陳 明

(中鐵十八局集團天津國際工程分公司，天津 300222)

蘇丹法烏公路為高速公路，地處蘇丹北達爾富爾地區(qū)，該地區(qū)常年氣候炎熱，安全形勢不穩(wěn)定。蘇丹國家公路局從節(jié)省成本和縮短工期的角度考慮，將瀝青路面設計為單層5cm。為使單層瀝青路面適應當?shù)貧夂颦h(huán)境，并滿足穩(wěn)定性、耐久性、設計時速等要求，參照美國規(guī)范并進行一定調(diào)整，給出蘇丹特種瀝青混凝土配合比設計。該配合比設計要求與美國標準中同等級配合比設計要求相比，骨料級配要求差異較大，馬歇爾各項指標要求更為嚴格，配制難度較大。

1 配比分析

1.1 標準分析

該配合比骨料公稱最大粒徑為19mm，配比類型為AC-20，骨料級配和馬歇爾各項指標與美國標準中同等級瀝青配合對比見表1。

由表1可知，法烏公路標準中控制骨料級配的篩孔尺寸與美國標準相同，說明此配合比是參照ASTM標準設計的。 按照ASTM標準，施工技術(shù)人員添加12.5mm、1.18mm、0.6mm、0.15mm這4個篩孔通過率的控制，骨料級配要求較ASTM標準更為嚴格。

法烏公路標準中骨料級配要求與ASTM AC-20標準要求相比，各篩孔的通過率都有不同程度的增加，關(guān)鍵篩孔4.75mm的通過率，法烏公路標準為48%-70%，ASTM標準為35%-65%，通過率下限增加了13%，通過率中值增加了9%，4.75mm以下篩孔的通過率也相應增加。馬歇爾VFA、VMA和VV這三項指標相對于其他各項指標的要求來說，尤為嚴格。

表1 馬歇爾各項指標與美國標準中同等級瀝青配合對比

1.2 設計目的分析

一般高速公路瀝青路面設計為三層[1]：瀝青穩(wěn)定層、中間層、面層。蘇丹國家公路局考慮達爾富爾地區(qū)安全形勢不穩(wěn)定，為節(jié)省成本、縮短工期，瀝青路面設計為單層5cm，時速120km/h，使用壽命15年。常規(guī)瀝青混凝土不能同時滿足穩(wěn)定及耐久性、路面平整度、設計時速等要求。

AC-20瀝青混凝土一般作為瀝青路面中間層，主要起承載和聯(lián)結(jié)作用，如果作為面層使用，摩擦力大、路面平整度差，影響車速。AC-10瀝青混凝土一般作為瀝青路面面層，如果單層使用，穩(wěn)定性差、使用壽命短[2]。法烏公路瀝青混凝土配比設計就是以ASTM AC-20為基礎使瀝青混凝土具有一定的穩(wěn)定性，增加4.75mm以下細骨料的用量以減小路面摩擦力，提高馬歇爾指標要求以增強瀝青混凝土的耐久性，適用于單層瀝青路面。

1.3 配比難點分析

AC-20瀝青混凝土的礦料間隙率VMA一般在16%以下，本標準將VMA提高到16%-20%，目的是提高瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性和耐久性。但隨著VMA的提升，剩余孔隙率VV會增大，瀝青飽和度VFA會減小，而標準要求的VV偏小、VFA偏大，三項指標產(chǎn)生沖突，不容易同時滿足[3]。瀝青用量是影響VFA的主要因素，適當增加瀝青用量，VFA會升高，瀝青混凝土會更加密實，耐久性也會提高，但該公路常年處于炎熱氣候中，瀝青用量過大會出現(xiàn)泛油現(xiàn)象，應盡量控低。因此，在最佳瀝青用量盡量小的前提下，如何調(diào)整礦料配合比使VMA、VV、VFA同時滿足標準要求，是該配合比的主要難點。

