级配碎石是什么意思(级配碎石是什么材料组成?)

来源:微信微信官方账号“沥青路面”

近年来，国内公路沥青路面半刚性基层收缩引起的路面反射裂缝问题日益突出，路面结构早期破坏严重。在此背景下，路基碎石作为基层材料的相关研究不断深入。

级配碎石是一种柔性材料，具有抑制反射裂缝、改善上下层材料的温湿度、易于养护、成本低等优点。级配碎石作为一种松散材料，具有刚度低、整体性差的缺点，在重载交通作用下容易产生较大的塑性变形，导致路面产生较大的永久变形，甚至出现沥青路面的剪切破坏或疲劳破坏。在国外，厚级配碎石基层主要用于中、轻型交通道路工程，铺设在薄沥青面层下。薄级配碎石基层主要用于重交通道路工程，铺设在厚沥青面层之下。同时，他们还研究了级配碎石的力学性能，对其试验条件、试件成型方法、尺寸、级配等提出了明确的要求。但是，在级配碎石的永久变形、长期性能和施工控制方法方面，他们还没有提出更好的方法。

在国内，以前级配碎石一般只用于车流量较少的道路的基层，或者重载交通道路的垫层。在我国大多数实际的公路设计中，无论交通量多大，一般都采用技术成熟的半刚性基层代替级配碎石基层。因此，将其作为沥青路面和半刚性基层之间的过渡层并不常见。但这种结构在解决半刚性基层的固有缺陷(反射裂缝、透水性差、轴载敏感系数小)方面有很大的突破，因此具有很大的研究价值。已经铺好了一些试验路，并进行了系统的观察分析。

摘要:针对级配碎石基层作为过渡层的倒置式结构，主要对其原材料性能、配合比设计、施工工艺进行总结分析，以提高级配碎石的性能，减少行车荷载引起的永久变形等性能。

原材料的特性

级配碎石基层的强度主要来源于集料本身的强度和碎石颗粒的嵌入挤压作用，因为没有结合料的粘结作用。因此，探索集料的特性对提高级配碎石基层的强度等性能具有重要作用。影响碎石材料性能的主要因素如下:

(1)骨料强度。集料的强度与级配碎石基层的强度直接相关。一般来说，集料的强度越高，级配碎石基层的强度越高。因此，为了保证级配碎石基层具有足够的强度，我国《公路路面基层施工技术规范》(JTJ 034-2000)做出了相关规定:高速公路和一级公路基层使用的级配碎石的压碎值≤25%。

(2)骨料形状。选择表面纹理丰富、棱角分明的碾压碎石，可以充分发挥集料的嵌挤作用，使集料的稳定性和强度得到相应提高，同时其渗透系数也得到提高，排水更容易。因此，我国相关规范规定骨料针状含量不应超过20%。但由于现在级配碎石层作为过渡层，其作用不同于过去一般的基层。建议在重交通道路工程中针状含量应小于15%。

(3)液限和塑性指数的要求

研究表明，随着粒径小于0.5mm的颗粒材料含量的增加，其塑性指数对级配碎石性能的影响越来越大。塑性细集料遇水易膨胀，降低其强度和水稳定性。同时，含塑性细集料的集料的CBR值和永久变形抗力远低于不含塑性细集料的集料。因此，为保证骨料的良好性能，应严格控制小于0.5mm的骨料含量及其塑性指数。建议液限< 25%，塑性指数< 4%。

(4)骨料清洁度。骨料不应含有有害物质，如植物和粘土块。土对级配碎石的结构强度、水稳性和耐久性有很大影响。因此，相关规范规定其砂当量不得低于60%。

配合比设计

毕业

级配是影响级配碎石强度和刚度的最重要因素。一般来说，密实级配碎石容易获得较高的压实度、较高的回弹模量、CBR值和永久变形抗力。因此，密实度较高、透水性较好的级配是我们寻求的最佳级配。

在我国，间断级配设计法、连续级配设计法和参考体积设计法引入的填充系数法是级配碎石级配设计的主要方法。在国外，如美国的富勒公式、前苏联的K法和我国林修贤教授的I法，都属于连续级配设计法；张晓宁教授提出的粗骨料孔隙法是填充系数的设计方法。此外，如长安大学采用不连续级配设计法和破碎级配设计法研究级配碎石的最佳级配组成；交通部公路科学研究院在试验研究的基础上推荐了级配碎石的合理级配范围；同济大学通过试验研究，提出了基于最大密度曲线理论的最佳理论级配组成。哈工大提出了骨架密实型级配的设计方法，设计了单级嵌挤和多级嵌挤两种主要骨架级配。

