倒裝式瀝青路面級配碎石基層性能研究

呂軍軍

(1.河北交規(guī)院瑞志交通技術(shù)咨詢有限公司 石家莊市 050091； 2.河北省道路結(jié)構(gòu)與材料工程技術(shù)研究中心 石家莊市 050091)

大多數(shù)瀝青路面裂縫是由于基層在外界溫度和材料干縮應(yīng)力作用下產(chǎn)生開裂后反射到面層的結(jié)果，尤其是在溫濕變化較大地區(qū)更明顯，這個因素也是半剛性基層的致命缺點(diǎn)[1]。此外，半剛性基層的排水性能較差，從路面滲入基層的水無法及時排出，積聚在基層，在車輛荷載和動水壓力作用下會使基層和面層逐漸發(fā)生破壞[2]?；谝陨蠁栴}，采用倒裝式路面結(jié)構(gòu)，即在半剛性基層與瀝青面層之間加一層柔性級配碎石基層，從原材料性能等方面研究了級配碎石的力學(xué)性能及其對瀝青路面彎沉值和拉應(yīng)力的影響。

1 級配碎石材料基本性能和級配設(shè)計

由于級配碎石組成較為松散，屬于無粘結(jié)料類的柔性材料，它的強(qiáng)度和模量與無機(jī)結(jié)合料類相比較小，其強(qiáng)度來源主要是礦料本身所具有的強(qiáng)度和集料之間的嵌擠力，以及密實(shí)度良好的級配[3]。因此，對于級配碎石的基本性能、組成材料性質(zhì)和級配設(shè)計尤為重要。

1.1 基本性能要求

(1)碎石強(qiáng)度

美國AASHTO及ASTM僅僅明確了碎石的CBR值大于或等于80%，但并沒有針對碎石的抗壓強(qiáng)度或者抗剪強(qiáng)度等強(qiáng)度特性作出明確的規(guī)定[4]。結(jié)合國內(nèi)2015年交通運(yùn)輸部發(fā)布的《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)中對于重交通等級的高速公路和一級公路的基層集料壓碎值不超過26%，而對于級配碎石材料的CBR值要求不低于180%。

(2)碎石外形及表面構(gòu)造

研究表明，級配碎石取得較高CBR值的關(guān)鍵在于：同樣級配且密實(shí)度相同前提下，應(yīng)采用表面更為粗糙且棱角分明的軋制碎石，而不宜選用具有光滑表面的礫石[5]。在《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)中關(guān)于重交通等級的高速公路或一級公路的碎石針片狀含量不大于18%，且碎石中不應(yīng)含有機(jī)物或黏土塊等。

(3)碎石液限及塑性指數(shù)

工程實(shí)踐表明，基層碎石塑性指數(shù)較大的瀝青路面會較早地出現(xiàn)破壞，而對應(yīng)塑性指數(shù)較小的瀝青路面使用狀況往往較好，因此，應(yīng)用于瀝青路面基層的碎石塑性指數(shù)不宜過大。圖1為CBR值隨塑性指數(shù)的變化規(guī)律，可以看出隨著碎石塑性指數(shù)的逐漸增大，其CBR值逐漸減小，當(dāng)塑性指數(shù)大于15后，CBR值已基本趨于穩(wěn)定。

英國運(yùn)輸部發(fā)布的《新路面結(jié)構(gòu)設(shè)計》要求用于瀝青路面或半剛性路面底基層的碎石塑性指數(shù)為0[6]。國內(nèi)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》中對于級配碎石塑性指數(shù)要求在潮濕多雨地區(qū)宜小于6，但若滿足高速公路或一級公路的CBR值不低于180%要求時塑性指數(shù)不應(yīng)大于4。

圖1 CBR值隨塑性指數(shù)的變化規(guī)律

1.2 原材料技術(shù)要求

試驗(yàn)采用石灰?guī)r碎石，集料規(guī)格主要分為4檔，其規(guī)格及比例分別為0～5mm∶5～10mm∶10～20mm∶20～30mm=36∶10∶20∶34。礦料的技術(shù)性質(zhì)是影響級配碎石性能的關(guān)鍵因素，在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)分別對集料的壓碎值、堅固性、針片狀含量、含水量及細(xì)集料的砂當(dāng)量、液限及塑性指數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行測試，檢驗(yàn)結(jié)果分別見表1和表2。

表1 粗集料技術(shù)性質(zhì)

表2 細(xì)集料技術(shù)性質(zhì)

1.3 級配碎石組成設(shè)計

(1)確定級配

首先對組成級配碎石的原材料進(jìn)行篩分試驗(yàn)，結(jié)合篩分試驗(yàn)結(jié)果及振動擊實(shí)試驗(yàn)確定出性能較好的級配曲線，其篩分試驗(yàn)結(jié)果和級配組成見表3，合成級配曲線見圖2。

(2)確定最佳含水量

采用兩種不同的成型方式：振動擊實(shí)和重型擊實(shí)確定級配碎石最大干密度下對應(yīng)的最佳含水量。試驗(yàn)結(jié)果見表4和圖3、圖4。

表3 原材料篩分及組成級配表

圖2 合成級配曲線

表4 兩種成型方式下干密度與含水量的變化關(guān)系

圖3 重型擊實(shí)下干密度與含水量的關(guān)系

圖4 振動擊實(shí)下干密度與含水量的關(guān)系

從圖3和圖4可以看出，重型擊實(shí)和振動擊實(shí)下的干密度均隨著含水量的增加而呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，重型擊實(shí)下最大干密度對應(yīng)的含水量為5.5%，最大干密度為2.335g·cm-3；振動擊實(shí)下最大干密度對應(yīng)的含水量為4.6%，其最大干密度為2.377g·cm-3。