2.配合比配制

2.1 原材料選取

2.1.1 瀝青

該工程嚴格按照ASTM標準施工，各項指標都符合ASTM標準要求：采用Iran進口的石油瀝青（標號70號），52.7℃是此種型號瀝青的軟化點，其針入度是65（0.1mm）。

2.1.2 骨料

法烏公路處于偏遠地區(qū)，安全形勢不穩(wěn)定，周圍沒有骨料供應商，只能自行生產(chǎn)。通過考察施工周邊區(qū)域，找到符合要求的骨料。此種原材為玄武巖，其優(yōu)點是不用爆破、易采集；但韌性和硬度都很大，非常不易破碎和磨成細沙。

所產(chǎn)碎石為三種粒級：9.5-19mm、4.75-9.5mm、4.75mm以下。其中4.75mm以下碎石產(chǎn)量最少，最大產(chǎn)量約為總產(chǎn)量的28%。而標準中要求4.75mm的通過率為48%-70%，如果完全使用碎石機生產(chǎn)的細骨料，會有大量的粗骨料剩余，加大生產(chǎn)成本，而且碎石機生產(chǎn)的細骨料所含粉料少，很難滿足標準級配要求，因此需摻加一部分天然細骨料?？疾彀韬险靖浇奶烊簧昂螅陔x拌合站約5公里的地點，找到級配較好的黃砂。給4種骨料編號，9.5-19mm碎石為1號骨料，4.47-9.5mm碎石為2號骨料，4.75毫米以下的黃砂作為4號骨料，碎石作為3號骨料。

按標準要求對所選4種骨料進行質(zhì)檢，結(jié)果均符合法烏公路標準要求，骨料選取完成。

2.1.3 外摻礦粉

外摻礦粉是自行生產(chǎn)，原材選用離拌合站較近、易采集和磨細的石英巖，對所產(chǎn)石粉多次取樣并進行篩分析及塑性指數(shù)、表觀密度試驗，根據(jù)試驗結(jié)果控制原材料質(zhì)量并對磨粉機做相應調(diào)節(jié)，在符合標準要求的前提下將石粉產(chǎn)量調(diào)至最高[4]。

2.2 目標配合比設計

對于熱拌瀝青混合料的配合比方法，中國和美國的規(guī)范以及設計方法大同小異，通過參照《公路路基路面施工技術(shù)規(guī)范（JTG F40-2004）》[5]對該項工程的配合比進行設計施工。

2.2.1 礦料配合比設計

（1）礦料配合比試配。將4種骨料及礦粉按照標準要求試驗方法取樣、分料、篩分，將篩分結(jié)果輸入Excel電子表格進行試配。反復調(diào)節(jié)各骨料和礦粉的用量百分比后發(fā)現(xiàn)，無法將全部篩孔的通過率調(diào)到中值，只能將關(guān)鍵篩孔4.75mm的通過率調(diào)至中值，其他各篩孔的通過率盡量接近中值，以此方法初步設計一種礦料配合比進行VMA測定。礦料配合比分別是：4號骨料15% ；3號骨料35%；2號骨料19%；1號骨料28%；礦粉為3%。

（2）礦料配合比調(diào)整。根據(jù)當?shù)乇O(jiān)理方經(jīng)驗，瀝青用量不宜超過5%，又因AC-20的VMA一般小于16%，一般情況下VMA隨瀝青用量的增加而減小，因此測定VMA的瀝青用量選擇標準要求的瀝青含量下限為4.8%。采用初歩設計的礦料配合比進行試拌，依據(jù)標準要求的試驗方法做馬歇爾試驗，相關(guān)指標數(shù)為：礦料間隙率VMA:17.2%；剩余空隙率VV:5.0%；瀝青飽和度VFA:70.9%；流值：2.7mm；馬歇爾穩(wěn)定度：11.8kN。

