余繼鳳,劉 唐

(湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,武漢 430079)

基于級(jí)配要求的礦質(zhì)混合料配合比調(diào)整公式研究

余繼鳳,劉 唐

(湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,武漢 430079)

文章研究基于級(jí)配要求的礦質(zhì)混合料配合比調(diào)整公式,可由礦質(zhì)混合料在某篩上的通過(guò)率增量反算配合比調(diào)整量,能提高礦質(zhì)混合料組成設(shè)計(jì)效率及對(duì)拌和站混合料的級(jí)配控制。

礦質(zhì)混合料; 級(jí)配; 配合比調(diào)整; 公式

水泥混凝土、級(jí)配碎石、無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土、瀝青混合料等材料是路橋工程中常用的混合料。在施工準(zhǔn)備階段,要對(duì)水泥混凝土的粗集料、級(jí)配碎石、無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土、瀝青混合料進(jìn)行礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計(jì),當(dāng)?shù)V質(zhì)混合料的合成級(jí)配不滿足級(jí)配要求時(shí),要調(diào)整配合比。在生產(chǎn)過(guò)程中,需要在拌和站對(duì)混合料進(jìn)行級(jí)配抽檢,當(dāng)級(jí)配不滿足要求時(shí),也要調(diào)整配合比。目前在各版本的《道路建筑材料》教材中都沒(méi)有介紹如何調(diào)整礦質(zhì)混合料的配合比,也沒(méi)有論文或著作來(lái)介紹此方面的研究成果,通常做法是通過(guò)反復(fù)修改配合比直至合成級(jí)配滿足要求,工效低且欲使合成級(jí)配在某標(biāo)準(zhǔn)篩上的通過(guò)率達(dá)到調(diào)整的目標(biāo)值較為困難。因此,研究如何根據(jù)級(jí)配要求來(lái)調(diào)整配合比具有重要意義。

1 級(jí)配要求

1.1 水泥混凝土、級(jí)配碎石、無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土

水泥混凝土的粗集料、級(jí)配碎石、無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土都有級(jí)配要求,按照行業(yè)規(guī)范的規(guī)定,都要做礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計(jì),使合成級(jí)配在級(jí)配范圍內(nèi)。當(dāng)水泥混凝土用于橋涵工程、路面工程時(shí),要用多種不同規(guī)格的粗集料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì),使粗集料的合成級(jí)配分別滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》[1]、《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》[2]規(guī)定的級(jí)配范圍。級(jí)配碎石、無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土用作路面的基層、底基層、墊層,其礦質(zhì)混合料的合成級(jí)配應(yīng)滿足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》[3]、《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]規(guī)定的級(jí)配范圍。

1.2 瀝青混合料

瀝青混合料的級(jí)配要求非常嚴(yán)格,合成級(jí)配應(yīng)滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定。在進(jìn)行瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)時(shí),合成級(jí)配應(yīng)在級(jí)配范圍內(nèi)、合成級(jí)配曲線的形狀應(yīng)滿足規(guī)定、關(guān)鍵性篩孔上通過(guò)率應(yīng)滿足要求;在瀝青混合料的生產(chǎn)過(guò)程中,抽檢的礦料級(jí)配應(yīng)滿足偏差要求。

1.2.1 瀝青混合料應(yīng)滿足級(jí)配范圍的要求

合成級(jí)配必須在級(jí)配范圍內(nèi)?！豆窞r青路面施工技術(shù)規(guī)范》推薦了瀝青混合料的級(jí)配范圍[5],還規(guī)定了工程設(shè)計(jì)級(jí)配范圍的確定方法及相關(guān)要求,應(yīng)按照氣候條件、交通條件、公路等級(jí)、所處的層位及工程所在地的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定瀝青混合料的工程設(shè)計(jì)級(jí)配范圍[5]。在選定合格的原材料并完成各礦料的篩分試驗(yàn)后,確定各礦料的質(zhì)量百分比(即配合比),校核合成級(jí)配是否在工程設(shè)計(jì)級(jí)配范圍內(nèi),否則必須調(diào)整配合比。

1.2.2 瀝青混合料應(yīng)滿足合成級(jí)配曲線的形狀要求

瀝青混合料不僅要滿足級(jí)配范圍要求,還要按泰勒曲線橫坐標(biāo)繪制級(jí)配曲線,要求合成級(jí)配曲線的形狀不能有太多的鋸齒形交錯(cuò),在0.3～0.6 mm不要出現(xiàn)駝峰,否則必須調(diào)整配合比。級(jí)配曲線的繪制方法及級(jí)配曲線的形狀要求詳見(jiàn)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[5]附錄B、《淺談泰勒曲線橫坐標(biāo)級(jí)配曲線的繪制方法》[6]。

