集料及沥青混合料级配变异性分析与评价*

王统井 乔东华 丛 林 徐肖龙

(1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海 200092；2.贵州宏信创达工程检测咨询有限公司 贵州 550014； 3.江苏中路工程技术研究院有限公司 南京 211806)

沥青混合料是由沥青、粗集料、细集料、填充料这些不同质量和数量的材料按某一配合比混合而成。其中，集料占据沥青混合料的90%以上，对沥青混合料最终质量有重要影响。其早期损坏以不均匀方式出现，甚至自然条件、材料因素相同，同一队伍施工的路段，不乏部分早期损坏，部分路况多年良好的情况。这说明工程质量变异性的影响十分显著。

集料加工技术一直是我国公路建设的短板。部分地区为节约成本，高速公路建设通常采用沿线当地各种小型石料厂利用传统设备生产的集料。黄杨华[1]指出，小型石料场的碎石机和筛分机的型号及规格存在较大差异，即使是同规格的碎石颗粒，经不同碎石场制备，变异性也可能较大。梁锡三[2]和孙祖望[3]通过大量的项目数据分析得出，在使用不合格集料的情况下，难以对混合料的级配实施进行有效地控制。对集料级配变异性提出标准是为了更好地控制沥青混合料级配的变异性。

为提出集料级配的变异性标准,需要了解集料级配变异性对沥青混合料级配变异性的影响情况，即集料级配变异性与沥青混合料级配变异性的关系。

1 研究现状

现行的JTG F40-2004 《公路沥青施工技术规范》 针对全国范围，对集料级配的要求宽松，而且附录条文说明还指出当生产的单档集料的级配达不到规范要求，而混合料级配符合规范要求时，工程上允许使用，这为不合格产品的使用提供了正当理由，导致实际情况无法很好地控制集料的质量。

陈泰浩等[4]在规范建议范围的基础上，强调了集料公称最大粒径对应筛孔通过率的关键作用，建议以关键筛孔通过率的认可范围作为验收标准，但该验收标准与规范一样，并未给出集料关键筛孔通过率的变异性指标。任永利等[5]调查超过30个合同段沥青路面集料加工所用筛孔和集料级配的变异性，找到并利用一组标准化筛孔的筛网进行大规模集料加工。王亚伟[6]在水界高速公路施工过程中，提出了严格的碎石加工标准，很好地控制了粗细集料的生产质量，保障了水界高速公路施工质量。周建山等[7]在太澳高速公路沥青路面施工过程中应用了新的集料加工技术，集料质量良好，规格稳定，沥青混合料拌和过程中几乎无溢料，最终沥青混合料级配稳定，变异性小，沥青路面各项指标检测结果符合要求。

国外方面，集料加工没有国内存在的问题，例如，美国许多州的QC/QA手册明确规定集料的级配偏差要求为各筛孔通过率的偏差不超过5%[8-10]。若按此标准来判定集料合格与否，国内很少有料场能够达到，因而该标准在国内不具备实施的可能性。

2 级配变异性产生的主要原因

2.1 集料级配变异性

按照集料加工工艺流程，集料级配变异性的影响因素有以下方面。

1) 送入喂料机的料源稳定性不好,不同的料源造成级配变异性增大及送料速率过快。

2) 反击板与板锤的距离变大。

3) 由于碎石的磨损，筛孔尺寸大小不均匀。

2.2 沥青混合料级配变异性的主要原因

1) 集料级配的影响。

2) 集料含水率的大小关系到不同档集料的进料比例。另外，对细集料来说，过大的含水率会造成集料集结成团，不能均匀地输送到热料仓。

3) 热料仓的筛孔由于与碎石磨损,筛孔尺寸大小不均匀，倾角也会偏离预先标定的角度。

4) 运输途中的颠簸,摊铺设备的异常，压实过程中的推移等都会造成混合料不同程度的离析。

3 现场调研

本课题对某地玄武岩料场A，B，C 3个料场分别进行了20组取样分析，考虑到集料堆放、运输会造成集料离析，导致取样代表性不足，集料取样在皮带运输机上进行。其中A，B，C料场选取常用的5～10 mm和10～15 mm 2档集料。各料场筛分结果与规范范围中值偏差情况见图1。

图1 集料筛分结果与规范范围中值的偏差

陈泰浩等通过采用自主化研发的一组标准化筛孔筛网进行大规模集料加工，可将集料级配的变异系数控制在2.5%以内。本文将调研结果与之作比较，评估集料级配变异程度。

由图1a)可见，A料场大部分筛分结果均在规范范围之外，关键筛孔通过率变异系数最低为9.01%，远超过2.5%，次要筛孔通过率甚至达到40%以上，结果表明，A料场集料级配变异性很大。

由图1b)可见，B料场大部分筛分结果均在规范范围之外，关键筛孔通过率变异系数最低为7.66%，远超过2.5%，次要筛孔通过率甚至达到35%以上，结果表明B料场集料级配变异程度略低于A料场，但集料级配变异性仍然很大。

