集料及瀝青混合料級配變異性分析與評價*

王統(tǒng)井 喬東華 叢 林 徐肖龍

(1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 200092；2.貴州宏信創(chuàng)達(dá)工程檢測咨詢有限公司 貴州 550014； 3.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司 南京 211806)

瀝青混合料是由瀝青、粗集料、細(xì)集料、填充料這些不同質(zhì)量和數(shù)量的材料按某一配合比混合而成。其中，集料占據(jù)瀝青混合料的90%以上，對瀝青混合料最終質(zhì)量有重要影響。其早期損壞以不均勻方式出現(xiàn)，甚至自然條件、材料因素相同，同一隊伍施工的路段，不乏部分早期損壞，部分路況多年良好的情況。這說明工程質(zhì)量變異性的影響十分顯著。

集料加工技術(shù)一直是我國公路建設(shè)的短板。部分地區(qū)為節(jié)約成本，高速公路建設(shè)通常采用沿線當(dāng)?shù)馗鞣N小型石料廠利用傳統(tǒng)設(shè)備生產(chǎn)的集料。黃楊華[1]指出，小型石料場的碎石機(jī)和篩分機(jī)的型號及規(guī)格存在較大差異，即使是同規(guī)格的碎石顆粒，經(jīng)不同碎石場制備，變異性也可能較大。梁錫三[2]和孫祖望[3]通過大量的項目數(shù)據(jù)分析得出，在使用不合格集料的情況下，難以對混合料的級配實施進(jìn)行有效地控制。對集料級配變異性提出標(biāo)準(zhǔn)是為了更好地控制瀝青混合料級配的變異性。

為提出集料級配的變異性標(biāo)準(zhǔn),需要了解集料級配變異性對瀝青混合料級配變異性的影響情況，即集料級配變異性與瀝青混合料級配變異性的關(guān)系。

1 研究現(xiàn)狀

現(xiàn)行的JTG F40-2004 《公路瀝青施工技術(shù)規(guī)范》 針對全國范圍，對集料級配的要求寬松，而且附錄條文說明還指出當(dāng)生產(chǎn)的單檔集料的級配達(dá)不到規(guī)范要求，而混合料級配符合規(guī)范要求時，工程上允許使用，這為不合格產(chǎn)品的使用提供了正當(dāng)理由，導(dǎo)致實際情況無法很好地控制集料的質(zhì)量。

陳泰浩等[4]在規(guī)范建議范圍的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)了集料公稱最大粒徑對應(yīng)篩孔通過率的關(guān)鍵作用，建議以關(guān)鍵篩孔通過率的認(rèn)可范圍作為驗收標(biāo)準(zhǔn)，但該驗收標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范一樣，并未給出集料關(guān)鍵篩孔通過率的變異性指標(biāo)。任永利等[5]調(diào)查超過30個合同段瀝青路面集料加工所用篩孔和集料級配的變異性，找到并利用一組標(biāo)準(zhǔn)化篩孔的篩網(wǎng)進(jìn)行大規(guī)模集料加工。王亞偉[6]在水界高速公路施工過程中，提出了嚴(yán)格的碎石加工標(biāo)準(zhǔn)，很好地控制了粗細(xì)集料的生產(chǎn)質(zhì)量，保障了水界高速公路施工質(zhì)量。周建山等[7]在太澳高速公路瀝青路面施工過程中應(yīng)用了新的集料加工技術(shù)，集料質(zhì)量良好，規(guī)格穩(wěn)定，瀝青混合料拌和過程中幾乎無溢料，最終瀝青混合料級配穩(wěn)定，變異性小，瀝青路面各項指標(biāo)檢測結(jié)果符合要求。

國外方面，集料加工沒有國內(nèi)存在的問題，例如，美國許多州的QC/QA手冊明確規(guī)定集料的級配偏差要求為各篩孔通過率的偏差不超過5%[8-10]。若按此標(biāo)準(zhǔn)來判定集料合格與否，國內(nèi)很少有料場能夠達(dá)到，因而該標(biāo)準(zhǔn)在國內(nèi)不具備實施的可能性。

