室内与现场结合级配碎石级配组成优化

张国祥， 万铜铜， 王惠敏， 张 琛， 汪海年

（1.河北省高速公路延崇管理中心，张家口 075061； 2.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，西安 710064；3.西安航空学院能源与建筑学院，西安 710077）

半刚性基层沥青路面结构因其高强度而被广泛应用，而由于水泥稳定类材料易在荷载、温度和水等外界作用下板体性开裂，使得业内学者逐渐重视级配碎石柔性材料作为路面结构基层或过渡层的使用［1-2］. 级配碎石材料具有良好的抗裂、抗冻、防水、追溯性、无疲劳破坏、水损坏小等特点，且具有更低的工程造价，因而备受广大道路建设者的青睐［3-5］. 然而因其存在变形和承载力问题，被公认为是制约其应用的主要弊端.

为提升级配碎石的抵抗塑性变形的能力，国内外学者主要从优化材料级配组成设计［6］、改善成型方法［7］、采用土工格栅约束［8］及SRX聚合物、微黏结处理［9-10］等方面进行研究. 除第一种方法外，其他均需引入外界手段来达到目的，增加成本的同时使现场铺筑更为复杂. 级配组成在级配碎石路用性能中扮演着至关重要的角色，密实型的级配在强度及施工和易性方面较好，开级配表现出更优的排水能力，但是均在强度方面稍微有所欠缺；而骨架密实型级配碎石可兼顾强度和排水能力［11］. 在级配组成设计研究方面，国外学者目前主要采用Taibol设计法、贝雷法及填充系数法来进行级配碎石级配设计［12-13］；国内长安大学涂帅［11］、马骉等［14］、陈忠达等［15］对级配碎石应用的级配进行了优化设计，主要结合室内试验，采用抗剪强度和CBR作为性能评价指标，且提出了多级骨架嵌挤的级配碎石密实级配设计方法；西南交通大学曹明明［12］采用逐级填充级配设计方法进行了级配碎石的粗集料配比组成设计，发现逐级填充法设计级配性能最优；东南大学马士杰［16］采用现有的级配设计理论，以CBR和动态回弹模量为设计指标对级配碎石的级配组成进行了优化.

综上分析，目前级配碎石级配组成设计理论方法发展较好，但鲜有与现场铺筑相结合方面的研究，仅依靠理论并不能保证设计出的级配具有优良的性能；同时逐级填充法中粗细集料配比优化评价指标也未统一. 因此，本文结合工程项目，采用逐级填充方法进行级配碎石初步级配组成设计. 室内以CBR、最大干密度和抗剪强度指标优选粗细集料配比，室外将不同粗细配比级配碎石直接应用到工程现场试铺，进行贝克曼梁弯沉检测；进而分析室内与现场指标的关联，推荐室内级配碎石粗细集料配比评价指标，以供广大道路工作者参考.

1 原材料

1.1 集料

本文集料取自河北延崇高速ZT-8 标段原材料，主要为石灰岩，分为D1（＞0～5 mm）、D2（＞5～10 mm）、D3（＞10～20 mm）、D4（＞20～30 mm）四档. 试验中以4.75 mm 作为粗细集料的划分粒径，粗细集料的技术要求如表1和表2所示，均符合规范要求，且在规范要求的基础上，加入了粗集料的磨耗值指标及细集料的砂当量指标［8］.

表1 粗集料技术指标Tab.1 Technique indexes of coarse aggregates

表2 细集料技术指标Tab.2 Technique indexes of fine aggregates

1.2 级配控制范围

骨架密实型级配碎石级配表现更优的力学性能. 本文结合项目实际情况，各档集料的筛分结果如表3所示.

表3 级配碎石的级配范围及筛分结果Tab.3 Grading range and sieving results of graded gravel

2 试验方案

2.1 逐级填充法

本文依托工程项目料源，分为D1：（＞0～5 mm）、D2（＞5～10 mm）、D3（＞10～20 mm）、D4（＞20～30 mm）共4个档次. 基于逐级填充方法，以体积参数指标评价骨架嵌挤程度，实施流程如图1所示［12］.

图1 逐级填充法流程图Fig.1 Flowchart of gradual filling method

1）将D2、D3、D4 按不同的比例逐级填充，采用击实试验试筒，容积V为2177 cm3，内径为15.2 cm，进行插捣及振实试验，振实试验采用水泥混凝土振动台，控制时间3 min；根据各档集料的毛体积密度ρ和质量M，按公式（1）和（2）计算矿料间隙率VCA，对D2∶D3∶D4 比例进行优选，最终确定粗集料初步配合比.

