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爾富爾地區，起點為法西爾市、終點為烏木卡達達市，全長168 km。該地區常年氣候炎熱，最高氣溫可達50 ℃，地溫最高可達60 ℃，安全形勢不穩定，戰亂不斷，路面易遭破壞。蘇丹國家公路局綜合各方面考慮，將瀝青路面設計為單層5 cm。為了使單層瀝青路面適應當地氣候環境，并滿足穩定性、耐久性、設計時速等要求，參照美國ASTM標準對瀝青混合料礦料集配及各項馬歇爾指標進行了調整，具體見表1、表2。礦料配合比作為影響各項技術指標和路面性能的主要因素，如何將其調整到最佳是該配合比設計的關鍵。

表1 礦料級配要求%

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

表2 馬歇爾試驗指標

2 設計要求分析

2.1 設計要求對照分析

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。法烏公路標準中控制骨料級配的篩孔尺寸與美國標準相同，相比ASTM標準又增加了對12.5 mm、1.18 mm、0.6 mm、0.15 mm這幾個篩孔通過率的控制，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，但骨料級配要求卻介于AC-20～AC-10之間。馬歇爾各項指標要求也更為嚴格，各指標控制的區間與ASTM標準中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計的難度。

2.2 設計目的分析

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，穩定性差、使用壽命短。此公路瀝青路面設計為單層5 cm，設計時速為120 km/h,設計使用壽命為15 a。若按照ASTM標準中AC-20的設計要求配制混合料，作為單層路面使用，無法滿足此公路的設計要求。

此公路瀝青配合比設計的目的就是以ASTM AC-20為基礎增加4.75 mm以下細骨料的用量，使瀝青混凝土具有一定的穩定性，減小路面的摩擦力，并提高馬歇爾指標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 配比難點分析

本標準將VMA提高到16%～20%，目的是提高瀝青混凝土的高溫穩定性和耐久性，但根據多年的工作經驗，ASTM設計的AC-20的VMA很難達到16%。而且隨著VMA的提升，VV會增大， VFA會減小，而標準要求的VV偏小、VFA偏大，3項指標之間產生了沖突，很難同時滿足。增加瀝青用量可以使VFA增大，VV減小，瀝青混凝土會更加密實，耐久性也會提高，但是本公路常年處于炎熱氣候中，瀝青用量過大會出現泛油現象，影響路面耐久性，應盡量控低，根據承建方工程師的多年經驗，此地區瀝青用量不宜超過5%。因此，在最佳瀝青用量盡量控低的前提下，若要滿足設計要求，只能從調整礦料配合比這方面著手。如何調整礦料配合比至最佳，使各項馬歇爾指標同時滿足標準要求，是配制該混合料配合比的重點和難點。

3 礦料配合比影響因素分析與調整

3.1 原材料情況

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

3.2 礦料配合比對馬歇爾指標的影響分析

將4種骨料及礦粉按照標準要求試驗方法取樣、分料、篩分，將篩分結果輸入Excel電子表格進行試配，反復調節各骨料和礦粉的用量百分比后發現，無法將全部篩孔的通過率調到中值。根據貝雷法[1]計算，此礦料集配的關鍵控制篩孔尺寸為4.75 mm，所以只能將關鍵控制篩孔4.75 mm的通過率調至中值，其他各篩孔的通過率盡量接近中值。根據《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)中VMA的計算方法初步設計一種礦料配合比進行VMA測定，將其編號為1#礦料配合比，其組成為：1號骨料28%，2號骨料19%，3號骨料35%，4號骨料15%，礦粉3%。根據甲方工程師的經驗，瀝青用量不宜超過5.0%，因此選擇標準要求的瀝青用量下限4.8%作為測定VMA的瀝青用量，實驗室進行試拌，得出的結果見表3。

表3 1#～6#礦料配合比馬歇爾指標對照表

結果顯示，VMA、流值、馬歇爾穩定度滿足了標準要求，但VV超出標準上限較多，VFA低于標準下限過多，若使用這組礦料配合比進行目標配合比設計，經計算最佳瀝青用量會在5.5%左右，所以需根據影響馬歇爾各項指標的因素，重新調整礦料配合比[2]。馬歇爾指標與影響因素的關系如表4所示。

表4 馬歇爾指標與影響因素關系

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

表4顯示，馬歇爾所有指標都與礦料間隙率(VMA)有關，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砂量的增加，VMA會增大，隨著礦粉用量的增加VMA會減小，VMA發生變化，所有馬歇爾指標都會發生變化，也就是說礦料配合比的變化直接影響馬歇爾指標，所以如何將礦料配合比調整至最佳以滿足馬歇爾各項指標是該混合料配合比配制的重點。

