莫石秀,羅立峰,張先念

(1.廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司,廣州 510623;2.華南理工大學(xué)廣州學(xué)院,廣州 510800)

0 引言

CBR-V礦料級(jí)配設(shè)計(jì)方法是基于CBR試驗(yàn)的一種設(shè)計(jì)方法，通過(guò)CBR試驗(yàn)數(shù)據(jù)反映集料的狀況。由于在試驗(yàn)中集料的不同特征得到了綜合的體現(xiàn)，所以可以認(rèn)為試驗(yàn)中考慮了集料的各種特征，是一個(gè)能夠體現(xiàn)集料全部特征的設(shè)計(jì)方法，具有級(jí)配客觀唯一性特征。CBR-V法大體可分兩部分，即骨架嵌擠和密實(shí)填充，其中骨架嵌擠是通過(guò)力學(xué)指標(biāo)CBR來(lái)表征判斷的，其方法是對(duì)符合設(shè)計(jì)要求的檔料按粒徑從大到小依次累加式摻配，根據(jù)摻配過(guò)程中的CBRmax來(lái)確定該摻配時(shí)兩檔料的摻配比例，按照層層傳遞的方式逐次類推，直至粗細(xì)集料分界處，最終確定各檔料的摻配比例[1-3]。在實(shí)際工程中應(yīng)用該方法進(jìn)行礦質(zhì)集料配合比設(shè)計(jì)，表明該方法是可行的。那么該方法形成的機(jī)理如何呢？本文擬通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，研究分析其內(nèi)在的作用機(jī)理。

1 原材料

集料產(chǎn)地：紫金臨江芙蓉石場(chǎng)，巖性為輝綠巖；集料分級(jí)規(guī)格為：11～22mm、6～11mm、3～6mm。集料的基本性能見表1。

表1 集料的基本性能

各檔料的篩分結(jié)果見表2。

表2 各檔料的篩分結(jié)果

2 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用改進(jìn)型礦質(zhì)集料承載比實(shí)驗(yàn)方法(CBR)，根據(jù)試驗(yàn)研究，試件成型采用三裝一壓的方式。由于原材料為輝綠巖，所以成型壓力采用15kN[4-5]。具體的試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路是通過(guò)拉網(wǎng)式試驗(yàn)，摸查三種檔料不同摻配比例工況下的CBR變化規(guī)律：

(1)按3因素4水平正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)，開展16組試驗(yàn)，粗略摸查三種檔料不同摻配比例工況下的CBR變化規(guī)律及CBRmax存在的可能范圍。

(2)在上述基礎(chǔ)上加密，按3因素4水平進(jìn)行正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)；再開展16組試驗(yàn)，期望能進(jìn)一步摸查三種檔料不同摻配比例工況下的CBR變化規(guī)律及CBRmax的存在范圍。

(3)按CBR-V進(jìn)行三檔料摻配試驗(yàn)并找出CBRmax。目的是與正交試驗(yàn)結(jié)果互相比對(duì)，驗(yàn)證是否通過(guò)CBR-V法所獲取的CBRmax就是三檔料摻配后所能達(dá)到的最大值。

(4)對(duì)以上試驗(yàn)所獲取的CBRmax可能存在范圍內(nèi)的摻配比例進(jìn)行重新驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證試驗(yàn)的正確性。

3 正交試驗(yàn)及結(jié)果分析

首先開展L16(43)試驗(yàn)。其中3為因數(shù)即三檔料10～20mm、5～10mm和3～5mm；4為試驗(yàn)水平，表3按10～20mm摻配量為20%、40%、60%和80%，5～10mm對(duì)應(yīng)的為80%、60%、40%和20%，3～5mm對(duì)應(yīng)的為5%、10%、15%和20%。然后按三檔料摻配后的和為100%進(jìn)行處理，得到不同摻配比例的十六組摻配比例。然后進(jìn)行CBR試驗(yàn)，測(cè)定CBR5.0，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 L16(43)摻配試驗(yàn)及結(jié)果

