级配碎石沥青路面倒装结构的评价与应用研究

罗群星，缪树民，杨 康

(1.贵州省凯里公路管理局，贵州 凯里 556000; 2.重庆交通大学，重庆 400074)

1 概述

近些年来，随着国家公路网建设不断完善，我国干线公路的里程数明显增加，这些公路中，半刚性基层沥青路面占比最大，相比于其他沥青路面结构，半刚性基层沥青路面具有较高的强度、刚度及承载能力，更能适应重交通的发展需求。然而，随着建设年限及应用的增加，半刚性基层沥青路面自身的缺陷逐渐暴露。半刚性基层透水性差容易产生路面唧浆等关联性损坏；材料收缩开裂引起面层反射裂缝出现；基层与面层的结合薄弱造成流动性车辙；维修养护的性价比低等。其中，反射裂缝的问题更为困扰[1-2]。如何避免由于半刚性材料收缩开裂引起沥青路面反射裂缝至今是研究的热点。

直至价格较低、施工便利的级配碎石引起大众的注意，提出了级配碎石层放置在沥青面层与半刚性基层之间的方法，证明能够有效的减少反射裂缝的产生，这种夹层式结构被称作级配碎石沥青路面倒装结构。级配碎石材料属于粒料类，在较高压实度下抗压能力较大且无法承受拉应力，能够消散应力，因此从根本上阻碍了反射裂缝产生的途径[3]。

何兆益[4]对四种典型级配进行两种成型方式的研究，结果表明振动成型的最大干密度和最佳含水率分别比击实成型的增大3%～5%，5%～10%，CBR、弹性模量均较高，高密实度是材料高强度的必要措施；徐鸥明[5]通过大量的试验，明确了风化石的室内振动压实试验方法；王龙[6]研究得到振动成型比击实成型的最佳含水率平均高出1.0%，以16%作为临界孔隙率判断击实成型是否产生大范围的破碎作用，振动成型能够生成良好的结构，塑性变形减少2倍；张永升、黄晓明等[7]研究了由变k法设计的混合料在不同成型方式下对比成型前后的混合料组成变化，结果表明振动成型几乎不会扰动原始级配，击实成型由于大颗粒集料的破碎导致细集料比例增多。

在国外，级配碎石基层或下基层的设计通常采用ASTM，AASHO等标准。A. Dawson和F.Lekarp[8]从最大剪应力比和应力路径着手，提出了一种模拟粒料类材料永久变形的模型，得到一个极限应力比值，如果累计永久变形超过此极限，则无法保持平衡渐变失效；Sabine Werkmeister[9]进行的变形研究的对象是未处治粒料类材料。分析了影响道路永久变形行为的主要因素，基于三轴试验，得到材料的本构模型，并借助有限元手段，建立了一个解析路面设计模型。

由于目前倒装结构在我国的应用主要是铺筑试验路，且多应用于高速公路，目前尚未覆盖二级及二级以下公路，且尚未大面积的建设投入使用，本文针对二级公路，提出三种级配碎石的级配设计，分别对其基本性能进行室内试验研究。考虑到级配的变异性，本文通过级配细化的手段研究级配的变异性规律，基于室内试验性能与路面性能相匹配的思路，为级配设计提供一个新的角度。并进行试验段铺筑，为二级公路重、中等、轻交通下的级配碎石沥青路面典型倒装结构和相关质量控制方法提供参考。

2 级配类型及类型分析

依据现有研究结果，混合料的密度是级配设计的首要考虑要素之一，会对混合料的性能产生重大影响，而级配设计是希望获得碎石的组合密度最大。其中，目前常用的级配设计方法主要有泰勒法、多级嵌挤法、规范中值法[10]，本文分别依据三种方法进行级配设计，并用G1，G2，G3表示，其级配组成见表1，图1。

