蘇丹法烏公路特種瀝青混凝土配合比分析

陳 明

(中鐵十八局集團(tuán)天津國(guó)際工程分公司，天津 300222)

蘇丹法烏公路為高速公路，地處蘇丹北達(dá)爾富爾地區(qū)，該地區(qū)常年氣候炎熱，安全形勢(shì)不穩(wěn)定。蘇丹國(guó)家公路局從節(jié)省成本和縮短工期的角度考慮，將瀝青路面設(shè)計(jì)為單層5cm。為使單層瀝青路面適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境，并滿(mǎn)足穩(wěn)定性、耐久性、設(shè)計(jì)時(shí)速等要求，參照美國(guó)規(guī)范并進(jìn)行一定調(diào)整，給出蘇丹特種瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)。該配合比設(shè)計(jì)要求與美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中同等級(jí)配合比設(shè)計(jì)要求相比，骨料級(jí)配要求差異較大，馬歇爾各項(xiàng)指標(biāo)要求更為嚴(yán)格，配制難度較大。

1 配比分析

1.1 標(biāo)準(zhǔn)分析

該配合比骨料公稱(chēng)最大粒徑為19mm，配比類(lèi)型為AC-20，骨料級(jí)配和馬歇爾各項(xiàng)指標(biāo)與美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中同等級(jí)瀝青配合對(duì)比見(jiàn)表1。

由表1可知，法烏公路標(biāo)準(zhǔn)中控制骨料級(jí)配的篩孔尺寸與美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)相同，說(shuō)明此配合比是參照ASTM標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的。 按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)，施工技術(shù)人員添加12.5mm、1.18mm、0.6mm、0.15mm這4個(gè)篩孔通過(guò)率的控制，骨料級(jí)配要求較ASTM標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格。

法烏公路標(biāo)準(zhǔn)中骨料級(jí)配要求與ASTM AC-20標(biāo)準(zhǔn)要求相比，各篩孔的通過(guò)率都有不同程度的增加，關(guān)鍵篩孔4.75mm的通過(guò)率，法烏公路標(biāo)準(zhǔn)為48%-70%，ASTM標(biāo)準(zhǔn)為35%-65%，通過(guò)率下限增加了13%，通過(guò)率中值增加了9%，4.75mm以下篩孔的通過(guò)率也相應(yīng)增加。馬歇爾VFA、VMA和VV這三項(xiàng)指標(biāo)相對(duì)于其他各項(xiàng)指標(biāo)的要求來(lái)說(shuō)，尤為嚴(yán)格。

表1 馬歇爾各項(xiàng)指標(biāo)與美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中同等級(jí)瀝青配合對(duì)比

1.2 設(shè)計(jì)目的分析

一般高速公路瀝青路面設(shè)計(jì)為三層[1]：瀝青穩(wěn)定層、中間層、面層。蘇丹國(guó)家公路局考慮達(dá)爾富爾地區(qū)安全形勢(shì)不穩(wěn)定，為節(jié)省成本、縮短工期，瀝青路面設(shè)計(jì)為單層5cm，時(shí)速120km/h，使用壽命15年。常規(guī)瀝青混凝土不能同時(shí)滿(mǎn)足穩(wěn)定及耐久性、路面平整度、設(shè)計(jì)時(shí)速等要求。

AC-20瀝青混凝土一般作為瀝青路面中間層，主要起承載和聯(lián)結(jié)作用，如果作為面層使用，摩擦力大、路面平整度差，影響車(chē)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[2]。法烏公路瀝青混凝土配比設(shè)計(jì)就是以ASTM AC-20為基礎(chǔ)使瀝青混凝土具有一定的穩(wěn)定性，增加4.75mm以下細(xì)骨料的用量以減小路面摩擦力，提高馬歇爾指標(biāo)要求以增強(qiáng)瀝青混凝土的耐久性，適用于單層瀝青路面。

1.3 配比難點(diǎn)分析

AC-20瀝青混凝土的礦料間隙率VMA一般在16%以下，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。但隨著VMA的提升，剩余孔隙率VV會(huì)增大，瀝青飽和度VFA會(huì)減小，而標(biāo)準(zhǔn)要求的VV偏小、VFA偏大，三項(xiàng)指標(biāo)產(chǎn)生沖突，不容易同時(shí)滿(mǎn)足[3]。瀝青用量是影響VFA的主要因素，適當(dāng)增加瀝青用量，VFA會(huì)升高，瀝青混凝土?xí)用軐?shí)，耐久性也會(huì)提高，但該公路常年處于炎熱氣候中，瀝青用量過(guò)大會(huì)出現(xiàn)泛油現(xiàn)象，應(yīng)盡量控低。因此，在最佳瀝青用量盡量小的前提下，如何調(diào)整礦料配合比使VMA、VV、VFA同時(shí)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，是該配合比的主要難點(diǎn)。