結(jié)果顯示：VMA、流值、馬歇爾穩(wěn)定度滿足標準要求，VV超出標準上限較多，VFA低于標準下限過多。采用此組礦料配合比進行目標配合比設計實驗顯示，瀝青量在5.5% 左右最佳。瀝青用量過高會出現(xiàn)泛油、嚴重車轍等不良現(xiàn)象，所以需根據(jù)影響馬歇爾各指標的因素重新調(diào)整礦料配合比。馬歇爾指標與影響因素關(guān)系見表2。

表2 馬歇爾指標與影響因素關(guān)系

由表2可知，VV隨VMA的增大而增大，VFA隨VMA的增大而減小，影響VV、VMA、VFA之間關(guān)系的主要因素為細砂量、礦粉用量和富棱角集料用量，需適當增加礦粉用量，降低細砂用量，降低富棱角集料用量。而礦粉的產(chǎn)量較低，生產(chǎn)成本高，礦粉用量增加拌合時間會增長，施工性能也會降低，從節(jié)省成本和保證施工性能的角度考慮，不宜增加礦粉用量，所以只能嘗試調(diào)節(jié)細砂用量和富棱角集料用量。細砂量為3、4號骨料的總量，2、3號骨料為富棱角集料。

多次調(diào)整礦料配合比進行馬歇爾試驗，結(jié)果顯示：細砂總量（3、4號骨料的總量）減小，VMA明顯降低，不宜低于50%；而降低3號骨料用量，增大4號骨料用量，VMA略微減小，VV減小，VFA升高，馬歇爾穩(wěn)定度降低，若天然砂的用量超過20%，馬歇爾穩(wěn)定度超出標準下限；在增添1號骨料碎石用量的同時，縮減2號骨料用量，VFA開始提升、VMA微微有些減小，VV有些減小，馬歇爾穩(wěn)定度較平穩(wěn)。進一步調(diào)整后，最終礦料配合比設計為：1號骨料31% ；2號骨料16% ；3號骨料32%；4號骨料18%；礦粉3%。馬歇爾試驗結(jié)果如下：礦料間隙率VMA:17.0% ；剩余空隙率VV:4.2%；瀝青飽和度VFA:75.3%；流值：2.3；馬歇爾穩(wěn)定度：10.2kN。

至此，礦料配合比設計完成，礦料配合比級配曲線與標準級配曲線比較如圖1所示。

圖1 礦料配合比級配曲線與標準級配曲線比較

2.2.2 確定瀝青最佳用量

按照標準規(guī)定的試驗方法，測定各種礦料的毛體積相對密度，采用規(guī)范JTG F40-2004 附錄B中的計算方法，預估適宜的瀝青用量為5%。

把預估5%的瀝青用量作為中值，0.5%為間隔，用已確定的礦料配合比制作5組不同瀝青用量的馬歇爾試件，按照JTG F40-2004規(guī)定的試驗及計算方法，詳細測定并計算出5組馬歇爾試件的各項指標（縱坐標為該試驗的各項指標，橫坐標為瀝青用量），以此繪制曲線。依據(jù)JTG F40-2004規(guī)定的方法進行詳細演算，從而得出最佳瀝青用量OAC是5.1%。因蘇丹法烏公路是非洲炎熱地區(qū)重載交通高速公路，建議適當降低OAC值。參照曲線中，按照公路標準要求范圍，依據(jù)瀝青含量對應的各項馬歇爾指標進行反復試驗，確定OAC為5%。而OAC相對的馬歇爾指標為：礦料間隙率VMA:16.8%；剩余空隙率VV:3.8%；瀝青飽和度VFA:77.4%；流值：2.3；馬歇爾穩(wěn)定度：12.4kN。

各指標都在標準要求范圍內(nèi)，可確定瀝青最佳用量及礦料配合比，同時設計完成目標配合比。

2.3 生產(chǎn)配合比設計

生產(chǎn)配合比設計是使用間歇式拌合機拌料時的必要環(huán)節(jié)，該工程使用的此類拌合機最大拌合量為：2000 kg/盤、冷料倉4個、熱料倉4個。按目標配合比中設計的4種骨料的比例，調(diào)整拌和機各冷料倉的進料速度，偏差控制在0.5%以內(nèi)。

