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，安全形勢不穩(wěn)定。蘇丹國家公路局從節(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，并滿足穩(wěn)定性、耐久性、設(shè)計時速等要求，參照美國規(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。該配合比設(shè)計要求與美國標(biāo)準(zhǔn)中同等級配合比設(shè)計要求相比，骨料級配要求差異較大，馬歇爾各項指標(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

該配合比骨料公稱最大粒徑為19mm，配比類型為AC-20，骨料級配和馬歇爾各項指標(biāo)與美國標(biāo)準(zhǔn)中同等級瀝青配合對比見表1。

由表1可知，法烏公路標(biāo)準(zhǔn)中控制骨料級配的篩孔尺寸與美國標(biāo)準(zhǔn)相同，說明此配合比是參照ASTM標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的。 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個篩孔通過率的控制，骨料級配要求較ASTM標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格。

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

表1 馬歇爾各項指標(biāo)與美國標(biāo)準(zhǔn)中同等級瀝青配合對比

1.2 設(shè)計目的分析

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

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)要求以增強瀝青混凝土的耐久性，適用于單層瀝青路面。

1.3 配比難點分析

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會增大，瀝青飽和度VFA會減小，而標(biāo)準(zhǔn)要求的VV偏小、VFA偏大，三項指標(biāo)產(chǎn)生沖突，不容易同時滿足[3]。瀝青用量是影響VFA的主要因素，適當(dāng)增加瀝青用量，VFA會升高，瀝青混凝土?xí)用軐崳途眯砸矔岣撸摴烦Ｄ晏幱谘谉釟夂蛑校瑸r青用量過大會出現(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同時滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，是該配合比的主要難點。

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70號），52.7℃是此種型號瀝青的軟化點，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)，安全形勢不穩(wěn)定，周圍沒有骨料供應(yīng)商，只能自行生產(chǎn)。通過考察施工周邊區(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：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的通過率為48%-70%，如果完全使用碎石機(jī)生產(chǎn)的細(xì)骨料，會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，很難滿足標(biāo)準(zhǔn)級配要求，因此需摻加一部分天然細(xì)骨料。考察拌合站附近的天然砂后，在離拌合站約5公里的地點，找到級配較好的黃砂。給4種骨料編號，9.5-19mm碎石為1號骨料，4.47-9.5mm碎石為2號骨料，4.75毫米以下的黃砂作為4號骨料，碎石作為3號骨料。

按標(biāo)準(zhǔn)要求對所選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，根據(jù)試驗結(jié)果控制原材料質(zhì)量并對磨粉機(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

對于熱拌瀝青混合料的配合比方法，中國和美國的規(guī)范以及設(shè)計方法大同小異，通過參照《公路路基路面施工技術(shù)規(guī)范（JTG F40-2004）》[5]對該項工程的配合比進(jìn)行設(shè)計施工。

2.2.1 礦料配合比設(shè)計

（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，只能將關(guān)鍵篩孔4.75mm的通過率調(diào)至中值，其他各篩孔的通過率盡量接近中值，以此方法初步設(shè)計一種礦料配合比進(jìn)行VMA測定。礦料配合比分別是：4號骨料15% ；3號骨料35%；2號骨料19%；1號骨料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，瀝青用量不宜超過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)計的礦料配合比進(jìn)行試拌，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求的試驗方法做馬歇爾試驗，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)下限過多。采用此組礦料配合比進(jìn)行目標(biāo)配合比設(shè)計實驗顯示，瀝青量在5.5% 左右最佳。瀝青用量過高會出現(xiàn)泛油、嚴(yán)重車轍等不良現(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間會增長，施工性能也會降低，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，所以只能嘗試調(diào)節(jié)細(xì)砂用量和富棱角集料用量。細(xì)砂量為3、4號骨料的總量，2、3號骨料為富棱角集料。

多次調(diào)整礦料配合比進(jìn)行馬歇爾試驗，結(jié)果顯示：細(xì)砂總量（3、4號骨料的總量）減小，VMA明顯降低，不宜低于50%；而降低3號骨料用量，增大4號骨料用量，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20%，馬歇爾穩(wěn)定度超出標(biāo)準(zhǔn)下限；在增添1號骨料碎石用量的同時，縮減2號骨料用量，VFA開始提升、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)計為：1號骨料31% ；2號骨料16% ；3號骨料32%；4號骨料18%；礦粉3%。馬歇爾試驗結(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)計完成，礦料配合比級配曲線與標(biāo)準(zhǔn)級配曲線比較如圖1所示。

圖1 礦料配合比級配曲線與標(biāo)準(zhǔn)級配曲線比較

2.2.2 確定瀝青最佳用量

按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗方法，測定各種礦料的毛體積相對密度，采用規(guī)范JTG F40-2004 附錄B中的計算方法，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)定的試驗及計算方法，詳細(xì)測定并計算出5組馬歇爾試件的各項指標(biāo)（縱坐標(biāo)為該試驗的各項指標(biāo)，橫坐標(biāo)為瀝青用量），以此繪制曲線。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。參照曲線中，按照公路標(biāo)準(zhǔn)要求范圍，依據(jù)瀝青含量對應(yīng)的各項馬歇爾指標(biāo)進(jìn)行反復(fù)試驗，確定OAC為5%。而OAC相對的馬歇爾指標(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，同時設(shè)計完成目標(biāo)配合比。

2.3 生產(chǎn)配合比設(shè)計

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

2.3.1 級配數(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)測出四種熱骨料的各個級配，然后將級配數(shù)據(jù)在EXCEL電子表格中試配，使熱骨料合成級配與目標(biāo)配合比中的礦料級配盡量一致，熱骨料礦料配合比最終確定為：1號熱骨料24% ；2號熱骨料17%；3號熱骨料13%；4號熱骨料43%；礦粉3%。級配數(shù)據(jù)見表3。

表3 級配數(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)計一致的方法，明確生產(chǎn)配合比最佳瀝青用量是4.9%，檢測出馬歇爾指標(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)計出的生產(chǎn)配合比在拌和站試拌、取樣，按照規(guī)定的試驗方法進(jìn)行抽提試驗、篩分析試驗、馬歇爾試驗，試驗結(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%。骨料級配與生產(chǎn)配合比中的級配基本相同，其他各項檢測結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，生產(chǎn)配合比設(shè)計完成。

3 生產(chǎn)配合比驗證

采用設(shè)計出的生產(chǎn)配合比拌制瀝青混合料，取100米作為試驗段，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。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℃以下后開始鉆芯取樣，進(jìn)行芯樣的壓實度以及孔隙率測定。經(jīng)試驗，瀝青的含量、骨料級配、馬歇爾等各項指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，孔隙率是4.1%，芯樣的壓實度是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)重車轍、開裂等不良現(xiàn)象，路面平整度較好，車速可達(dá)150km/h，路面耐磨性能較好，未出現(xiàn)骨料裸漏現(xiàn)象。通過驗證，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

國際公路工程中的瀝青混凝土設(shè)計一般采用英、美標(biāo)準(zhǔn)，但在某些特殊公路工程中承建方可能會對配合比設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行一定調(diào)整。該類特種瀝青砼配制試驗之重要環(huán)節(jié)是礦料配合比設(shè)計。在配置中如遇馬歇爾指標(biāo)難以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求時，首先應(yīng)對最佳瀝青用量進(jìn)行預(yù)估，然后通過分析馬歇爾指標(biāo)與影響因素之關(guān)系，調(diào)整礦料配合比解決。同時，計算出的最佳瀝青用量應(yīng)根據(jù)地區(qū)氣候環(huán)境、公路類型進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。