级配碎石力学性能影响因素的试验研究

级配碎石力学性能影响因素的试验研究
蒋应军;李(崸);马庆伟;曹红红;任皎龙
【摘要】为了揭示级配碎石力学机理,通过室内振动法成型的试件,研究了压实度K、含水量W、空隙率V和级配等因素对级配碎石力学性能的影响.试验结果表明:随着压实度的提高、试件内部含水量的降低,级配碎石的力学性能明显提高;压实度在97%～99%之间,压实度每提高1%,级配碎石抗压强度提高12%～44%、回弹模量提高17%～20%;与最佳含水量Wopt的试件相比,当W＝0.5Wopt时,级配碎石抗压强度提高28%,回弹模量提高11%～14%,CBR提高9%;当W＝0%时,级配碎石
抗压强度提高95%,回弹模量提高23%～26%,CBR提高14%.在此基础上,提出级
配碎石的最佳级配范围.该研究成果可供级配碎石设计施工参考.
【期刊名称】《交通科学与工程》
【年(卷),期】2010(026)001
【总页数】8页(P6-13)
【关键词】道路工程;级配碎石;振动试验方法;力学性能
【作者】蒋应军;李(崸);马庆伟;曹红红;任皎龙
【作者单位】长安大学,特殊地区公路工程教育部重点实验室,陕西,西安,710064;长安大学,公路学院,陕西,西安,710064;长安大学,公路学院,陕西,西安,710064;长安大学,公路学院,陕西,西安,710064;长安大学,公路学院,陕西,西安,710064
【正文语种】中文
【中图分类】U416.214
在国外级配碎石广泛用于公路路面基层与底基层[1],而在中国级配碎石很少应用于高等级公路基层.这除了与中国长期以来贯彻“强基薄面”方针有关外,还与对级配碎石力学特性研究及认识有关.级配碎石性能取决于级配碎石组成结构,级配碎石组成结构与碾压工艺直接相关.以往研究级配碎石手段是采用重型击实试验方法确定最大干密度和最佳含水量,采用静压法成型的试件研究其力学性能.然而,目前压实工艺已发展到调频调幅式的振动压路机为主,胶轮压路机的吨位也不断增大,重型击实法和静压成型试件法已落后于生产实际,按其成型级配碎石试件不能较好地模拟级配碎石实际效果,也无法较好地预测级配碎石力学性能和指导级配碎石设计施工. 在分析振动试验方法可行性的基础上,采用该方法成型的级配碎石试件,研究级配碎石力学性能的影响因素,并提出级配碎石的最佳级配范围.
1 试验方案
1.1 原材料
安康瀛湖石料厂的石灰岩,其技术指标略.
1.2 集料级配
根据规范[2]建议级配范围设计级配4组和逐级填充法[3-6]设计级配9组,见表1.逐级填充法设计级配的原理为:①采用逐级填充方法使粗集料形成骨架结构,根据试验结果确定粗集料达到最为密实状态时,集料的规格为31.5～19 mm,19～9.5 mm,9.5～4.75 mm 3档料的质量比分别为60∶20∶20;②采用理论计算细集料级配,根据试验结果,I=0.85,0.8,0.75时,级配碎石的力学性能最优;③粗、细集料比例分别取60∶40,65∶35,70∶30.
1.3 试件成型方式
采用的振动试验方法振动参数为:激振力7.6 k N、名义振幅1.2 mm、工作重量 3 k N、击振频率30 Hz,振动击实时间100 s,振动成型试件时间80 s.为了让振动试
验方法较好地符合实际情况,考虑到级配碎石现场无法取芯,采用水泥剂量为3.5%的水泥稳定碎石进行验证.水泥稳定碎石现场的芯样强度分别与振动法、静压法成型试件强度进行对比,其结果见表2.