2 級配碎石材料性能

(1)CBR試驗(yàn)

CBR試驗(yàn)操作簡單，常用于表征土體或無粘結(jié)類材料的力學(xué)性質(zhì)，為了測試級配碎石的CBR強(qiáng)度指標(biāo)大小，仍然采用振動擊實(shí)和重型擊實(shí)兩種成型方法對最佳含水量下的級配碎石進(jìn)行強(qiáng)度指標(biāo)CBR試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 級配碎石強(qiáng)度指標(biāo)CBR試驗(yàn)結(jié)果

從表5試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，兩種擊實(shí)方法得出的CBR值都滿足指標(biāo)要求，振動擊實(shí)方法對應(yīng)的CBR強(qiáng)度指標(biāo)值整體上更高，振動擊實(shí)CBR平均值相對重型擊實(shí)高出23%，說明振動擊實(shí)方法更有利于級配碎石形成強(qiáng)度。

(2)抗壓強(qiáng)度

采用振動擊實(shí)方式制備最佳含水量時的級配碎石試樣，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。從結(jié)果來看，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值為1.13MPa，滿足抗壓強(qiáng)度不小于0.7MPa的要求，8組試件試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差為0.08，偏差系數(shù)為7.1%，滿足不大于15%的技術(shù)要求。

表6 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

(3)抗剪強(qiáng)度

在倒裝式瀝青路面服役過程中，由路面?zhèn)鬟f到基層的荷載應(yīng)力超過級配碎石所能承受的極限應(yīng)力時，碎石集料會重新排列，即產(chǎn)生剪切變形[6]，目前國內(nèi)關(guān)于級配碎石的抗剪切強(qiáng)度還沒有相關(guān)規(guī)范要求。借助于UTM伺服儀對級配碎石試件進(jìn)行三軸試驗(yàn)，利用三軸試驗(yàn)結(jié)果計算出級配碎石抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，見表7，軸向應(yīng)變與最大主應(yīng)力關(guān)系見圖5。

從表7可以看出，級配碎石的粘聚力C值為151kPa，并非為0，且得到的抗剪強(qiáng)度也是一個相當(dāng)大的數(shù)值552.5kPa，一方面由于級配碎石中的細(xì)料表現(xiàn)出了較強(qiáng)的粘聚性，另一方面級配碎石中表面粗糙的粗集料的咬合作用，使作用于級配碎石的剪切作用力受到阻礙，因而具有較大的抗剪強(qiáng)度。

表7 級配碎石三軸試驗(yàn)結(jié)果

圖5 軸向應(yīng)變與最大主應(yīng)力的關(guān)系曲線

(4)彎沉值和層底拉應(yīng)力

以某城市支路倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)為例，通常情況下，瀝青面層厚度為4～15cm，基層厚度在30～40cm，設(shè)置于面層與半剛性基層之間的級配碎石層厚在8～15cm范圍。采用路面設(shè)計程序系統(tǒng)HPDS對表8中路面結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行彎沉值和層底拉應(yīng)力計算，路基回彈模量取35MPa，路面各層的抗壓模量均取規(guī)范中值，計算結(jié)果見表9、表10。

表8 瀝青路面結(jié)構(gòu)類型

表9 瀝青路面頂面彎沉值

表10 瀝青路面面層及半剛性基層層底拉應(yīng)力

從表9可以看出，在瀝青面層與半剛性下基層之間增加級配碎石層后，隨著級配碎石層厚度的增加，瀝青路面頂面的彎沉值增大，主要由于級配碎石屬于無粘結(jié)性材料，且級配碎石回彈模量較小，在車輛荷載的反復(fù)作用下，碎石層容易產(chǎn)生變形，并產(chǎn)生較大的彎沉[7]。

從表10可以看出，在未設(shè)置級配碎石夾層時由于半剛性基層模量較大，來自路面的荷載應(yīng)力主要通過半剛性基層進(jìn)行擴(kuò)散，而增加了級配碎石基層后，瀝青層底拉應(yīng)力隨著級配碎石層厚度的增加而逐漸增大，但該結(jié)果是在半剛性基層未開裂條件下計算得到的[8]。此外，隨著級配碎石層厚度增加，半剛性基層層底拉應(yīng)力逐漸減小，說明級配碎石層可以有效減少半剛性下基層的開裂，緩解反射裂縫的發(fā)生。因此，在進(jìn)行級配碎石基層設(shè)置或厚度選擇時應(yīng)謹(jǐn)慎考慮。

3 結(jié)論

通過對級配碎石材料的研究，得出以下結(jié)論：

(1)從級配碎石原材料和級配設(shè)計出發(fā)，針對級配碎石的基本物理力學(xué)性能提出了相應(yīng)的技術(shù)要求，分別采用振動擊實(shí)和重型擊實(shí)試驗(yàn)確定了級配碎石的最大干密度和最佳含水量。

(2)通過CBR、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和三軸試驗(yàn)分析了級配碎石在最大干密度和最佳含水量時的力學(xué)性能，級配碎石的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)均滿足要求，并表現(xiàn)出了較好的力學(xué)性質(zhì)。

(3)采用路面設(shè)計程序HPDS分析了增加級配碎石層及改變厚度對瀝青路表彎沉和各層底拉應(yīng)力的變化規(guī)律，級配碎石層雖可以改善半剛性基層的反射裂縫，但增加級配碎石厚度會增大瀝青層底的拉應(yīng)力和路表彎沉，在進(jìn)行級配碎石層設(shè)置或選擇級配碎石厚度時應(yīng)綜合考慮。