基于級配要求的礦質混合料配合比調整公式研究

余繼鳳,劉 唐

(湖北交通職業技術學院,武漢 430079)

基于級配要求的礦質混合料配合比調整公式研究

余繼鳳,劉 唐

(湖北交通職業技術學院,武漢 430079)

文章研究基于級配要求的礦質混合料配合比調整公式,可由礦質混合料在某篩上的通過率增量反算配合比調整量,能提高礦質混合料組成設計效率及對拌和站混合料的級配控制。

礦質混合料; 級配; 配合比調整; 公式

水泥混凝土、級配碎石、無機結合料穩定土、瀝青混合料等材料是路橋工程中常用的混合料。在施工準備階段,要對水泥混凝土的粗集料、級配碎石、無機結合料穩定土、瀝青混合料進行礦質混合料的組成設計,當礦質混合料的合成級配不滿足級配要求時,要調整配合比。在生產過程中,需要在拌和站對混合料進行級配抽檢,當級配不滿足要求時,也要調整配合比。目前在各版本的《道路建筑材料》教材中都沒有介紹如何調整礦質混合料的配合比,也沒有論文或著作來介紹此方面的研究成果,通常做法是通過反復修改配合比直至合成級配滿足要求,工效低且欲使合成級配在某標準篩上的通過率達到調整的目標值較為困難。因此,研究如何根據級配要求來調整配合比具有重要意義。

1 級配要求

1.1 水泥混凝土、級配碎石、無機結合料穩定土

水泥混凝土的粗集料、級配碎石、無機結合料穩定土都有級配要求,按照行業規范的規定,都要做礦質混合料的組成設計,使合成級配在級配范圍內。當水泥混凝土用于橋涵工程、路面工程時,要用多種不同規格的粗集料進行配合比設計,使粗集料的合成級配分別滿足《公路橋涵施工技術規范》[1]、《公路水泥混凝土路面施工技術細則》[2]規定的級配范圍。級配碎石、無機結合料穩定土用作路面的基層、底基層、墊層,其礦質混合料的合成級配應滿足《公路路面基層施工技術細則》[3]、《公路瀝青路面設計規范》[4]規定的級配范圍。

1.2 瀝青混合料

瀝青混合料的級配要求非常嚴格,合成級配應滿足《公路瀝青路面施工技術規范》的相關規定。在進行瀝青混合料的配合比設計時,合成級配應在級配范圍內、合成級配曲線的形狀應滿足規定、關鍵性篩孔上通過率應滿足要求;在瀝青混合料的生產過程中,抽檢的礦料級配應滿足偏差要求。

1.2.1 瀝青混合料應滿足級配范圍的要求

合成級配必須在級配范圍內。《公路瀝青路面施工技術規范》推薦了瀝青混合料的級配范圍[5],還規定了工程設計級配范圍的確定方法及相關要求,應按照氣候條件、交通條件、公路等級、所處的層位及工程所在地的經驗來確定瀝青混合料的工程設計級配范圍[5]。在選定合格的原材料并完成各礦料的篩分試驗后,確定各礦料的質量百分比(即配合比),校核合成級配是否在工程設計級配范圍內,否則必須調整配合比。

1.2.2 瀝青混合料應滿足合成級配曲線的形狀要求

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

1.2.3 瀝青混合料應滿足關鍵性篩孔上通過率的限制條件

根據工程所在地的公路等級、氣候及交通條件,選擇采用粗型(C型)或細型(F型)混合料。粗型、細型級配在關鍵性篩孔上通過率應滿足《公路瀝青路面施工技術規范》中5.3條的要求[5]。例如,AC-13C在關鍵性篩孔2.36 mm上的通過率應小于40%。

1.2.4 瀝青混合料拌和站礦料級配的允許偏差

在瀝青混合料的生產過程中,需按一定的頻率抽檢混合料級配,偏差不得大于《公路瀝青路面施工技術規范》11.4.4.3規定的允許偏差[5],否則應及時調整生產配合比。

2 配合比調整

如果礦質混合料不滿足上述級配要求,則需進行配合比調整。

案例1:某夏炎熱區高速公路AC-13C目標配合比設計時,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種礦料的篩分試驗結果及AC-13C的級配范圍見表1,初擬配合比為1#料∶2#料∶3#料∶4#料∶礦粉=25%∶22%∶10%∶40%∶3%,計算出礦質混合料的合成級配見表1,畫出的級配曲線圖見圖1。