表3是按CBR5.0降序排列的。表3表明，CBR5.0大于60的摻配比例，10～20mm的摻配量在55%～73%；5～10mm的摻配比例相對(duì)10～20mm的要小很多，在17%～38%范圍內(nèi)；而3～5mm摻配比例的規(guī)律不是很明顯。可見對(duì)于已經(jīng)確定的一組檔料來(lái)講，檔料粒徑最大的檔料，對(duì)CBRmax影響最大，粒徑次一級(jí)的，影響也次一級(jí)。

加密試驗(yàn)水平，再開展一組L16(43)試驗(yàn)。改變?cè)囼?yàn)水平，10～20mm摻配量按30%、50%、70%和90%，5～10mm對(duì)應(yīng)的為90%、70%、50%和30%，3～5mm不變。然后按三檔料摻配后的和為100%進(jìn)行處理，得到不同摻配比例的十六組摻配比例。然后進(jìn)行CBR試驗(yàn)，測(cè)定CBR5.0，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 L16(43)摻配試驗(yàn)及結(jié)果

表4是按CBR5.0降序排列的。表4表明，規(guī)律與表3相同，但具體數(shù)值變化較大。CBR由原來(lái)的最大65，跳到了最大70； 10～20mm的摻配量由原來(lái)的55%～73%，跳到了58%～82%；5～10mm的摻配比例對(duì)于表3下降了，由原來(lái)17%～38%下降到9%～27%范圍內(nèi)；而3～5mm摻配比例的規(guī)律性仍然不是很明顯。

綜合分析表3和表4的試驗(yàn)結(jié)果，CBRmax應(yīng)存在于10～20mm摻配量在55%～82%之間，取其中間值大概在68.5%附近；5～10mm摻配量在9%～38%之間，同樣取中間值為23.5%，可能會(huì)在23.5%附近出現(xiàn)；3～5mm的摻配量不好確定，但按照100%總量推算，約在8%附近，估計(jì)可能不超過(guò)8%。

表3和表4顯示，最大的CBR5.0為70，那么是否CBRmax等于70呢？不好說(shuō)。因?yàn)閮蓚€(gè)試驗(yàn)加起來(lái)?yè)脚淞系拈g隔在10%左右，雖然有一定的涵蓋性，但也是所有可分比例中的“九牛一毛”，不足以窺全豹。因此只能說(shuō)可能是70，或者已經(jīng)逼近CBRmax了。同時(shí)從組成比例來(lái)看，形成抗剪強(qiáng)度的主要是最大一檔料10～20mm，其次是5～10mm，再其次是3～5mm。

4 CBR-V法骨架嵌擠試驗(yàn)及分析

4.1 一級(jí)摻配

10～20mm與5～10mm不同摻配比例時(shí)CBR5.0的試驗(yàn)結(jié)果見表5和圖1所示。

表5 10～20mm與5～10mm不同摻配比例時(shí)CBR5.0試驗(yàn)結(jié)果

圖1 10～20mm與5～10mm不同摻配比例時(shí)CBR5.0試驗(yàn)結(jié)果

分析表5和圖1，可知10～20mm檔料與檔料5～10mm不同摻配比例時(shí)，CBR5.0試驗(yàn)結(jié)果有兩個(gè)凸起的卡點(diǎn)。卡點(diǎn)1在檔料10～20mm摻量為65%處，在檔料5～10mm摻量為35%處，記作卡點(diǎn)(65/35)；卡點(diǎn)2在檔料10～20mm摻量的35%處，在檔料5～10mm摻量的65%處，記作卡點(diǎn)(35/65)；卡點(diǎn)1的CBR5.0為71，卡點(diǎn)2的CBR5.0為55.2。按照CBR5.0越大骨架最強(qiáng)的理念，若要所設(shè)計(jì)的混合料骨架最強(qiáng)，則本案例應(yīng)只選取CBR5.0=71所對(duì)應(yīng)的摻配比例，但作為研究，為擴(kuò)大研究范圍，了解其內(nèi)在的規(guī)律和事實(shí)，本次試驗(yàn)將卡點(diǎn)2也納入了選取范圍，從另一個(gè)方面證明上一級(jí)CBR的較大值，其對(duì)應(yīng)比例的合檔料與次一級(jí)檔料摻配后仍是較大值，具有傳遞性。

