非洲公路沥青混合料矿料配合比研究

2020-01-13孟庆新

国防交通工程与技术 2020年1期

孟庆新

(中铁十八局集团有限公司天津国际工程分公司，天津 300222)

1 工程概况

地处非洲的苏丹法乌公路位于苏丹北达尔富尔地区，起点为法西尔市、终点为乌木卡达达市，全长168 km。该地区常年气候炎热，最高气温可达50 ℃，地温最高可达60 ℃，安全形势不稳定，战乱不断，路面易遭破坏。苏丹国家公路局综合各方面考虑，将沥青路面设计为单层5 cm。为了使单层沥青路面适应当地气候环境，并满足稳定性、耐久性、设计时速等要求，参照美国ASTM标准对沥青混合料矿料集配及各项马歇尔指标进行了调整，具体见表1、表2。矿料配合比作为影响各项技术指标和路面性能的主要因素，如何将其调整到最佳是该配合比设计的关键。

表1 矿料级配要求%

技术指标名称筛孔尺寸/mm 25.019.012.59.54.752.361.180.60.30.150.075法乌公路设计要求10095～10075～9065～8548～7038～5428～4420～3413～238～184～10美国标准AC-20(ASTM D3515-2001)10090～100/56～8035～6523～49//5～19/2～8美国标准AC-10(ASTM D3515-2001)10010010090～10055～8532～67//7～23/2～10

表2 马歇尔试验指标

2 设计要求分析

2.1 设计要求对照分析

分析表1、表2可以看出，该配合比骨料最大公称粒径为19 mm,混合料为AC-20。法乌公路标准中控制骨料级配的筛孔尺寸与美国标准相同，相比ASTM标准又增加了对12.5 mm、1.18 mm、0.6 mm、0.15 mm这几个筛孔通过率的控制，各筛孔的通过率都有不同程度的增加。最大公称粒径虽为19 mm，但骨料级配要求却介于AC-20～AC-10之间。马歇尔各项指标要求也更为严格，各指标控制的区间与ASTM标准中AC-20的要求相比，都有不同程度的缩小，这就增大了矿料配合比设计的难度。

2.2 设计目的分析

AC-20沥青混合料一般作为沥青路面中间层，主要起承载和连接作用，如果作为面层使用，耐久性差、摩擦力大、路面平整度差，影响车速。AC-10沥青混凝土一般作为沥青路面面层，如果单层使用，稳定性差、使用寿命短。此公路沥青路面设计为单层5 cm，设计时速为120 km/h,设计使用寿命为15 a。若按照ASTM标准中AC-20的设计要求配制混合料，作为单层路面使用，无法满足此公路的设计要求。

此公路沥青配合比设计的目的就是以ASTM AC-20为基础增加4.75 mm以下细骨料的用量，使沥青混凝土具有一定的稳定性，减小路面的摩擦力，并提高马歇尔指标的要求来提高沥青混凝土的耐久性，使单层沥青路面满足高速公路的使用要求。

2.3 配比难点分析

本标准将VMA提高到16%～20%，目的是提高沥青混凝土的高温稳定性和耐久性，但根据多年的工作经验，ASTM设计的AC-20的VMA很难达到16%。而且随着VMA的提升，VV会增大， VFA会减小，而标准要求的VV偏小、VFA偏大，3项指标之间产生了冲突，很难同时满足。增加沥青用量可以使VFA增大，VV减小，沥青混凝土会更加密实，耐久性也会提高，但是本公路常年处于炎热气候中，沥青用量过大会出现泛油现象，影响路面耐久性，应尽量控低，根据承建方工程师的多年经验，此地区沥青用量不宜超过5%。因此，在最佳沥青用量尽量控低的前提下，若要满足设计要求，只能从调整矿料配合比这方面着手。如何调整矿料配合比至最佳，使各项马歇尔指标同时满足标准要求，是配制该混合料配合比的重点和难点。

3 矿料配合比影响因素分析与调整

3.1 原材料情况

该工程地处偏远，原材料单一，骨料、矿粉全部自行生产，骨料母材为玄武岩，所产骨料为3种，均按照甲方工程师要求生产，分别为其编号，1号骨料尺寸9.5～19 mm、2号骨料尺寸4.75～9.5 mm、3号骨料尺寸<4.75 mm,由于玄武岩硬度过大、韧性过高、难破碎、难磨细，3号骨料产量严重不足，与甲方工程师商议选取公路沿线质量较好的河砂补充，编号为4号。

3.2 矿料配合比对马歇尔指标的影响分析

将4种骨料及矿粉按照标准要求试验方法取样、分料、筛分，将筛分结果输入Excel电子表格进行试配，反复调节各骨料和矿粉的用量百分比后发现，无法将全部筛孔的通过率调到中值。根据贝雷法[1]计算，此矿料集配的关键控制筛孔尺寸为4.75 mm，所以只能将关键控制筛孔4.75 mm的通过率调至中值，其他各筛孔的通过率尽量接近中值。根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中VMA的计算方法初步设计一种矿料配合比进行VMA测定，将其编号为1#矿料配合比，其组成为：1号骨料28%，2号骨料19%，3号骨料35%，4号骨料15%，矿粉3%。根据甲方工程师的经验，沥青用量不宜超过5.0%，因此选择标准要求的沥青用量下限4.8%作为测定VMA的沥青用量，实验室进行试拌，得出的结果见表3。

