摘要：为充分发挥级配碎石优点，提高级配碎石路用性能，采用不同成型方式，研究对比了级配碎石的物理力学特性。提出了基于振动成型的级配碎石设计指标及设计标准，并应用实体工程进行验证。研究结果表明，提出的振动成型方式与现场碾压方式更为匹配；与重型击实相比，振动法设计的级配碎石{zd0}干密度系统提高；CBR、抗变形能力等力学指标明显优于重型击实法设计的级配碎石；实体工程表明，振动成型设计的级配碎石为基层的复合式路面路表弯沉与半刚性基层路表弯沉相当；不需特殊设备，采用改进的施工工艺，现场含水量、级配及压实度均能够达到研究提出的振动成型设计标准。关键词：道路工程 级配碎石 振动成型 设计标准 路用性能

　　引言

　　级配碎石在国外己广泛用于基层与底基层。与半刚性基层相比，级配碎石复合式路面具有抗反射裂缝强和排水功能好的优点。但传统理念认为，级配碎石同时也存在强度刚度低、路面变形大、易出现疲劳破坏、易出现车辙等缺点。基于此，我国“八五”攻关专题中提出级配碎石基层适合在累计轴次小于500万次的道路上使用，我国《沥青路面设计规范》中的回弹模量推荐值为300～350 MPa，因此级配碎石基层在中国高等级公路的推广受到了很大的限制。而优化材料设计方法，提出新的级配碎石设计指标及标准，设计出路用性能更为优良的级配碎石材料，无疑是提高级配碎石复合式路面的路用性能，充分发挥级配碎石优点，将其推广应用于高等级公路的有效途径之一。

　　目前我国普遍使用重型击实法设计级配碎石，但重型击实存在许多急需解决的问题：首先，重型击实方式与现场碾压方式不匹配。目前施工现场大量使用振动压路机，而室内却采用重型击实法，这导致室内成果与实际应用缺乏可比性。为此，国内研究者积极探索更为合理的成型方式[3，4，5]，以期设计出性能更为优良的级配碎石。

　　其次，级配碎石设计及施工质量控制标准偏低。《公路沥青路面设计规范》[2]规定，作为基层的级配碎石当采用重型击实方法设计时， CBR值不应小于100％，基层压实度应大于98％。而根据目前国内大量研究成果及笔者的经验，一方面CBR不小于100％很容易达到，控制指标偏低必然导致级配碎石质量难以控制；另一方面，现场压实度应大于98％的压实标准偏低。级配碎石现场压实度德国规范要求大于100％，常张高速公路级配碎石试验段（9）压实度代表值为101.5％，本研究项目实施的石家庄环城公路级配碎石试验段压实度代表值达到103％以上。这主要由于近年来施工压实设备在性能及压实功能上有质的飞跃，而重型击实法确定的{zd0}干密度的方法却一直沿用，因此实际上重型击实标准已严重低于现场压实水平，另外说明重型击实与现场振动压实方式难以匹配。鉴于此，根据现场压实功能适当提高击实标准，确定与现场压实方式相匹配的室内成型方式，对重新认识级配碎石路用性能，提高级配碎石质量，发挥级配碎石优点有重要意义。

　　1.成型方式的比较及选择我国公路部门多年来利用击实方法确定级配碎石{zj0}含水量和{zd0}干密度。目前通常采用的重型击实标准压实功相当于12～15 吨的静力压路机的碾压效果。研究采用与国内研究应用的下置式振动成型[4]不同的、与振动压路机压实方式基本匹配的上置式振动成型仪，其工作参数见表1。振动压路机与光轮静碾压路机工作参数见表2。

　　表1 振动成型与重型击实参数

　　Tab.1 Vibration molding and heavy tamping parameters

　　由表1、表2，采用的振动成型方式的振频、振幅等参数与振动压路机参数吻合，且均为由上向下的表面振动模式。更为重要的，振动击实功是重型击实的2.2倍，振动压路机的动线荷载是静碾压路机的1.8倍，两者也基本吻合。因此从振动参数、振动方式及压实功来分析，采用上置式振动成型方式与振动压路机更为匹配，可更有效地指导现场施工。

