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浦南高速公路瀝青混合料配合比設計複核研究

2010-01-15 15:07:27
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1 引言

    浦南高速公路路麵結構采用32cm水穩底基層,15cm級配碎石基層,16cmATB-25瀝青碎石基層、6cmAC-20C下麵層、4cmAC-13C上麵層。底基層與級配碎石基層間噴灑1cm厚的乳化瀝青(慢裂)封層。規範規定對瀝青混合料配合比的設計采用三階段配合比設計法。這三階段分別為目標配合比設計階段、生產配合比設計階段、生產配合比驗證階段(試拌、試鋪階段)。這一方法的目的是為了使設計程序化和深入化,使設計結果更加符合生產實際,以充分起到指導施工的作用。下麵就浦南高速公路瀝青混合料配合比設計複核研究談幾點體會。

2 目標配合比設計複核

2.1 原材料檢測

    要保證工程質量,必須對工程材料進行嚴格的選擇和檢驗,這也是在瀝青混合料配合比設計前必不可少的一個重要環節。組成瀝青混合料的原材料主要有:不同規格的粗集料、細集料、填充料(礦粉)、膠結料(瀝青)。選擇原材料基本原則是:技術性好(滿足技術指標要求),經濟性好,結合環保就地取材。

2.1.1 瀝青

    瀝青是瀝青混合料的主要組成材料之一,是決定瀝青混合料質量的主要因素。因此選擇瀝青時,除了要注意瀝青自身品質的優劣以外,還要注意瀝青標號對當地環境、氣候的適應性,既要兼顧冬季的抗裂性,又要兼顧到夏季的抗塑變能力。浦南高速公路夏季溫度高、高溫持續時間長,屬重載交通,而且地處山區,坡道、彎道較多,故在瀝青碎石基層及下麵層選用A級70瀝青,上麵層選用SBS改性瀝青(I-D型)。

2.1.2 集料

    粗、細集料應從源頭把關,做到潔淨、幹燥。粗集料的壓碎值、磨光值、磨耗值、粘附性、針片狀顆粒含量、吸水率等指標應滿足現行規範要求;細集料潔淨程度、表觀相對密度、堅固性、棱角性等指標均應滿足現行規範要求。對已經選定材料來說,在料源變化不大的情況下,由於破碎工藝不同,加上破碎場管理上的問題,針片狀顆粒含量、<0.075mm顆粒含量、砂當量等指標會產生較大波動,我試驗室對此進行嚴格把關。在配合比設計複核工作中,碰到最多的是細集料砂當量不合格,要求施工單位整改,主要措施是片石衝洗,破碎場加大除塵。原材料符合要求方可進行配合比試驗,並要求監理試驗室加強抽檢,保證正常施工時原材料質量穩定。

2.1.3 填料

    選擇填料時一定要考慮能否滿足親水性和細度要求,能否改善瀝青與集料的粘結力。根據集料不同性質選擇不同的填料,對於堿性集料,可選擇磨細的石粉作填料;對於中性材料,可使用磨細的石灰石粉;另外,根據不同情況還可選用水泥消石灰等作填料。浦南高速公路采用的填料為礦粉摻20%消石灰。

2.2 級配方案選用

    選擇合適的瀝青混合料級配類型是確保瀝青混凝土路麵麵層質量的前提。瀝青混合料麵層的設計一般依據《公路瀝青路麵施工技術規範》(JTGF40-2004)。在進行配合比設計時,應盡量使級配曲線在規範中值處圓順、少折角,通常情況下,合成級配曲線宜盡量接近設計級配中限,尤其應使0.075mm、2.36mm和4.75mm篩孔的通過量盡量接近設計級配範圍的中限;對於重交通的高速公路麵層,宜偏向級配範圍的下(粗)限。