从以上设计调查可以看出，虽然级配碎石的设计方法很多，但都是基于传统的试验方法，级配范围相对过于宽泛，不利于生产级配的控制，从而影响施工质量的控制。

设计指数

国外级配碎石通常采用ASTM、AASHO等标准，但这些标准范围较广，对级配碎石的要求不是很严格。

目前，我国现行规范中对级配碎石没有混合料的设计性能指标要求，只要求级配碎石饱和4天后的CBR强度不小于160。因此，在一些高速公路中，级配碎石基层的施工只需对所有集料进行筛选，根据基层施工规范的宽级配范围确定目标配合比和级配曲线，然后进行重型压实，确定最大干密度和最佳含水量。对质量要求严格的高速公路，参照级配碎石采用CBR作为设计指标，基层CBR > 100%，底基层CBR > 80%。然后在实际施工和室内试验中发现，这个设计控制指标非常容易达到，标准严重偏低，直接影响了级配碎石的施工质量控制，其路用性能无法得到保证。因此，国内学者开始对级配碎石的CBR等设计指标进行大量的试验研究。长安大学莫通过试验提出了基于CBR值和抗剪强度控制的级配碎石组成设计方法和级配控制图。长安大学的王炳刚提出了CBR和抗剪强度控制的级配碎石设计，并推荐了设计标准的推荐值。天津市市政设计研究院和长安大学利用自主研发的柔性剪切仪研究了不同试件成型方法下级配碎石的抗剪强度，发现CBR与抗剪强度有很好的相关性。建议级配碎石材料的设计应以CBR为设计指标进行控制，复合式路面的设计标准应为CBR > 300%。哈尔滨工业大学研究分析了振动台成型级配碎石的动态变形特性，提出了级配碎石材料的设计指标为永久变形和弹性模量控制。广州市市政工程设计研究院提出了干密度、CBR、回弹模量、塑性变形四项指标进行设计控制。哈工大王乐妍通过对级配碎石抗剪强度的研究，提出了抗剪强度指标，建立了相同剪切速率下的CBR值与50kPad围压下的抗剪强度之间的关系，提出在施工过程中应用CBR值来控制级配碎石的抗剪强度。

从以上国内外标准和对级配碎石设计指标的研究可以看出，主要侧重于级配碎石的CBR值，同时，更倾向于抗剪强度。但由于试验方法和加载条件的不同，目前基于振动成型的级配碎石材料还没有统一的设计指标和标准。

检测方法

室内试验的关键是如何更好地模拟现场施工中的压实作业和压实方法。早在1933年，美国的R.R.Proctor就发明了室内成型试验法来确定最大干密度和最佳含水量，也就是现在的葡萄牙压实成型法，在当时压实机械的情况下可以很好的模拟。但随着压路机吨位的增加，为了更好地模拟重型机械设备的现场效果，需要增加压实功。所以在葡萄牙压实法的基础上加以改进和完善，形成重压实和轻压实。目前，在我国现行的基层施工规范中，级配碎石的检测方法是重型击实法，然后检测混合料的最佳含水量和最大干密度。

振动成型方法主要有两种:振动锤成型法和振动台成型法。英国和瑞典主要采用第一种方法，美国、日本、澳大利亚和丹麦主要采用第二种方法。然而，目前大多数国家或部门采用重型压实成型方法。目前国内级配碎石的成型方法，随着压实机械的振动碾压和压实质量的提高，已经开展了一些振动成型的研究，如哈工大、长安大学、东南大学等，并研制了国产振动成型试验机。

中国的振动成型分为两种:振动台成型和表面振动成型。哈工大采用的表面振动成型试验方法是通过自行设计的振动压实频率、振幅、激振力三要素可调的上振动压实设备实现的。试验证明，要改善沥青级配碎石基层的使用性能，首先要解决级配碎石的强度，减少其塑性变形。而振动成型试验方法可以大大减少级配碎石塑性变形的积累，提高级配碎石的路用性能。基于此，提出骨架密实、振动成型的级配试件力学性能优于悬浮密实级配、重力压实等静压法。

长安大学研究了不同试验方法下级配碎石的物理力学特性、变形特性、级配衰减和水稳定性，重点研究了振动成型的设计方法、施工工艺和路用性能。结果表明，与传统的重型击实法相比，振动成型法可以大大改善级配碎石的路用性能，最大干密度和CBR强度分别提高了8%和30%左右。

级配碎石的试验方法与其力学性质直接相关。随着压实技术不断向调频调幅发展，吨位越来越大，重型击实法和静力击实法已经不能模拟现场实际碾压情况，导致室内试验与实际碾压出入较大，CBR强度很容易超出规范100%以上。现场压实工作量远大于室内试验，经常出现超100%压实的现象，无法有效控制级配碎石的施工质量。

改善级配碎石性能的措施研究

与半刚性基层相比，级配碎石的强度、稳定性和模量较差，透水性较强。从其结构强度的形成机理来看，级配碎石基层的强度主要来源于碎石颗粒本身的强度和碎石颗粒之间的嵌入力。总结国内外相关文献，分析影响级配碎石回弹模量、塑性变形、CBR值和渗透性的因素，进而改善其性能。