　　2.基于不同成型方式的级配碎石物理力学性能比较原材料为天津蓟县石灰岩，各项指标均满足规范要求，具体指标从略。

　　2.1级配的确定

　　图1中的连续嵌挤优化级配1是以振动成型方式，采用均匀设计、多级填充等方法研究了13种级配，综合考虑{zd0}干密度{zd0}、CBR{zd0}、级配衰减最小等指标，提出的{zy}连续嵌挤密实级配[1]。同时研究中按照规范提出的骨架密实型级配及连续级配进行对比。级配形式见图1。

　　2.2 {zj0}含水量及{zd0}干密度

　　振动成型及重型击实确定的3种级配{zj0}含水量、{zd0}干密度试验结果见表3。

　　表3 不同成型方式下级配碎石{zd0}干密度及{zj0}含水量

　　由表3试验结果：（1）无论级配形式如何，成型方式对密度的影响表现出相同的规律，即振动成型方式确定的{zd0}干密度系统增大，是重型击实结果的1.05～1.06倍。这一方面是由于振动成型击实功大幅度增加（是重型击实功的2.2倍），另一方面，振动成型施加的冲击力使材料在被压实过程中以动摩擦状态产生移动，集料可充分就位，并进一步使材料结构趋于合理化，这不是简单通过提高击实功就可以做到的。通过这两方面的共同作用使级配碎石在振动状态作用下{zd0}干密度大幅度提高。（2）无论击实方式如何，级配对密度的影响表现出相同的规律，即连续嵌挤密实级配1{zd0}干密度{zd0}，而骨架密实级配2{zd0}干密度最小。这表明优化的连续嵌挤密实级配粗细集料比例合理，粗细集料相互填充嵌挤作用更加充分。

　　（3）与级配变化相比，成型方式的变化对{zd0}干密度提高更为显著。因此改变成型方式，将能够更显著地提高级配碎石的力学性能。（4）与重型击实相比，振动击实确定的{zj0}含水量系统减小，两者比值为0.8～0.9。

　　2.3 力学性能对比分析

　　不同成型方式下的3种级配CBR及抗剪切强度试验结果见表4。

　　表4 不同成型方式下级配碎石CBR值

　　工程实践表明，级配碎石作为路面柔性结构层主要缺点是易产生较大的塑性变形。这种塑性变形的本质是粒料之间的抗剪切能力不足，因此可以利用级配碎石抗剪切变形能力来有效控制塑性变形。在深入研究CBR变化规律的同时，利用柔性剪切性能测试仪（4）进行级配碎石抗剪切能力测试，试验侧压力采用1000N，剪切速度为1mm/min。

　　由表4试验结果：（1）无论级配如何，成型方式对CBR及抗剪切强度的影响表现出相同的规律，即振动成型方式设计的级配碎石CBR及抗剪切强度大幅度提高，分别达到相应级配的重型击实方式设计结果的2.01～2.15倍及1.86～2.17倍。这主要是由于采用振动成型后，级配碎石密度大幅度提高，同时集料嵌挤分布更为合理，两种因素综合作用，使得级配碎石内摩擦力大幅度提高，从而使得级配碎石CBR及抗剪切强度显著提高。（2）无论成型方式如何，不同级配CBR值及抗剪切强度的大小与密度有显著的相关关系，即密度越大，CBR及抗剪切强度越大。而相对比于重型击实，振动成型方式下，不同级配密度的提高对CBR的提高更为显著。这表明振动成型方式不仅大幅度提高了级配碎石的CBR及抗剪切强度，而且与重型击实相比，调整级配还可以更为显著地挖掘振动成型的潜力，进一步大幅度提高级配碎石的路用性能，同时进一步说明用振动成型方式优化级配更为合理。总之，成型方式是导致集料排列方式更加合理、密度提高及级配碎石CBR及抗剪切强度极大显著提高的根本原因。

　　2.4 抗车辙能力对比分析

　　级配碎石抗变形能力差，易导致复合式路面出现车辙也是公路工作者担心的问题之一，基于此，对复合式路面抗车辙能力进行了室内试验研究。其中基层采用级配碎石，厚度60mm，面层厚度40mm。选取AC-13c型改性沥青混合料作表面层（沥青混合料石料为玄武岩、沥青为I-D级改性沥青，具体指标从略），以级配1为对象，分别选用重型击实标准、振动击实标准做基层，同时选用水泥稳定碎石基层进行比较。试验安排如下：