2.配合比配制

2.1 原材料選取

2.1.1 瀝青

該工程嚴(yán)格按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)施工，各項(xiàng)指標(biāo)都符合ASTM標(biāo)準(zhǔn)要求：采用Iran進(jìn)口的石油瀝青（標(biāo)號(hào)70號(hào)），52.7℃是此種型號(hào)瀝青的軟化點(diǎn)，其針入度是65（0.1mm）。

2.1.2 骨料

法烏公路處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，安全形勢(shì)不穩(wěn)定，周?chē)鷽](méi)有骨料供應(yīng)商，只能自行生產(chǎn)。通過(guò)考察施工周邊區(qū)域，找到符合要求的骨料。此種原材為玄武巖，其優(yōu)點(diǎn)是不用爆破、易采集；但韌性和硬度都很大，非常不易破碎和磨成細(xì)沙。

所產(chǎn)碎石為三種粒級(jí)：9.5-19mm、4.75-9.5mm、4.75mm以下。其中4.75mm以下碎石產(chǎn)量最少，最大產(chǎn)量約為總產(chǎn)量的28%。而標(biāo)準(zhǔn)中要求4.75mm的通過(guò)率為48%-70%，如果完全使用碎石機(jī)生產(chǎn)的細(xì)骨料，會(huì)有大量的粗骨料剩余，加大生產(chǎn)成本，而且碎石機(jī)生產(chǎn)的細(xì)骨料所含粉料少，很難滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配要求，因此需摻加一部分天然細(xì)骨料?？疾彀韬险靖浇奶烊簧昂螅陔x拌合站約5公里的地點(diǎn)，找到級(jí)配較好的黃砂。給4種骨料編號(hào)，9.5-19mm碎石為1號(hào)骨料，4.47-9.5mm碎石為2號(hào)骨料，4.75毫米以下的黃砂作為4號(hào)骨料，碎石作為3號(hào)骨料。

按標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)所選4種骨料進(jìn)行質(zhì)檢，結(jié)果均符合法烏公路標(biāo)準(zhǔn)要求，骨料選取完成。

2.1.3 外摻礦粉

外摻礦粉是自行生產(chǎn)，原材選用離拌合站較近、易采集和磨細(xì)的石英巖，對(duì)所產(chǎn)石粉多次取樣并進(jìn)行篩分析及塑性指數(shù)、表觀密度試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果控制原材料質(zhì)量并對(duì)磨粉機(jī)做相應(yīng)調(diào)節(jié)，在符合標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下將石粉產(chǎn)量調(diào)至最高[4]。

2.2 目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)

對(duì)于熱拌瀝青混合料的配合比方法，中國(guó)和美國(guó)的規(guī)范以及設(shè)計(jì)方法大同小異，通過(guò)參照《公路路基路面施工技術(shù)規(guī)范（JTG F40-2004）》[5]對(duì)該項(xiàng)工程的配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。

2.2.1 礦料配合比設(shè)計(jì)

（1）礦料配合比試配。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(wú)法將全部篩孔的通過(guò)率調(diào)到中值，只能將關(guān)鍵篩孔4.75mm的通過(guò)率調(diào)至中值，其他各篩孔的通過(guò)率盡量接近中值，以此方法初步設(shè)計(jì)一種礦料配合比進(jìn)行VMA測(cè)定。礦料配合比分別是：4號(hào)骨料15% ；3號(hào)骨料35%；2號(hào)骨料19%；1號(hào)骨料28%；礦粉為3%。

（2）礦料配合比調(diào)整。根據(jù)當(dāng)?shù)乇O(jiān)理方經(jīng)驗(yàn)，瀝青用量不宜超過(guò)5%，又因AC-20的VMA一般小于16%，一般情況下VMA隨瀝青用量的增加而減小，因此測(cè)定VMA的瀝青用量選擇標(biāo)準(zhǔn)要求的瀝青含量下限為4.8%。采用初歩設(shè)計(jì)的礦料配合比進(jìn)行試拌，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求的試驗(yàn)方法做馬歇爾試驗(yàn)，相關(guān)指標(biāo)數(shù)為：礦料間隙率VMA:17.2%；剩余空隙率VV:5.0%；瀝青飽和度VFA:70.9%；流值：2.7mm；馬歇爾穩(wěn)定度：11.8kN。