    在對原材料進行多次篩分試驗後,確定單檔集料級配穩定的情況下,根據本省其他路段已有經驗,預估一個適宜的瀝青含量進行室內馬歇爾試驗,初定一個級配做為設計級配。浦南高速公路共設計複核了27個目標合比(其中ATB-25 11個、AC-20C 10個、AC-13C 6個),結合馬歇爾所得各項指標結果兼顧所選用集料實際生產比例,選用級配方案參見表1~3,圖1~3。: 
浦南高速公路瀝青混合料配合比設計複核研究
浦南高速公路瀝青混合料配合比設計複核研究

浦南高速公路瀝青混合料配合比設計複核研究



2.3 馬歇爾試驗

    以預估的瀝青含量為中值按±0.3%分別成型三組馬歇爾試件,測定試件的各項指標,如果試驗結果不滿足規範要求,則需重新調整級配比例,重新進行馬歇爾試驗。

    馬歇爾試驗得到的主要試驗結果為空隙率,按省高指施工指南要求,瀝青混凝土空隙率宜控製在3%~7%之間。浦南高速公路瀝青路麵ATB-25碎石基層空隙率一般控製在4.8%~5.3%之間,AC-20C下麵層空隙率一般控製在4.5%~5.0%之間,AC-13C上麵層空隙率一般控製在4.0%~4.5%之間。 

浦南高速公路瀝青混合料配合比設計複核研究


2.4 瀝青含量的確定

    根據浦南高速公路的設計特點,瀝青含量在滿足規範的要求下,盡量取低值。

2.5 配合比設計檢驗

    根據我省實踐經驗,配合比設計檢驗主要進行旋轉壓實試驗、水穩定性檢驗和高溫穩定性檢驗。根據驗證結果,若達不到相關規定則另選材料、調整級配或采取其他措施重做試驗,直到符合要求,確定出較理想的目標配合比。

3 生產配合比設計複核

    目標配合比確定以後,要使實際施工中所采用的瀝青混合料拌和設備進行生產配合比設計。生產配合比設計階段的試驗過程基本同目標配合比設計一樣,包括原材料的檢測,合成級配的計算,馬歇爾試件的製作、測試及最佳油石比選定等。

    進行生產配合比設計時最關鍵的也是級配合成,使之接近目標配合比級配,視拌和樓性能,有時生產配合比的級配合成也要進行多次才能成功。以浦南高速公路AB2標2#拌和樓為例,在進行ATB-25生產配合比設計時,第一次取樣,0~3規格集料0.075mm檔通過率9.8%,與冷料差不多。可判斷其吸塵裝置沒有起到作用,基本上是將集料加熱一下就放出來了。第二次取樣,0~3規格集料0.075mm檔通過率1.2%,也非常異常,原因是吸塵裝置功率開的過大,不符合實際生產情況。直至第三次取樣,各檔級配情況才正常,通過調整比例使生產配合比級配接近目標級配。

    浦南高速公路共6個合同段,大多合同段有2個拌和樓,拌和樓由於各倉篩孔尺寸設置不一,故同一個目標配合比應用到不同拌和樓都需進行生產配合比設計。浦南高速公路我們共複核了44個生產配合比。在級配控製方麵,大部分生產級配關鍵篩孔可以控製在目標級配通過率的±1%範圍內,生產配合比所確定瀝青含量能在目標配合比的所確定瀝青含量的±2%。個別經反複調整仍達不到要求的生產配合比,則需重新進行目標配合比設計。

4 生產配合比驗證(試拌、試鋪)

    生產配合比的驗證是通過實際施工對預期結果的驗證,也是從感性的角度對瀝青混合料配合比設計的評估,同時也是對施工單位製定的施工方案的檢驗,檢驗拌和、運輸、攤鋪、碾壓工藝等的可行性和設備的匹配情況。這可從混合料的顏色、拌和均勻度、離析情況、碾壓後的表麵狀況等方麵做出判斷。

    我試驗人員對試拌試鋪的混合料及時取樣,進行瀝青含量和馬歇爾試驗,對碾壓段進行鑽芯取樣等各種檢驗。若有指標不到規範要求,則查找原因,重新進行試拌和試鋪,直至達到設計要求。經試鋪成功後的生產配合比確定為生產用標準配合比。