表1 基于G1，G2，G3的级配拟合后通过率

基于泰勒法设计的级配G1中，31.5 mm～19.0 mm，4.75 mm～1.18 mm通过率接近规范推荐级配上限，说明此粒径范围内含量较少，G1属于悬浮密实结构；基于多级嵌挤法设计的级配，4.75 mm～0.075 mm粒径通过率接近推荐级配下限，4.75 mm～9.5 mm的集料含量偏多，粗集料含量达到了74.5%，G2属于骨架空隙结构；基于推荐级配中值拟合的级配，粗集料含量达到62.3%，G3属于骨架密实结构[11-14]。

3 室内试验

3.1 最大干密度及最佳含水率

本文采用重型击实试验确定三种级配混合料的最佳含水率和最大干密度，绘制击实曲线，确定建筑垃圾混合料的最优含水率w0和最大干密度ρd，试验过程参考JTG E40—2007公路土工试验规程T 0131—2007。结果如图2所示。

由试验曲线可以得知，三组级配的击实曲线均呈现出：随着含水率的增加干密度先增大后减小的趋势，提取每条拟合曲线对应的最大值点的横纵坐标，对应的横坐标为该级配的最佳含水率，对应的纵坐标为该级配的最大干密度，见表2。表2中结果显示，基于泰勒法设计的级配G1密实度最大，基于多级嵌挤法设计的级配G2的密实度较低。

表2 G1，G2，G3击实试验结果

3.2 CBR试验

加州承载比CBR(California Bearing Ratio)是美国加利福尼亚州提出的一种评定基层材料承载能力的试验方法，可用于表征集料的强度，CBR试验使用主机是北京生产的路面材料强度试验仪，采用浙江省瑞安市东方测力设备厂生产的ES-60kN标准测力仪，以及量程为0 mm～10 mm的百分表。CBR值按式(1)计算:

CBR=p/ρs×100

(1)

其中，p为对应于某一贯入度的土基单位压力,kPa;ρs为相应贯入度的标准压力,kPa，实验结果如表3所示。

表3 CBR试验数据表

由实验结果可知：试验结束后，绘制横坐标为单位压力(p)，纵坐标为贯入量(l)的关系曲线，三组级配的试验曲线图见图3，本试验三种级配测得的CBR平均值见表3。JTG/T F20—2015公路路面基层施工技术细则规定，级配碎石用作二级公路时CBR应大于120%，级配G1和级配G3满足规范要求；基于泰勒法设计的级配G1比骨架型级配G2和G3的CBR值大。

3.3 动态三轴压缩试验

回弹模量是表示级配碎石层力学特性的重要指标，有关研究表明，回弹模量具有较强的应力依赖性，所以其取值应考虑其应力相关性[15]。本文以不同级配的三轴压缩试验结果为例，进行应力状态与回弹模量的相关性研究。分析过程见图4，图5。

由图4，图5中显示的规律可以看出：在围压和偏应力相同的情况下，不同级配的回弹模量值存在较大差异。级配G1的回弹模量值最大，骨架型级配的回弹模量较小，这是因为根据不同级配形成的试样骨架特性和密实度不同，在相同的应力情况下，试样的回弹变形量不同导致的；三组级配随偏应力和体应力的变化规律相似。

回弹模量差距随着围压的增加而变化，当围压达到140 kPa时，三组级配的回弹模量非常接近。因此，倒装结构在应用时可以增加底基层的强度，增强级配碎石基层受到的偏应力约束，提高倒装结构的回弹模量。

3.4 级配变异性试验

集料在承受外力作用情况下会破碎，影响到集料的嵌挤效果，使得混合料的强度下降，且随着击实功作用变异程度会发生变化，故本文通过级配细化的手段研究级配的变异性规律，基于室内试验性能与路面性能相匹配的思路，为级配设计提供一个新的角度。

由于材料击实后粗集料可能发生破碎，此时测得的CBR值不能反映设计级配的承载能力，而是在原级配基础上变化成为级配细化后的承载能力。因此，本文通过对不同级配进行持续的击实做工，分析其在击实前后相同粒径的通过率变化情况，用于分析级配的变异性。不同击实遍数下的级配变化曲线见图6。