結(jié)果顯示：VMA、流值、馬歇爾穩(wěn)定度滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，VV超出標(biāo)準(zhǔn)上限較多，VFA低于標(biāo)準(zhǔn)下限過(guò)多。采用此組礦料配合比進(jìn)行目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)顯示，瀝青量在5.5% 左右最佳。瀝青用量過(guò)高會(huì)出現(xiàn)泛油、嚴(yán)重車(chē)轍等不良現(xiàn)象，所以需根據(jù)影響馬歇爾各指標(biāo)的因素重新調(diào)整礦料配合比。馬歇爾指標(biāo)與影響因素關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 馬歇爾指標(biāo)與影響因素關(guān)系

由表2可知，VV隨VMA的增大而增大，VFA隨VMA的增大而減小，影響VV、VMA、VFA之間關(guān)系的主要因素為細(xì)砂量、礦粉用量和富棱角集料用量，需適當(dāng)增加礦粉用量，降低細(xì)砂用量，降低富棱角集料用量。而礦粉的產(chǎn)量較低，生產(chǎn)成本高，礦粉用量增加拌合時(shí)間會(huì)增長(zhǎng)，施工性能也會(huì)降低，從節(jié)省成本和保證施工性能的角度考慮，不宜增加礦粉用量，所以只能?chē)L試調(diào)節(jié)細(xì)砂用量和富棱角集料用量。細(xì)砂量為3、4號(hào)骨料的總量，2、3號(hào)骨料為富棱角集料。

多次調(diào)整礦料配合比進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，結(jié)果顯示：細(xì)砂總量（3、4號(hào)骨料的總量）減小，VMA明顯降低，不宜低于50%；而降低3號(hào)骨料用量，增大4號(hào)骨料用量，VMA略微減小，VV減小，VFA升高，馬歇爾穩(wěn)定度降低，若天然砂的用量超過(guò)20%，馬歇爾穩(wěn)定度超出標(biāo)準(zhǔn)下限；在增添1號(hào)骨料碎石用量的同時(shí)，縮減2號(hào)骨料用量，VFA開(kāi)始提升、VMA微微有些減小，VV有些減小，馬歇爾穩(wěn)定度較平穩(wěn)。進(jìn)一步調(diào)整后，最終礦料配合比設(shè)計(jì)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%；礦粉3%。馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如下：礦料間隙率VMA:17.0% ；剩余空隙率VV:4.2%；瀝青飽和度VFA:75.3%；流值：2.3；馬歇爾穩(wěn)定度：10.2kN。

至此，礦料配合比設(shè)計(jì)完成，礦料配合比級(jí)配曲線(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配曲線(xiàn)比較如圖1所示。

圖1 礦料配合比級(jí)配曲線(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配曲線(xiàn)比較

2.2.2 確定瀝青最佳用量

按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法，測(cè)定各種礦料的毛體積相對(duì)密度，采用規(guī)范JTG F40-2004 附錄B中的計(jì)算方法，預(yù)估適宜的瀝青用量為5%。

把預(yù)估5%的瀝青用量作為中值，0.5%為間隔，用已確定的礦料配合比制作5組不同瀝青用量的馬歇爾試件，按照J(rèn)TG F40-2004規(guī)定的試驗(yàn)及計(jì)算方法，詳細(xì)測(cè)定并計(jì)算出5組馬歇爾試件的各項(xiàng)指標(biāo)（縱坐標(biāo)為該試驗(yàn)的各項(xiàng)指標(biāo)，橫坐標(biāo)為瀝青用量），以此繪制曲線(xiàn)。依據(jù)JTG F40-2004規(guī)定的方法進(jìn)行詳細(xì)演算，從而得出最佳瀝青用量OAC是5.1%。因蘇丹法烏公路是非洲炎熱地區(qū)重載交通高速公路，建議適當(dāng)降低OAC值。參照曲線(xiàn)中，按照公路標(biāo)準(zhǔn)要求范圍，依據(jù)瀝青含量對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)馬歇爾指標(biāo)進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，確定OAC為5%。而OAC相對(duì)的馬歇爾指標(biāo)為：礦料間隙率VMA:16.8%；剩余空隙率VV:3.8%；瀝青飽和度VFA:77.4%；流值：2.3；馬歇爾穩(wěn)定度：12.4kN。

各指標(biāo)都在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，可確定瀝青最佳用量及礦料配合比，同時(shí)設(shè)計(jì)完成目標(biāo)配合比。

2.3 生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)

