配碎石試驗：材料性能與施工質量控制的核心

引言
級配碎石作為道路基層、底基層及鐵路道砟等工程的關鍵材料，其物理力學性能直接影響工程結構的穩定性與耐久性。級配碎石試驗旨在科學評價其粒徑分布、壓實特性及承載能力，為材料選擇、配合比設計及施工質量控制提供精確依據。以下為完整的級配碎石試驗內容。

一、 試驗目的

1. 確定最佳級配： 篩選滿足工程要求的粒徑組合，確保良好的嵌擠密實效果。
2. 測定最大干密度與最佳含水率： 為現場壓實提供目標控制值，保證壓實度。
3. 評估承載能力： 通過力學指標（如CBR）判斷材料抵抗荷載變形的能力。
4. 控制材料質量： 確保進場碎石符合設計規范要求。

二、 主要試驗項目與方法

1. 顆粒分析試驗 (篩分法)

   • 目的： 測定碎石混合料中各粒徑顆粒的質量百分率，繪制級配曲線。
   • 設備： 標準方孔篩一套（規格依據規范要求，如37.5mm, 31.5mm, 19mm, 9.5mm, 4.75mm, 2.36mm, 0.6mm, 0.075mm等）、振篩機、天平（感量0.1%試樣質量）。
   • 步驟：
     • 取代表性風干試樣，稱重(m1)。
     • 將試樣倒入按孔徑大小自上而下疊置的篩上，加蓋密封。
     • 置于振篩機上篩分足夠時間（通常10-15分鐘）。
     • 逐級稱取各篩上存留質量(mi)及底盤質量。
     • 計算各篩分計篩余百分率、累計篩余百分率及通過百分率。
     • 繪制級配曲線（通過百分率為縱坐標，粒徑對數為橫坐標）。
   • 結果判定： 對照設計或規范要求的級配范圍，判斷是否合格。

2. 擊實試驗 (重型或輕型)

   • 目的： 確定級配碎石的最大干密度(ρdmax)和最佳含水率(wopt)。
   • 設備： 標準擊實儀（含試筒、套筒、底板、擊實錘）、天平（感量0.1g）、烘箱、干燥器、噴水設備、推土器、量筒等。
   • 步驟 (以重型擊實為例)：
     • 試樣制備： 按篩分結果或設計級配配制5份（至少5份）試樣，每份質量約6kg（視試筒大小調整）。分別加入不同水量（預估wopt左右，按2%-3%含水率間隔遞增），充分拌勻，悶料備用。
     • 分層擊實： 將試筒固定于底板，裝套筒。取一份試樣分3層裝入試筒，每層高度大致相等。每層用擊實錘按規定的擊實功（如重型：錘重4.5kg，落高450mm，每層98擊）均勻擊實。擊實后層面應“拉毛”。
     • 脫模稱重： 擊實完成，拆除套筒，修平試樣表面，稱取試筒+濕試樣總質量(m2)。
     • 測定含水率： 從試樣中心取代表性土樣，測定其含水率(w)。
     • 計算濕密度與干密度： 計算濕密度(ρ = (m2 - m0) / V，m0為空試筒+底板質量，V為試筒容積)，計算干密度(ρd = ρ / (1 + 0.01w))。
     • 繪制曲線： 以干密度(ρd)為縱坐標，含水率(w)為橫坐標，繪制ρd-w關系曲線。曲線峰值點對應的縱坐標為最大干密度(ρdmax)，橫坐標為最佳含水率(wopt)。

