非洲公路瀝青混合料礦料配合比研究

孟慶新

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司天津國際工程分公司，天津 300222)

1 工程概況

地處非洲的蘇丹法烏公路位于蘇丹北達(dá)爾富爾地區(qū)，起點(diǎn)為法西爾市、終點(diǎn)為烏木卡達(dá)達(dá)市，全長168 km。該地區(qū)常年氣候炎熱，最高氣溫可達(dá)50 ℃，地溫最高可達(dá)60 ℃，安全形勢不穩(wěn)定，戰(zhàn)亂不斷，路面易遭破壞。蘇丹國家公路局綜合各方面考慮，將瀝青路面設(shè)計(jì)為單層5 cm。為了使單層瀝青路面適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境，并滿足穩(wěn)定性、耐久性、設(shè)計(jì)時(shí)速等要求，參照美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)對(duì)瀝青混合料礦料集配及各項(xiàng)馬歇爾指標(biāo)進(jìn)行了調(diào)整，具體見表1、表2。礦料配合比作為影響各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和路面性能的主要因素，如何將其調(diào)整到最佳是該配合比設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

表1 礦料級(jí)配要求%

技術(shù)指標(biāo)名稱 篩孔尺寸/mm 25.019.012.59.54.752.361.180.60.30.150.075法烏公路設(shè)計(jì)要求10095～10075～9065～8548～7038～5428～4420～3413～238～184～10美國標(biāo)準(zhǔn)AC-20(ASTM D3515-2001)10090～100/56～8035～6523～49//5～19/2～8美國標(biāo)準(zhǔn)AC-10(ASTM D3515-2001)10010010090～10055～8532～67//7～23/2～10

表2 馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)

2 設(shè)計(jì)要求分析

2.1 設(shè)計(jì)要求對(duì)照分析

分析表1、表2可以看出，該配合比骨料最大公稱粒徑為19 mm,混合料為AC-20。法烏公路標(biāo)準(zhǔn)中控制骨料級(jí)配的篩孔尺寸與美國標(biāo)準(zhǔn)相同，相比ASTM標(biāo)準(zhǔn)又增加了對(duì)12.5 mm、1.18 mm、0.6 mm、0.15 mm這幾個(gè)篩孔通過率的控制，各篩孔的通過率都有不同程度的增加。最大公稱粒徑雖為19 mm，但骨料級(jí)配要求卻介于AC-20～AC-10之間。馬歇爾各項(xiàng)指標(biāo)要求也更為嚴(yán)格，各指標(biāo)控制的區(qū)間與ASTM標(biāo)準(zhǔn)中AC-20的要求相比，都有不同程度的縮小，這就增大了礦料配合比設(shè)計(jì)的難度。

2.2 設(shè)計(jì)目的分析

AC-20瀝青混合料一般作為瀝青路面中間層，主要起承載和連接作用，如果作為面層使用，耐久性差、摩擦力大、路面平整度差，影響車速。AC-10瀝青混凝土一般作為瀝青路面面層，如果單層使用，穩(wěn)定性差、使用壽命短。此公路瀝青路面設(shè)計(jì)為單層5 cm，設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km/h,設(shè)計(jì)使用壽命為15 a。若按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)中AC-20的設(shè)計(jì)要求配制混合料，作為單層路面使用，無法滿足此公路的設(shè)計(jì)要求。

此公路瀝青配合比設(shè)計(jì)的目的就是以ASTM AC-20為基礎(chǔ)增加4.75 mm以下細(xì)骨料的用量，使瀝青混凝土具有一定的穩(wěn)定性，減小路面的摩擦力，并提高馬歇爾指標(biāo)的要求來提高瀝青混凝土的耐久性，使單層瀝青路面滿足高速公路的使用要求。

2.3 配比難點(diǎn)分析

本標(biāo)準(zhǔn)將VMA提高到16%～20%，目的是提高瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性和耐久性，但根據(jù)多年的工作經(jīng)驗(yàn)，ASTM設(shè)計(jì)的AC-20的VMA很難達(dá)到16%。而且隨著VMA的提升，VV會(huì)增大， VFA會(huì)減小，而標(biāo)準(zhǔn)要求的VV偏小、VFA偏大，3項(xiàng)指標(biāo)之間產(chǎn)生了沖突，很難同時(shí)滿足。增加瀝青用量可以使VFA增大，VV減小，瀝青混凝土?xí)用軐?shí)，耐久性也會(huì)提高，但是本公路常年處于炎熱氣候中，瀝青用量過大會(huì)出現(xiàn)泛油現(xiàn)象，影響路面耐久性，應(yīng)盡量控低，根據(jù)承建方工程師的多年經(jīng)驗(yàn)，此地區(qū)瀝青用量不宜超過5%。因此，在最佳瀝青用量盡量控低的前提下，若要滿足設(shè)計(jì)要求，只能從調(diào)整礦料配合比這方面著手。如何調(diào)整礦料配合比至最佳，使各項(xiàng)馬歇爾指標(biāo)同時(shí)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，是配制該混合料配合比的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3 礦料配合比影響因素分析與調(diào)整