　　特制高100mm车辙试模，将侧面挡板分成上下两段，下段高60mm，上段高40mm。首先使用下端挡板，碾压成型高60mm的级配碎石或水泥稳定碎石试件，标准条件下养生7天后，在车辙试模上增加高40mm的顶端挡板，喷洒相应的透层、封层沥青，后装入相应的AC-13c型改性沥青混合料，碾压成型，试件制作必须保证达到相应设计标准（基层压实度必须达到相应成型方式{zd0}干密度的98％以上），否则重新制作试件。试件制作完成后在标准条件下进行车辙试验。每组试验为三平行试验，在满足变异系数小于20%范围内，取其平均动稳定度为{zh1}结果。试验结果如表5：

　　表5试验结果：（1）对于级配碎石作为基层的复合式路面，级配碎石设计方法不同，标准密度不同，结构的抗车辙能力差异十分显著。表现为振动成型方法与传统重型击实方法设计的级配碎石作基层的复合式路面，其结构抗车辙能力相差1.6倍。由此可见，采用振动成型方法，显著提高了级配碎石复合式路面抗车辙能力。（2）级配碎石密度的提高对其路用性能（CBR、抗剪切能力、结构抗车辙能力）的改善有决定性的作用，因此重视现场压实是保证级配碎石基层具有优良的路用性能的最基本的条件。（3）表5显示，振动成型级配碎石复合式路面结构抗车辙能力与水泥稳定碎石做基层的半刚性路面抗车辙能力相当。说明采用振动成型方式进行设计，级配碎石密度进一步提高，集料排列方式显著优化，充分发挥了集料的嵌挤作用。其抗变形能力、抗剪切能力大幅度提高，因此结构抗车辙能力大幅度提高。

　　3.基于振动成型方式的级配碎石设计指标及设计标准

　　合理的力学控制指标对级配碎石质量控制极其重要。指标合理，能有效指导级配碎石配合比设计及施工，有效控制工程质量。标准过低，级配碎石路用性能达不到实际荷载对路面力学指标的要求，路面将出现破坏。同样，标准过高，配合比设计难以达到要求，难以施工，也将影响工程质量。因此力学性能指标及标准理论上合理、实验简单易行是保证级配碎石有优良的路用性能的基础。

　　我国《公路沥青路面设计规范》控制级配碎石的力学控制指标是CBR。国内有研究者认为对级配碎石质量采用CBR及抗剪切强度双控更能保证工程质量[4]。

　　3.1 级配碎石设计指标

　　抗剪切强度目前没有标准的实验方法，且对抗剪切强度的研究也不深入，因此短期内难以实施。而本次研究结果表明，CBR与抗剪切强度有良好的相关关系，见图2。

　　Fig.2 Correlation of CBR and anti-shear strength of graded broken stone

　　图2是笔者在研究过程中积累的共31组数据回归结果，可以看出：（1）绝大多数数据CBR值在200％左右，CBR大于300％的数据仅4个，而恰恰是这4个数据的有效补充，得出了显著的CBR与抗剪切强度的相关关系。这主要是因为CBR在200％左右的27个数据均为采用重型击实得出。而采用重型击实，无论级配如何调整，数据均比较接近，甚至试验数据的误差已经掩盖了CBR与抗剪切强度的关系规律。换句话说，采用重型击实设计，级配碎石力学性能其实已无潜力可挖了。（2）采用振动成型后，与重型击实相比，级配碎石密度大幅度提高，集料内部结构更加合理， CBR和抗剪切强度均大幅度提高，且级配变化对力学性能比较敏感，因此得到了显著的CBR和抗剪切能力的相关关系。由图2，级配碎石CBR与抗剪切强度有良好的相关性，相关系数R达到0.9以上。因此，实际上级配碎石力学控制指标采用CBR即可。

　　3.2 级配碎石设计标准

　　我国规范规定级配碎石作为基层时， CBR值不应小于100％，基层压实度应大于重型击实标准密度的98％。按照图2的回归公式计算抗剪切强度，计算结果见表6。

　　根据表6计算结果，按照规范要求施做的级配碎石CBR为100％时，其抗剪切强度仅达到0.424MPa。本研究用有限元法计算分析了级配碎石结构层在标准轴载作用下的剪切状况，以级配碎石层中部靠近车轮内侧边缘的位置作为剪切破坏最不利的位置，考虑施工和超载等因素，根据剪切试验中平行试验剪切强度的极差确定修正安全系数为1.6，以剪切破坏最不利位置的竖向剪切应力提出剪切强度控制标准为剪切试验的剪切强度应大于0.56MPa。