2.3.1 級配數(shù)據(jù)

依據(jù)標準規(guī)定方法，先后取樣四種熱骨料，詳細測出四種熱骨料的各個級配，然后將級配數(shù)據(jù)在EXCEL電子表格中試配，使熱骨料合成級配與目標配合比中的礦料級配盡量一致，熱骨料礦料配合比最終確定為：1號熱骨料24% ；2號熱骨料17%；3號熱骨料13%；4號熱骨料43%；礦粉3%。級配數(shù)據(jù)見表3。

表3 級配數(shù)據(jù)

2.3.2 配合比

從目標配合比中，比選確定最佳瀝青用量5%為中值，0.3%是間隔，采用已明確的熱骨料礦料配合比，制作三組不同瀝青含量的馬歇爾試件，依據(jù)與目標配合比設計一致的方法，明確生產(chǎn)配合比最佳瀝青用量是4.9%，檢測出馬歇爾指標都符合標準的要求：礦料間隙率VMA:16.9%；剩余空隙率VV:3.9%；瀝青飽和度VFA:76.9%；流值：2.1mm；馬歇爾穩(wěn)定度：12.0kN。

使用設計出的生產(chǎn)配合比在拌和站試拌、取樣，按照規(guī)定的試驗方法進行抽提試驗、篩分析試驗、馬歇爾試驗，試驗結(jié)果如下：瀝青含量：4.9%；礦料間隙率VMA:17.1%；剩余空隙率VV:4.0%；瀝青飽和度VFA:76.6%；流值：2.3mm；馬歇爾穩(wěn)定度：12.8kN；馬歇爾穩(wěn)定度損失：7.2%。骨料級配與生產(chǎn)配合比中的級配基本相同，其他各項檢測結(jié)果均符合標準要求，生產(chǎn)配合比設計完成。

3 生產(chǎn)配合比驗證

采用設計出的生產(chǎn)配合比拌制瀝青混合料，取100米作為試驗段，在路面依據(jù)標準規(guī)定和方法取樣，然后進行抽提、篩分析以及馬歇爾試驗。按標準規(guī)定控制瀝青、骨料、成品料和碾壓溫度，鋼輪壓路機碾壓方法、碾壓遍數(shù)按標準規(guī)定執(zhí)行。將路面溫度降低到50℃以下后開始鉆芯取樣，進行芯樣的壓實度以及孔隙率測定。經(jīng)試驗，瀝青的含量、骨料級配、馬歇爾等各項指標均滿足標準要求，孔隙率是4.1%，芯樣的壓實度是99.5%，將此生產(chǎn)配合比作為標準生產(chǎn)配合比。這標志配合比配制全部順利完成（注：標準要求的芯樣壓實度不小于98%，孔隙率是2.3%-5.7%）。

該公路大部分路段已使用3年以上，未出現(xiàn)大面積泛油、嚴重車轍、開裂等不良現(xiàn)象，路面平整度較好，車速可達150km/h，路面耐磨性能較好，未出現(xiàn)骨料裸漏現(xiàn)象。通過驗證，該瀝青混凝土配合比非常適合應用在炎熱地區(qū)的重載交通和單層瀝青的路面。

4 結(jié)語

國際公路工程中的瀝青混凝土設計一般采用英、美標準，但在某些特殊公路工程中承建方可能會對配合比設計標準進行一定調(diào)整。該類特種瀝青砼配制試驗之重要環(huán)節(jié)是礦料配合比設計。在配置中如遇馬歇爾指標難以滿足標準要求時，首先應對最佳瀝青用量進行預估，然后通過分析馬歇爾指標與影響因素之關(guān)系，調(diào)整礦料配合比解決。同時，計算出的最佳瀝青用量應根據(jù)地區(qū)氣候環(huán)境、公路類型進行相應調(diào)整。