表1 集料级配Table1 Aggregate gradation级配类型筛孔（mm）的通过质量百分率/%31.5 19 9.5 4.75 2.36 0.6 0.075 GF-1 100 78 59 45 35 20 11 GF-2 100 78 57 42 32 18 10 GF-3 100 75 55 40 29 16 10 GF-4 100 70 52 35 26 14 9 SJ-1 100 64 52 40 34 25 15 SJ-2 100 61 48 35 30 22 13 SJ-3 100 58 44 30 25 18 11 SJ-4 100 64 52 40 32 21 11 SJ-5 100 61 48 35 28 18 9 SJ-6 100 58 44 30 24 15 8 SJ-7 100 64 52 40 30 17 7 SJ-8 100 61 48 35 26 15 6 SJ-9 100 58 44 30 22 13 5
表2 不同方式成型的试件强度与芯样强度的比较Table2 Compressive strengths of specimens and core samples formed in different ways标段龄期/d芯样强度R cx/MPa振动法静压法R cz/MPa R cz/R cx R cj/MPa R cj/R cx 7 6.6 7.9 1.20 3.5 0.53 1 28 8.0 9.8 1.23 4.3 0.54 60 8.8 10.6 1.20 4.6 0.52 7 6.1 7.6 1.25 3.7 0.61 2 28 7.8 9.5 1.22 4.4 0.56 60 8.9 9.8 1.10 4.7 0.53 7 6.7 8.1 1.21 4.0 0.60 3 28 7.7 9.8 1.27 4.8 0.62 60 9.2 10.4 1.13 5.1 0.55 7 7.1 7.7 1.08 3.4 0.48 4 28 8.0 9.5 1.19 4.1 0.51 60 8.0 9.9 1.24 4.4 0.55
由表2数据可知,振动法成型试件强度平均为芯样强度的1.19倍;而静压法成型试件强度平均为芯样强度的0.55倍.室内成型试件是在标准条件下养生的,而现场芯样受外界环境变化其养生条件存在着不确定性,这对芯样早期强度有所影响,但对后期强度影响相对较小.因此,采用振动法成型试件研究级配碎石力学性能更具有代表性和真实性[7-8].
1.4 最大干密度和最佳含水量
振动击实方法确定的级配碎石最大干密度和最佳含水量结果见表3.
表3 级配最大干密度和最佳含水量Table3 The maximum dry density and the optimum moisture级配类型最大干密度/（g◦cm-3）最佳含水量/%级配类型最大干密度/（g◦cm-3）最佳含水量/%GF-1 2.368 4.2 SJ-4 2.426 4.5 GF-2 2.357 4.2 GF-3 2.361 4.0 GF-4 2.375 3.8 SJ-1 2.394 4.2 SJ-2 2.411 4.2 SJ-3 2.412 4.5 SJ-5 2.425 4.2 SJ-6 2.390 4.2 SJ-7 2.393 4.5 SJ-8 2.417 4.2 SJ-9 2.387 4.2 2 各因素对级配碎石力学性能的影响
2.1 压实度的影响
1）振动成型时间与压实度的关系
为了实现不同密度的级配碎石试件的目的,在最佳含水量条件下,研究不同振动成型时间与压实度的关系,其结果见表4.由表4可以看出,振动成型时间超过80 s之后,继续振动对提高压实度作用不明显,压实度处于99.5%左右.表5列出最佳含水量时振动时间分别为80 s和85 s时的压实度和力学性能（抗压强度和回弹模量）等结果.
由于振动时间分别为80 s和85 s时的压实度相同,力学性能相近.因此,再研究压实度与力学性能之间关系时,压实度为99.5%所对应的力学性能分别取振动时间为80 s和85 s时的平均值.
2）压实度与抗压强度的关系
不同压实度所对应的级配碎石试件在最佳含水量时的抗压强度见表6,它们所对应的抗压强度的比值见表7.从表6,7可以看出,随着压实度的提高,级配碎石抗压强度逐渐增大,但抗压强度增长的速率逐渐变小.试件压实度在97%～98%之间时,压实度对级配碎石抗压强度影响非常明显,压实度每提高 1%,级配碎石抗压强度提高约21%～44%;试件压实度在98%～99%之间时,压实度每提高1%,级配碎石抗压强度可提高12%;试件压实度在99%～100%之间时,压实度提高1%,级配碎石抗压强度提高约5.0%.试件压实度从97%提高到99.5%时,压实度每提高1%,级配碎石抗压
强度平均提高18.6%.由此可见,现场施工时应重视压实,在确保压实度满足规范要求的前提下,尽量提高压实度.
