沥青路面级配碎石上基层性能改善措施研究

陈 柯,赵振国

(黑龙江省公路勘察设计院，黑龙江 哈尔滨 150080)

近年来，高速公路沥青路面不断追求较高强度，路面设计总厚度不断增厚(通常是70 cm以上)。随着半刚性基层沥青路面强度不断提高，也暴露出一些缺点和不足，导致出现较多的早期破坏，如：很多工程为提高水稳基层强度、弥补碎石原材料质量缺陷并能顺利取出芯样通过验收，往往提高水泥剂量，导致基层温缩、干缩裂缝比较严重，进而形成路面反射裂缝，尤其在温差比较大的季冻区此类病害更为严重。

在半刚性基层与沥青面层之间铺筑一层级配碎石，形成一种级配碎石上基层的沥青路面结构，这种结构不仅可以发挥半刚性基层高强度、高稳定性及高承载力的优势，同时也可以有效地减轻半刚性基层沥青路面反射裂缝及水损害等病害。级配碎石作为过渡层的优点主要包括以下几方面[1-3]：①具有较好的应力分散能力，能够有效地缓解沥青路面反射裂缝；②具有良好的渗水、排水、隔温、保温的作用，能够有效地改善基层积水，进而缓解沥青路面的水损害；③具有独特的力学性能；④建设成本低。但是级配碎石基层的模量及强度较小，在行车荷载的重复循环作用下，级配碎石基层易出现塑性变形，沥青面层易产生疲劳裂缝及永久变形。因此，这种结构在中低等级沥青路面中应用较为普遍，且效果较好，而在高速公路应用较少。

本论文的研究目的主要是通过对级配碎石原材料、级配范围及添加纤维等方面进行研究，以提高级配碎石混合料的CBR值、抗压强度及抗剪强度等性能，形成高强度级配碎石，进而达到缓解沥青路面反射裂缝及满足日益增长的重载交通的要求。

1 级配碎石材料的技术要求研究

长期以来影响我国级配碎石道路应用和推广的一个重要因素就是集料的质量较差，而细集料中的泥土含量又是关键的因素之一。砂当量是集料技术要求的一个重要指标，可以用来控制级配碎石细集料的洁净度。对于级配碎石基层，砂当量的标准中以法国定的最高为50%，加州的标准最低为25%，其他各国规范标准[4-6]一般为30%～40%；同时，由国内部分工程细集料砂当量的测试结果看[6]，除了个别含泥量较大的集料处在45%以下，其余工程的细集料的砂当量均在45%以上。结合国外规范和国内部分工程的实测数据，建议我国级配碎石的细集料的砂当量指标不小于45%。

砂当量测试指标具有操作简便、检测快捷的特点，但有部分细料会在存储和运输过程中会被黏土包裹从而被误认为有害物质，测试得到砂当量值会偏低。因此本文中增加亚甲蓝指标，采用砂当量和亚甲蓝值双指标控制细集料的洁净度。查阅相关文献[8]，法国制定规范规定，级配碎石基层、底基层砂当量不小于50%，亚甲蓝不大于2.5 g /kg；希腊规范中规定，级配碎石基层砂当量不小于50%～40%，亚甲蓝不大于3.0 g /kg；国内严二虎、李福普[9-10]对沥青混合料0～2.36 mm细集料研究指出砂当量指标和亚甲蓝指标之间的关系，当砂当量不小于45%时，细集料合格率83%，而亚甲蓝不大于3 g /kg时，细集料合格率则为88%，同时亚甲蓝指标不大于1、1.5 g /kg时对应的细集料合格率分别为26%、38%。结合国内外对砂当量和亚甲蓝指标的研究，建议对级配碎石基层细集料的亚甲蓝指标技术要求为不大于3 g /kg。

