，标准差为0.3162，抗压强度代表值为3.9MPa，能够满足中等交通量的高速公路或一级公路基层使用要求。
5.2 劈裂强度试验。
（1）为了研究水泥稳定砾石的抗拉强度和抗疲劳性能，进行了水稳砾石的劈裂强度试验，试验用级配同抗压强度试验，水泥剂量控制为3%、4%、5%，每组水泥剂量成型4个试件，试件养生时间分别为7d和28d。试验结果见表16和图3。
表15 水稳砾石7d无侧限抗压强度试验结果
表16 水泥稳定砾石劈裂强度试验结果
（2）由表16和图3可知，随着水泥剂量的增加，7d和28d劈裂强度均增大，但增长幅度变小。试验结果表明，各水泥剂量的7d和28d劈裂强度均满足现行规范规定的要求，能够满足中等交通量的高速公路或一级公路基层使用要求。
6. 结论
通过对水稳砾石配合比设计和路用性能试验的研究表明：尽管砾石在岩性组成、棱角性等方面与常规破碎集料有明显差异，但是采用逐级填充表面振动压实法设计的水稳砾石能用于铺筑路面基层及底基层，其路用性能能满足相关规范对基层及底基层的要求。因此，在河流分布较多、砾石丰富的山区，采用水稳砾石修筑路面基层及底基层也不失为一种良策，既能满足路用性能的要求，又具有良好的经济效益和社会效益。
参考文献
[1] 沙庆林.高等级半刚性基层沥青路面[M].北京：人名交通出版社，1998.
[2] 王火明，符德省，王秀等。粗集料强度和棱角性对级配碎石合成级配影响的试验研究[J]。华东公路，2013（2）：36～38.
[3] 王火明，杨敏，王秀等。粗集料棱角性对水稳河滩料强度和干缩特性影响的试验研究[J]。公路交通技术，2013（1）：1～5.
[4] 杨涛.半刚性基层沥青路面反射裂缝的产生机理及其防治措施[D]，武汉理工大学硕士论文，2005.
[文章编号]1006-7619（2014）02-11-058
[作者简介] 熊勇（1981.09.28-），籍贯：湖北黄冈，工作单位：台州市公路水运工程监理咨询有限公司，所在城市：台州。
【关键词】半刚性基层；水稳砾石；级配范围；水泥剂量；无侧限抗压强度
Gravel with water stable Performance Research Design and Road Test
Xiong Yong1，Pang Zheng-song2
（1.Taizhou Road and Water Engineering Management Consulting Co.， Ltd Linhai Zhejiang 317000；
2.Linhai Port Economic Development Service Center Linhai Zhejiang 317000）
【Abstract】Using progressively filled vibration molding method with the goal of water stable gravel ratio test， using the Bailey method for the design of synthetic mixtures were analyzed and graded evaluation， finally got water stable graded gravel grassroots recommended range. Gradation within the scope of the design， molding specimens， unconfined compressive strength and flexural strength testing， the effect of the cement dosage strength against the fold. The results showed that when the cement dose was 4.0%， the water-stable gravel unconfined compressive strength and indirect tensile strength to meet the current specifications for medium traffic highways and highway semi-rigid material for strength requirements.
【Key words】Semi-rigid；Water stable gravel；Gradation range；Cement dose；Unconfined compressive strength
1. 概述