表4 不同振动时间的干密度与压实度Table4 Density and compaction degrees with different vibration time级配类型干密度/（g◦cm-3）压实度/%60 s 65 s 70 s 75 s 80 s 85 s 60 s 65 s 70 s 75 s 80 s 85 s GF-1 2.303 2.307 2.319
2.339 2.348 2.351 97.3 97.4 97.9 98.8 99.2 99.3 GF-2 2.284 2.299 2.316
2.335 2.344 2.348 96.9 97.5 98.2 99.0 99.4 99.6 GF-3 2.301 2.303 2.313
2.333 2.340 2.343 97.5 97.5 97.9 98.8 99.1 99.2 GF-4 2.312 2.320 2.329
2.344 2.358 2.365 97.3 97.7 98.1 98.7 99.3 99.6 SJ-3 2.353 2.364 2.378 2.388 2.394 2.401 97.6 98.1 98.7 99.1 99.4 99.6 SJ-4 2.368 2.377 2.386 2.402 2.416 2.426 97.6 98.0 98.3 99.0 99.6 100.0 SJ-5 2.357 2.361 2.374 2.405 2.417
2.410 97.2 97.4 97.9 99.2 99.7 99.4 SJ-8 2.357 2.365 2.372 2.382 2.412 2.386
97.5 97.9 98.1 98.5 99.8 98.7 SJ-9 2.345 2.354 2.366 2.372 2.383 2.379 98.2
98.6 99.1 99.4 99.8 99.7压实度/% 97.4 97.7 98.2 98.9 99.5 99.5
表5 80 s和85 s对应的压实度、抗压强度和回弹模量Table5 Compaction degree,compressive strengthn and modulus at 80 s and 85 s振动时间/s压实度/%抗压强度/MPa回弹模量/MPa GF-1 GF-2 GF-3 GF-4 SJ-3 SJ-4 SJ-5 SJ-8 SJ-9GF-1 GF-2 GF-3 GF-4 SJ-3 SJ-4 SJ-5 80 99.5 1.27 1.23 1.33 1.50 1.41 1.38 1.60 1.49 1.39 250 266 275 282 300 313 362 85 99.5 1.29 1.25 1.35 1.50 1.41 1.39 1.58 1.48 1.39 253 267 272 283 295 310 340平均值 1.28 1.24 1.34 1.50 1.41 1.39 1.59 1.49 1.39 252 267 274 283 298 312 351
表6 不同压实度的级配碎石抗压强度Table6 Compressive strengthns with different compaction degrees压实度/%抗压强度/MPa GF-1 GF-2 GF-3 GF-4 SJ-3 SJ-4 SJ-5 SJ-8 SJ-9 平均值97.4 0.95 0.91 0.98 1.12 1.00 0.90 1.19 1.08
0.97 1.01 97.7 1.08 1.00 1.14 1.24 1.13 1.09 1.32 1.21 1.07 1.14 98.2 1.17
1.16 1.25 1.35 1.25 1.18 1.42 1.34 1.23 1.26 98.9 1.24 1.21 1.33 1.46 1.36 1.35 1.53 1.43 1.36 1.36 99.5 1.28 1.24 1.34 1.50 1.41 1.39 1.59 1.49 1.39 1.40
表7 不同压实度的级配碎石抗压强度的比值Table7 Ratio of compressive strengthns with different compaction degrees注:平均提高率是指压实度每提高1%时,级配碎石抗压强度的平均提高率.比值抗压强度的比值/%GF-1 GF-2 GF-3 GF-4 SJ-3 SJ-4 SJ-5 SJ-8 SJ-9平均提高率/%R c（97.7）∶R c（97.4） 1.14 1.10 1.16 1.11 1.13 1.21 1.11 1.12 1.10 43.70 R c（98.2）∶R c（97.7） 1.08 1.16 1.10 1.09 1.11 1.08 1.08 1.11 1.15 21.10 R c（98.9）∶R c（98.2） 1.06 1.04 1.06 1.08 1.09 1.14 1.08 1.07 1.11 11.60 R c（99.5）∶R c（98.9） 1.02 1.02 1.00 1.03 1.04 1.02 1.05 1.04 1.02 4.80 R c（99.5）∶R c（97.4） 1.34 1.35 1.36 1.34 1.41 1.53 1.34 1.38 1.43 18.60
3）压实度与抗压回弹模量的关系
不同压实度所对应的级配碎石试件在最佳含水量时的抗压回弹模量见表8,它们所对应的抗压回弹模量的比值见表9.