4.2 二級(jí)摻配

4.2.1 (65/35)二級(jí)摻配

由表6和圖2可知，卡點(diǎn)(65/35)獲取的CBRmax為75.3，對(duì)應(yīng)的各檔料的比例由表7知為10～20mm：5～10mm：3～5mm=62%：34%：4%。

表6 5～20mm與3～5mm不同摻配比例時(shí)CBR5.0試驗(yàn)結(jié)果

表7 表6三檔料表示的CBR5.0試驗(yàn)結(jié)果

圖2 5～20mm與3～5mm不同摻配比例時(shí)CBR5.0試驗(yàn)結(jié)果

4.2.2 (35/65)二級(jí)摻配

由表8和圖3可知，卡點(diǎn)(35/65)獲取的CBRmax為63.2，對(duì)應(yīng)的各檔料的比例由表9知為10～20mm：5～10mm：3～5mm=32%：59%：10%。通過(guò)試驗(yàn)，分析卡點(diǎn)(65/35)和卡點(diǎn)(35/65)獲取的不同CBRmax，兩者之間差別是比較大的。一級(jí)摻配時(shí)卡點(diǎn)1和卡點(diǎn)2間的CBR分別為71和55.2，差值為15.8，相差約22.3%；二級(jí)摻配后卡點(diǎn)1和卡點(diǎn)2間的最大CBR分別為75.3和63.2，差值為11.8，相差約16%，差值有所減小，但差值仍然比較大。這說(shuō)明CBRmax確實(shí)具有傳遞性，CBR-V法選取每級(jí)CBRmax作為衡量礦質(zhì)集料骨架強(qiáng)度思路是正確的。

表8 5～20mm與3～5mm不同摻配比例時(shí)CBR5.0試驗(yàn)結(jié)果

表9 表8三檔料表示的CBR5.0試驗(yàn)結(jié)果

圖3 5～20mm與3～5mm不同摻配比例時(shí)CBR5.0試驗(yàn)結(jié)果

合并表7和表9，結(jié)果見表10。

表10 合并表7和表9的結(jié)果

由表10可知，通過(guò)CBR-V法獲取得CBRmax為75.3，相比正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法獲取得70有一定的提高，雖然無(wú)法肯定地說(shuō)75.3就是最大值CBRmax，但可以推斷，通過(guò)CBR-V法獲取的最大值更接近CBRmax，并可以代表CBRmax，進(jìn)而可以認(rèn)為就是CBRmax。

5 正交設(shè)計(jì)與 CBR-V法試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

將正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果CBR5.0大于60以上的值和CBR-V法設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果CBR5.0大于60以上的值合并整理并排序，成果見表11。從表11可知，排名前三位的均為CBR-V法所獲取的，其CBR5.0分別為75.3、73.6和73.4，分別大于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)獲取的最大值70的7.6%、5.1%和4.9%，這說(shuō)明通過(guò)CBR-V法獲取CBRmax相比正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)講，效率更高，工作量更小，最主要的是能找到可能最接近CBRmax的值。可見在獲取CBRmax時(shí)，CBR-V有不可替代的優(yōu)勢(shì)。

表11 正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)和CBR-V法所獲取的CBR5.0大于60的值

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行的32組試驗(yàn)和CBR-V法試驗(yàn)及分析，可得出如下結(jié)論：

(1)通過(guò)32組正交試驗(yàn)，獲取的CBRmax相比CBR-V法獲取的CBRmax小7.6%，說(shuō)明通過(guò)CBR-V法獲取的CBR值更接近CBRmax。

(2)通過(guò)CBR-V法獲取CBRmax，工作量更小、效率更高。

(3)通過(guò)CBR-V法獲取CBRmax是可行的。

(4)CBR-V法采用的強(qiáng)度傳遞理念是正確的。

(5)通過(guò)CBR-V獲取的CBRmax具有客觀唯一性的特點(diǎn)。