　　一方面，本次研究共得到18个采用振动成型方式的级配碎石CBR数据，其中CBR{zg}达到485％，{zd1}为255％，平均354％。CBR小于300％的数据只占总数据的17％，且均为级配不良所致，因此可以得出结论，采用振动成型，在级配合理的情况下，300％的CBR可以达到。另一方面，根据表6计算结果，CBR在300％时，振动成型级配碎石混合料抗剪切强度达到0.742MPa，大于理论计算所需的0.56MPa，xx满足重载交通的需要，具有足够的安全储备。

　　因此，根据室内实验结果和理论分析，确定级配碎石力学性能控制指标为CBR，标准为CBR大于300％。

　　4.基于振动成型方式的级配碎石实体工程

　　试验工程主要验证如下指标：（1）与重型击实相比，振动成型{zd0}干密度大幅度提高，如以提高1.05倍计算，如要求现场压实度达到振动成型的98％，则实际上要达到重型击实的103％以上。以现有的施工机械是否能够达到.增大压实功，集料破碎情况如何。（2）提出的CBR大于等于300％是否合理。（3）振动成型级配碎石复合式路面路表回弹弯沉是否能够满足设计要求。

　　4.1 试验工程路面结构

　　试验工程在石家庄环城公路实施，长度500m。路面结构为：4cm细粒式改性沥青混凝土＋6cm中粒式沥青混凝土＋8cm粗粒式沥青混凝土＋15cm级配碎石＋15cm水泥碎石＋15cm石灰土，共计63cm。

　　4.2 配合比设计结果

　　（1）石料为石家庄石灰岩。原材料质量均满足规范相应的指标要求。级配采用连续嵌挤骨架密实级配，其中19mm、4.75mm及0.075mmxxx分别为78％、33％及2.5％。

　　（2）{zj0}含水量、{zd0}干密度及力学指标CBR设计结果见表7。由设计结果，振动成型{zd0}干密度是重型击实确定的{zd0}干密度的1.055倍。振动成型级配碎石CBR高达349％，满足大于300％的标准要求。

　　4.3 碾压设备及碾压工艺

　　（1）拌和楼级配控制主要控制19mm及4.75mmxxx，确保关键筛孔控制准确。（2）3台徐工220单钢轮振动压路机，1台30吨轮胎压路机。压实工艺为振动压路机先高频低幅振动碾压一遍，后低频高幅振动碾压5遍，轮胎压路机碾压2遍，共8遍。

　　4.4试验段检测结果

　　试验段施工过程中及完成后分别进行了如下检测：

　　（1）压实度检测，检测结果见表8.

　　表8 试验段压实度检测结果 由以上检测结果，碾压完成的级配碎石基层压实度xx可以达到振动击实标准的98％以上。因此将级配碎石压实度标准定为振动成型标准的98％以上是合理的。

　　（2）集料破碎程度检测。压实度检测废料烘干后4.75mmxxx处于30～35％之间，一方面说明试验段级配控制比较准确，另一方面说明虽然采用较大的压实功，但集料基本上不存在破碎现象。

　　（3）表面层铺筑完成后进行了回弹弯沉检测，回弹弯沉代表值为8.8（0.01mm），满足设计要求。

　　5.结论

　　（1）采用与现场压实功及压实方式更为匹配的振动成型方式，级配碎石{zd0}干密度显著提高，CBR、抗剪切强度等力学指标显著增大，路用性能xxxx。

　　（2）理论计算、室内试验数据及实体工程验证表明，基于振动成型的级配碎石控制指标采用CBR，标准采用CBR不小于300％，现场压实度不小于振动成型标准的98％是合理的。

　　（3）室内试验数据表明，采用振动成型设计的级配碎石复合式路面抗车辙能力与半刚性基层抗车辙能力相当；实体工程表明，基于振动成型级配碎石复合式路面路表回弹弯沉xx满足设计标准。

　　（4）室内研究结果表明，级配碎石密度的提高对CBR、抗剪切强度、路面结构抗车辙能力有决定性的影响，因此重视现场压实是保证级配碎石基层具有优良的路用性能的最基本的条件。