由图1c)可见，C料场所有筛分结果均在规范范围以内，关键筛孔通过率变异系数分别为2.64%和1.30%，小于2.5%，但次要筛孔通过率变异系数超过了20%，结果表明，C料场集料级配变异性较低，是比较理想的料场。

由调查结果可以推断出，料场集料级配变异性过大，集料加工存在严重问题，这与当地经验丰富的工程人员反映的情况相吻合。集料加工合格率低和级配变异性大，导致施工企业无法准确盘存各阶段、各规格集料的数量，而且沥青混合料拌制的过程中会产生较多溢料。施工企业为了不浪费集料经常调动配合比，这会严重降低路面质量。

4 集料变异性评价标准

研究表明[2]，在料源稳定和设备稳定的情况下，集料的加工性指标是符合正态分布的，即集料各关键筛孔通过率满足正态分布。在拌和之前，各档料独立存放，故各档料关键筛孔通过率分布相互独立。

据此定理，假设沥青混合料矿料由1，2，…，n号共n档集料按质量比A1∶A2∶…∶An组合而成，i号集料j号筛孔通过率均值与标准差为Pij、σij，沥青混合料矿料合成级配j号筛孔通过率均值与标准差为Pj、σj，则有

(1)

(2)

式中：Pj为沥青混合料合成级配j号筛孔的通过的质量分数均值；Pij为i号集料j号筛孔的通过的质量分数均值；σj为合成级配j号筛孔的通过的质量分数标准差；Ai为i号集料占合成级配的比例；σij为i号集料j号筛孔的通过的质量分数标准差。

根据沥青混合料实际生产情况，上述假设中各档集料是指热料仓“二次筛分”后的集料，集料掺配比例亦指生产配合比。

5 沥青混合料级配变异性判标准

国内诸多学者[11-14]对沥青路面工程检测数据进行了统计学分析，发现施工过程正常稳定的沥青路面工程沥青混合料级配关键筛孔通过率符合正态分布。据此，本文提出以式(2)预测的沥青混合料级配变异性作为原集料级配变异性的综合指标以判定原集料能否用于沥青路面工程中的综合判定方法，其过程如下。

1) 对料场各档集料进行n(n≥30)次筛分，按式(3)、式(4)分别计算各档集料的各筛孔通过率均值Pij、标准差σij

(3)

(4)

式中:Pijk为i号集料j号筛孔第k次筛分通过质量分数；Pij为i号集料j号筛孔的通过质量分数均值；σij为i号集料j号筛孔的通过的质量分数标准差。

2) 进行目标配合比和生产配合比设计。

3) 按式(5)计算沥青混合料级配的各筛孔通过的质量分数的标准差

(5)

式中：σj为沥青混合料级配j号筛孔的通过率标准差；Ai为i号集料占合成级配的比例(生产配合比)；σij为i号集料j号筛孔的通过的质量分数标准差。

根据正态分布的性质，(μ-2σ，μ+2σ)所占比例为95.44%。若2σj在允许误差范围内，认为原集料级配变异性达到合格要求，可以用于高速公路沥青路面工程，反之，则认为原集料级配变异性不合格，需重新选择料场。

6 案例分析

6.1 二次筛分

本文依托某沥青路面大中修工程，对该工程上面层AC-13所选料场集料进行日常筛分试验，共收集筛分数据30组，考虑到集料堆放、运输会造成集料离析，导致取样代表性不足，集料取样均在皮带运输机上进行。为探究热料仓振动筛“二次筛分”对集料变异性的影响，隔批次对热料仓各档集料进行筛分试验。试验结果见表1。

表1 AC-13冷料和热料筛分结果的标准差对比

由表1可见，各档集料各筛孔通过质量分数的标准差基本相等，说明热料仓振动筛“二次筛分”并不能改善集料的变异性，此结论与孙祖望的研究结论相吻合。

在热料仓振动筛筛网尺寸、振动频率、激振力和筛上材料质量固定后，振动筛的筛分效率亦确定，而且筛分效率不可能达到100%，在沥青拌和站各参数设定后，热料仓的单位时间进料是冷料仓按目标配合比供料，冷料仓级配的的波动必然会导致热料仓级配的波动。因而热料仓振动筛“二次筛分”并不能改善集料的变异性。

6.2 沥青混合料级配变异分析

丛林等[15]发现混合料级配的离析对于沥青混合料性能有较大影响。本文利用沥青混合料燃烧筛分获得实际级配，并与设计级配进行比较，用于判断混合料变异程度。本文所依托沥青路面大中修工程AC-13沥青混合料生产配合质量比为：10～15 mm集料∶5～10 mm集料∶3～5 mm集料∶0～3 mm集料∶矿粉=29.5∶10.5∶21∶35.5∶3.5。