表8 不同压实度的级配碎石抗压回弹模量Table 8 Compression modulus with different compaction degrees压实度/%抗压回弹模量/MPa GF-1 GF-2 GF-3 GF-4 SJ-3SJ-4 SJ-5平均值/MPa 97.4 211 224 211 220 220 200 240 218 97.7 210 233 224 232 231 228 258 231 98.2 225 247 256 256 235 260 290 253 98.9 225 259 272 271 288 330 340 284 99.5 252 267 274 283 298 312 351 291
从表8,9可以看出,压实度对抗压回弹模量的影响规律与对抗压强度的影响规律在趋势上类似.试件压实度从97%提高到99%时,压实度每提高1%,级配碎石回弹模
量就提高17%～20%.当压实度超过99%时,提高压实度对提高级配碎石抗压回弹模量的效果有限,压实度每提高1%,抗压回弹模量平均提高约3.3%.压实度从97%提高到99.5%时,压实度每提高1%,级配碎石抗压回弹模量平均提高15.7%.
2.2 集料级配的影响
对表1中9组级配的级配碎石振动80 s成型圆柱体试件,在最佳含水量时试件强度的试验结果见表10.
级配碎石属于松散介质,几乎无粘结力,其强度主要取决于嵌挤力和摩阻力,而嵌挤力和摩阻力主要受级配的影响,抗压强度的大小反映了级配碎石的级配优劣.可根据抗压强度的大小来优选级配,级配初步的优选结果见表11.
表9 不同压实度的级配碎石抗压回弹模量的比值Table9 Ratio of modulus of different compaction degrees注:平均提高率是指压实度每提高1%时,级配碎石抗压回弹模量的平均提高率.比值抗压回弹模量的比值GF-1 GF-2 GF-3 GF-4 SJ-3 SJ-4 SJ-5平均提高率/%E c（97.7）∶E c（97.4） 1.00 1.04 1.06 1.05 1.05 1.14 1.08 20.00 E c（98.2）∶E c（97.7） 1.07 1.06 1.14 1.10 1.02 1.14 1.12 20.00 E c（98.9）∶E c（98.2） 1.00 1.05 1.06 1.06 1.23 1.27 1.17 17.10 E c （99.5）∶E c（98.9） 1.12 1.03 1.01 1.04 1.03 0.95 1.03 3.30 E c（99.5）∶E c（97.4） 1.19 1.19 1.30 1.29 1.35 1.56 1.46 15.70
表10 不同级配的抗压强度试验结果Table 10 The result of the compressive strength test on different aggregate gradations级配类型密度/（g◦cm-3）抗压强度/MPa GF-1 2.348 1.27 GF-2 2.339 1.23 GF-3 2.345 1.37 GF-4 2.358
1.51 SJ-1
2.379 0.87 SJ-2 2.394 1.37 SJ-3 2.402 1.49 SJ-4 2.390 1.47 SJ-5
2.415 1.68 SJ-6 2.380 1.24 SJ-7 2.385 1.45 SJ-8 2.412 1.52 SJ-9 2.383 1.38 表11 级配初步优选结果Table 11 Initial optimization gradations优选级配类型筛孔（mm）的通过质量百分率/%31.5 19 9.5 4.75 2.36 0.6 0.075 GF-4 100 70
52 35 26 14 6 SJ-3 100 58 44 30 25 18 11 SJ-4 100 64 52 40 32 21 11 SJ-5 100 61 48 35 28 18 9 SJ-8 100 61 48 35 26 15 6
2.3 空隙率的影响
1）强度试验结果
根据原材料密度、振动成型试件的体积指标计算出级配碎石的空隙率[9],不同空隙率的级配碎石在最佳含水量时的抗压强度结果如图 1所示.
