阻燃瀝青混合料配合比優(yōu)化設(shè)計

□文/王海燕 王曉華

□王曉華/天津市市政工程設(shè)計研究院。

阻燃瀝青混合料配合比優(yōu)化設(shè)計

□文/王海燕 王曉華

針對地下道路瀝青路面工作環(huán)境特點，在瀝青中摻加一定的阻燃劑來提高瀝青路面的阻燃性能。在分析各種級配設(shè)計方法優(yōu)缺點基礎(chǔ)上，針對實體工程特點，提出對摻加阻燃劑瀝青混合料采用馬歇爾設(shè)計方法進行設(shè)計，應(yīng)用AC-13C粗級配以及阻燃劑對阻燃瀝青混合料的配合比設(shè)計進行探討，提出了地下道路阻燃瀝青混合料的配合比設(shè)計方法。

配合比設(shè)計；阻燃瀝青混合料；級配優(yōu)化

瀝青混合料是由瀝青、粗集料、細集料和礦粉按照一定比例拌和而成的一種復(fù)合材料，其中瀝青是瀝青混合料的重要組成材料之一。本文將在阻燃瀝青的基礎(chǔ)上，根據(jù)JTGF40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求及地下道路所處特殊環(huán)境特點，對阻燃瀝青混合料配合比設(shè)計以及生產(chǎn)級配設(shè)計進行系統(tǒng)研究。

混合料的結(jié)構(gòu)類型在一定程度上決定其級配組成，對阻燃瀝青混合料的結(jié)構(gòu)類型及級配組成進行優(yōu)選是配合比設(shè)計的基礎(chǔ)性問題。本文通過對瀝青混合料結(jié)構(gòu)理論和級配理論的綜合分析和權(quán)衡，結(jié)合馬歇爾設(shè)計方法并參考我國目前的施工技術(shù)水平，從總體上確定阻燃瀝青混合料配合比設(shè)計的方案和思路。

1 級配優(yōu)化方案的確定

目前常用的級配理論主要有最大密度曲線理論、粒子干涉理論及分形理論。基于上述3種級配理論，瀝青混合料的級配設(shè)計方法主要有計算法、Superpave級配設(shè)計法、貝雷設(shè)計法、SAC級配設(shè)計法。各種級配設(shè)計方法中，計算法通過理論推導(dǎo)得到瀝青混合料級配曲線并通過調(diào)整公式的參數(shù)得到級配范圍；但計算法未能考慮原材料特性、道路等級、交通條件、氣候條件等對混合料性能的要求及影響，即對于任何工程，計算法所確定的公稱最大粒徑相同的混合料的級配是相同的，這種情況顯然會導(dǎo)致特定工程的級配并非最佳。因此，按照理論計算方法僅能確定一個大的級配范圍作為實際工程級配范圍的參考依據(jù)，而工程設(shè)計級配范圍應(yīng)根據(jù)實際情況適當(dāng)調(diào)整，才能獲得路用性能較好的級配。

Superpave級配設(shè)計方法通過控制點和禁區(qū)對級配進行調(diào)整。但隨著時間的推移，研究結(jié)果及實踐經(jīng)驗均表明禁區(qū)似乎并沒有必要，某些通過禁區(qū)的混合料路用性能良好，而某些并未通過禁區(qū)的混合料卻往往出現(xiàn)破壞。室內(nèi)研究也表明通過禁區(qū)的混合料其路用性能同樣優(yōu)良，至少不比避開禁區(qū)的混合料路用性能差。特別對于某些棱角性發(fā)達及表面粗糙的集料組成的混合料，避開禁區(qū)往往造成混合料特別難以壓實，因此不得不將級配曲線通過禁區(qū)使得混合料達到規(guī)定的壓實度。另外，這種方法不能初步判斷所用礦料級配將提供何種性能以及如果性能不符合要求時的級配調(diào)整方法。再者，如果初擬的3種級配均滿足體積參數(shù)要求，Superpave方法也未提供以何種參數(shù)為判據(jù)選取最佳級配。

貝雷設(shè)計法和SAC級配設(shè)計方法都是期望粗集料形成骨架結(jié)構(gòu)，用細集料和瀝青填充骨架中的孔隙，最終形成骨架嵌擠密實型的瀝青混合料。但這2種設(shè)計方法僅對未加入瀝青的粗細集料進行體積參數(shù)試驗,是按照細集料填充“選擇密度”下的粗集料間隙率確定粗細集料比例，而未考慮瀝青的加入對細集料體積參數(shù)的影響；這2種設(shè)計方法也未考慮成型方式對級配的影響。