表1 AC-13C的目標配合比設計

2.1 確定配合比調整目標

在進行瀝青混合料的配合比設計時,應根據級配要求校核配合比,使混合料的合成級配滿足三個要求(即級配范圍、級配曲線形狀、關鍵性篩孔通過率)。在圖1中,合成級配在級配范圍內;合成級配沒有太多的鋸齒形交錯,且在0.3～0.6 mm范圍內不出現“駝峰”;在關鍵性篩孔2.36 mm上的通過率是43.5%,大于《公路瀝青路面施工技術規范》[5]規定的“小于40%”的要求,必須調整配合比,使關鍵性篩孔2.36 mm的通過率滿足要求,否則會因為粗集料太少而不能形成骨架結構,使夏炎熱區的瀝青路面高溫抗車轍能力不足而出現破壞。在圖1中,混合料在2.36 mm篩上的通過率偏大,調整配合比前的通過率為P=43.5%,可根據工程經驗確定調整配合比后混合料應達到的通過率P′,例如P′=37.0%,則混合料在2.36 mm篩上的通過率增量ΔP=P′-P=37.0%-43.5%=-6.5%。

2.2 確定需調整配合比的礦料種類

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

用式(2)減去式(1),可得出礦質混合料在某篩上的通過率增量ΔP與礦料用量的增量ΔXi的關系,見式(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,調整礦料A和礦料B的用量,設礦料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,欲調整混合料在2.36 mm篩上的通過率,為了使ΔP調整的效果顯著,應使(PA-PB)的值盡可能大,即在級配曲線圖上,礦料A位于欲調整混合料通過率的篩孔2.36 mm的左側(例如礦粉、4#料),而礦料B位于其右側(例如3#料、2#料、1#料);調整混合料在2.36 mm篩的通過率時,不能對0.075 mm、4.75 mm、中間粒徑9.5 mm、公稱最大粒徑13.2 mm等篩孔的通過率造成較大影響,即在這些篩上礦料A、礦料B的通過率之差(PA-PB)的值盡可能小,即在級配曲線圖上,礦料A、礦料B在這些篩的同側。因此,礦料A、礦料B的位置應該相鄰,故在案例1中礦料A、礦料B分別為4#料、3#料。

綜上所述,欲調整混合料在某篩上的通過率,則應調整在級配曲線圖上的與該篩位置相鄰的兩種礦料。

2.3 調整配合比

由式(4)變形,可得配合比調整公式,見式(5)。

式中,ΔP調為配合比調整目標,即混合料在某篩孔上的通過率增量,%。PA、PB分別為礦料A、礦料B在該篩上的通過率,%。礦料A、礦料B為需調整配合比的兩種礦料,即在級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篩上的通過率增量ΔP調為-6.5%,礦料A(4#料)在2.36 mm篩上的通過率PA=100%,礦料B(3#料)在2.36 mm篩上的通過率PB=5.4%,代入式(5),可求礦料A的配合比增量ΔX:ΔX=ΔP調/(PA-PB)=-6.5/(100-5.4)=-7%。

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

2.4 配合比調整的效果分析

根據調整后的配合比,計算混合料在各標準篩上的通過率,畫出調整后的級配曲線見圖2,混合料在2.36 mm篩的通過率達到調整目標;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篩孔的通過率增量分別為0.6%、0%、0%、0%,基本沒有發生變化,可見調整效果較好。

3 結 語

調整礦質混合料的配合比時,首先確定級配曲線的調整目標,即混合料在某篩上的通過率增量;再確定需調整的礦料種類,即在級配曲線圖上與該篩相鄰的兩種礦料;最后通過配合比調整公式計算配合比調整量,見式(5)。文章介紹的配合比調整公式,可由混合料的級配曲線調整目標快速反算配合比調整量,且不影響混合料在其它重要篩孔上的通過率,調整方法簡單,效果顯著,對提高礦質混合料組成設計效率及拌和站混合料的級配控制均具有重要意義。文章介紹的配合比調整方法不僅適用于AC-13的礦質混合料級配控制,還適用于AC-20、AC-25等所有AC、SMA、瀝青碎石、級配碎石、無機結合料穩定土等礦質混合料的級配控制。

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

[2] 交通運輸部公路科學研究院.JTG/T F 30—2014公路水泥混凝土路面施工技術細則[S].北京:人民交通出版社,2014.

[3] 交通運輸部公路科學研究院.JTG/T F 20—2015公路路面基層施工技術細則[S].北京:人民交通出版社,2015.

[4] 中交公路規劃設計院.JTG D 50—2006公路瀝青路面設計規范[S].北京:人民交通出版社,2006.

[5] 交通運輸部公路科學研究院.JTG F 40—2004公路瀝青路面施工技術規范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[6] 余繼鳳.淺談泰勒曲線橫坐標級配曲線的繪制方法[J].中國水運(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