式中：ρ为插捣、振实后的集料密度（g/m3）；ρt为合成毛体积密度（g/m3）；Wi为Di挡集料质量（g）.

2）控制细集料D1的掺量（质量分数分别为40%、35%、30%、25%），得到级配碎石级配.采用振动压实成型级配碎石混合料，振动压实试验参数配置如表4所示；进而获得最大干密度与最佳含水率，以CBR和抗剪强度值优选粗细集料配合比.

表4 振动压实参数配置Tab.4 Parameter configuration of vibration compaction

2.2 CBR试验

按照《公路土工试验规程（JTG 3430—2020）》中T 0134—2019 进行级配碎石CBR 试验. 控制粗细集料的质量比分别为60∶40、65∶35、70∶30、75∶25，在最佳含水率下配料，闷料，并分别成型Φ150 mm×120 mm（h）大小试件. 在不饱水状态下进行CBR试验，贯入杆速度为1.25 mm/min，读取两侧百分表在整数值时的贯入量，绘制单位压力P与贯入量l的关系曲线，按照式（3）和式（4）分别计算CBR值，取两者间的较大值作为该材料的CBR值.

式中：CBR为承载比；P为单位压力（kPa）.

2.3 三轴剪切试验

三轴剪切试验包括试样制备，试验仪器安装及加载和测量过程. 先取烘干石料按粗细集料的质量比分别为60∶40、65∶35、70∶30、75∶25 进行配料，在最佳含水下进行混合料拌制，混合料拌好后闷料. 试样制备采用AASHTO 规范振动击实［17］，由于本文采用级配碎石级配最大粒径为26.5 mm，因此试样尺寸为Φ150 mm×300 mm（h）. 为控制试样密度与击实试验中一致，本文采用高度误差控制法［18］，按8 层进行分层击实，每层加入100%压实度计算试样质量的1/8，并计算达到96%压实度所需各层的高度（h=37.5 mm）；每层击实结束后，测量试样表面至试筒口高度hi，进行4组对角位置处测量，取平均值ˉh，进而得到各层试样高度Δh，计算Δh与h的相对误差，误差不超过0.5%时才能进行下一层击实；且各层击实前进行拉毛，最后进行表面整平. 试样击实完成后，进行套膜，并装入三轴室内，制样完成，如图2所示.

图2 三轴剪切试验Fig.2 Triaxial shear test

试验采用UTM-30 试验仪配套粒料材料三轴剪切试验模块，安装±5 mm LVDT 位移传感器，控制加载速率为1%/min，分别在围压为27.6、68.9、103.4 kPa 下进行三轴剪切试验［19］.根据摩尔库伦准则，绘制应力摩尔圆，作应力圆的公切线，即可获得内摩擦角φ和黏聚力c，如图3所示.

图3 摩尔-库伦强度准则Fig.3 Mohr-Coulomb strength criterion

2.4 现场试铺检测

依托项目ZT-8 标段，在水泥稳定碎石层基础上进行级配碎石混合料试铺. 同样采用四组粗细集料配比，分别在最佳含水率下采用拌和站进行级配碎石拌和，采用运输车取料分层堆积，碾压过程为钢轮压路机振动压实，胶轮压路机收尾. 试验段试铺中不同粗细集料配比级配碎石混合料区域分布如图4所示.

铺筑完成后进行灌沙法压实度检测，每块区域检测三个点，如图4所示. 并于当天下午，采用贝克曼梁进行弯沉测试. 测试采用BZZ-100标准测试车，后轴标准轴载为100 kN，胎压控制为0.7 MPa；弯沉量程采用5.4 m长的贝克曼梁. 每间隔5 m布置测试点，按照《公路路基路面现场测试规程》（JT 3450—2019）和《贝克曼梁测定路基路面回弹弯沉试验方法》（T 0951—2008）方法，分别进行4个区域的弯沉测试，即每个区域进行4个弯沉点测试.

图4 现场试铺试验布置示意图Fig.4 Schematic diagram of site paving test layout

3 结果分析与讨论

3.1 粗集料配比确定

1）Ⅰ级填充为将D3∶D4 不同比例进行干混，保持D3 和D4 的混合料总质量不变，按照D3 占总质量的0%、10%、20%、30%，40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%进行插捣和振实试验，试验结果如图5（a）；

2）Ⅱ级填充，将D2掺入到D3和D4的混合料中，试验结果如图5（b）所示.