按式(2)根据冷料各筛孔通过的质量分数标准差计算AC-13沥青混合料级配各筛孔通过的质量分数标准差并与实测值对比见表2。

表2 AC-13沥青混合料级配各筛孔通过率标准差计算值与实测值对比

由表2可见，除0.075 mm筛孔外，所有筛孔通过的质量分数标准差实测值与计算值相差在0.1以内，0.075mm筛孔通过的质量分数异常可能是由于未考虑矿粉的变异性所导致。因而可以根据原集料的变异性通过计算预测沥青混合料级配的变异性。

由于沥青混合料级配变异性受集料各自变异性和掺配比例共同影响，因此很难对各档集料分别提出单独的变异指标。前文已验证，在正常施工稳定状态下，集料级配变异性与沥青混合料级配变异性存在式(2)的关系，由此可以通过式(2)在施工前预测出沥青混合料的的级配变异性，若预测值超出允许范围，则说明正常施工稳定状态下，沥青混合料的变异性不能得到很好的控制，可以认为原集料变异性过大，不予选用，需重新选择料场。

对本文所依托工程AC-13和AC-20所选料场集料级配变异性进行合格性检验,结果分别见表3。

表3 AC-13集料级配变异性合格性检验

由表3可见，对于上面层AC-13，合成级配13.2，4.75，0.075 mm筛孔集料通过的质量分数标准差95%置信区间在允许误差范围内，而2.36 mm筛孔集料通过的质量分数95%置信区间超过了允许误差范围。建议料场排查，辨别是由于料源不稳定还是加工仪器设备年久老化原因所造成。

6.3 建议措施

基于工地情况，料源有时难以保持稳定，因此控制仪器质量尤为关键。建议对破碎机停机后进行例行机械检查和保养,对振动筛进行日常清理防堵。

7 结语

1) 依据统计学中相互独立的正态分布随机变量的性质，提出了集料级配变异性与沥青混合料级配变异性关系假设，并在所依托工程中得以验证。

2) AC-13冷料和热料的筛分结果显示,热料仓振动筛“二次筛分”并不能改善集料的变异性。

3) 综合参考各学者提出的标准，提出了相对于规范更为严格的沥青混合料各关键筛孔通过的质量分数容许偏差标准。

4) 提出根据计算所得的沥青混合料级配各关键筛孔集料通过的质量分数标准差的2倍(2σj)是否在允许偏差范围内以判定原集料级配变异性是否达到合格要求的方法。若2σj在允许偏范围内，认为原集料级配变异性达到合格要求，可以用于路面工程，反之，则认为原集料级配变异性不合格，需重新选择料场。其作为综合性判断指标，可提前预估沥青混合料级配的变异水平，作为正式施工后沥青混合料级配变异水平控制的参考依据。

[1] 黄杨华.沥青混凝土不均匀性的分析与处理措施[J].交通科技,2004(4):60-62.

[2] 梁锡三.沥青混合料设计及质量控制原理[M].北京：人民交通出版社，2008.

[3] 孙祖望.连续式搅拌设备的发展及其与间歇式搅拌设备的比较[J].建设机械技术与管理,2011,29(3):84-89.

[4] 陈泰浩,刘涛,吴枚良,等.用传统方法加工的集料质量评价[J].公路交通技术,2007(2):33-36.

[5] 任永利,刘涛,梁锡三.沥青路面集料加工质量控制[J].长安大学学报(自然科学版),2008,28(1):37-40.

[6] 王亚伟.水界高速公路沥青路面用粗细集料生产与质量控制[J].公路交通技术,2008(增刊1):28-29.

[7] 周建山,张茂峰.集料加工关键技术在太澳高速公路中的应用研究[J].公路交通技术,2011(4):22-27.

[8] OMINSKY R J, KILLINGSWORTH B M, ANDERSON R M. Quality control and acceptance of superpave-designed hot mix asphalt, NCHRP report 409[R].Washington, D.C. : National Academy Press,1998．

[9] AKKINEPALLY, RADHA, NIIATTOH-Okine. Quality control and quality assurance of hot mix asphalt construction in Delaware[R].Delaware Center for Transportation, University of Delaware,Report DCT 173,2006.

[10] Mohammad L N, Shamsi K A. Practical Approaches to hot-mix asphalt mix design and production quality control testing[J].Transportation Research E-Circular,2007.

[11] 于新.高速公路沥青路面质量控制/质量保证(QC/QA)体系的研究[D].南京：东南大学,2007.

[12] 包秀宁,张肖宁,王端宜,等.应用构造深度表征沥青路面的离析[J].公路交通科技,2006,23(9):20-22.

[13] 陆瑞国.沥青路面施工质量的符合性检验[D].西安：长安大学,2014.

[14] 高成雷,严战友,李建军,等.颗粒级配对无粘性土压实性的影响分析[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2016,40(2):227-232.

[15] 丛林,徐肖龙,吴敏.SMA集料级配离析对混合料抗车辙性能的影响[J]. 交通科技,2016(2):153-155.