我国现行的规范《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)中规定[11]，级配碎石细集料的塑性指数不大于12%，而对液限没有明确规定。查阅相关资料，我国1986年规范液限规定不大于25%，塑性指数潮湿地区为不大于4%，其他地区为不大于6%；2000年规范[10]规定液限不大于28%，塑性指数潮湿地区不大于6%，其他地区为不大于9%，根据我国集料的调查测试情况，仅有南广试验路和苏州含泥量较大的试验路液限大于25%、塑性指数大于4%，因此建议级配碎石的所使用的0.5 mm以下集料的液限不大于25%，塑性指数不大于4%。

级配碎石混合料的强度受粗集料强度指标影响较大，对于级配碎石粗集料压碎值的要求参照现行规范中规定。

级配碎石混合料中细长扁平颗粒在生产拌和、运输、摊铺及碾压过程中容易出现压碎折断的情况，因此需要对级配碎石原材料中针片状颗粒含量进行控制。对于级配碎石粗集料的针片状的含量控制参照现行规范中的规定。

级配碎石基层强度主要由粒料本身的强度和粒料颗粒之间的嵌挤力两方面组成，因此材料本身的性能对其混合料的力学性能具有重要影响[7]。本小节从细集料的洁净度、液限和塑性指数以及粗集料的强度、针片状颗粒含量指标，对级配碎石原材料的规范技术要求进一步细化，级配碎石材料技术要求建议值见表1。

表1 级配碎石材料技术要求建议值Table 1 Technical requirements for gravel materials rec-ommended values指标类别液限/%塑性指数/%砂当量/%亚甲蓝/ g·kg-1 压碎值/%针片状颗粒含量/%细集料技术指标≤25≤4≥45≤3.0——粗集料技术指标————≤26≤18

2 级配碎石级配范围研究

为提出适宜的级配碎石的级配范围，以抗剪强度为性能验证指标，选取3种级配研究其合理性，其中粗级配采用2000年规范[12]的级配碎石级配范围，细级配采用现行规范《公路路面基层施工技术细则》(JTG F20-2015)的级配碎石级配范围，中间级配范围为结合工程经验，细化关键筛孔，级配范围介于粗级配和细级配之间，3种级配范围见表2。

2.1 成型问题

设定4.6%的含水量，采用振动击实，试验过程中发现3种级配试件脱模后不能成型，无法进行下一步试验，如图1(a)。考虑掺加少量水泥成型试件，比较不同级配的抗剪强度进而优选出更合适的级配。为使水泥对抗剪强度的影响降低到最小，因此力求水泥掺量最小，考虑粗级配最难成型，所以拿粗级配成型来确定水泥的掺量，拟定含水率4.6%，采用振动击实成型，分别确定2%、1%、0.7%、0.5%、0.3%的不同水泥掺量，成型试件，以上不同掺量试件均可以成型，但是0.3%的水泥掺量脱模时效果不好，如图1(b)。因此最终确定水泥掺量为0.5%，分别成型3种级配的试件，测试其抗剪强度。

表2 3种级配的级配范围Table 2 Graded range for three-stage matching级配类型不同筛孔(mm)质量百分率/%31.526.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075粗级配上限1009580564841382820141196下限10085664437312818128530中间级配上限10010085726454402718141195下限10090716054443017128530细级配上限10010088827664402820141075下限100100797061493019128532

2.2 合成级配

3种级配的掺配比例和合成级配见表3，合成级配曲线见图2。

(a) 脱模无法成型

表3 筛分结果及掺配比例Table 3 Screening results and doping ratio公称粒径(mm)及合成级配不同筛孔(mm)质量百分率/%31.526.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075细级配比例/%中间级配比例/%粗级配比例/% 19～31.5100.092.630.87.60.80.20.10.10.10.10.10.10.15034249.5～19100.0100.099.995.658.18.40.90.80.80.80.70.70.61515234.75～9.5100.0100.0100.0100.0100.098.219.71.51.41.41.41.41.4018182.36～4.75100.0100.0100.0100.0100.0100.084.64.01.81.21.11.10.910911 0～4.75100.0100.0100.0100.0100.0100.099.889.067.540.926.020.714.8252424合成级配(粗)100.096.365.453.144.136.433.622.817.210.56.85.43.9合成级配(中间)100.097.576.567.960.052.035.322.116.810.36.75.54.0合成级配(细)100.098.283.476.866.654.737.022.316.910.46.85.54.1