5 工作過程中碰到的幾個問題

5.1 取樣

    確定一個合理的級配是瀝青混合料配合比設計的關鍵。同樣一種集料,不同試驗人員在不同時間會得到不同的試驗結果。為避免爭議,在浦南高速公路配合比設計複核工作中,我們和業主、監理、施工單位四方共同取樣,用分樣器現場分成四份。這樣既解決了爭議,又提高了取樣的代表性。

5.2 級配

    現行瀝青路麵施工技術規範的規定的級配小於4.75部分細集料量較多,瀝青混合料易出現過密現象,試件空隙偏小,抗車轍能力較小。浦南高速公路瀝青麵層用瀝青混合料級配,小於4.75mm部分細集料適當減小,在規範中值偏下,以提高混合料嵌擠作用。

5.3 粉膠比

    根據規範要求,對常用的公稱最大粒徑為13.2~19mm的密級配瀝青混合料,粉膠比宜控製在0.8~1.2mm範圍內,但因為浦南高速公路配合比級配細料偏粗,相應集料的表麵積係數較小,如果為滿足粉膠比要求,盲目降低<0.075顆粒含量,則會造成瀝青膜厚度過厚,不利於混合料的綜合性能。故浦南高速公路中下麵層配合比的粉膠比大多在1.3~1.6範圍內。

5.4 礦料間隙率

    試驗過程中發現,當上麵層采用砂岩時,礦料間隙率指標往往達不到規範要求。浦南高速公路CB2標上麵層采用沙縣青州的砂岩,目標配合比設計時,瀝青含量采用4.8%時,空隙率4.8%,按規範要求礦料間隙率應大於14.8%,實際礦料間隙率隻有13.9%。我省以往高速公路上麵層采用砂岩時亦出現過類似情況,因為砂岩容易擊實,使用較低的瀝青含量就能達到較為理想的空隙率,而砂岩的密度較灰綠岩小,所以礦料間隙率往往達不到要求。因此,建議規範對砂岩的礦料間隙率指標要求適當放寬。

5.5 車轍試驗

    根據規範要求,試驗室成型試件的拌和溫度為60℃,動穩定度試驗應與熱拌瀝青混合料使用地區的氣候有關,如果當地的最高氣溫隻有25 ℃,規定用60 ℃的溫度進行車轍試驗,則要求的溫度過高;相反如果當地的最高氣溫為40 ℃以上,規定用60 ℃的溫度進行車轍試驗,則要求的溫度過低。如果規定各地根據當地的最高氣溫與瀝青路麵最高溫度來進行車轍試驗,效果會更好。

5.6 旋轉壓實試驗

    由於馬歇爾試驗采用的擊實方式不可避免地會造成集料破碎,影響試件的最終試驗結果,如空隙率和用油量等。更為重要的是馬歇爾試驗方法無法模擬路麵碾壓實際情況,不能正確評價瀝青混合料的抗剪強度。而剪切旋轉壓實儀可以近似地模擬荷載在公路上行駛時輪胎與路麵的相互作用,通過旋轉壓實,使試件中瀝青混合料的密實度達到汽車輪胎實際作用於路麵時所產生的密實度,既模擬荷載在路麵上產生的垂直壓應力。在試件壓實的過程中,剪切旋轉壓實儀能夠通過采集的試件混合料壓實數據(空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度、壓實度及有效瀝青含量等),建立與旋轉壓實次數的對應關係,根據在一定條件下的Superpave交通水準及路麵設計交通荷載情況,確定級配的合理性及瀝青混合料最佳用油量。所以我省的配合比設計檢驗,除了進行水穩定性檢驗和高溫穩定性檢驗外,還要要求進行旋轉壓實試驗。

6 結束語

    瀝青混合料的路用性能非常複雜,國內許多機構和專家進行了長期艱苦的研究和探索,得出了許多有價值的結論,並在工程實踐中得到了應用,取得了較好的效果。在具體的實踐過程中,要以國家規範作為依據,但又不能拘泥於規範;要努力采用國際上的先進經驗,使瀝青混合料配合比設計水平得到提高。
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