级配碎石的回弹模量

回弹模量是级配碎石刚度的重要指标和设计参数。作为一种颗粒材料，它在交通荷载作用下表现出非线性和时变的弹塑性特征。为了表达这种非线性，回弹响应通常用回弹模量来表示。柔性基础设置在土基或其他基础上，其弹性模量一般较低，强度和刚度也相应较低。但其回弹模量主要与级配碎石的干密度和含水量、应力水平、粗细集料的结构和强度有关。因此，提高碎石质量，控制干密度和含水量，可以提高其回弹模量和强度。

级配碎石的塑性变形

在车辆荷载的作用下，沥青路面会发生弹性变形和残余变形。在反复的车辆荷载作用下，残余变形会随着时间的推移逐渐积累。当积累到一定程度，路面就会产生沉陷或车辙，这是路面损坏的一种常见形式。路面残余变形是路基和路面层材料的共同作用。而对于级配碎石基层来说，其塑性变形主要来源于其剪切破坏，因此只有当其抗剪强度达到一定要求时，才能减小其塑性变形。级配碎石基层的抗剪强度与其压实度、细集料含量、含水量和材料性质有关。通过控制这些因素，可以提高剪切强度。

级配碎石的CBR值

CBR值反映了材料在局部荷载下的抗剪能力。级配、密度、最大粒径和填充细集料的含量都会影响级配碎石的CBR值。材料的局部抗剪承载力包括两部分。首先，骨架之间的嵌入防止了结构的变形。因此，结构中最大粒径越大，嵌入越明显，变形也就越小。但粒径过大时，骨料会发生离析，结构松散，在车辆荷载作用下容易发生位移和变形，粒径之间的嵌入作用也会降低。所以颗粒越大越好。其次，细骨料的加入还会阻止结构变形的趋势。添加的细骨料可以填充粗骨料形成骨架造成的空空隙，使整个结构更加密实，减少大颗粒在空空隙间移动的可能性，减少结构变形，从而提高结构的局部抗剪能力。但是，过多的细骨料会削弱粗骨料的嵌入效果。因此，当细集料超过一定比例时，材料在车辆荷载作用下更容易发生位移和变形。因此，良好的级配可以提高集料的CBR值。

级配碎石的渗透性

路面结构内部的水一部分通过路面的接缝、裂缝和路面混合料的孔隙渗入路面结构，另一部分是地下水通过毛细作用渗入路面结构的下部。进入路面结构的自由水，在基层材料渗透性较好的情况下，可以渗入两侧路基和路肩结构中，逐渐排走；路基、路肩基层(垫层)透水性差时，其排水速度较慢，需要数周或数月才能清除。因此，路面结构类似于被放置在一个密封的槽“浴缸”中。

残留在路面结构中的水分会浸泡各结构层和路基土的材料，使其强度降低，变形增大，最终导致路面结构承载力降低。而层间结合部空间隙中截留的自由水，在行车荷载的作用下，形成孔隙水压力或高速水流，对表层材料进行冲刷，从裂缝中向外“清泥”，从而造成沥青表面出现松散、掉粒、坑槽等病害。而在半刚性沥青混凝土路面结构中，设置级配碎石基层作为过渡层，不仅可以起到路面排水的作用，还可以吸收和降低半刚性基层裂缝尖端的应力和应变，削弱动荷载和疲劳破坏的影响，减少和延缓反射裂缝的产生，从而减少地下水上升引起的水损害。

建筑技术

级配碎石基层具有良好的原材料性能和优良的配合比设计，但没有良好的施工工艺，其性能不会得到提高，因此级配碎石基层的施工对其整体性能的提高起着至关重要的作用。

在实际工程应用中，主要是在施工过程中控制级配碎石的含水量和压实工艺。含水量在整个施工过程中至关重要，它将直接影响级配碎石的压实度，进而影响级配碎石的整体稳定性和强度。当含水率过大时，骨料表面潮湿，压实过程中可能出现“弹簧”现象，导致骨料难以压实。含水率小时，骨料表面缺水湿润，摩擦力大，增加了压实难度，从而难以压实。因此，在施工过程中必须严格控制骨料的含水率。

压实工艺对级配碎石的压实度也有重要影响。不同的碾压遍数和碾压模型数具有不同的压实度和压实效果，但其可控性高于含水量。一般情况下，只有控制好设计的碾压型号、碾压遍数和碾压顺序，才能顺利施工。

此外，离析是影响级配碎石基层性能的另一个重要因素。应重视拌和、运输、摊铺、碾压等环节，加强管理和规范操作，尽量减少离析。

结论

(1)级配碎石基层作为过渡层，能有效减少半刚性基层引起的反射裂缝对路面结构的影响，其透水性强，能有效减少路面的水损害。

(2)通过选择优质的碎石、密实的配合比和良好的施工工艺，可以有效提高级配碎石的强度、刚度和稳定性。

(3)大面积施工时，级配碎石基层施工应重点控制合成级配、含水量、压实度等指标，同时减少离析的发生。