图5 逐级填充粗集料配比曲线Fig.5 Ratio curve of coarse aggregate filled step by step

根据矿料间隙率VCA 的大小来判断填充的骨架嵌挤程度，VCA最小时表明达到最优的骨架嵌挤结构. 分析图5（a）可以看出，随着D3掺量的增加，矿料间隙率呈现出先增大后减小的趋势. D3掺量的过量增加，已逐渐破坏已形成的骨架嵌挤结构，导致VCA增大. 对比分析图5（a）和5（b）的数据结果，发现D2（4.75～9.5 mm）这一档集料掺入后，VCA明显下降，说明D2档位集料对级配碎石的嵌挤强度影响较大：在D2档掺入前，最小的振动VCA值维持在30%左右，处于一个稳定的区间；而D2档掺入之后，VCA 下降了2%左右，说明D2 档集料在混合料中起骨架嵌挤作用的同时，也起填充作用. 最终，根据最小矿料间隙率VCA 最终确定的粗集料级配组成为D2∶D3∶D4=16.9∶23.9∶59.2；进而可计算出不同粗细集料配比级配碎石级配，如图6所示. 四种级配的区别主要在于粒径2.36、4.75、9.5 mm这三档集料含量.

图6 不同粗细集料配比级配曲线Fig.6 Gradation curves of coarse and fine aggregate with different proportions

3.2 不同粗细集料比最大干密度对比

室内基于振动压实成型方法得到不同粗细集料配比级配碎石混合料干密度和含水率曲线如图7所示. 可以发现，60∶40、65∶35、70∶30及75∶25粗细集料配比的最大干密度分别为2.521、2.525、2.530、2.514 g/cm3，最佳含水质量分数分别为4.3%、4.35%、4.5%及4.2%. 其中70∶30配比具有最大的干密度值，说明该配比级配碎石具有更高的密实程度和骨料嵌挤强度；而75∶25配比的最大干密度和最佳含水率均最小，符合正常规律；由于细料含量少，不足以填充粗集料嵌挤形成的空隙，表现出骨架悬浮的状态；60∶40配比则表现出悬浮密实的状态.

图7 干密度与含水质量分数关系曲线Fig.7 Relation curve of dry density and moisture mass fraction

现场级配碎石铺筑密度检测，每个区域检测3次，取其平均值，如表5所示. 同样70∶30配比级配碎石现场密度最高，与室内得到规律一样；现场压实度达到99%以上，符合压实预期98%的标准.

表5 现场测得干密度Tab.5 Dry density measured on site

3.3 不同粗细集料比CBR对比

对四组配比级配碎石混合料进行CBR 试验，取三个平行试件平均值作为该配比的CBR值，如图8所示.

图8 CBR值分布Fig.8 CBR value distribution

同样可以发现粗细集料配比为70∶30 时，级配碎石CBR值最大，达到529%，承载能力最强，其次分别65∶35、60∶40及75∶25，但均符合现有的规范标准≥200%，这与采用的成型方法有关；与室内振动压实得到的级配碎石相比重型击实等成型方法成型的级配碎石更为密实，强度更高. 此外，干密度大的级配碎石混合料对应的CBR 值也大. 级配碎石混合料中的粗集料形成稳定的骨架嵌挤结构，细集料恰好填充到骨架空隙中达到骨架密实状态.其中，在粗细集料比为70∶30 的比例下，级配碎石即形成了骨架密实结构，强度最高.

3.4 不同粗细集料比抗剪强度对比

相比CBR试验存在模具侧限，三轴剪切试验可根据级配碎石路面结构层的围压受力来评价其抵抗塑性变形的能力，并结合摩尔-库伦准则计算破坏剪应力，评判结构层强度方面优于CBR试验. 本节对四组粗细集料配比级配碎石混合料进行三轴剪切试验，试验结果如表6所示，可发现抗剪强度参数与CBR值并无明显对应关系. 但一定程度上粗集料含量越大，其内摩擦角越大；细料含量越大，其黏聚力也越大. 粗集料的存在更有利于形成强嵌挤骨架结构，从而提高内摩擦力；而细集料的存在，使得颗粒间的胶结作用增强，不利于骨架形成，因此表现出高黏聚力和弱摩擦力.

表6 级配碎石最佳含水率下三轴剪切试验Tab.6 Triaxial shear test of graded gravel with optimum water content

级配碎石基层围压变化范围为0～120 kPa［16，20］，在比较中需考虑围压的变化. 分别取27.6、68.9、103.4 kPa三种围压，根据表6中的摩尔-库伦参数及公式（5）～（7），计算最佳含水率、100%压实度状态下级配碎石的破坏剪切强度，即抗剪强度τ，分布如图9所示.

式中：σ剪切滑动面上的法向正应力（kPa）；σ1为主应力；σ3为围压（kPa）；α为破坏面倾角（°）.