在河流分布较多的山区和戈壁地区（我国新疆、西藏等地区）修建公路，往往由于地形地质条件的限制，使得开采石料存在困难。而沿河两岸和广袤的戈壁上有大量的砾石分布，研究将砾石作为路面底基层、基层和面层的石料具有显著的经济效益和社会效益，工程实践价值巨大。然而，由于自身特性，砾石在岩性组成、棱角性等方面与常规破碎集料有明显差异，用于水稳碎石基层时，其混合料组成（级配范围、最佳水泥用量等）及路用性能到底如何，目前尚无相关研究成果。本文主要针对水稳砾石材料组成、配合比设计、路用性能开展试验研究，在此基础上提出适合于水泥稳定基层的砾石级配范围，最佳水泥用量，以及力学性能指标。
表1 试验用水泥常规性能检测结果
表2 砾石粗集料技术指标试验结果
2. 原材料试验
水稳基层原材料主要包括：水泥、集料（砾石）、水，主要原材料试验结果如下。
2.1 水泥。
采用普通硅酸盐325水泥，进行水稳砾石试验，水泥常规指标试验结果见表1。试验结果表明，水泥各项指标满足规范对于水稳材料用水泥的要求。
2.2 粗集料。
对所取砾石样品进行了粗集料压碎值和针片状颗粒含量的试验，试验结果见表2。
从试验结果来看，粗集料各项技术指标能够满足国家规范及相关研究成果所提出的对于水稳碎石基层的技术指标要求。
2.3 细集料。
对于细集料，主要进行了含泥量以及塑性指数试验，因为这两项指标会影响到混合料的力学性能及收缩开裂。试验结果见表3。
从试验结果来看，砾石细集料性能也能够满足国家规范对于水稳基层原材料的技术要求。
表3 细集料技术指标试验结果
2.4 水。
水稳基层对水没有特殊要求，一般人畜饮水和自来水都可以用于实际工程。
3. 混合料配合比设计
3.1 级配设计。
3.1.1 混合料的级配设计采用逐级填充表面振动压实法。振动压实的基本原理是振动使被压实材料的内部产生振动冲击，被压实材料的颗粒在受到振动冲击的作用下，从初始的静止状态逐步过渡为运动状态，被压实材料的摩擦力也从初始的静摩擦状态逐步过渡到动摩擦状态。由于材料具有水分的离析作用，使得材料颗粒的外层会包围一层水膜，形成了颗粒运动的润滑剂，为颗粒运动提供了十分有利的条件。被压实材料颗粒之间有着很多不等的间隙，在振动冲击的作用下，被压实材料其颗粒间的相对位置变化出现了相互的填充现象，即较大颗粒间所形成的间隙通过较小颗粒来填充，较小间隙通过水分来填充。被压实材料中空气的含量也在振动冲击过程中减少了。当颗粒间的间隙减小了，其密实度就会增加；当其间隙减小到颗粒间接触面增大时，就会使被压实材料内的摩阻力增大，从而其承载力就会提高。 3.1.2 采用逐级填充法对大于4.75mm的集料进行振动压实，可以计算空隙率和振实密度。依据最大振实密度，通过各档集料的比例来确定粗集料的级配。为了能够获得密实度较佳、骨架较为良好的骨架密实级配，还需要进一步确定细集料的级配。但是如果考虑施工的和易性，在设计级配时，骨架良好的情况下各档粒料能够连续分布，以免出现断档的情况。
3.1.3 表面振动压实法具体操作过程为：将一定质量的集料装在一定容积的振实筒中，在其上面加上质量为255Kg的垫块，放在振动台上，振动频率为30 Hz，振动时间为3分钟，然后量取高度，计算振实密度。其设计过程如下：
（1）确定被填充骨料规格D0，将一定质量的此粒径的骨料放入振实筒中，加上重255Kg的垫块，振动3分钟，然后测量其振实后的高度，利用公式ρ=m/v计算其振实密度，计算空隙率。
（2）D0的用量为100，D1为下一级填充料，要以D0用量的一定比例，将D1逐次加入D0中，在这个过程中要保证集料的总量不变，每次加入之后，振动并测得振实密度，从而建立振实密度与填充数量的关系曲线。
（3）通过最大振实密度来选择第二级填充料的最佳用量。
（4）以此类推，进行第三、第四级填充，最后分别得到各级粒径的最佳填充比例，即主骨料的级配。
3.1.4 本文粗、细集料的区分是根据4.75mm筛孔为界限的，并采用逐级填充的方法，对粗集料进行表面振动压实并计算最大振实密度。其实际操作步骤如下：
3.1.5 第一级填充：确定第一级母料使用粒径为31.5～26.5mm的粒料，将粒径为26.5～19mm的粒料按照不同的比例加入31.5～26.5mm的粒料中，考察其振实密度数值的变化，确定26.5～19mm的粒级粒料最佳掺配比例，试验结果如表4和图1所示。
表4 第一级填充结果
表5 采用逐级填充振动成型法设计的水稳砾石级配结果
3.1.6 按照第一级填充的步骤分别进行第二级填充、第三级填充和第四级填充，最终得出了水稳砾石按照逐级填充振动成型压实法设计的合成级配结果，见表5和图2。
3.2 水稳砾石推荐级配范围。
