摘要:介紹了某道路瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)要求及配合比設(shè)計(jì)過(guò)程,總結(jié)出當(dāng)駝峰骨料給目標(biāo)配合比帶來(lái)困難而工程區(qū)附近又沒(méi)有其他可供選擇的料源時(shí),可以考慮通過(guò)改裝拌和樓來(lái)改善骨料級(jí)配。通過(guò)大量試驗(yàn),給出了粘結(jié)層AC220 型和磨耗層AC214 型瀝青混合料的合成級(jí)配曲線及最佳瀝青含量,這對(duì)類(lèi)似工程具有重要的參考價(jià)值。試驗(yàn)還證明,對(duì)于酸性骨料,在礦料中加入一定比例的水泥可以增強(qiáng)瀝青混合料的水穩(wěn)定性,同時(shí)也改善了瀝青混合料的力學(xué)性能。利用美國(guó)ASTM D4867 標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)瀝青混合料的水損害,方法既簡(jiǎn)便又切合實(shí)際,值得推廣。
關(guān)鍵詞:骨料;駝峰;瀝青混合料;水損害
中圖分類(lèi)號(hào):TU528142 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
1 瀝青混凝土設(shè)計(jì)要求
某道路工程位于非洲加納。從起點(diǎn)11 + 425 至23 + 125 是雙層瀝青混凝土,設(shè)計(jì)路面寬度為14．0m。路面結(jié)構(gòu)形式為6cm 粘結(jié)層+ 4cm 磨耗層,路面基層是規(guī)格為0～40mm 的級(jí)配碎石,碎石厚度為20cm。從23 + 125 至40 + 829 是雙層瀝青表面處置,設(shè)計(jì)寬度為7．0m。
該工程基層級(jí)配碎石、瀝青表面處置和瀝青混凝土所用的石料都是花崗巖,石料場(chǎng)距離該工程起點(diǎn)49km。瀝青混凝土所用的瀝青是從科特迪瓦進(jìn)口的60/ 70 殼牌瀝青。
該工程瀝青混凝土粘結(jié)層和磨耗層的級(jí)配要求范圍見(jiàn)表1。骨料最大粒徑分別是20mm 和14mm ,相當(dāng)于我國(guó)道路瀝青混凝土的AC20 和AC13[1 ] ,但級(jí)配范圍比我國(guó)的偏上,細(xì)料相對(duì)多一些。表1 粘結(jié)層和磨耗層瀝青混凝土混合料礦料級(jí)配范圍( %)
粘結(jié)層和磨耗層混合料馬歇爾試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)要求如下:擊實(shí)次數(shù)均為兩面各75 次;穩(wěn)定度大于8kN ;流值2～4mm;空隙率3 %～5 %;瀝青含量4．5 %～5．5 %;粘結(jié)層飽和度為60 %～75 % ,磨耗層為65 %～75 %。
現(xiàn)場(chǎng)瀝青混凝土壓實(shí)后的空隙率要求是6 %～8 %。按試驗(yàn)室馬歇爾試件的空隙率為4 %計(jì)算,現(xiàn)場(chǎng)的壓實(shí)度應(yīng)控制在96 %～98 %之間。
2 瀝青混合料配合比的設(shè)計(jì)
配合比設(shè)計(jì)是道路施工至關(guān)重要的環(huán)節(jié),也是決定工程質(zhì)量的主要因素。按照本工程技術(shù)規(guī)范的要求,采用馬歇爾配合比設(shè)計(jì)方法,試驗(yàn)依據(jù)是美國(guó)瀝青混凝土協(xié)會(huì)MS22 (第6 版本) [2 ] 。配合比設(shè)計(jì)包括目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)階段、生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)階段和生產(chǎn)配合比驗(yàn)證階段共3 個(gè)階段。