3.1 原材料情況

該工程地處偏遠(yuǎn)，原材料單一，骨料、礦粉全部自行生產(chǎn)，骨料母材為玄武巖，所產(chǎn)骨料為3種，均按照甲方工程師要求生產(chǎn)，分別為其編號(hào)，1號(hào)骨料尺寸9.5～19 mm、2號(hào)骨料尺寸4.75～9.5 mm、3號(hào)骨料尺寸<4.75 mm,由于玄武巖硬度過大、韌性過高、難破碎、難磨細(xì)，3號(hào)骨料產(chǎn)量嚴(yán)重不足，與甲方工程師商議選取公路沿線質(zhì)量較好的河砂補(bǔ)充，編號(hào)為4號(hào)。

3.2 礦料配合比對(duì)馬歇爾指標(biāo)的影響分析

將4種骨料及礦粉按照標(biāo)準(zhǔn)要求試驗(yàn)方法取樣、分料、篩分，將篩分結(jié)果輸入Excel電子表格進(jìn)行試配，反復(fù)調(diào)節(jié)各骨料和礦粉的用量百分比后發(fā)現(xiàn)，無法將全部篩孔的通過率調(diào)到中值。根據(jù)貝雷法[1]計(jì)算，此礦料集配的關(guān)鍵控制篩孔尺寸為4.75 mm，所以只能將關(guān)鍵控制篩孔4.75 mm的通過率調(diào)至中值，其他各篩孔的通過率盡量接近中值。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中VMA的計(jì)算方法初步設(shè)計(jì)一種礦料配合比進(jìn)行VMA測定，將其編號(hào)為1#礦料配合比，其組成為：1號(hào)骨料28%，2號(hào)骨料19%，3號(hào)骨料35%，4號(hào)骨料15%，礦粉3%。根據(jù)甲方工程師的經(jīng)驗(yàn)，瀝青用量不宜超過5.0%，因此選擇標(biāo)準(zhǔn)要求的瀝青用量下限4.8%作為測定VMA的瀝青用量，實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試拌，得出的結(jié)果見表3。

表3 1#～6#礦料配合比馬歇爾指標(biāo)對(duì)照表

結(jié)果顯示，VMA、流值、馬歇爾穩(wěn)定度滿足了標(biāo)準(zhǔn)要求，但VV超出標(biāo)準(zhǔn)上限較多，VFA低于標(biāo)準(zhǔn)下限過多，若使用這組礦料配合比進(jìn)行目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)，經(jīng)計(jì)算最佳瀝青用量會(huì)在5.5%左右，所以需根據(jù)影響馬歇爾各項(xiàng)指標(biāo)的因素，重新調(diào)整礦料配合比[2]。馬歇爾指標(biāo)與影響因素的關(guān)系如表4所示。

表4 馬歇爾指標(biāo)與影響因素關(guān)系

注：“+”表示指標(biāo)隨因素增加而增加，“-”表示隨因素增加而減小，“/”表示無影響。

表4顯示，馬歇爾所有指標(biāo)都與礦料間隙率(VMA)有關(guān)，而影響VMA的因素為骨料的組成和礦粉的用量，即礦料配合比。

隨著富棱角集料用量和細(xì)砂量的增加，VMA會(huì)增大，隨著礦粉用量的增加VMA會(huì)減小，VMA發(fā)生變化，所有馬歇爾指標(biāo)都會(huì)發(fā)生變化，也就是說礦料配合比的變化直接影響馬歇爾指標(biāo)，所以如何將礦料配合比調(diào)整至最佳以滿足馬歇爾各項(xiàng)指標(biāo)是該混合料配合比配制的重點(diǎn)。

3.3 礦料配合比調(diào)整步驟

3.3.1 調(diào)整第一步

分析表4發(fā)現(xiàn)，VMA隨富棱角集料用量和細(xì)砂量的增加而增大，其中富棱角集料主要為1號(hào)、2號(hào)骨料，細(xì)砂為3號(hào)、4號(hào)骨料，其中關(guān)鍵篩孔4.75 mm的通過率，即3號(hào)、4號(hào)骨料的總量對(duì)VMA的影響最大，分別用3號(hào)、4號(hào)總量42%、45%、48%進(jìn)行測定，得出的VMA值分別為15.2%、15.9%、16.5%，考慮到生產(chǎn)中各骨料集配的波動(dòng)性，配合比設(shè)計(jì)的VMA值宜為17%左右，所以3號(hào)、4號(hào)骨料總量不宜低于50%。這樣骨料就被分成兩部分，每一部分都由兩種骨料組成，這一步稱之為“粗調(diào)”。