图1 不同级配的抗压强度与空隙率Fig.1 Compressive strength and porosity with different aggregate gradations
2）空隙率与抗压强度的关系方程
根据级配碎石抗压强度随空隙率变化的关系,建立空隙率与级配碎石极限强度的预估模型[10]:
式中:R c为抗压强度,MPa;R0为空隙率=0%时的抗压强度,MPa;V为空隙率,%;A 为经验系数.
空隙率变小,强度变大,经验系数差别不大,通过SPSS软件回归,经验系数取平均值10.43.将该值代入式（1）,得到空隙率与抗压强度的关系模型为:
根据图1和式（2）,利用SPSS软件得到级配碎石空隙率与抗压强度的关系,见表12.
表12 不同级配的空隙率与抗压强度的关系方程Table 12 Relation equation between porosity and the compressive strengthR c=R0（1-V）10.43不同级配R0 相关系数R2 GF-1 4.836 0.962 GF-2 4.919 0.954 GF-3 5.342 0.984 GF-4 5.865 0.971 SJ-3 5.487 0.984 SJ-4 4.947 0.941 SJ-5 6.039 0.986 SJ-8 5.738 0.997 SJ-9 5.580 0.960
从表12中可以看到,相关系数R2都很高,这说明方程符合级配碎石抗压强度随空隙率的变化规律,并有明确的物理意义.为了进一步说明该方程的准确性和可行性,列出级配碎石试件在含水量为W opt时所对应的空隙率、抗压强度和误差,把空隙率代入表12的预估方程,得到级配碎石在该空隙率所对应的预估抗压强度,并将得到的预估抗压强度与实际抗压强度作对比,其结果见表13.
表13 W opt时所对应的空隙率、抗压强度和误差Table 13 Porosity,the compressive strength and error at W opt级配空隙率V/%实际抗压强度R
c/MPa预估抗压强度R cy/MPa误差/%SJ-3 12.297 1.41 1.40 0.97 SJ-4 11.474 1.39 1.39 0.17 SJ-5 12.097 1.58 1.57 0.40 SJ-8 12.194 1.48 1.48 0.13
由表13的对比结果可以看出,试件内部含水量为W opt时,实际与预估的抗压强度误差均在1%以下.这表明该方程精密度高,验算结果稳定、重现性好,使用该方程对最佳含水量W opt时的级配碎石抗压强度进行预估,对于指导基层设计和施工是准确的.并且由空隙率与抗压强度的关系方程可以看出,由抗压强度大小优选出的级配确实是较优的.
3）最佳级配范围
综合考虑不同级配的抗压强度大小以及抗压强度和空隙率的预估方程[11-13],可以推出最佳级配范围（见表14）.
表14 建议最佳级配范围Table14 The best rangeof gradation suggestion筛孔（mm）的通过质量百分率/%31.5 19 9.5 4.75 2.36 0.6 0.075 100 60～70 44～52 30～40 25～30 13～23 6～11
2.4 试件含水量的影响
按照表14优选的级配和最佳含水量W opt,振动80 s成型级配碎石圆柱体试件,试件内部含水量分别在W opt,0.5W opt和0%时测试其抗压强度,其试验结果见表15.
表15 不同含水量时所对应的空隙率和抗压强度Table15 Porosity and the compressive strengths with different moisture contents级配类型空隙率V/%抗压强度R c/MPa W opt 0.5 W opt 0%W opt 0.5 W opt 0%SJ-3 12.297 12.268 12.217 1.41 1.77 2.69 SJ-4 11.474 11.474 11.774 1.39 1.86 2.26 SJ-5 12.097 11.717 11.828 1.58 2.02 3.37 SJ-8 12.194 12.002 11.982 1.48 1.87 3.17
级配碎石强度主要由嵌挤力和摩阻力组成,含水量对强度的影响主要为含水量对摩阻力的影响,可由空隙率与抗压强度的关系方程及表13的数据,回归出含水量与强度的关系方程为:
按式（3）得到的计算结果见表16.从表16中的数值可以看出,大部分误差在7%以下.这表明含水量与强度的关系方程有一定的可行性,且有明确的物理意义,可运用于空隙率与含水量对强度影响的换算中.表16中个别数据有一定的离散性,主要由于0.5 W opt时的含水量不好控制,测强度时级配碎石试件内部的含水量不能保证刚好达到0.5 W opt,会有一定的偏差,并且试验数据还不够充分,取值误差亦有一定的影响.