1.2.3 瀝青混合料應(yīng)滿足關(guān)鍵性篩孔上通過(guò)率的限制條件

根據(jù)工程所在地的公路等級(jí)、氣候及交通條件,選擇采用粗型(C型)或細(xì)型(F型)混合料。粗型、細(xì)型級(jí)配在關(guān)鍵性篩孔上通過(guò)率應(yīng)滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中5.3條的要求[5]。例如,AC-13C在關(guān)鍵性篩孔2.36 mm上的通過(guò)率應(yīng)小于40%。

1.2.4 瀝青混合料拌和站礦料級(jí)配的允許偏差

在瀝青混合料的生產(chǎn)過(guò)程中,需按一定的頻率抽檢混合料級(jí)配,偏差不得大于《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》11.4.4.3規(guī)定的允許偏差[5],否則應(yīng)及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)配合比。

2 配合比調(diào)整

如果礦質(zhì)混合料不滿足上述級(jí)配要求,則需進(jìn)行配合比調(diào)整。

案例1:某夏炎熱區(qū)高速公路AC-13C目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)時(shí),選用的五種礦料為1#料9.5～13.2 mm、2#料4.75～9.5 mm、3#料2.36～4.75 mm、4#料0～2.36 mm、礦粉,已知這5種礦料的篩分試驗(yàn)結(jié)果及AC-13C的級(jí)配范圍見(jiàn)表1,初擬配合比為1#料∶2#料∶3#料∶4#料∶礦粉=25%∶22%∶10%∶40%∶3%,計(jì)算出礦質(zhì)混合料的合成級(jí)配見(jiàn)表1,畫出的級(jí)配曲線圖見(jiàn)圖1。

表1 AC-13C的目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)

2.1 確定配合比調(diào)整目標(biāo)

在進(jìn)行瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)根據(jù)級(jí)配要求校核配合比,使混合料的合成級(jí)配滿足三個(gè)要求(即級(jí)配范圍、級(jí)配曲線形狀、關(guān)鍵性篩孔通過(guò)率)。在圖1中,合成級(jí)配在級(jí)配范圍內(nèi);合成級(jí)配沒(méi)有太多的鋸齒形交錯(cuò),且在0.3～0.6 mm范圍內(nèi)不出現(xiàn)“駝峰”;在關(guān)鍵性篩孔2.36 mm上的通過(guò)率是43.5%,大于《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[5]規(guī)定的“小于40%”的要求,必須調(diào)整配合比,使關(guān)鍵性篩孔2.36 mm的通過(guò)率滿足要求,否則會(huì)因?yàn)榇旨咸俣荒苄纬晒羌芙Y(jié)構(gòu),使夏炎熱區(qū)的瀝青路面高溫抗車轍能力不足而出現(xiàn)破壞。在圖1中,混合料在2.36 mm篩上的通過(guò)率偏大,調(diào)整配合比前的通過(guò)率為P=43.5%,可根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)確定調(diào)整配合比后混合料應(yīng)達(dá)到的通過(guò)率P′,例如P′=37.0%,則混合料在2.36 mm篩上的通過(guò)率增量ΔP=P′-P=37.0%-43.5%=-6.5%。

2.2 確定需調(diào)整配合比的礦料種類

在案例1中,設(shè)1#料、2#料、3#料、4#料、礦粉在某篩上的通過(guò)率分別為P1、P2、P3、P4、P5,調(diào)整前1#料∶2#料∶3#料∶4#料∶礦粉的配合比為X1∶X2∶X3∶X4∶X5,調(diào)整后的配合比為可按分別式(1)、式(2)求出調(diào)整前、調(diào)整后礦質(zhì)混合料在某篩上的通過(guò)率為P、P′。

用式(2)減去式(1),可得出礦質(zhì)混合料在某篩上的通過(guò)率增量ΔP與礦料用量的增量ΔXi的關(guān)系,見(jiàn)式(3)。

所有礦料的用量Xi之和保持100%不變,故所有礦料用量ΔXi的增量之和為零,調(diào)整礦料A和礦料B的用量,設(shè)礦料A用量增量為ΔX,則礦料B用量增量為-ΔX,其它礦料增量為零,即式(3)變形為式(4)。

在案例1中,欲調(diào)整混合料在2.36 mm篩上的通過(guò)率,為了使ΔP調(diào)整的效果顯著,應(yīng)使(PA-PB)的值盡可能大,即在級(jí)配曲線圖上,礦料A位于欲調(diào)整混合料通過(guò)率的篩孔2.36 mm的左側(cè)(例如礦粉、4#料),而礦料B位于其右側(cè)(例如3#料、2#料、1#料);調(diào)整混合料在2.36 mm篩的通過(guò)率時(shí),不能對(duì)0.075 mm、4.75 mm、中間粒徑9.5 mm、公稱最大粒徑13.2 mm等篩孔的通過(guò)率造成較大影響,即在這些篩上礦料A、礦料B的通過(guò)率之差(PA-PB)的值盡可能小,即在級(jí)配曲線圖上,礦料A、礦料B在這些篩的同側(cè)。因此,礦料A、礦料B的位置應(yīng)該相鄰,故在案例1中礦料A、礦料B分別為4#料、3#料。