3.3.2 調(diào)整第二步

分析表4發(fā)現(xiàn)，要想使VV減小，VFA增加，可以增加石粉用量，但是1#礦料配合比篩分結(jié)果顯示0.075 mm篩孔的通過率為7.1%，已經(jīng)超過了設(shè)計(jì)要求的中值，這是因?yàn)?號(hào)、4號(hào)骨料中有一部分顆粒粒徑小于0.075 mm，也就是天然石粉，其中4號(hào)骨料中含量比3號(hào)中多。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)分析，如果再增加外摻石粉的用量會(huì)影響現(xiàn)場施工性能，易出現(xiàn)“油餅”，影響碾壓質(zhì)量，降低耐久性。增加外摻石粉VMA值會(huì)降低，用《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中VMA的計(jì)算方法，計(jì)算出的VMA為16.3%，已經(jīng)接近設(shè)計(jì)下限，所以增加外摻石粉用量不可行。

3號(hào)骨料尺寸雖小于4.75 mm，但其主要由帶棱角的顆粒組成，降低其用量VV會(huì)一定程度的減小，VFA一定程度的增加，而且3號(hào)、4號(hào)骨料的總量已確定，4號(hào)骨料用量會(huì)增加，這樣石粉含量有一定程度的增加，VV和VFA值也有一定程度的改善。將3號(hào)、4號(hào)骨料用量調(diào)整，設(shè)計(jì)三組：3號(hào)骨料分別為32%、29%、26%，4號(hào)骨料分別為18%、21%、24%，其他骨料用量與1#礦料配合比中的相同，分別編號(hào)為2#、3#、4#礦料配合比，按4.8%的瀝青用量試拌，得出的結(jié)果如表3所示。

表3中的數(shù)據(jù)顯示，隨著3號(hào)骨料用量的降低，4號(hào)料用量的增加，VMA減小、VV減小、VFA增大、流值增大、馬歇爾穩(wěn)定度減小，3#礦料配比得到的馬歇爾穩(wěn)定度值已經(jīng)不滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求了，2#中馬歇爾穩(wěn)定度值適宜，選用2#礦料配合比繼續(xù)進(jìn)行調(diào)整。此次試驗(yàn)得出一個(gè)結(jié)論：天然河砂用量增加，馬歇爾穩(wěn)定度會(huì)降低。這是因?yàn)樘烊簧氨缺砻娣e大、棱角少，與瀝青不易結(jié)合，過量使用會(huì)影響混合料穩(wěn)定度。至此確定了石粉的用量3%，4號(hào)骨料的用量18%，3號(hào)骨料的用量32%，這一步稱之為“細(xì)調(diào)第一步”。

3.3.3 調(diào)整第三步

調(diào)整到這一步，還剩下1、2號(hào)骨料用量未確定，VV為4.7%、VFA為73.8%，這兩個(gè)指標(biāo)已經(jīng)接近設(shè)計(jì)要求。繼續(xù)分析表4，還需減少富棱角集料的用量才能使VV和VFA滿足設(shè)計(jì)要求。通常在尺寸大于4.75 mm的骨料中，骨料粒徑越小，棱角越多，分別取1、2號(hào)骨料3 kg分析，2號(hào)骨料的棱角更多。在3號(hào)、4號(hào)骨料以及石粉用量確定的前提下，調(diào)整1號(hào)、2號(hào)骨料的用量進(jìn)行試拌，1號(hào)骨料的用量分別為31%、34%，2號(hào)骨料的用量分別為16%、13%，分別編號(hào)為5#、6#礦料配合比，得出的結(jié)果如表3所示。

結(jié)果顯示，5#、6#礦料配合比試拌的混合料馬歇爾指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。但是經(jīng)計(jì)算該礦料配合比的最佳瀝青用量為5.1%，最終確定的最佳瀝青用量應(yīng)該大于4.8%，VFA會(huì)增大，VV會(huì)減小，所以選用5#礦料配合比，這一步稱之為“細(xì)調(diào)第二步”。

至此，礦料配合比調(diào)整完畢，礦料配合比為：1號(hào)骨料31%、2號(hào)骨料16%、3號(hào)骨料32%、4號(hào)骨料18%、石粉3%。礦料級(jí)配泰勒曲線[1]如圖1所示。

圖1 礦料級(jí)配曲線

用5#礦料配合比進(jìn)行混合料目標(biāo)配合比、生產(chǎn)配合比試驗(yàn)，確定最佳瀝青用量，最后進(jìn)行生產(chǎn)配合比驗(yàn)證，數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 目標(biāo)配合比、生產(chǎn)配合比及生產(chǎn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)

至此，混合料配合比配制完成。

4 結(jié)束語

國際公路工程中的瀝青混合料設(shè)計(jì)一般采用英、美標(biāo)準(zhǔn)，但在某些特殊的國家或地區(qū)，承建方為了用最低的成本使公路滿足更高的使用要求，會(huì)在標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上對(duì)配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，配制的難度會(huì)增大。

蘇丹法烏公路2016年10月竣工，在施工過程中完成的路段陸續(xù)通車，至今最早通車的路段已使用超過6 a，未出現(xiàn)大面積泛油、嚴(yán)重車轍、開裂、骨料裸露等不良現(xiàn)象，路面平整度較好，車速可達(dá)150 km/h。實(shí)踐證明，此瀝青混凝土配合比適用于單層瀝青路面，滿足高速公路的使用要求。