基層及底基層材料分檔與摻配及公稱最大粒徑的判定

余繼鳳

(湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430079)

公路路面的基層材料有級(jí)配要求，要用不同規(guī)格的集料進(jìn)行摻配，即進(jìn)行材料分檔與摻配，使混合料的通過率滿足級(jí)配范圍的規(guī)定。在進(jìn)行材料分檔與摻配時(shí)，要根據(jù)混合料的級(jí)配范圍確定混合料的公稱最大粒徑，再根據(jù)公稱最大粒徑選擇集料的規(guī)格。若混合料的公稱最大粒徑判別錯(cuò)誤，將導(dǎo)致材料分檔與摻配錯(cuò)誤，使混合料的合成級(jí)配不能滿足級(jí)配范圍的要求。

1 混合料的級(jí)配范圍

設(shè)計(jì)文件推薦的基層和底基層混合料級(jí)配范圍一般為基層施工技術(shù)細(xì)則[1]中的級(jí)配范圍。例如，湖北某高速公路級(jí)配碎石底基層采用的級(jí)配范圍為該規(guī)范表4.5.8中的G-A-3、水泥穩(wěn)定碎石基層的級(jí)配范圍為該規(guī)范表中的C-B-3。

2 混合料的公稱最大粒徑的判定

2.1 公稱最大粒徑與最大粒徑的概念

公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程[2]2.1.27規(guī)定：集料最大粒徑是指集料的100%都要求通過的最小的標(biāo)準(zhǔn)篩篩孔尺寸。公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程2.1.28規(guī)定：集料的公稱最大粒徑是指集料可能全部通過或允許有少量不通過(一般容許篩余不超過10%)的最小標(biāo)準(zhǔn)篩孔尺寸，通常比集料最大粒徑小一個(gè)粒級(jí)。常用的標(biāo)準(zhǔn)篩尺寸有0.075 mm、0.15 mm、0.3 mm、0.6 mm、1.18 mm、2.36 mm、4.75 mm、9.5 mm、13.2 mm、16 mm、19 mm、26.5 mm、31.5 mm、37.5 mm、53 mm。

2.2 公稱最大粒徑比最大粒徑小一號(hào)標(biāo)準(zhǔn)篩

根據(jù)公稱最大粒徑及最大粒徑的概念，可根據(jù)混合料的級(jí)配范圍直接判定公稱最大粒徑及最大粒徑。

級(jí)配碎石G-A-1、G-A-2、G-A-5[1]及水泥穩(wěn)定碎石C-C-1、C-C-2、C-C-3[1]的最大粒徑分別是37.5 mm、31.5 mm、26.5 mm，為通過率100%的最小標(biāo)準(zhǔn)篩；公稱最大粒徑分別是31.5 mm、26.5 mm、19 mm，通過率為90%～100%，公稱最大粒徑比最大粒徑小一號(hào)標(biāo)準(zhǔn)篩。瀝青路面施工規(guī)范中[3]推薦的瀝青混合料的級(jí)配均屬于這種類型，可按定義進(jìn)行公稱最大粒徑的判定，材料分檔及摻配較為簡(jiǎn)單。

2.3 公稱最大粒徑與最大粒徑相同

級(jí)配碎石G-A-3、G-A-4[1]及水泥穩(wěn)定碎石C-B-1、C-B-2、C-B-3[1]的最大粒徑分別是31.5 mm、26.5 mm、26.5 mm、19 mm、31.5 mm，為通過率100%的最小標(biāo)準(zhǔn)篩。但公稱最大粒徑并不比最大粒徑小一號(hào)標(biāo)準(zhǔn)篩，而是與最大粒徑相同，也不能用公稱最大粒徑的定義(一般容許篩余不超過10%)來判定，公稱最大粒徑的判定容易出錯(cuò)，將在該文的3.3中詳細(xì)介紹。

3 材料的分檔及摻配

3.1 材料分檔數(shù)量

基層施工技術(shù)細(xì)則3.8.1規(guī)定，材料分檔應(yīng)符合表3.8.1[1]的規(guī)定，見表1。

表1 材料分檔要求

基層施工技術(shù)細(xì)則3.8.3規(guī)定，二級(jí)及二級(jí)以上公路基層和底基層級(jí)配碎石或礫石，應(yīng)不少于4種規(guī)格材料摻配[1]。湖北某高速公路的交通荷載等級(jí)為重交通，級(jí)配碎石底基層、水泥穩(wěn)定碎石基層均選用4檔材料備料。