3.3 礦料配合比調整步驟

3.3.1 調整第一步

分析表4發現，VMA隨富棱角集料用量和細砂量的增加而增大，其中富棱角集料主要為1號、2號骨料，細砂為3號、4號骨料，其中關鍵篩孔4.75 mm的通過率，即3號、4號骨料的總量對VMA的影響最大，分別用3號、4號總量42%、45%、48%進行測定，得出的VMA值分別為15.2%、15.9%、16.5%，考慮到生產中各骨料集配的波動性，配合比設計的VMA值宜為17%左右，所以3號、4號骨料總量不宜低于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”。

3.3.2 調整第二步

分析表4發現，要想使VV減小，VFA增加，可以增加石粉用量，但是1#礦料配合比篩分結果顯示0.075 mm篩孔的通過率為7.1%，已經超過了設計要求的中值，這是因為3號、4號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號骨料中含量比3號中多。根據施工經驗分析，如果再增加外摻石粉的用量會影響現場施工性能，易出現“油餅”，影響碾壓質量，降低耐久性。增加外摻石粉VMA值會降低，用《公路瀝青路面施工技術規范》中VMA的計算方法，計算出的VMA為16.3%，已經接近設計下限，所以增加外摻石粉用量不可行。

3號骨料尺寸雖小于4.75 mm，但其主要由帶棱角的顆粒組成，降低其用量VV會一定程度的減小，VFA一定程度的增加，而且3號、4號骨料的總量已確定，4號骨料用量會增加，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、4號骨料用量調整，設計三組：3號骨料分別為32%、29%、26%，4號骨料分別為18%、21%、24%，其他骨料用量與1#礦料配合比中的相同，分別編號為2#、3#、4#礦料配合比，按4.8%的瀝青用量試拌，得出的結果如表3所示。

表3中的數據顯示，隨著3號骨料用量的降低，4號料用量的增加，VMA減小、VV減小、VFA增大、流值增大、馬歇爾穩定度減小，3#礦料配比得到的馬歇爾穩定度值已經不滿足設計標準要求了，2#中馬歇爾穩定度值適宜，選用2#礦料配合比繼續進行調整。此次試驗得出一個結論：天然河砂用量增加，馬歇爾穩定度會降低。這是因為天然砂比表面積大、棱角少，與瀝青不易結合，過量使用會影響混合料穩定度。至此確定了石粉的用量3%，4號骨料的用量18%，3號骨料的用量32%，這一步稱之為“細調第一步”。

3.3.3 調整第三步

調整到這一步，還剩下1、2號骨料用量未確定，VV為4.7%、VFA為73.8%，這兩個指標已經接近設計要求。繼續分析表4，還需減少富棱角集料的用量才能使VV和VFA滿足設計要求。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號骨料3 kg分析，2號骨料的棱角更多。在3號、4號骨料以及石粉用量確定的前提下，調整1號、2號骨料的用量進行試拌，1號骨料的用量分別為31%、34%，2號骨料的用量分別為16%、13%，分別編號為5#、6#礦料配合比，得出的結果如表3所示。

結果顯示，5#、6#礦料配合比試拌的混合料馬歇爾指標均滿足設計要求。但是經計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該大于4.8%，VFA會增大，VV會減小，所以選用5#礦料配合比，這一步稱之為“細調第二步”。

至此，礦料配合比調整完畢，礦料配合比為：1號骨料31%、2號骨料16%、3號骨料32%、4號骨料18%、石粉3%。礦料級配泰勒曲線[1]如圖1所示。

圖1 礦料級配曲線

用5#礦料配合比進行混合料目標配合比、生產配合比試驗，確定最佳瀝青用量，最后進行生產配合比驗證，數據如表5所示。

表5 目標配合比、生產配合比及生產驗證數據

至此，混合料配合比配制完成。

4 結束語

國際公路工程中的瀝青混合料設計一般采用英、美標準，但在某些特殊的國家或地區，承建方為了用最低的成本使公路滿足更高的使用要求，會在標準的基礎上對配合比設計進行調整，配制的難度會增大。

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通車，至今最早通車的路段已使用超過6 a，未出現大面積泛油、嚴重車轍、開裂、骨料裸露等不良現象，路面平整度較好，車速可達150 km/h。實踐證明，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。