集料及瀝青混合料級配變異性分析與評價*

王統井 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.貴州宏信創達工程檢測咨詢有限公司 貴州 550014； 3.江蘇中路工程技術研究院有限公司 南京 211806)

瀝青混合料是由瀝青、粗集料、細集料、填充料這些不同質量和數量的材料按某一配合比混合而成。其中，集料占據瀝青混合料的90%以上，對瀝青混合料最終質量有重要影響。其早期損壞以不均勻方式出現，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。這說明工程質量變異性的影響十分顯著。

集料加工技術一直是我國公路建設的短板。部分地區為節約成本，高速公路建設通常采用沿線當地各種小型石料廠利用傳統設備生產的集料。黃楊華[1]指出，小型石料場的碎石機和篩分機的型號及規格存在較大差異，即使是同規格的碎石顆粒，經不同碎石場制備，變異性也可能較大。梁錫三[2]和孫祖望[3]通過大量的項目數據分析得出，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系。

1 研究現狀

現行的JTG F40-2004 《公路瀝青施工技術規范》 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的單檔集料的級配達不到規范要求，而混合料級配符合規范要求時，工程上允許使用，這為不合格產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量。

陳泰浩等[4]在規范建議范圍的基礎上，強調了集料公稱最大粒徑對應篩孔通過率的關鍵作用，建議以關鍵篩孔通過率的認可范圍作為驗收標準，但該驗收標準與規范一樣，并未給出集料關鍵篩孔通過率的變異性指標。任永利等[5]調查超過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進行大規模集料加工。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質量，保障了水界高速公路施工質量。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，集料質量良好，規格穩定，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定，變異性小，瀝青路面各項指標檢測結果符合要求。

國外方面，集料加工沒有國內存在的問題，例如，美國許多州的QC/QA手冊明確規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，國內很少有料場能夠達到，因而該標準在國內不具備實施的可能性。

2 級配變異性產生的主要原因

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 現場調研

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。各料場篩分結果與規范范圍中值偏差情況見圖1。

圖1 集料篩分結果與規范范圍中值的偏差

陳泰浩等通過采用自主化研發的一組標準化篩孔篩網進行大規模集料加工，可將集料級配的變異系數控制在2.5%以內。本文將調研結果與之作比較，評估集料級配變異程度。

由圖1a)可見，A料場大部分篩分結果均在規范范圍之外，關鍵篩孔通過率變異系數最低為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料場大部分篩分結果均在規范范圍之外，關鍵篩孔通過率變異系數最低為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料場所有篩分結果均在規范范圍以內，關鍵篩孔通過率變異系數分別為2.64%和1.30%，小于2.5%，但次要篩孔通過率變異系數超過了20%，結果表明，C料場集料級配變異性較低，是比較理想的料場。

由調查結果可以推斷出，料場集料級配變異性過大，集料加工存在嚴重問題，這與當地經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，導致施工企業無法準確盤存各階段、各規格集料的數量，而且瀝青混合料拌制的過程中會產生較多溢料。施工企業為了不浪費集料經常調動配合比，這會嚴重降低路面質量。

4 集料變異性評價標準

研究表明[2]，在料源穩定和設備穩定的情況下，集料的加工性指標是符合正態分布的，即集料各關鍵篩孔通過率滿足正態分布。在拌和之前，各檔料獨立存放，故各檔料關鍵篩孔通過率分布相互獨立。

據此定理，假設瀝青混合料礦料由1，2，…，n號共n檔集料按質量比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號篩孔的通過的質量分數均值；Pij為i號集料j號篩孔的通過的質量分數均值；σj為合成級配j號篩孔的通過的質量分數標準差；Ai為i號集料占合成級配的比例；σij為i號集料j號篩孔的通過的質量分數標準差。

根據瀝青混合料實際生產情況，上述假設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配合比。

5 瀝青混合料級配變異性判標準

國內諸多學者[11-14]對瀝青路面工程檢測數據進行了統計學分析，發現施工過程正常穩定的瀝青路面工程瀝青混合料級配關鍵篩孔通過率符合正態分布。據此，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次篩分通過質量分數；Pij為i號集料j號篩孔的通過質量分數均值；σij為i號集料j號篩孔的通過的質量分數標準差。

2) 進行目標配合比和生產配合比設計。

3) 按式(5)計算瀝青混合料級配的各篩孔通過的質量分數的標準差

(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(生產配合比)；σij為i號集料j號篩孔的通過的質量分數標準差。

根據正態分布的性質，(μ-2σ，μ+2σ)所占比例為95.44%。若2σj在允許誤差范圍內，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，共收集篩分數據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。試驗結果見表1。

表1 AC-13冷料和熱料篩分結果的標準差對比

由表1可見，各檔集料各篩孔通過質量分數的標準差基本相等，說明熱料倉振動篩“二次篩分”并不能改善集料的變異性，此結論與孫祖望的研究結論相吻合。

在熱料倉振動篩篩網尺寸、振動頻率、激振力和篩上材料質量固定后，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設定后，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]發現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瀝青混合料生產配合質量比為：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)根據冷料各篩孔通過的質量分數標準差計算AC-13瀝青混合料級配各篩孔通過的質量分數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，所有篩孔通過的質量分數標準差實測值與計算值相差在0.1以內，0.075mm篩孔通過的質量分數異常可能是由于未考慮礦粉的變異性所導致。因而可以根據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，在正常施工穩定狀態下，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，則說明正常施工穩定狀態下，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篩孔集料通過的質量分數標準差95%置信區間在允許誤差范圍內，而2.36 mm篩孔集料通過的質量分數95%置信區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定還是加工儀器設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定，因此控制儀器質量尤為關鍵。建議對破碎機停機后進行例行機械檢查和保養,對振動篩進行日常清理防堵。

7 結語

1) 依據統計學中相互獨立的正態分布隨機變量的性質，提出了集料級配變異性與瀝青混合料級配變異性關系假設，并在所依托工程中得以驗證。

2) AC-13冷料和熱料的篩分結果顯示,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，提出了相對于規范更為嚴格的瀝青混合料各關鍵篩孔通過的質量分數容許偏差標準。

4) 提出根據計算所得的瀝青混合料級配各關鍵篩孔集料通過的質量分數標準差的2倍(2σj)是否在允許偏差范圍內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，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。

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