正是因為各種級配設(shè)計方法都存在一定程度的局限性，基于不同設(shè)計理論將會得到不同的優(yōu)化級配。因此，為了更好地對比研究不同瀝青混合料的路用性能，本文以實際工程中的原材料為研究對象，以提高瀝青混合料抗剪切能力及抗水破壞能力為判斷依據(jù)，兼顧其他路用性能及阻燃性能，選擇JTGF40—2004中AC-13C粗級配瀝青混凝土礦料級配范圍進行研究。為保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，礦質(zhì)混合料級配設(shè)計全部采取經(jīng)水洗烘干后的粗細集料配制而成。

2 目標(biāo)配合比設(shè)計

瀝青混合料配合比設(shè)計主要包括礦料級配的確定與最佳油石比的確定。根據(jù)地下道路瀝青混合料組成結(jié)構(gòu)及級配的優(yōu)化思路，依據(jù)JTGF40-2004關(guān)于AC-13C型瀝青混合料的礦料級配范圍要求和集料篩分結(jié)果在設(shè)計級配范圍內(nèi)選擇3種粗細不同的配合比，重點考查2.36mm篩孔上的通過量對混合料擊實密度的影響。這3組配合比在2.36mm篩孔上的通過量分別為：級配1,35.8%；級配2,30.5%；級配3,25.6%。繪制出3種配合比的級配曲線，見圖1。

圖1 AC-13C初試級配

初試油石比采用4.8%，初試油石比下的馬歇爾指標(biāo)見表1。

表1 各級配結(jié)構(gòu)的馬歇爾指標(biāo)

考慮地下道路特殊環(huán)境及層位功能需要，初擬設(shè)計空隙率為4%，從表1可以看出，3個級配中級配1的馬歇爾性質(zhì)較好的滿足規(guī)范和設(shè)計文件的要求，因此，采用級配2作為設(shè)計目標(biāo)級配。

瀝青混合料中瀝青的用量對瀝青混合料的使用性能有重要的影響，瀝青用量太大易導(dǎo)致車轍和泛油，瀝青用量太小易出現(xiàn)耐久性問題，如水破壞、瀝青老化等，因此確定瀝青混合料的最佳瀝青用量是瀝青混合料組成設(shè)計中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。確定最佳瀝青用量目前常用的有馬歇爾法、維姆法以及Superpave體積設(shè)計法，另外GTM設(shè)計法也越來越得到工程界的重視。其中維姆法只有美國少數(shù)幾個州在應(yīng)用；而馬歇爾法則在世界上絕大多數(shù)國家使用，僅在技術(shù)指標(biāo)的確定和一些細節(jié)上略有不同；Superpave體積設(shè)計法是美國SHRP研究計劃的一項重要成果，是在基于性能考慮的基礎(chǔ)上提出的一種新型瀝青混合料設(shè)計方法；GTM設(shè)計法現(xiàn)在應(yīng)用并不廣泛，但是因其成型試件的過程可以很好地模擬路面的實際受力情況且可以設(shè)計出抗車轍性能良好的瀝青混合料，所以GTM設(shè)計法也不斷得到推廣。

考慮到馬歇爾設(shè)計方法的普遍性，本研究采用馬歇爾設(shè)計方法進行最佳瀝青用量的確定。具體設(shè)計步驟這里不再贅述，AC-13C基質(zhì)瀝青混合料各油石比的體積參數(shù)和力學(xué)指標(biāo)見表2，各油石比與體積參數(shù)和力學(xué)指標(biāo)曲線見圖2。

表2 AC-13C馬歇爾試驗體積參數(shù)-力學(xué)指標(biāo)測定結(jié)果匯總

圖2 油石比與馬歇爾試驗指標(biāo)的關(guān)系曲線

根據(jù)圖2確定AC-13C阻燃瀝青混合料的最佳油石比。最大毛體積密度時油石比a1=6%；最大穩(wěn)定度時油石比a2=4.5%；設(shè)計空隙率中值4.5%時油石比a3=4.6%；瀝青飽和度中值70%時油石比a4=5%。從而可計算最佳油石比初始值OAC1∶OAC1=（a1+a2+a3+a4）/4=(6+4.5+4.6+5）/4=5.0%。同時，根據(jù)瀝青混合料的馬歇爾試驗技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，求出各項指標(biāo)均符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的瀝青用量OACmin和OACmax，計算瀝青最佳油石比的初始值

OAC2=（OACmin+OACmax）/2=（3.6+6.0）/2=4.80%。

根據(jù)OAC1和OAC2綜合確定最佳油石比OAC=（OAC1+OAC2）/2=（5.0+4.80）/2=4.90%。

考慮到地下道路路面所處環(huán)境、交通特點及天津地區(qū)氣候特點。這里取空隙率為4%對應(yīng)下的油石比4.9%作為最佳油石比。

瀝青混合料在最佳油石比條件下馬歇爾試驗參數(shù)見表3。

表3 級配2最佳油石比馬歇爾試驗結(jié)果

在最佳油石比條件下，以級配2為配合比，即（10～15）∶（5～10）∶（3～5）∶（0～3）∶礦粉 =31.5%∶22.5%∶3%∶39.5%∶3.5%，分析研究阻燃瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性等路用性能以及阻燃瀝青混合料的阻燃性能。