2 級配變異性產(chǎn)生的主要原因

2.1 集料級配變異性

按照集料加工工藝流程，集料級配變異性的影響因素有以下方面。

1) 送入喂料機(jī)的料源穩(wěn)定性不好,不同的料源造成級配變異性增大及送料速率過快。

2) 反擊板與板錘的距離變大。

3) 由于碎石的磨損，篩孔尺寸大小不均勻。

2.2 瀝青混合料級配變異性的主要原因

1) 集料級配的影響。

2) 集料含水率的大小關(guān)系到不同檔集料的進(jìn)料比例。另外，對細(xì)集料來說，過大的含水率會造成集料集結(jié)成團(tuán)，不能均勻地輸送到熱料倉。

3) 熱料倉的篩孔由于與碎石磨損,篩孔尺寸大小不均勻，傾角也會偏離預(yù)先標(biāo)定的角度。

4) 運輸途中的顛簸,攤鋪設(shè)備的異常，壓實過程中的推移等都會造成混合料不同程度的離析。

3 現(xiàn)場調(diào)研

本課題對某地玄武巖料場A，B，C 3個料場分別進(jìn)行了20組取樣分析，考慮到集料堆放、運輸會造成集料離析，導(dǎo)致取樣代表性不足，集料取樣在皮帶運輸機(jī)上進(jìn)行。其中A，B，C料場選取常用的5～10 mm和10～15 mm 2檔集料。各料場篩分結(jié)果與規(guī)范范圍中值偏差情況見圖1。

圖1 集料篩分結(jié)果與規(guī)范范圍中值的偏差

陳泰浩等通過采用自主化研發(fā)的一組標(biāo)準(zhǔn)化篩孔篩網(wǎng)進(jìn)行大規(guī)模集料加工，可將集料級配的變異系數(shù)控制在2.5%以內(nèi)。本文將調(diào)研結(jié)果與之作比較，評估集料級配變異程度。

由圖1a)可見，A料場大部分篩分結(jié)果均在規(guī)范范圍之外，關(guān)鍵篩孔通過率變異系數(shù)最低為9.01%，遠(yuǎn)超過2.5%，次要篩孔通過率甚至達(dá)到40%以上，結(jié)果表明，A料場集料級配變異性很大。

由圖1b)可見，B料場大部分篩分結(jié)果均在規(guī)范范圍之外，關(guān)鍵篩孔通過率變異系數(shù)最低為7.66%，遠(yuǎn)超過2.5%，次要篩孔通過率甚至達(dá)到35%以上，結(jié)果表明B料場集料級配變異程度略低于A料場，但集料級配變異性仍然很大。

由圖1c)可見，C料場所有篩分結(jié)果均在規(guī)范范圍以內(nèi)，關(guān)鍵篩孔通過率變異系數(shù)分別為2.64%和1.30%，小于2.5%，但次要篩孔通過率變異系數(shù)超過了20%，結(jié)果表明，C料場集料級配變異性較低，是比較理想的料場。

由調(diào)查結(jié)果可以推斷出，料場集料級配變異性過大，集料加工存在嚴(yán)重問題，這與當(dāng)?shù)亟?jīng)驗豐富的工程人員反映的情況相吻合。集料加工合格率低和級配變異性大，導(dǎo)致施工企業(yè)無法準(zhǔn)確盤存各階段、各規(guī)格集料的數(shù)量，而且瀝青混合料拌制的過程中會產(chǎn)生較多溢料。施工企業(yè)為了不浪費集料經(jīng)常調(diào)動配合比，這會嚴(yán)重降低路面質(zhì)量。

4 集料變異性評價標(biāo)準(zhǔn)

研究表明[2]，在料源穩(wěn)定和設(shè)備穩(wěn)定的情況下，集料的加工性指標(biāo)是符合正態(tài)分布的，即集料各關(guān)鍵篩孔通過率滿足正態(tài)分布。在拌和之前，各檔料獨立存放，故各檔料關(guān)鍵篩孔通過率分布相互獨立。