图2 合成级配曲线

2.3 最佳含水量、最大干密度确定

3种级配确定的最佳含水量和最大干密度见表4。

表4 不同含水量下的最大干密度Table 4 Maximum dry density at different water content级配类型不同含水量(%)的干密度/(g·cm-3)344.55最佳含水量/%最大干密度/(g·cm-3)粗级配2.2082.2762.3032.2544.52.303中间级配2.2542.3192.3232.3024.32.324细级配2.1812.2752.2942.2664.52.294

2.4 抗剪强度试验

材料剪切仪是在围压恒定情况下对试件进行竖向剪切试验的专用设备见图3，在材料试件水平方向施加恒定围压，测定并记录试件破坏时的竖向荷载与剪切位移，用来评价路面柔性材料的抗剪切变形能力。

图3 材料剪切试验

考虑路面水平方向的作用力，随着行车速度的不断提高、车辆载重的不断增加等交通条件的改变，路面水平作用力可能会在级配碎石层中产生水平剪力；另一方面考虑路面的不均匀变形，使得结构层产生竖向剪切应力，因此本文以抗剪强度来评价3种级配的优劣。级配碎石抗剪强度数据分析见表5。

表5 级配碎石试件抗剪强度Table Graded gravel test piece anti-shear strength级配类型不同试件编号的抗剪强度/kPa123456平均值粗级配761.2 617.1 808.3 726.4 723.1 837.3 745.6 中间级配923.8683.3879.6810.5782.3951.9838.6细级配637.8617.5858.9691.2803.9704.4719.0

由级配碎石抗剪强度试验数据分析可知：中间级配的抗剪强度最大，其抗剪强度较细级配增加16.6%，较粗级配增加12.5%。分析原因：① 中间级配粗集料形成更好骨架嵌挤结构，细集料又很好地填充了其骨架空隙，从而获得较好的抗剪强度；② 由击实最佳含水率和最大干密度可知，中间级配含水率较低，干密度较大，随着密度的增加及含水量的下降，材料的抗剪强度有所提升。因此从级配碎石抗剪强度方面看，建议实际工程应用选择中间级配(具体级配范围见表2)。

3 提高级配碎石强度的措施研究

级配碎石层是散体材料，理论上不传递应力应变，铺在沥青面层与半刚性基层之间可以有效地缓解半刚性基层沥青路面的反射裂缝，但因其自身力学性能(抗拉、抗剪强度，失效应变)较差，在车辆荷载作用下容易产生永久变形及疲劳裂缝，虽通过对级配碎石原材料质量、级配范围等环节进行了优化，其性能有所改善或提高，但是为了进一步提高其抗剪强度，本节研究纤维掺入级配碎石后对级配碎石强度的影响。

3.1 纤维作用机理分析

纤维在级配碎石中的作用机理是通过减少和消除由外载引起的微裂缝及细小裂缝。纤维级配碎石中，主要通过调整纤维自身的长细比、形状及掺量等方法改变纤维级配碎石的相关物理性质，提高纤维与级配碎石材料之间的相互作用力，其作用力主要有摩擦力、粘结力及其它作用力。