本文瀝青混凝土粘結(jié)層0～20mm 是用4 種不同規(guī)格的骨料合成,分別是0～5mm ,5～0mm ,10～14mm 和14～20mm。磨耗層0～14mm 是用3 種不同規(guī)格的骨料合成,分別是0～5mm、5～10mm、10～14mm。
表2 和圖1 是粘結(jié)層4 種規(guī)格骨料的篩分結(jié)果和合成混合料的計(jì)算級(jí)配曲線。表3 和圖2 是磨耗層3 種規(guī)格骨料的篩分結(jié)果和合成混合料的計(jì)算級(jí)配曲線。
從表2、表3 和圖1、圖2 可以看出,由于0～5mm 的石粉太細(xì),無(wú)論配合比如何調(diào)整,合成級(jí)配曲線總是在0．3～0．6mm 之間出現(xiàn)駝峰。駝峰級(jí)配表示為含砂量過(guò)多的混合料或相對(duì)于總砂量來(lái)說(shuō)細(xì)砂太多的混合料,這種級(jí)配的混合料在施工期間經(jīng)常存在壓實(shí)度難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求的問(wèn)題,并表現(xiàn)為在使用期抗永久變形能力不足,而且容易造成礦料間隙率過(guò)小,使路面出現(xiàn)泛油、波浪等病害。
駝峰級(jí)配給目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)增加了難度,經(jīng)數(shù)次試驗(yàn),試配出來(lái)的瀝青混合料都無(wú)法滿足設(shè)計(jì)礦料間隙率為12 %～14 %(粘結(jié)層) 和13 %～15 %(磨耗層) 的要求。所以不得不終止目標(biāo)配合比的設(shè)計(jì)。
通過(guò)研究,首次提出了利用瀝青拌和樓的除塵設(shè)備把引起駝峰的細(xì)砂吸出去的方法來(lái)解決骨料級(jí)配駝峰問(wèn)題。
本文工程所用的瀝青拌和樓有5 個(gè)冷料倉(cāng),4 個(gè)熱料倉(cāng)。拌和樓的篩網(wǎng)尺寸分別為4、8、12 和25mm。排氣集塵裝置包括干式第1 級(jí)除塵裝置和濕式第2 級(jí)除塵裝置。干式集塵裝置是把干燥筒、振動(dòng)篩和熱料倉(cāng)的粉塵通過(guò)旋風(fēng)除塵器吸到錐形筒內(nèi),錐形筒內(nèi)較細(xì)的粉塵通過(guò)引風(fēng)機(jī)吸進(jìn)水塔打入水池,較粗的粉塵是通過(guò)熱料提升器送到主拌和樓熱料倉(cāng)參與瀝青混合料的拌和。
為了檢測(cè)拌和樓的除塵能力,按照目標(biāo)配合比計(jì)算的大概比例進(jìn)料,然后從熱料倉(cāng)取樣進(jìn)行試配,結(jié)果骨料駝峰仍然存在。這說(shuō)明拌和樓的正常除塵(盡管把鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)門(mén)開(kāi)得很大) 不能把引起骨料駝峰的細(xì)砂抽出去。因?yàn)榘韬蜆堑脑O(shè)計(jì)目標(biāo)要把較粗的細(xì)砂通過(guò)熱料提升器送至主拌和樓重新篩分,而這部分細(xì)料不需要,必須阻止這部分細(xì)砂進(jìn)入拌和樓,為此需要通過(guò)改裝拌和樓把這部分細(xì)料“導(dǎo)”出去,然后由裝載機(jī)運(yùn)走。
拌和樓改裝后,又重新從4 個(gè)熱料倉(cāng)取樣篩分(表4、表5) 。從表4、表5 的篩分結(jié)果可以看出,拌和樓改裝后1 # 熱料倉(cāng)的石粉比拌和樓改裝前粗了很多,骨料駝峰的問(wèn)題得到了有效的解決。
粘結(jié)層AC220 型瀝青混合料的合成級(jí)配曲線見(jiàn)圖3 ,經(jīng)試驗(yàn)最終確定瀝青混合料最佳瀝青含量為46 % ,熱料倉(cāng)配合比例為:礦粉1 % ,1# 38 % ,2 # 21 % ,3 # 15 % ,4 # 25 %。最佳瀝青用量下的AC220 瀝青混合料馬歇爾指標(biāo)見(jiàn)表6。