（1）在上述试验结果的基础上，设计了粗中细三个级配，合成级配通过率见表6；水泥用量统一为4.5%，通过最大干密度试验确定的最佳含水量分别为：4.8%（粗级配）、5.2%（中级配）、5.5%（细级配）；采用振动成型法成型试件，试件脱模后外观完好，养生7天，实测无侧限抗压强度，试验结果见表7。
表6 水稳砾石粗中细三个级配通过率
表7 水稳砾石粗中细三个级配无侧限抗压强度
（2）从试件成型过程及强度试验结果来看，在国家规范范围内所选的粗中细三个级配的水稳砾石无侧限抗压强度代表值（水泥剂量为4.5%）分别为：4.5MPa、4.9MPa、4.7MPa，均在4.0MPa以上，能够满足高速公路或一级公路水稳基层的强度要求。
（3）因此，根据室内试验结果，考虑到施工过程中的变异性，提出了适合于水稳砾石的推荐级配范围，见表8、表9。
表8 水稳砾石推荐级配范围（适用于高速、一级公路）
表9 水稳砾石推荐级配范围（适用于二级以下公路）
4. 采用贝雷法对水稳砾石级配进行评价
贝雷法是一种系统的级配设计和检验方法，用该方法设计的级配粗集料能形成嵌挤结构，可以把它作为混合料的骨架。贝雷法可以用来评价矿料级配的一系列参数，对理解集料级配与混合料中空隙体积的关系有一定的好处。通过一定的改善，贝雷法已经可以适用于任何一种混合料的设计方法。
4.1 合成级配中粗细集料分界点计算。
本次试验选用了三个级配，其级配通过率见表10。采用贝雷法对其进行了评价，三个级配对应的D、PCS、SCS、TCS等参数值计算结果见表11。
表10 试验对比用级配通过率
表11 不同级配结构各级分界点
4.2 采用贝雷法计算合成级配参数值。
（1）采用贝雷法对三种不同级配结构类型的破碎河滩砾料水泥稳定碎石混合料嵌挤结构进行评价，对所选的三种不同级配结构类型的 值、 值和 值进行计算，计算结果如表12所示。
表12 水稳砾石合成级配贝雷法三参数计算结果
（2）计算结果表明，三种级配的 值均在0.4～0.8之间，集料级配所形成的骨架结构较好，混合料比较容易压实。
4.3 贝雷法三参数取值范围建议。
根据室内试验、理论计算和分析结果，对于水稳砾石混合料合成级配的 值、 值和 值三参数的取值范围建议如下，见表13。
表13 水稳砾石贝雷法级配设计各参数取值范围
表14 水稳砾石设计级配
5. 水稳砾石路用性能试验
本研究针对水稳砾石进行了无侧限抗压强度和劈裂强度试验。
5.1 抗压强度试验。
（1）选用表14的级配，水泥用量为4%，含水量为5.0%，采用振动成型法成型混合料试件，进行无侧限抗压强度试验，试验结果见表15。
（2）从试验结果来看，6个试件的平均无侧限抗压强度为4.4MPa，实测值最大为4.8MPa，最小值为3.9MPa，标准差为0.3162，抗压强度代表值为3.9MPa，能够满足中等交通量的高速公路或一级公路基层使用要求。
5.2 劈裂强度试验。
（1）为了研究水泥稳定砾石的抗拉强度和抗疲劳性能，进行了水稳砾石的劈裂强度试验，试验用级配同抗压强度试验，水泥剂量控制为3%、4%、5%，每组水泥剂量成型4个试件，试件养生时间分别为7d和28d。试验结果见表16和图3。
表15 水稳砾石7d无侧限抗压强度试验结果
表16 水泥稳定砾石劈裂强度试验结果
（2）由表16和图3可知，随着水泥剂量的增加，7d和28d劈裂强度均增大，但增长幅度变小。试验结果表明，各水泥剂量的7d和28d劈裂强度均满足现行规范规定的要求，能够满足中等交通量的高速公路或一级公路基层使用要求。
6. 结论
通过对水稳砾石配合比设计和路用性能试验的研究表明：尽管砾石在岩性组成、棱角性等方面与常规破碎集料有明显差异，但是采用逐级填充表面振动压实法设计的水稳砾石能用于铺筑路面基层及底基层，其路用性能能满足相关规范对基层及底基层的要求。因此，在河流分布较多、砾石丰富的山区，采用水稳砾石修筑路面基层及底基层也不失为一种良策，既能满足路用性能的要求，又具有良好的经济效益和社会效益。
参考文献
[1] 沙庆林.高等级半刚性基层沥青路面[M].北京：人名交通出版社，1998.
[2] 王火明，符德省，王秀等。粗集料强度和棱角性对级配碎石合成级配影响的试验研究[J]。华东公路，2013（2）：36～38.
[3] 王火明，杨敏，王秀等。粗集料棱角性对水稳河滩料强度和干缩特性影响的试验研究[J]。公路交通技术，2013（1）：1～5.
[4] 杨涛.半刚性基层沥青路面反射裂缝的产生机理及其防治措施[D]，武汉理工大学硕士论文，2005.
[文章编号]1006-7619（2014）02-11-058
[作者简介] 熊勇（1981.09.28-），籍贯：湖北黄冈，工作单位：台州市公路水运工程监理咨询有限公司，所在城市：台州。