綜上所述,欲調(diào)整混合料在某篩上的通過(guò)率,則應(yīng)調(diào)整在級(jí)配曲線圖上的與該篩位置相鄰的兩種礦料。

2.3 調(diào)整配合比

由式(4)變形,可得配合比調(diào)整公式,見(jiàn)式(5)。

式中,ΔP調(diào)為配合比調(diào)整目標(biāo),即混合料在某篩孔上的通過(guò)率增量,%。PA、PB分別為礦料A、礦料B在該篩上的通過(guò)率,%。礦料A、礦料B為需調(diào)整配合比的兩種礦料,即在級(jí)配曲線上與該篩的位置相鄰的兩種礦料。ΔX為礦料A的配合比增量。礦料B的配合比增量為-ΔX。

在案例1中,混合料在2.36 mm篩上的通過(guò)率增量ΔP調(diào)為-6.5%,礦料A(4#料)在2.36 mm篩上的通過(guò)率PA=100%,礦料B(3#料)在2.36 mm篩上的通過(guò)率PB=5.4%,代入式(5),可求礦料A的配合比增量ΔX:ΔX=ΔP調(diào)/(PA-PB)=-6.5/(100-5.4)=-7%。

配合比調(diào)整的結(jié)果:4#料減少7%,3#料增加7%,其它礦料用量不變,調(diào)整前的配合比為1#料∶2#料∶3#料∶4#料∶礦粉=25%∶22%∶10%∶40%∶3%,調(diào)整后的配合比為1#料∶2#料∶3#料∶4#料∶礦粉=25%∶22%∶17%∶33%∶3%。

2.4 配合比調(diào)整的效果分析

根據(jù)調(diào)整后的配合比,計(jì)算混合料在各標(biāo)準(zhǔn)篩上的通過(guò)率,畫出調(diào)整后的級(jí)配曲線見(jiàn)圖2,混合料在2.36 mm篩的通過(guò)率達(dá)到調(diào)整目標(biāo);混合料在0.075 mm、4.75 mm、中間粒徑9.5 mm、公稱最大粒徑13.2 mm篩孔的通過(guò)率增量分別為0.6%、0%、0%、0%,基本沒(méi)有發(fā)生變化,可見(jiàn)調(diào)整效果較好。

3 結(jié) 語(yǔ)

調(diào)整礦質(zhì)混合料的配合比時(shí),首先確定級(jí)配曲線的調(diào)整目標(biāo),即混合料在某篩上的通過(guò)率增量;再確定需調(diào)整的礦料種類,即在級(jí)配曲線圖上與該篩相鄰的兩種礦料;最后通過(guò)配合比調(diào)整公式計(jì)算配合比調(diào)整量,見(jiàn)式(5)。文章介紹的配合比調(diào)整公式,可由混合料的級(jí)配曲線調(diào)整目標(biāo)快速反算配合比調(diào)整量,且不影響混合料在其它重要篩孔上的通過(guò)率,調(diào)整方法簡(jiǎn)單,效果顯著,對(duì)提高礦質(zhì)混合料組成設(shè)計(jì)效率及拌和站混合料的級(jí)配控制均具有重要意義。文章介紹的配合比調(diào)整方法不僅適用于AC-13的礦質(zhì)混合料級(jí)配控制,還適用于AC-20、AC-25等所有AC、SMA、瀝青碎石、級(jí)配碎石、無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土等礦質(zhì)混合料的級(jí)配控制。

[1] 中交第一公路工程局有限公司.JTG/T F 50—2011公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2011.

[2] 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院.JTG/T F 30—2014公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則[S].北京:人民交通出版社,2014.

[3] 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院.JTG/T F 20—2015公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則[S].北京:人民交通出版社,2015.

[4] 中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTG D 50—2006公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2006.

[5] 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院.JTG F 40—2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[6] 余繼鳳.淺談泰勒曲線橫坐標(biāo)級(jí)配曲線的繪制方法[J].中國(guó)水運(yùn)(下半月),2015,15(9):322-324.

Research on Formula of Adjusting Mineral Mixture Ratio Based on Grading Requirement

YU Ji-feng,LIU Tang
(Hubei Communication Technical College,Wuhan 430079,China)

This paper introduces the formula of adjusting mineral mixture ratio based on the grading requirement. According to the increment of the mineral mixture on a sieve,the proportion of the mixture is calculated.This can important to improve the efficiency of composition design of mineral mixture and control the grading of the mixture in the mixing station.

mineral mixture; grading; adjusting mineral mixture ratio;formula

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.05.010

2015-07-17.

余繼鳳(1973-),副教授.E-mail:819755055@qq.com