磨耗層AC214 型瀝青混合料的合成級(jí)配曲線見(jiàn)圖4 ,經(jīng)試驗(yàn)最終確定瀝青混合料最佳瀝青含量為4．9 % ,熱料倉(cāng)配合比例為:礦粉1．5 % ,1# 46．5 % ,2 # 20 % ,3 # 18 % ,4 # 14 %。最佳瀝青用量下的AC214瀝青混合料馬歇爾指標(biāo)見(jiàn)表7。
3 瀝青和石料的粘附性試驗(yàn)
眾所周知,瀝青與堿性石料有良好的結(jié)合力,與酸性石料的結(jié)合力較差,遇水瀝青容易剝落。本文工程所用的石料是典型的酸性骨料———花崗巖。為了檢驗(yàn)花崗巖與瀝青的粘附力,本文試驗(yàn)室采用中國(guó)交通部標(biāo)準(zhǔn)T0616 的水煮法檢測(cè)[3 ] ,檢測(cè)結(jié)果表明,花崗巖的粘附性等級(jí)為3 級(jí),需要進(jìn)行處理。
4 水穩(wěn)定性試驗(yàn)
按照施工合同的規(guī)定,在選定瀝青混合料的最佳瀝青用量和級(jí)配之后,必須按照ASTM D4867[4 ] 標(biāo)準(zhǔn)做水損害試驗(yàn)。如果劈裂抗拉強(qiáng)度比小于75 % ,則要在瀝青混合料中加抗剝落劑。
4．1 ASTM D4867 試驗(yàn)過(guò)程 (1) 每次制作最少6 個(gè)試件,其中一半用于干燥條件試驗(yàn),另一半用于潮濕條件試驗(yàn); (2) 先把按配合比配好的礦料加熱到150 ±6 ℃,然后加入要求數(shù)量的添加劑拌和均勻,放在烘箱中保持這一溫度; (3) 將礦料從烘箱中取出加入最佳用量的瀝青,拌和均勻,放入烘箱1～2h ,溫度為140 ±5 ℃; (4) 把瀝青混合料從烘箱中取出,做馬歇爾擊實(shí),試件擊實(shí)后的空隙率應(yīng)為7 ±1 %; (5)將試件冷卻到室溫并脫模; (6) 按規(guī)定的方法測(cè)定混合料的最大理論密度,測(cè)量試件的直徑、高度和毛體積相對(duì)密度。計(jì)算試件的空隙率,空隙率不符合要求的試件作廢; (7) 將試件分成2 組,其中1 組作為干燥條件試驗(yàn)的試件,在室溫條件下存放,直至劈裂試驗(yàn)前放入25 ℃水中20min ; (8) 另1 組供潮濕狀態(tài)試驗(yàn)的試件按以下步驟處理,將試件放入一真空容器中,向容器注入蒸餾水浸沒(méi)試件,在短時(shí)間內(nèi)(5～10min) 施加70kPa 或525mm高水銀柱的真空。取出試件,計(jì)算毛體積密度,并計(jì)算飽水率。飽水率應(yīng)控制在55 %～80 %之間。如果飽水率不符合要求,應(yīng)調(diào)整真空度,使試件的飽水率符合要求。當(dāng)飽水率大于80 %時(shí),試件應(yīng)作廢; (9) 把試件放入60 ±1 ℃水浴中24h ; (10) 調(diào)整試件溫度,把試件放在25 ±1 ℃的水浴里1h ; (11) 測(cè)量試件的高度和體積,計(jì)算試件的吸水率和飽水率。如果飽水率超過(guò)80 %可以接受; (12) 將干燥條件下的試件同樣放入水中保持20min ,然后與潮濕狀態(tài)的試件同時(shí)進(jìn)行劈裂試驗(yàn)。試驗(yàn)壓條寬度為13mm。
測(cè)定劈裂抗拉強(qiáng)度,加載速率為50mm/ min ,計(jì)算破壞強(qiáng)度比STR :STR = ( StmPStd ) ×100 (1)式中: S TR為劈裂抗拉強(qiáng)度比( %) ; Stm和Std分別為干燥條件下試件和潮濕條件試件的抗拉強(qiáng)度。
4．2 水損害試驗(yàn) 首先做粘結(jié)層和磨耗層瀝青混合料在不添加任何抗剝落劑的水穩(wěn)定性試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8 ,表9。從表8 和表9 可以看出,不采取抗剝落措施粘結(jié)層和磨耗層的抗拉強(qiáng)度比不能滿足ASTM規(guī)定的抗拉強(qiáng)度比大于75 %的要求。根據(jù)合同要求必須加入抗剝落劑。
