王統(tǒng)井 喬東華 叢 林 徐肖龍

(1.同濟大學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?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和篩分機的型號及規(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行有效地控制。對集料級配變異性提出標準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準,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生產(chǎn)的單檔集料的級配達不到規(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理由，導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，強調(diào)了集料公稱最大粒徑對應篩孔通過率的關(guān)鍵作用，建議以關(guān)鍵篩孔通過率的認可范圍作為驗收標準，但該驗收標準與規(guī)范一樣，并未給出集料關(guān)鍵篩孔通過率的變異性指標。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，找到并利用一組標準化篩孔的篩網(wǎng)進行大規(guī)模集料加工。王亞偉[6]在水界高速公路施工過程中，提出了嚴格的碎石加工標準，很好地控制了粗細集料的生產(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]。若按此標準來判定集料合格與否，國內(nèi)很少有料場能夠達到，因而該標準在國內(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料比例。另外，對細集料來說，過大的含水率會造成集料集結(jié)成團，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，傾角也會偏離預先標定的角度。

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，導致取樣代表性不足，集料取樣在皮帶運輸機上進行。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)的一組標準化篩孔篩網(wǎng)進行大規(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%，遠超過2.5%，次要篩孔通過率甚至達到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%，遠超過2.5%，次要篩孔通過率甚至達到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，集料加工存在嚴重問題，這與當?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，導致施工企業(yè)無法準確盤存各階段、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，這會嚴重降低路面質(zhì)量。

4 集料變異性評價標準

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準差為Pij、σij，瀝青混合料礦料合成級配j號篩孔通過率均值與標準差為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)量分數(shù)均值；Pij為i號集料j號篩孔的通過的質(zhì)量分數(shù)均值；σj為合成級配j號篩孔的通過的質(zhì)量分數(shù)標準差；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)量分數(shù)標準差。

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準

國內(nèi)諸多學者[11-14]對瀝青路面工程檢測數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計學分析，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、標準差σij

(3)

(4)

式中:Pijk為i號集料j號篩孔第k次篩分通過質(zhì)量分數(shù)；Pij為i號集料j號篩孔的通過質(zhì)量分數(shù)均值；σij為i號集料j號篩孔的通過的質(zhì)量分數(shù)標準差。

2) 進行目標配合比和生產(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)量分數(shù)的標準差

(5)

式中：σj為瀝青混合料級配j號篩孔的通過率標準差；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)量分數(shù)標準差。

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)，認為原集料級配變異性達到合格要求，可以用于高速公路瀝青路面工程，反之，則認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所選料場集料進行日常篩分試驗，共收集篩分數(shù)據(jù)30組，考慮到集料堆放、運輸會造成集料離析，導致取樣代表性不足，集料取樣均在皮帶運輸機上進行。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)果的標準差對比

由表1可見，各檔集料各篩孔通過質(zhì)量分數(shù)的標準差基本相等，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料是冷料倉按目標配合比供料，冷料倉級配的的波動必然會導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)量分數(shù)標準差計算AC-13瀝青混合料級配各篩孔通過的質(zhì)量分數(shù)標準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準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)量分數(shù)標準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)量分數(shù)異?？赡苁怯捎谖纯紤]礦粉的變異性所導致。因而可以根據(jù)原集料的變異性通過計算預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。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)在施工前預測出瀝青混合料的的級配變異性，若預測值超出允許范圍，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)量分數(shù)標準差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)量分數(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。建議對破碎機停機后進行例行機械檢查和保養(yǎng),對振動篩進行日常清理防堵。

7 結(jié)語

1) 依據(jù)統(tǒng)計學中相互獨立的正態(tài)分布隨機變量的性質(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) 綜合參考各學者提出的標準，提出了相對于規(guī)范更為嚴格的瀝青混合料各關(guān)鍵篩孔通過的質(zhì)量分數(shù)容許偏差標準。

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)量分數(shù)標準差的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到合格要求的方法。若2σj在允許偏范圍內(nèi)，認為原集料級配變異性達到合格要求，可以用于路面工程，反之，則認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，可提前預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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