当受到载荷作用时，纤维与级配碎石共同承担由外载引起的应力、应变，由于乱向分布的纤维，构成了一种三维乱向的支撑网或网架结构，进而产生了一种有效的加强效果，可以有效地提升纤维级配碎石的连续性，有效地分散了应力的局部集中，降低应力水平；当外载作用较大，超过纤维与级配碎石的粘结力时，纤维与级配碎石间会产生一种相对滑动，从而在纤维与级配碎石的接触表面上产生了部分塑性变形，并且通过相对滑动及纤维塑性的变形耗散掉部分应变能，降低其应力水平，有效地阻止了裂缝的生成与扩展，提高了纤维级配碎石抵抗塑性应变的能力，从而提高其抗拉强度和抗剪强度。

3.2 纤维掺量的确定

目前，在道路建设工程中，沥青混合料中使用较多的纤维有矿物纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维及玻璃纤维等几种，而在级配碎石混合料中，纤维级配碎石的研究相对比较少，只有少量研究人员对其进行了研究。天津大学周卫峰[13]研究发现在道路行业常用纤维中，聚丙烯纤维改善级配碎石的效果比较明显，而且经济，因此本文将选择W型聚丙烯纤维加入级配碎石中，并对其混合料性能展开进一步的研究。

纤维级配碎石中，聚丙烯纤维的弹性模量、拉升强度及断裂伸长率等指标对纤维级配碎石性能影响比较明显，因此，为了保证纤维级配碎石的力学性能，聚丙烯纤维材料必须满足表6的技术指标。

表6 聚丙烯纤维技术指标Table 6 Polypropylene fiber technical indicators类别直径/mm熔点/℃弹性模量/MPa拉伸强度/MPa断裂伸长率/%长度/mm耐碱酸度检测值0.81624 125636—25—规定值0.8～1.1160～165≥3 500≥50015±225±2强

在纤维级配碎石中，纤维的掺量对其力学性能和路用性能的影响都比较大，因此，为了确定纤维级配碎石混合料中聚丙烯纤维的最优掺量，以劈裂强度(间接抗拉强度)为指标，对不同掺量的纤维级配碎石试样的劈裂强度进行对比研究。

在振动击实的基础上，选用了0‰、1‰、2‰、3‰、4‰ 共5种掺量(质量比)分别加入具有相同级配和含水率的级配碎石混合料中进行成型，然后将成型好的试样放在夹具上进行劈裂试验，其加载速度为1 mm/min，如图5所示，其试验结果如图6所示。

图5 试验所用纤维及劈裂试验

图6 级配碎石劈裂强度

从以上的试验结果可以看出，较低的纤维掺量，改善级配碎石劈裂强度的效果更好。随纤维掺量的增加，级配碎石的劈裂强度先增大后减小。当纤维掺量从0增长至1‰时，级配碎石的劈裂强度增大，且增大速度较快，并在纤维掺量为1‰时达到最大值；当纤维掺量从1‰增至4‰时，劈裂强度呈衰减趋势，且纤维掺量从1‰增加到2‰，衰减速度比较大，当其超过3‰时，劈裂强度的衰减趋于平缓。

添加纤维虽然可以增大级配碎石的劈裂强度，提升级配碎石的抗拉强度，即提高级配碎石整体的抗变形能力。但是纤维的掺量必须控制在合理的范围内，即1‰～2‰。掺量过高时，级配碎石强度提升不明显，而且也不经济；掺量过低时，施工和易性较差，不易拌合均匀，从而影响其混合料强度。因此纤维的掺量选择1‰比较合理。

3.3 纤维级配碎石性能研究

为了进一步研究纤维级配碎石(1‰掺量)的性能，本节将在振动击实的基础上，通过CBR试验、无侧限抗压强度试验及三轴压缩试验，对比研究纤维级配碎石与级配碎石的力学性能。

a.CBR试验。

在最佳含水量和最大干密度的情况下，对纤维级配碎石和级配碎石试样分别进行不浸水和浸水4昼夜后的CBR试验，其试验结果见表7。

由表7试验数据可知：级配碎石中加入1‰聚丙烯纤维后，级配碎石的CBR值有所增加。对于不泡水级配碎石，其CBR值增加了23.7%；泡水4昼夜的级配碎石其CBR值增加了22.3%。泡水4昼夜级配碎石CBR值的增长率没有不泡水级配碎石CBR值的增长率高，可能是由于泡水后聚丙烯纤维与级配碎石中集料的粘结效果及摩擦力受到影响，从而其改善效果有所减弱。