抗剝落劑分液體和粉狀固體2 種,固體的有石灰和波特蘭水泥?？紤]加納國(guó)家的具體情況和成本核算以及采購(gòu)的方便,決定采用波特蘭水泥作為抗剝落劑。
對(duì)粘結(jié)層和磨耗層的混合料分別加入0．5 %、1．0 %、1．5 %和2．0 %的水泥代替礦粉來(lái)做水穩(wěn)定試驗(yàn),見(jiàn)表8 和表9。
表8 粘結(jié)層AC20 瀝青混合料ASTM D4867 水損害試驗(yàn)結(jié)果
從表8 粘結(jié)層和表9 磨耗層的水損害試驗(yàn)結(jié)果可以看出,加入水泥后的瀝青混合料的間接抗拉強(qiáng)度均有所提高,這表明添加抗剝落劑后有利于改善瀝青混合料的力學(xué)性能。
觀察馬歇爾試件劈開(kāi)后的斷面,可以直觀看出,不加水泥的瀝青混合料(粘結(jié)層和磨耗層) 的石料瀝青膜有不同程度的剝落,部分石子露出表面。當(dāng)加入015 %的水泥時(shí)情況稍有好轉(zhuǎn)。當(dāng)水泥增至1．0 %以上,馬歇爾試件劈開(kāi)后的斷面看不到石料露出表面。
從表8 和表9 還可以看出,粘結(jié)層AC20 和磨耗層AC14 的瀝青混合料在不加水泥的情況下,粘結(jié)層的抗拉強(qiáng)度比為62． % ,磨耗層的抗拉強(qiáng)度比為66． % ,不能滿足ASTM 規(guī)范最少為75 %的指標(biāo)要求。
當(dāng)水泥劑量從0.5 %～2.0 %逐漸增加時(shí),粘結(jié)層和磨耗層的抗拉強(qiáng)度比也隨之增大。當(dāng)水泥劑量增大到一定程度,抗拉強(qiáng)度比無(wú)明顯變化。粘結(jié)層水泥劑量為1.5 %的抗拉強(qiáng)度比為96.8 % ,水泥劑量為2.0 %的抗拉強(qiáng)度比為98.0 %。磨耗層水泥劑量為1.5 %的抗拉強(qiáng)度比為98.0 % ,水泥劑量為2.0 %的抗拉強(qiáng)度比為99.0 %。
由于粘結(jié)層位于磨耗層下面,不直接與水和空氣接觸,而且在水泥劑量為1.0 %的情況下,其抗拉強(qiáng)度為89.5 % ,已經(jīng)滿足ASTM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不小于75 %的要求。因此最后決定粘結(jié)層的瀝青混合料加入1.0 %的水泥替代礦粉作為抗剝落劑。磨耗層瀝青混合料加入1.5 %的水泥替代礦粉作為抗剝落劑。
5 結(jié)論
(1) 當(dāng)駝峰骨料給目標(biāo)配合比帶來(lái)困難而工程項(xiàng)目附近又沒(méi)有其他可供選擇的料源時(shí),可以考慮通過(guò)改裝拌和樓來(lái)改善骨料級(jí)配,然后直接進(jìn)行生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì); (2) 在礦料中加入一定比例的水泥可以增強(qiáng)瀝青混合料的水穩(wěn)定性,同時(shí)也改善了瀝青混合料的力學(xué)性能; (3) 利用美國(guó)ASTM D4867 標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)瀝青混合料的水損害,方法既簡(jiǎn)便又切合實(shí)際,是國(guó)外施工常用的評(píng)價(jià)水損害的辦法,值得國(guó)內(nèi)同行借鑒。
參 考 文 獻(xiàn):
[1] JTG F4022004 ,公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[ S] .
[2] MS22 (第六版本) ,瀝青混凝土設(shè)計(jì)方法[ S] .
[3] JTJ 05222000 ,公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[ S] .
[4] ASTM D4867 ,水對(duì)瀝青混凝土鋪路材料影響的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法[ S] .