生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)是使用間歇式拌合機(jī)拌料時(shí)的必要環(huán)節(jié)，該工程使用的此類(lèi)拌合機(jī)最大拌合量為：2000 kg/盤(pán)、冷料倉(cāng)4個(gè)、熱料倉(cāng)4個(gè)。按目標(biāo)配合比中設(shè)計(jì)的4種骨料的比例，調(diào)整拌和機(jī)各冷料倉(cāng)的進(jìn)料速度，偏差控制在0.5%以?xún)?nèi)。

2.3.1 級(jí)配數(shù)據(jù)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定方法，先后取樣四種熱骨料，詳細(xì)測(cè)出四種熱骨料的各個(gè)級(jí)配，然后將級(jí)配數(shù)據(jù)在EXCEL電子表格中試配，使熱骨料合成級(jí)配與目標(biāo)配合比中的礦料級(jí)配盡量一致，熱骨料礦料配合比最終確定為：1號(hào)熱骨料24% ；2號(hào)熱骨料17%；3號(hào)熱骨料13%；4號(hào)熱骨料43%；礦粉3%。級(jí)配數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 級(jí)配數(shù)據(jù)

2.3.2 配合比

從目標(biāo)配合比中，比選確定最佳瀝青用量5%為中值，0.3%是間隔，采用已明確的熱骨料礦料配合比，制作三組不同瀝青含量的馬歇爾試件，依據(jù)與目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)一致的方法，明確生產(chǎn)配合比最佳瀝青用量是4.9%，檢測(cè)出馬歇爾指標(biāo)都符合標(biāo)準(zhǔn)的要求：礦料間隙率VMA:16.9%；剩余空隙率VV:3.9%；瀝青飽和度VFA:76.9%；流值：2.1mm；馬歇爾穩(wěn)定度：12.0kN。

使用設(shè)計(jì)出的生產(chǎn)配合比在拌和站試拌、取樣，按照規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行抽提試驗(yàn)、篩分析試驗(yàn)、馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下：瀝青含量：4.9%；礦料間隙率VMA:17.1%；剩余空隙率VV:4.0%；瀝青飽和度VFA:76.6%；流值：2.3mm；馬歇爾穩(wěn)定度：12.8kN；馬歇爾穩(wěn)定度損失：7.2%。骨料級(jí)配與生產(chǎn)配合比中的級(jí)配基本相同，其他各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)完成。

3 生產(chǎn)配合比驗(yàn)證

采用設(shè)計(jì)出的生產(chǎn)配合比拌制瀝青混合料，取100米作為試驗(yàn)段，在路面依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和方法取樣，然后進(jìn)行抽提、篩分析以及馬歇爾試驗(yàn)。按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定控制瀝青、骨料、成品料和碾壓溫度，鋼輪壓路機(jī)碾壓方法、碾壓遍數(shù)按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定執(zhí)行。將路面溫度降低到50℃以下后開(kāi)始鉆芯取樣，進(jìn)行芯樣的壓實(shí)度以及孔隙率測(cè)定。經(jīng)試驗(yàn)，瀝青的含量、骨料級(jí)配、馬歇爾等各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，孔隙率是4.1%，芯樣的壓實(shí)度是99.5%，將此生產(chǎn)配合比作為標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)配合比。這標(biāo)志配合比配制全部順利完成（注：標(biāo)準(zhǔn)要求的芯樣壓實(shí)度不小于98%，孔隙率是2.3%-5.7%）。

該公路大部分路段已使用3年以上，未出現(xiàn)大面積泛油、嚴(yán)重車(chē)轍、開(kāi)裂等不良現(xiàn)象，路面平整度較好，車(chē)速可達(dá)150km/h，路面耐磨性能較好，未出現(xiàn)骨料裸漏現(xiàn)象。通過(guò)驗(yàn)證，該瀝青混凝土配合比非常適合應(yīng)用在炎熱地區(qū)的重載交通和單層瀝青的路面。

4 結(jié)語(yǔ)

國(guó)際公路工程中的瀝青混凝土設(shè)計(jì)一般采用英、美標(biāo)準(zhǔn)，但在某些特殊公路工程中承建方可能會(huì)對(duì)配合比設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行一定調(diào)整。該類(lèi)特種瀝青砼配制試驗(yàn)之重要環(huán)節(jié)是礦料配合比設(shè)計(jì)。在配置中如遇馬歇爾指標(biāo)難以滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，首先應(yīng)對(duì)最佳瀝青用量進(jìn)行預(yù)估，然后通過(guò)分析馬歇爾指標(biāo)與影響因素之關(guān)系，調(diào)整礦料配合比解決。同時(shí)，計(jì)算出的最佳瀝青用量應(yīng)根據(jù)地區(qū)氣候環(huán)境、公路類(lèi)型進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。