據(jù)此定理，假設(shè)瀝青混合料礦料由1，2，…，n號共n檔集料按質(zhì)量比A1∶A2∶…∶An組合而成，i號集料j號篩孔通過率均值與標(biāo)準(zhǔn)差為Pij、σij，瀝青混合料礦料合成級配j號篩孔通過率均值與標(biāo)準(zhǔn)差為Pj、σj，則有

(1)

(2)

式中：Pj為瀝青混合料合成級配j號篩孔的通過的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值；Pij為i號集料j號篩孔的通過的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值；σj為合成級配j號篩孔的通過的質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)差；Ai為i號集料占合成級配的比例；σij為i號集料j號篩孔的通過的質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)差。

根據(jù)瀝青混合料實際生產(chǎn)情況，上述假設(shè)中各檔集料是指熱料倉“二次篩分”后的集料，集料摻配比例亦指生產(chǎn)配合比。

5 瀝青混合料級配變異性判標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)諸多學(xué)者[11-14]對瀝青路面工程檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)施工過程正常穩(wěn)定的瀝青路面工程瀝青混合料級配關(guān)鍵篩孔通過率符合正態(tài)分布。據(jù)此，本文提出以式(2)預(yù)測的瀝青混合料級配變異性作為原集料級配變異性的綜合指標(biāo)以判定原集料能否用于瀝青路面工程中的綜合判定方法，其過程如下。

1) 對料場各檔集料進(jìn)行n(n≥30)次篩分，按式(3)、式(4)分別計算各檔集料的各篩孔通過率均值Pij、標(biāo)準(zhǔn)差σij

(3)

(4)

式中:Pijk為i號集料j號篩孔第k次篩分通過質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Pij為i號集料j號篩孔的通過質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值；σij為i號集料j號篩孔的通過的質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)差。

2) 進(jìn)行目標(biāo)配合比和生產(chǎn)配合比設(shè)計。

3) 按式(5)計算瀝青混合料級配的各篩孔通過的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)差

(5)

式中：σj為瀝青混合料級配j號篩孔的通過率標(biāo)準(zhǔn)差；Ai為i號集料占合成級配的比例(生產(chǎn)配合比)；σij為i號集料j號篩孔的通過的質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)差。

根據(jù)正態(tài)分布的性質(zhì)，(μ-2σ，μ+2σ)所占比例為95.44%。若2σj在允許誤差范圍內(nèi)，認(rèn)為原集料級配變異性達(dá)到合格要求，可以用于高速公路瀝青路面工程，反之，則認(rèn)為原集料級配變異性不合格，需重新選擇料場。

6 案例分析

6.1 二次篩分

本文依托某瀝青路面大中修工程，對該工程上面層AC-13所選料場集料進(jìn)行日常篩分試驗，共收集篩分?jǐn)?shù)據(jù)30組，考慮到集料堆放、運輸會造成集料離析，導(dǎo)致取樣代表性不足，集料取樣均在皮帶運輸機(jī)上進(jìn)行。為探究熱料倉振動篩“二次篩分”對集料變異性的影響，隔批次對熱料倉各檔集料進(jìn)行篩分試驗。試驗結(jié)果見表1。

表1 AC-13冷料和熱料篩分結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差對比

由表1可見，各檔集料各篩孔通過質(zhì)量分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)差基本相等，說明熱料倉振動篩“二次篩分”并不能改善集料的變異性，此結(jié)論與孫祖望的研究結(jié)論相吻合。

在熱料倉振動篩篩網(wǎng)尺寸、振動頻率、激振力和篩上材料質(zhì)量固定后，振動篩的篩分效率亦確定，而且篩分效率不可能達(dá)到100%，在瀝青拌和站各參數(shù)設(shè)定后，熱料倉的單位時間進(jìn)料是冷料倉按目標(biāo)配合比供料，冷料倉級配的的波動必然會導(dǎo)致熱料倉級配的波動。因而熱料倉振動篩“二次篩分”并不能改善集料的變異性。