3.2 備料規(guī)格

基層施工技術(shù)細(xì)則3.8.2規(guī)定，公稱最大粒徑為19 mm、26.5 mm和31.5 mm的無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定碎石或礫石的備料規(guī)格宜符合表3.8.2[1]的規(guī)定。

基層施工技術(shù)細(xì)則3.6.2規(guī)定，基層、底基層的粗集料規(guī)格要求宜符合表3.6.2[1]的規(guī)定?；鶎邮┕ぜ夹g(shù)細(xì)則3.7.3規(guī)定，細(xì)集料規(guī)格要求應(yīng)符合表3.7.3[1]的規(guī)定。

從該規(guī)范中的數(shù)據(jù)規(guī)律可以看出，基層施工技術(shù)細(xì)則要求粗集料、細(xì)集料的公稱最大粒徑的通過率均為90%～100%，且公稱最大粒徑比最大粒徑小一號(hào)標(biāo)準(zhǔn)篩。例如，表3.6.2中G2(19～31.5 mm)公稱最大粒徑31.5 mm篩的通過率為90%～100%；最大粒徑比公稱最大粒徑大一號(hào)標(biāo)準(zhǔn)篩，37.5 mm通過率為100%，與公稱最大粒徑、最大粒徑的定義一致。表格規(guī)定了各檔料的超粒徑含量，例如，對(duì)于G2(19～31.5 mm)，大于31.5 mm和小于19 mm的顆粒都屬于超粒徑，31.5 mm的通過率為90%～100%，即大于31.5 mm的顆粒不超過10%，19 mm的通過率為0～10%，即小于19 mm的顆粒不超過10%。

下面，我們用礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計(jì)案例來論證級(jí)配碎石G-A-3的公稱最大粒徑的判定方法。

3.3 礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計(jì)

1)假定級(jí)配碎石G-A-3的公稱最大粒徑為31.5 mm 假定級(jí)配碎石G-A-3的公稱最大粒徑為31.5 mm，四檔備料，查該規(guī)范表3.8.2，可確定備料規(guī)格為1#料G2(19～31.5 mm)、2#料G8(9.5～19 mm)、3#料G11(4.75～9.5 mm)、4#料XG3(0～4.75 mm)，可配成公稱粒徑為0～31.5 mm的混合料。各檔料的篩分結(jié)果見表2，滿足規(guī)范中的粗集料、細(xì)集料的規(guī)格要求，且最粗檔料1#料G2(19～31.5 mm)的公稱最大粒徑及最大粒徑均為31.5 mm，即公稱最大粒徑31.5 mm的通過率為100%，且26.5 mm篩的通過率不滿足90%～100%的規(guī)定(本案例為73.7%)，否則公稱最大粒徑為26.5 mm，而不是31.5 mm。

當(dāng)各檔料滿足規(guī)格要求時(shí)，可用各檔料的分界尺寸即主粒徑4.75 mm、9.5 mm、19 mm的通過率來控制混合料的級(jí)配，例如，控制主粒徑4.75 mm、9.5 mm、19 mm的通過率分別為級(jí)配范圍中值35%、54.5%、78%(見表2)，來反求各檔料的比例?；旌狭系耐ㄟ^率即合成級(jí)配計(jì)算見式(1)。

P=∑Pixi

(1)

式中,P為混合料的通過率；Pi為各檔料的通過率；xi為各檔料的質(zhì)量百分比。

表2 礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計(jì)