图6中G(i)表示原始级配击实i遍后的筛孔通过率，由图可知：三组级配均会发生变异，但变异程度和变异的趋势不同，G1级配的变化程度较为稳定；各级配随着成型遍数的增加，级配间的细化程度逐渐减弱。细化速率降低可能有以下两个原因：1)随着级配细化的不断发展，试件内可发生破碎的粗集料不断减少，而细集料难以破碎，因此级配趋于稳定；2)试件内细集料含量的上升，缓冲了粗集料间的点接触及点传荷方式，削弱了应力集中现象，因此降低了级配细化速率。

通过相关室内试验表明：级配G1，G2，G3的CBR值分别为230%，105%，121%，平均回弹模量分别为259 MPa，208 MPa，233 MPa；悬浮密实型级配G1的CBR和回弹模量比骨架型级配G2和G3大，级配优良使得混合料性能较优异，并且对不同级配进行持续的击实做工发现G1的级配变异程度较为稳定。因此选取G1级配进行相关试验段铺筑研究。

4 试验段工程

4.1 倒装结构设计

G242锦屏大同至黎平高屯公路改扩建工程位于黔东南州锦屏县与黎平县境内，路线全长60.313 km，其中新建路基13.055 km，利用敖市街道1.06 km，利用老路拓宽改建46.198 km，老路利用率为78.3%，为了研究倒装结构与半刚性基层沥青路面结构的力学响应以及路用性能，提出两种倒装结构，共设计三种路面结构方案。分别为半刚性基层沥青路面结构和级配碎石沥青路面倒装结构1，2，如表4所示。

表 4 试验路沥青路面结构

4.2 松铺系数

施工过程中要结合试验路集料的特性预设松铺系数，不能随意预设。预设的松铺系数如果太大，会使得摊铺的厚度超高，可能无法满足设计要求且造成资源的浪费；预设的松铺系数如果太小，则会使得摊铺厚度偏小，影响施工质量，本试验路初步确定按照松铺系数1.20铺设试验段。按照规定布置测点的断面和高程检测点，本试验路段施工前经过反复试验，最终确定的松铺系数为1.22。

4.3 压实度控制

为了确定试验路的最优碾压工艺，在不同碾压工艺组合的行车道上取点，本试验路使用单钢轮压路机和胶轮压路机型号分别为XG260和IXP301。

综合各种因素分析共设置了三种不同的碾压工艺，三种碾压工艺主要在桩号K50+700～K51+000附近试验，试验段碾压组合与压实度关系及最终确定的碾压组合如表5所示。

根据表5确定的最终碾压工艺进行后续试验路铺设，施工过程中对试验路其他路段按照规范要求进行压实度检测，检测结果见表6。

表5 碾压组合表

表6 压实度检测结果

经以上数据综合分析，经试验段铺筑后，压实度检测结果均满足基层施工规范要求，证明了试验路所确定碾压工艺的合理性。但是，由表6中数据可以发现，桩号K50+100，K50+250和K50+450比桩号为K50+650，K50+850的压实度低，原因是因为试验段设置倒装结构1和倒装结构2的结构层不同，级配碎石基层的厚度存在差异。

4.4 弯沉检测

表7 弯沉检测结果

传统半刚性基层路面结构的弯沉平均值和代表值均比两类倒装结构弯沉要小，倒装结构沥青路面2的弯沉最大。因为倒装结构在水稳层和面层之间设置了模量较低的级配碎石柔性基层作为防止反射裂缝的缓冲层。

5 结论

1)本文通过对G1，G2，G3三种不同级配的级配碎石进行室内试验测得CBR值分别为230%，105%，121%，平均回弹模量分别为259 MPa，208 MPa，233 MPa，并且在相同的重复击实做功下，级配G1变异程度较为稳定，综合分析表明悬浮密实结构G1可以作为级配碎石倒装结构中的碎石级配。

2)本文提出两种级配碎石沥青路面倒装结构，并进行试验段铺筑，对施工中的碾压过程提出参考，并对碎石层压实度以及路面弯沉进行检测，为二级公路重、中等、轻交通下的级配碎石沥青路面典型倒装结构和相关质量控制方法提供参考。