表3 1#～6#矿料配合比马歇尔指标对照表

结果显示，VMA、流值、马歇尔稳定度满足了标准要求，但VV超出标准上限较多，VFA低于标准下限过多，若使用这组矿料配合比进行目标配合比设计，经计算最佳沥青用量会在5.5%左右，所以需根据影响马歇尔各项指标的因素，重新调整矿料配合比[2]。马歇尔指标与影响因素的关系如表4所示。

表4 马歇尔指标与影响因素关系

注：“+”表示指标随因素增加而增加，“-”表示随因素增加而减小，“/”表示无影响。

表4显示，马歇尔所有指标都与矿料间隙率(VMA)有关，而影响VMA的因素为骨料的组成和矿粉的用量，即矿料配合比。

随着富棱角集料用量和细砂量的增加，VMA会增大，随着矿粉用量的增加VMA会减小，VMA发生变化，所有马歇尔指标都会发生变化，也就是说矿料配合比的变化直接影响马歇尔指标，所以如何将矿料配合比调整至最佳以满足马歇尔各项指标是该混合料配合比配制的重点。

3.3 矿料配合比调整步骤

3.3.1 调整第一步

分析表4发现，VMA随富棱角集料用量和细砂量的增加而增大，其中富棱角集料主要为1号、2号骨料，细砂为3号、4号骨料，其中关键筛孔4.75 mm的通过率，即3号、4号骨料的总量对VMA的影响最大，分别用3号、4号总量42%、45%、48%进行测定，得出的VMA值分别为15.2%、15.9%、16.5%，考虑到生产中各骨料集配的波动性，配合比设计的VMA值宜为17%左右，所以3号、4号骨料总量不宜低于50%。这样骨料就被分成两部分，每一部分都由两种骨料组成，这一步称之为“粗调”。

3.3.2 调整第二步

分析表4发现，要想使VV减小，VFA增加，可以增加石粉用量，但是1#矿料配合比筛分结果显示0.075 mm筛孔的通过率为7.1%，已经超过了设计要求的中值，这是因为3号、4号骨料中有一部分颗粒粒径小于0.075 mm，也就是天然石粉，其中4号骨料中含量比3号中多。根据施工经验分析，如果再增加外掺石粉的用量会影响现场施工性能，易出现“油饼”，影响碾压质量，降低耐久性。增加外掺石粉VMA值会降低，用《公路沥青路面施工技术规范》中VMA的计算方法，计算出的VMA为16.3%，已经接近设计下限，所以增加外掺石粉用量不可行。

3号骨料尺寸虽小于4.75 mm，但其主要由带棱角的颗粒组成，降低其用量VV会一定程度的减小，VFA一定程度的增加，而且3号、4号骨料的总量已确定，4号骨料用量会增加，这样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。将3号、4号骨料用量调整，设计三组：3号骨料分别为32%、29%、26%，4号骨料分别为18%、21%、24%，其他骨料用量与1#矿料配合比中的相同，分别编号为2#、3#、4#矿料配合比，按4.8%的沥青用量试拌，得出的结果如表3所示。

表3中的数据显示，随着3号骨料用量的降低，4号料用量的增加，VMA减小、VV减小、VFA增大、流值增大、马歇尔稳定度减小，3#矿料配比得到的马歇尔稳定度值已经不满足设计标准要求了，2#中马歇尔稳定度值适宜，选用2#矿料配合比继续进行调整。此次试验得出一个结论：天然河砂用量增加，马歇尔稳定度会降低。这是因为天然砂比表面积大、棱角少，与沥青不易结合，过量使用会影响混合料稳定度。至此确定了石粉的用量3%，4号骨料的用量18%，3号骨料的用量32%，这一步称之为“细调第一步”。

3.3.3 调整第三步

调整到这一步，还剩下1、2号骨料用量未确定，VV为4.7%、VFA为73.8%，这两个指标已经接近设计要求。继续分析表4，还需减少富棱角集料的用量才能使VV和VFA满足设计要求。通常在尺寸大于4.75 mm的骨料中，骨料粒径越小，棱角越多，分别取1、2号骨料3 kg分析，2号骨料的棱角更多。在3号、4号骨料以及石粉用量确定的前提下，调整1号、2号骨料的用量进行试拌，1号骨料的用量分别为31%、34%，2号骨料的用量分别为16%、13%，分别编号为5#、6#矿料配合比，得出的结果如表3所示。

结果显示，5#、6#矿料配合比试拌的混合料马歇尔指标均满足设计要求。但是经计算该矿料配合比的最佳沥青用量为5.1%，最终确定的最佳沥青用量应该大于4.8%，VFA会增大，VV会减小，所以选用5#矿料配合比，这一步称之为“细调第二步”。

至此，矿料配合比调整完毕，矿料配合比为：1号骨料31%、2号骨料16%、3号骨料32%、4号骨料18%、石粉3%。矿料级配泰勒曲线[1]如图1所示。