6.2 瀝青混合料級配變異分析

叢林等[15]發(fā)現(xiàn)混合料級配的離析對于瀝青混合料性能有較大影響。本文利用瀝青混合料燃燒篩分獲得實際級配，并與設(shè)計級配進(jìn)行比較，用于判斷混合料變異程度。本文所依托瀝青路面大中修工程AC-13瀝青混合料生產(chǎn)配合質(zhì)量比為：10～15 mm集料∶5～10 mm集料∶3～5 mm集料∶0～3 mm集料∶礦粉=29.5∶10.5∶21∶35.5∶3.5。

按式(2)根據(jù)冷料各篩孔通過的質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)差計算AC-13瀝青混合料級配各篩孔通過的質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)差并與實測值對比見表2。

表2 AC-13瀝青混合料級配各篩孔通過率標(biāo)準(zhǔn)差計算值與實測值對比

由表2可見，除0.075 mm篩孔外，所有篩孔通過的質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)差實測值與計算值相差在0.1以內(nèi)，0.075mm篩孔通過的質(zhì)量分?jǐn)?shù)異?？赡苁怯捎谖纯紤]礦粉的變異性所導(dǎo)致。因而可以根據(jù)原集料的變異性通過計算預(yù)測瀝青混合料級配的變異性。

由于瀝青混合料級配變異性受集料各自變異性和摻配比例共同影響，因此很難對各檔集料分別提出單獨的變異指標(biāo)。前文已驗證，在正常施工穩(wěn)定狀態(tài)下，集料級配變異性與瀝青混合料級配變異性存在式(2)的關(guān)系，由此可以通過式(2)在施工前預(yù)測出瀝青混合料的的級配變異性，若預(yù)測值超出允許范圍，則說明正常施工穩(wěn)定狀態(tài)下，瀝青混合料的變異性不能得到很好的控制，可以認(rèn)為原集料變異性過大，不予選用，需重新選擇料場。

對本文所依托工程AC-13和AC-20所選料場集料級配變異性進(jìn)行合格性檢驗,結(jié)果分別見表3。

表3 AC-13集料級配變異性合格性檢驗

由表3可見，對于上面層AC-13，合成級配13.2，4.75，0.075 mm篩孔集料通過的質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)差95%置信區(qū)間在允許誤差范圍內(nèi)，而2.36 mm篩孔集料通過的質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%置信區(qū)間超過了允許誤差范圍。建議料場排查，辨別是由于料源不穩(wěn)定還是加工儀器設(shè)備年久老化原因所造成。

6.3 建議措施

基于工地情況，料源有時難以保持穩(wěn)定，因此控制儀器質(zhì)量尤為關(guān)鍵。建議對破碎機(jī)停機(jī)后進(jìn)行例行機(jī)械檢查和保養(yǎng),對振動篩進(jìn)行日常清理防堵。

7 結(jié)語

1) 依據(jù)統(tǒng)計學(xué)中相互獨立的正態(tài)分布隨機(jī)變量的性質(zhì)，提出了集料級配變異性與瀝青混合料級配變異性關(guān)系假設(shè)，并在所依托工程中得以驗證。

2) AC-13冷料和熱料的篩分結(jié)果顯示,熱料倉振動篩“二次篩分”并不能改善集料的變異性。

3) 綜合參考各學(xué)者提出的標(biāo)準(zhǔn)，提出了相對于規(guī)范更為嚴(yán)格的瀝青混合料各關(guān)鍵篩孔通過的質(zhì)量分?jǐn)?shù)容許偏差標(biāo)準(zhǔn)。

4) 提出根據(jù)計算所得的瀝青混合料級配各關(guān)鍵篩孔集料通過的質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)差的2倍(2σj)是否在允許偏差范圍內(nèi)以判定原集料級配變異性是否達(dá)到合格要求的方法。若2σj在允許偏范圍內(nèi)，認(rèn)為原集料級配變異性達(dá)到合格要求，可以用于路面工程，反之，則認(rèn)為原集料級配變異性不合格，需重新選擇料場。其作為綜合性判斷指標(biāo)，可提前預(yù)估瀝青混合料級配的變異水平，作為正式施工后瀝青混合料級配變異水平控制的參考依據(jù)。

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