3. 承載比 (CBR) 試驗

   • 目的： 評價級配碎石在貫入荷載作用下的承載能力，是路基材料設計的重要指標。
   • 設備： CBR試驗儀（含加載裝置、測力計、貫入桿、膨脹量測量裝置）、試筒（與擊實試驗同規格）、多孔板、荷載板、水槽、天平、量表（百分表）等。
   • 步驟：
     • 試樣制備與擊實： 按擊實試驗所得的最佳含水率(wopt)配制試樣，用與擊實試驗相同的方法和標準擊實功，在CBR試筒內制備3個試樣（需帶多孔板、濾紙、荷載板）。
     • 浸水膨脹： 將制備好的試樣（頂面加荷載板）放入水槽內，安裝好膨脹量測裝置（量表）。向水槽注水，使水面高出試樣頂面25mm。記錄初始讀數。浸泡4晝夜（96小時），期間保持水位恒定，定時記錄膨脹量。
     • 貫入試驗： 浸泡結束，讀取最終膨脹量。取出試樣，吸去表面水，移入CBR試驗儀。在試樣頂面放置貫入桿及荷載板。施加預壓力（約50kPa）使各部分接觸良好，調整量表歸零。以1-1.25mm/min的速率施加貫入荷載，記錄貫入量(ΔL)為0.5mm, 1.0mm, 1.5mm, 2.0mm, 2.5mm, 3.0mm, 4.0mm, 5.0mm, 7.5mm, 10.0mm, 12.5mm時對應的單位壓力(p，kPa)。
     • 繪制曲線： 繪制單位壓力(p)與貫入量(ΔL)關系曲線。若曲線起點凹向上，需進行修正（原點修正）。
     • 計算CBR值： 通常取貫入量2.5mm和5.0mm時的單位壓力(p2.5, p5.0)，分別與標準碎石材料在相同貫入量下的標準荷載強度（通常7MPa對應2.5mm，10.5MPa對應5.0mm）相比，計算百分比：
       CBR2.5 = (p2.5 / 7000) * 100%
CBR5.0 = (p5.0 / 10500) * 100%
       取兩者中較大者作為該試樣的CBR值。以3個平行試驗結果的平均值作為該組試樣的CBR值。

三、 試驗結果應用

1. 級配控制： 篩分結果用于判定碎石混合料是否符合設計級配范圍，指導生產或現場調整。
2. 壓實標準： 擊實試驗得出的ρdmax和wopt是現場壓實度控制的基準。現場壓實度（現場實測干密度 / ρdmax * 100%）必須達到設計要求（通常≥96%或更高）。
3. 材料強度評價： CBR值是評價級配碎石作為路基或基層材料承載能力的關鍵指標，需滿足設計規范的最低要求（如高速公路基層CBR≥100%）。
4. 配合比優化： 試驗結果可用于優化不同粒徑碎石的比例，以獲得更優的力學性能和施工性能。

四、 試驗注意事項

1. 代表性取樣： 試樣必須能代表整批材料，取樣方法需規范（如四分法）。
2. 設備標定： 試驗前應對篩子、天平、擊實儀、CBR儀等設備進行校準或標定。
3. 操作規范： 嚴格按標準試驗規程操作，如擊實分層厚度、擊實次數、貫入速率等。
4. 含水率控制： 擊實試驗中，含水率預估和加水悶料過程對結果準確性至關重要。CBR試樣制備必須精確控制為最佳含水率。
5. 平行試驗： 重要試驗（如擊實、CBR）應進行平行試驗，結果取平均值，保證可靠性。
6. 超粒徑處理： 若試樣含有超過試驗允許最大粒徑的顆粒，需按規范進行剔除或等質量替換處理。
7. 記錄完整： 詳細記錄試驗過程、原始數據、環境條件等信息。

五、 試驗依據標準
試驗應嚴格遵循國家或行業現行有效標準，例如：

• 《公路工程集料試驗規程》(JTG E42)
• 《公路土工試驗規程》(JTG 3430) 中擊實試驗(T 0131)和CBR試驗(T 0134)
• 《鐵路工程土工試驗規程》(TB 10102) 相關章節
• 其他相關設計規范中對級配碎石的技術要求。

六、 試驗報告
試驗報告應清晰、完整，通常包括以下內容：

1. 委托單位、工程名稱、取樣地點與日期。
2. 試驗項目名稱及依據標準。
3. 試樣描述（來源、外觀、最大粒徑等）。
4. 主要儀器設備名稱及編號。
5. 詳細試驗方法與過程簡述。
6. 核心試驗結果：
   • 顆粒分析：各篩孔通過百分率、級配曲線圖、（是否符合要求）。
   • 擊實試驗：最大干密度(ρdmax)、最佳含水率(wopt)、ρd-w關系曲線圖。
   • CBR試驗：各試樣的膨脹量、p-ΔL關系曲線圖、CBR值（2.5mm和5.0mm）、平均值。
7. 試驗與建議。
8. 試驗人員、審核人員簽字及試驗日期。

級配碎石試驗是保障道路、鐵路等基礎工程質量的關鍵環節。通過嚴謹規范的顆粒分析、擊實試驗和CBR試驗，能夠精確掌握材料的物理力學特性，為設計提供參數，為施工提供壓實控制標準，最終確保工程結構具有足夠的強度、穩定性和耐久性。試驗人員必須秉持科學、客觀、嚴謹的態度，嚴格執行標準，確保試驗數據的準確性和可靠性。