表16 不同含水量时的预估抗压强度及误差Table 16 Estimated calculating results and error on different moisture contents含水量级配类型抗压强度
/MPa R c R cy误差/%W opt SJ-3 1.41 1.40 0.44 SJ-4 1.39 1.39 0.27 SJ-5 1.58 1.57 0.37 SJ-8 1.48 1.48 0.27 SJ-3 1.77 1.95 10.32 0.5W optSJ-4 1.86 1.94 4.23 SJ-5 2.02 2.30 13.92 SJ-8 1.87 2.11 12.62 SJ-3 2.69 2.74 1.69
0%SJ-4 2.26 2.60 15.03 SJ-5 3.37 3.14 6.74 SJ-8 3.17 2.95 6.98
试件内部含水量分别在W opt,0.5W opt和0%时测试其他力学性能,试验结果见表17,18.
由表17,18可知,试件内部含水量对级配碎石力学性能影响显著.与试件内部含水量达到最佳含水量时相比,试件内部含水量为最佳含水量一半时的抗压强度、回弹模
量和CBR分别提高28%,14%（11%）和9%;试件内部含水量为0%时的抗压强度、回弹模量和CBR分别提高95%,26%（23%）和14%.这是由于水的润滑作用,减低了颗粒间的摩阻力,从而影响了级配碎石的强度.因此,实际施工时,建议在铺筑完级配碎石层后,使其风干,再铺筑上层结构,从而保证级配碎石层力学性能.
表17 不同含水量时的力学性能试验结果Table 17 Results of mechanics properties with different moisture contents级配类型有侧限回弹模量/MPa 无侧限回弹模量/MPa CBR/%W opt 0.5W opt 0%W opt 0.5W opt 0%W opt
0.5W opt 0%SJ-3 419 479 511 283 333 371 509 543 564 SJ-4 417 472 528 343 365 380 507 553 579 SJ-5 450 514 574 354 390 446 553 626 655 SJ-8 431 496 544 323 356 397 561 611 626
表18 不同含水量时的力学性能对比结果Table18 Results of comparisons of mechanics properties with different moisture contents抗压强度之比有侧限
回弹模量之比无侧限回弹模量之比CBR之比级配类型R0.5Wopt/R Wopt R0/R Wopt E0.5Wopt/E Wopt E0/E Wopt E0.5Wopt/E Wopt E0/E Wopt
CBR0.5Wopt/CBR Wopt CBR0/CBR Wopt SJ-3 1.26 1.91 1.14 1.22 1.18 1.31 1.07 1.11 SJ-4 1.34 1.63 1.13 1.27 1.06 1.11 1.09 1.14 SJ-5 1.28 2.13 1.14
1.28 1.10 1.26 1.13 1.18 SJ-8 1.26
2.14 1.15 1.26 1.10 1.23 1.09 1.12平均提
高率/% 28 95 14 26 11 23 9 14
3 结语
1）与传统方法相比,振动成型方法较好地模拟现场施工工艺和碾压效果,振动法试
验结果具有更强的代表性和真实性,建议使用振动成型方法.
2）当压实度为97%～99%时,试件压实度每提高1%,级配碎石抗压强度提高
11.6%～43.7%、回弹模量提高17.1%～20.0%,建议实际施工时应尽可能的提高压实度,最好能达到99%以上,以保证级配碎石的强度.
3）研究了空隙率对级配碎石强度的影响,建立级配碎石强度随空隙率增长预估模型.该预估模型物理意义明确,数据拟合效果好,准确度高,实用性较强.利用抗压强度值大小及预估方程系数,提出级配碎石的最佳级配范围.
4）级配碎石试件成型后的含水量变化对强度影响明显,风干后的力学性能远优于最佳含水量时的力学性能.建议实际施工时在级配碎石层风干以后,再铺筑其上的结构层.
参考文献（
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