3 生產(chǎn)級配設(shè)計

對瀝青拌和站堆料場中的各種粗細集料均要重新取樣進行篩分試驗，如篩分結(jié)果發(fā)現(xiàn)集料的顆粒組成與目標(biāo)配合比設(shè)計的顆粒有明顯差別，則要重新進行礦料配合比計算，重新確定各冷料倉的出料比例。拌和站冷料倉的集料按目標(biāo)配合比確定的比例進入烘干筒烘干后，熱料經(jīng)過二次篩分后分成4種不同粒徑的集料，分別進入拌和樓內(nèi)的熱料倉。各個熱料倉中集料顆粒組成不同于冷料倉，需要重新進行礦料比計算，以確定各個熱料倉進入拌和缸的比例并檢驗確定最佳瀝青用量。

在進行生產(chǎn)級配設(shè)計時，應(yīng)注意以下幾個方面問題。

1）生產(chǎn)級配設(shè)計源于目標(biāo)配合比設(shè)計，因此應(yīng)與目標(biāo)配合比相接近。在生產(chǎn)級配設(shè)計時，主要是采用目標(biāo)配合比的最佳瀝青用量及最佳瀝青用量±0.3%等3個改性瀝青用量進行馬氏試驗，確定生產(chǎn)級配的最佳瀝青用量。如果采用目標(biāo)配合比設(shè)計最佳瀝青用量±0.2%還不能滿足有關(guān)的規(guī)定要求，那只能重新進行目標(biāo)配合比設(shè)計。

2）確定各熱料倉和礦粉用量時，必須從二次篩分后進入各熱料倉的礦料取樣進行篩分。因此，在利用間歇式拌和樓進行拌和前，必須對設(shè)備進行調(diào)試，以保證運轉(zhuǎn)正常、計量準(zhǔn)確無誤，特別應(yīng)核對熱料倉振動方孔篩的篩孔是否與試驗室用的相匹配，因為熱料倉的比例就是由這幾種篩孔來決定的，而生產(chǎn)級配正是由熱料倉內(nèi)的材料比例來決定，必須反復(fù)調(diào)整冷料倉的進料比例、采用正確的振動方孔篩、合理分配熱料倉內(nèi)的材料比例，才能最大限度地使生產(chǎn)級配符合目標(biāo)配合比。

3）殘留穩(wěn)定度檢驗。按設(shè)計的生產(chǎn)級配，用室內(nèi)小型拌和機拌制瀝青混合料，做浸水48h馬歇爾試驗，檢驗殘留穩(wěn)定度，必須滿足規(guī)范要求。

4）生產(chǎn)級配驗證階段。主要是使用瀝青混合料拌和設(shè)備按生產(chǎn)級配進行試拌、試鋪試驗路，將試拌的混合料進行抽提試驗，通過試鋪的混合料進行馬氏試驗，由此確定生產(chǎn)用標(biāo)準(zhǔn)的配合比，通過試拌試鋪為正式鋪筑提供經(jīng)驗和數(shù)據(jù)。生產(chǎn)時，如料源發(fā)生變化或檢測指標(biāo)不符合要求，應(yīng)及時調(diào)整部分篩孔的通過率。

根據(jù)目標(biāo)配合比設(shè)計結(jié)論，在現(xiàn)場進行瀝青路面生產(chǎn)級配設(shè)計并進行相關(guān)的馬歇爾試驗及檢測工作。AC-13C生產(chǎn)級配設(shè)計結(jié)果見圖3。

圖3 生產(chǎn)級配設(shè)計結(jié)果

由圖3可以看出，生產(chǎn)級配與目標(biāo)級配在關(guān)鍵篩孔 13、2.36、0.075mm上通過率相差分別為 0.2%、0.2%、1.1%。說明生產(chǎn)級配比較接近目標(biāo)級配可以滿足要求。同時依據(jù)目標(biāo)配合比設(shè)計結(jié)論，本研究進行了最佳油石比下生產(chǎn)級配的馬歇爾試驗，生產(chǎn)級配在最佳油石比下的馬歇爾試驗結(jié)果見表4。

表4 生產(chǎn)級配馬歇爾試驗結(jié)果

由表4可以看出，生產(chǎn)級配在最佳油石比下的試驗指標(biāo)均能滿足要求，與目標(biāo)設(shè)計級配結(jié)論基本一致。

4 結(jié)語

本文詳細介紹了地下道路阻燃瀝青混合料配合比設(shè)計及優(yōu)化過程，可供相關(guān)工程借鑒參考。

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U414

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1008-3197（2011）04-25-03

2011-04-26

王海燕/女，1972年出生，高級工程師，天津市市政工程設(shè)計研究院，從事道路、橋梁設(shè)計工作。

□王曉華/天津市市政工程設(shè)計研究院。