4.75 mm篩：4#料XG3(0～4.75 mm)篩分結(jié)果為通過率96.7%(見表2)，規(guī)范規(guī)定其級(jí)配范圍為90%～100%；3#料G11(4.75～9.5 mm)篩分結(jié)果為通過率11.1%，規(guī)范規(guī)定其級(jí)配范圍為0～10%，略超出規(guī)范要求；2#料G8(9.5～19 mm)篩分結(jié)果為通過率1.7%，規(guī)范規(guī)定其級(jí)配范圍為0～5%；1#料G2(19～31.5 mm)篩分結(jié)果為通過率0.3%，規(guī)范規(guī)定其級(jí)配范圍為0～5%。各檔料在4.75 mm篩的篩分結(jié)果，只有4#料XG3(0～4.75 mm)的通過率很大，其他三檔料由于通過率很小而可以忽略不計(jì)，故可由式(2)計(jì)算可得出4#料XG3(0～4.75 mm)的質(zhì)量百分比x4約等于36%。

35%=96.7%×x4

(2)

同理，根據(jù)9.5 mm篩計(jì)算3#料G11(4.75～9.5 mm)的質(zhì)量百分比x3約等于19%，見式(3)。根據(jù)19 mm篩計(jì)算2#料G8(9.5～19 mm)的質(zhì)量百分比x2約等于24%，見式(4)。各檔料質(zhì)量百分比之和為100%，由式(5)可得出1#料的質(zhì)量百分比x1等于21%。

54.5%=100%×36%+96.0%×x3

(3)

78%=100%×36%+100%×19%+96.9%×x2

(4)

36%+19%+24%+x1=100%

(5)

綜上所述，根據(jù)主粒徑混合料的通過率為級(jí)配中值，反求的配合比為1#料G2(19～31.5 mm)∶2#料G8(9.5～19 mm)∶3#料G11(4.75～9.5 mm)∶4#料XG3(0～4.75 mm)=21%∶24%∶19%∶36%。

現(xiàn)對(duì)以上計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析并進(jìn)行配合比調(diào)整。按式(1)可以求出混合料在各篩上的通過率即合成級(jí)配，計(jì)算結(jié)果與級(jí)配中值比較接近，說明各檔料滿足規(guī)范的規(guī)格要求，控制超粒徑含量，可以很方便控制混合料的級(jí)配。由于上述式(2)、式(3)、式(4)忽略了超粒徑的顆粒，因此，存在少量的誤差，可參照《基于級(jí)配要求的礦質(zhì)混合料配合比調(diào)整公式研究》[4]進(jìn)行配合比調(diào)整，使主粒徑4.75 mm、9.5 mm、19 mm的通過率為級(jí)配范圍中值35%、54.5%、78%，調(diào)整結(jié)果見表2，得出1#料G2(19～31.5 mm)∶2#料G8(9.5～19 mm)∶3#料G11(4.75～9.5 mm)∶4#料XG3(0～4.75 mm)=24%∶23%∶19%∶34%，26.5 mm篩的合成級(jí)配通過率為93.7%，滿足級(jí)配范圍90%～95%的要求，各標(biāo)準(zhǔn)篩合成級(jí)配均滿足要求。

因此，級(jí)配碎石G-A-3的公稱最大粒徑與最大粒徑相同，均為31.5 mm，根據(jù)基層施工技術(shù)細(xì)則推薦的備料方法進(jìn)行材料的分檔與摻配，配成的混合料能滿足級(jí)配范圍的規(guī)定，但最粗檔料的公稱最大粒徑與最大粒徑相同，不能僅僅滿足基層施工技術(shù)細(xì)則規(guī)定的粗集料的規(guī)格要求即可，還要篩除大于公稱最大粒徑的顆粒，使31.5 mm的通過率為100%，否則配成的混合料不能滿足G-A-3公稱最大粒徑通過率為100%的級(jí)配要求。

2)假定級(jí)配碎石G-A-3的公稱最大粒徑為26.5 mm 級(jí)配碎石G-A-3在31.5 mm篩的通過率為100%，在26.5 mm篩通過率為90%～95%，如果按照公稱最大粒徑及最大粒徑的定義，很多試驗(yàn)檢測(cè)人員會(huì)誤以為該混合料的公稱最大粒徑為26.5 mm。現(xiàn)在，來論證級(jí)配碎石G-A-3的公稱最大粒徑是否為26.5 mm。