表7 级配碎石与纤维级配碎石CBR试验Table 7 CBR test with gravel and fiber graded gravel试验编号纤维级配碎石级配碎石不泡水CBR/%泡水4昼夜CBR/%不泡水CBR/%泡水4昼夜CBR/%1398.4303.1323.4253.32386.5301.1315.2239.83410.5298.2328.0247.5平均值398.5300.8322.2246.9

b.无侧限抗压强度。

在最佳含水量和最大干密度的情况下，对纤维级配碎石和级配碎石试样分别进行无侧限抗压强度试验，其试验结果见表8。

表8 级配碎石与纤维级配碎石无侧限抗压强度Table 8 Gravel and fiber graded gravel without side limit pressure strengthMPa试验编号无侧限抗压强度纤维级配碎石级配碎石试验编号无侧限抗压强度纤维级配碎石级配碎石11.31.181.21.521.21.391.41.231.31.4101.31.141.51.5111.71.251.31.4121.31.461.51.2131.61.271.71.2代表值1.151.02

由表8试验数据可知，级配碎石中添加1‰聚丙烯纤维后，级配碎石的无侧限抗压强度有所提升，相比于未添加纤维的级配碎石抗压强度提升了12.7%。

c.大型静三轴压缩试验。

在最佳含水量和最大干密度的情况下，对纤维级配碎石和级配碎石试样分别进行大型静三轴压缩试验，其试验结果如图7、图8、表9所示。

由以上试验结果可以看出：纤维级配碎石与普通级配碎石的应力与应变关系曲线的变化趋势相同，在整个试验过程中曲线的变化比较平稳，没有出现应力峰值，属于应变硬化型；添加纤维后级配碎石的抗剪强度有所提升，但是添加纤维对级配碎石内部摩察角的影响比较小，而对级配碎石内部粘聚力的影响比较大，添加聚丙烯纤维后级配碎石的粘聚力提高了13.5%。

图7 纤维级配碎石试样应力 — 应变曲线及应力摩尔圆

图8 级配碎石试样应力 — 应变曲线及应力摩尔圆

表9 纤维级配碎石与级配碎石抗剪强度指标Table 9 Fiber-grade gravel and graded gravel anti-shear strength index试验名称C/ kPaФ/(°)纤维级配碎石27843.5级配碎石24544.3

4 结论

本文从级配碎石材料的技术要求、级配范围和纤维级配碎石方面进行研究，以期获得更好路用性能的级配碎石，研究结论如下：

a.集料本身的性能对级配碎石混合料的力学性能具有重要影响，本文细化现行规范中对级配碎石集料的要求，对于细集料：建议采用砂当量不小于45%，亚甲蓝不大于3 g/kg双指标控制级配碎石细集料中有害物质，同时提出细集料液限指标不大于25%、塑性指数不大于4%。

b.以抗剪强度为性能指标，对比细级配、中间级配和粗级配3种级配范围，结果表明中间级配的抗剪强度最大，其抗剪强度较细级配增加16.6%，较粗级配增加12.5%，由此推荐级配碎石层的级配范围为中间级配。

c.在振动击实的基础上，并通过劈裂试验确定了纤维级配碎石中纤维最佳掺量为1‰。对比研究了纤维级配碎石与级配碎石的性能，纤维级配碎石的CBR值提升了23%，抗压强度提升了13%，粘聚力提升了13.5%，结果表明纤维级配碎石较普通级配碎石具有较好的路用性能，级配碎石中掺加纤维是一种提高其路用性能的可行措施。