分析图9 可知，总体表现出70∶30 粗细配比级配碎石混合料抗剪强度最优，其次分别为75∶25、65∶35、60∶40，除了75∶25 比例外. 其余与CBR 结果大体相似，分析原因为粗集料的存在有利于形成骨架嵌挤结构，在围压的束缚下，不易发生松散，因而黏结力减弱，摩擦角增大，且围压越大，级配碎石抗剪强度越高，因此可通过增加级配碎石层侧限的方法来提高其强度.

图9 抗剪强度值分布Fig.9 Distribution of shear strength values

3.5 不同粗细集料比现场弯沉值对比

采用现场平均回弹弯沉指标来评价级配碎石层的承载能力. 试验段铺筑后，对四组粗细集料配比的级配碎石层弯沉进行测试，结果如表7所示.

表7 现场弯沉实测值表Tab.7 Values of deflection measured in field

分析可知，区域Ⅱ和区域Ⅲ，即65∶35和70∶30配比级配碎石层区域，测得平均回弹弯沉值相对较小，说明现场铺筑承载能力最高，其次是区域Ⅳ和区域Ⅰ（75∶25和60∶40配比）；结果与室内试验结果相符，验证了室内试验的可靠性，即室内设计出的高强度级配碎石配比现场铺筑后同样具有更高的强度.

3.6 室内与现场指标关联性分析

为分析室内设计指标的可靠性，采用线性拟合方法进行室内级配碎石强度评价指标与现场实测弯沉指标间的关联性分析，如图10所示.

图10 室内评价指标与实测回弹弯沉值拟合关系Fig.10 Fitting relationship between indoor evaluation index and measured rebound bending value

图10（a）为CBR和实测弯沉值的线性拟合关系，得到相关系数R2为0.650 5，呈线性负相关，CBR越大，则弯沉值越小；图10（b）为最大干密度与实测弯沉值的线性关系，R2为0.630 6，相比CBR的相关系数小，最大干密度越大，则弯沉值越小；图10（c）为27.6、69.3、103.4 kPa三个围压下抗剪强度与实测弯沉值的线性关系，得到相关系数R2分别为0.686 6、0.598 8及0.607 4，同样抗剪强度越大，弯沉值越小. 27.6 kPa围压下抗剪强度与实测弯沉值相关性更高，而另外两个围压下相差不大，可能由于实测弯沉时，级配碎石层所受围压较小，27.6 kPa围压更符合实际情况. 此外，对比三个室内指标，27.6 kPa围压下的抗剪强度指标与弯沉值的相关性最好，其次是CBR、最大干密度及69.3 kPa 和103.4 kPa 围压下的抗剪强度. 综合分析推荐室内采用CBR和27.6 kPa围压下的抗剪强度指标作为室内优选粗细集料配比的指标.

4 结论

本文采用工程项目料源，基于逐级填充法进行了室内级配碎石组成设计，以CBR、最大干密度和三轴剪切强度指标优化了粗细集料配比；结合现场灌沙法与贝克曼梁回弹弯沉检测，分析了室内指标与回弹弯沉指标的关联程度，验证了逐级填充法的可靠性. 得出主要结论如下：

1）基于振动压实成型和逐级填充级配设计方法设计出的级配碎石强度均高于规范值（CBR≥180%），CBR值提高近150%，27.6 kPa围压下抗剪强度达693.5 kPa；现场铺筑级配碎石层压实度均达到99%以上，实测平均回弹弯沉范围最高为110.5（0.01 mm）.

2）逐级填充法采用矿料间隙率VCA指标评价了捣实与振实下D2、D3和D4粗集料干混状态的骨架嵌挤程度，粗集料捣实和振实状态下的最小VCA指标值分别为32.0%和28.6%，根据最小VCA指标值确定了粗集料最优质量配比为D2∶D3∶D4=16.9∶23.9∶59.2.

3）级配碎石粗细集料含量存在最优配合比例，粗集料含量或者细集料含量过多均不利于形成骨架密实结构. 以CBR和最大干密度作为评价指标时，配比排序为70∶30＞65∶35＞60∶40＞75∶25；以抗剪强度作为评价指标时，配比排序为70∶30＞75∶25＞65∶35＞60∶40；基于平均回弹弯沉指标得到的配比排序为70∶30＞65∶35＞75∶25＞60∶40.

4）经过现场试铺验证，粗细集料配比优化评价指标中27.6 kPa围压下的抗剪强度指标与现场铺筑效果关联性最高，其次为CBR 指标；推荐采用CBR 和27.6 kPa 围压下抗剪强度指标进行逐级填充法中粗细集料配比评价.