假定級(jí)配碎石G-A-3的公稱最大粒徑為26.5 mm，備料規(guī)格為1#料G3(19～26.5 mm)、2#料G8(9.5～19 mm)、3#料G11(4.75～9.5 mm)、4#料XG3(0～4.75 mm)，可配成公稱粒徑為0～26.5 mm的混合料，與公稱最大粒徑為31.5 mm相比，僅最粗檔料不同，分別為G3(19～26.5 mm)、G2(19～31.5 mm)，兩種材料的區(qū)別主要在于26.5 mm篩的通過率不同，不影響主粒徑4.75 mm、9.5 mm、19 mm的通過率，故各檔料的質(zhì)量百分比不變。將1#料在26.5 mm篩的通過率修改為G3(19～26.5 mm)的級(jí)配范圍下限值90%、上限值100%，計(jì)算得到混合料的通過率即合成級(jí)配分別為97.6%、100%(見表2)，故無(wú)法配出在26.5 mm篩通過率為90%～95%的級(jí)配碎石G-A-3混合料，但可配出26.5 mm篩級(jí)配上限為100%的混合料。

綜上所述，用最粗檔料公稱最大粒徑為26.5 mm，可配出混合料的公稱最大粒徑為26.5 mm，即欲配制的混合料的公稱最大粒徑與最粗檔料的公稱最大粒徑相同。

現(xiàn)在，用公式來反證這個(gè)結(jié)論。如果混合料的級(jí)配范圍上限值不是100%，例如，級(jí)配碎石G-A-3在26.5 mm篩的通過率為90%～95%，通過率上限值為95%，即累計(jì)篩余下限值為5%，表明G-A-3混合料至少有5%的顆粒大于26.5 mm，只能全部由最粗檔的1#料提供，因?yàn)槠渌龣n料在26.5 mm的通過率均為100%，即累計(jì)篩余為0。可由式(6)計(jì)算最粗檔的1#料在26.5 mm的累計(jì)篩余下限值A(chǔ)1約等于20.8%，即通過率的上限值為79.2%。

5%=24%A1

(6)

計(jì)算結(jié)果分析：最粗檔料在26.5 mm的通過率為x%～79.2%，很顯然，最粗檔料的公稱最大粒徑不是26.5 mm，不滿足公稱最大粒徑為26.5 mm的所有粗集料的規(guī)格要求，即要求所有的粗集料在公稱最大粒徑的通過率均為90%～100%。

4 結(jié) 論

按照基層施工技術(shù)細(xì)則推薦的方法可進(jìn)行材料的分檔及摻配，但要根據(jù)混合料的級(jí)配范圍正確判定混合料的公稱最大粒徑?；鶎邮┕ぜ夹g(shù)細(xì)則推薦的混合料級(jí)配有兩種情況，一種是公稱最大粒徑比最大粒徑小一號(hào)標(biāo)準(zhǔn)篩，另一種是公稱最大粒徑與最大粒徑相同。

在判定混合料的公稱最大粒徑時(shí)，可先根據(jù)最大粒徑的定義判定最大粒徑，再看小一號(hào)標(biāo)準(zhǔn)篩的通過率級(jí)配范圍，當(dāng)級(jí)配范圍為x%～100%，即級(jí)配上限為100%時(shí)，可判定該號(hào)篩是公稱最大粒徑，且公稱最大粒徑比最大粒徑小一號(hào)標(biāo)準(zhǔn)篩。如果比最大粒徑小一號(hào)篩的級(jí)配上限不是100%，例如是級(jí)配范圍為90%～95%，則該號(hào)篩不是公稱最大粒徑，判定該混合料的公稱最大粒徑與最大粒徑相同。按照此方法，可判定級(jí)配碎石G-A-3、G-A-4及水泥穩(wěn)定碎石C-B-1、C-B-2、C-B-3的公稱最大粒徑與最大粒徑相同；級(jí)配碎石G-A-1、G-A-2、G-A-5及水泥穩(wěn)定碎石C-C-1、C-C-2、C-C-3的公稱最大粒徑比最大粒徑小一號(hào)標(biāo)準(zhǔn)篩。

當(dāng)混合料的公稱最大粒徑與最大粒徑相同時(shí)，最粗檔料的公稱最大粒徑也與最大粒徑相同，備料時(shí)要篩除最粗檔料大于公稱最大粒徑的超粒徑顆粒，使公稱最大粒徑通過率為100%，否則不能配出公稱最大粒徑與最大粒徑相同的混合料。