基層及底基層材料分檔與摻配及公稱最大粒徑的判定

余繼鳳

(湖北交通職業技術學院，武漢 430079)

公路路面的基層材料有級配要求，要用不同規格的集料進行摻配，即進行材料分檔與摻配，使混合料的通過率滿足級配范圍的規定。在進行材料分檔與摻配時，要根據混合料的級配范圍確定混合料的公稱最大粒徑，再根據公稱最大粒徑選擇集料的規格。若混合料的公稱最大粒徑判別錯誤，將導致材料分檔與摻配錯誤，使混合料的合成級配不能滿足級配范圍的要求。

1 混合料的級配范圍

設計文件推薦的基層和底基層混合料級配范圍一般為基層施工技術細則[1]中的級配范圍。例如，湖北某高速公路級配碎石底基層采用的級配范圍為該規范表4.5.8中的G-A-3、水泥穩定碎石基層的級配范圍為該規范表中的C-B-3。

2 混合料的公稱最大粒徑的判定

2.1 公稱最大粒徑與最大粒徑的概念

公路工程集料試驗規程[2]2.1.27規定：集料最大粒徑是指集料的100%都要求通過的最小的標準篩篩孔尺寸。公路工程集料試驗規程2.1.28規定：集料的公稱最大粒徑是指集料可能全部通過或允許有少量不通過(一般容許篩余不超過10%)的最小標準篩孔尺寸，通常比集料最大粒徑小一個粒級。常用的標準篩尺寸有0.075 mm、0.15 mm、0.3 mm、0.6 mm、1.18 mm、2.36 mm、4.75 mm、9.5 mm、13.2 mm、16 mm、19 mm、26.5 mm、31.5 mm、37.5 mm、53 mm。

2.2 公稱最大粒徑比最大粒徑小一號標準篩

根據公稱最大粒徑及最大粒徑的概念，可根據混合料的級配范圍直接判定公稱最大粒徑及最大粒徑。

級配碎石G-A-1、G-A-2、G-A-5[1]及水泥穩定碎石C-C-1、C-C-2、C-C-3[1]的最大粒徑分別是37.5 mm、31.5 mm、26.5 mm，為通過率100%的最小標準篩；公稱最大粒徑分別是31.5 mm、26.5 mm、19 mm，通過率為90%～100%，公稱最大粒徑比最大粒徑小一號標準篩。瀝青路面施工規范中[3]推薦的瀝青混合料的級配均屬于這種類型，可按定義進行公稱最大粒徑的判定，材料分檔及摻配較為簡單。

2.3 公稱最大粒徑與最大粒徑相同

級配碎石G-A-3、G-A-4[1]及水泥穩定碎石C-B-1、C-B-2、C-B-3[1]的最大粒徑分別是31.5 mm、26.5 mm、26.5 mm、19 mm、31.5 mm，為通過率100%的最小標準篩。但公稱最大粒徑并不比最大粒徑小一號標準篩，而是與最大粒徑相同，也不能用公稱最大粒徑的定義(一般容許篩余不超過10%)來判定，公稱最大粒徑的判定容易出錯，將在該文的3.3中詳細介紹。

3 材料的分檔及摻配

3.1 材料分檔數量

基層施工技術細則3.8.1規定，材料分檔應符合表3.8.1[1]的規定，見表1。

表1 材料分檔要求

基層施工技術細則3.8.3規定，二級及二級以上公路基層和底基層級配碎石或礫石，應不少于4種規格材料摻配[1]。湖北某高速公路的交通荷載等級為重交通，級配碎石底基層、水泥穩定碎石基層均選用4檔材料備料。

3.2 備料規格

基層施工技術細則3.8.2規定，公稱最大粒徑為19 mm、26.5 mm和31.5 mm的無機結合料穩定碎石或礫石的備料規格宜符合表3.8.2[1]的規定。

基層施工技術細則3.6.2規定，基層、底基層的粗集料規格要求宜符合表3.6.2[1]的規定。基層施工技術細則3.7.3規定，細集料規格要求應符合表3.7.3[1]的規定。

從該規范中的數據規律可以看出，基層施工技術細則要求粗集料、細集料的公稱最大粒徑的通過率均為90%～100%，且公稱最大粒徑比最大粒徑小一號標準篩。例如，表3.6.2中G2(19～31.5 mm)公稱最大粒徑31.5 mm篩的通過率為90%～100%；最大粒徑比公稱最大粒徑大一號標準篩，37.5 mm通過率為100%，與公稱最大粒徑、最大粒徑的定義一致。表格規定了各檔料的超粒徑含量，例如，對于G2(19～31.5 mm)，大于31.5 mm和小于19 mm的顆粒都屬于超粒徑，31.5 mm的通過率為90%～100%，即大于31.5 mm的顆粒不超過10%，19 mm的通過率為0～10%，即小于19 mm的顆粒不超過10%。

下面，我們用礦質混合料的組成設計案例來論證級配碎石G-A-3的公稱最大粒徑的判定方法。

3.3 礦質混合料的組成設計

1)假定級配碎石G-A-3的公稱最大粒徑為31.5 mm 假定級配碎石G-A-3的公稱最大粒徑為31.5 mm，四檔備料，查該規范表3.8.2，可確定備料規格為1#料G2(19～31.5 mm)、2#料G8(9.5～19 mm)、3#料G11(4.75～9.5 mm)、4#料XG3(0～4.75 mm)，可配成公稱粒徑為0～31.5 mm的混合料。各檔料的篩分結果見表2，滿足規范中的粗集料、細集料的規格要求，且最粗檔料1#料G2(19～31.5 mm)的公稱最大粒徑及最大粒徑均為31.5 mm，即公稱最大粒徑31.5 mm的通過率為100%，且26.5 mm篩的通過率不滿足90%～100%的規定(本案例為73.7%)，否則公稱最大粒徑為26.5 mm，而不是31.5 mm。

當各檔料滿足規格要求時，可用各檔料的分界尺寸即主粒徑4.75 mm、9.5 mm、19 mm的通過率來控制混合料的級配，例如，控制主粒徑4.75 mm、9.5 mm、19 mm的通過率分別為級配范圍中值35%、54.5%、78%(見表2)，來反求各檔料的比例。混合料的通過率即合成級配計算見式(1)。

P=∑Pixi

(1)

式中,P為混合料的通過率；Pi為各檔料的通過率；xi為各檔料的質量百分比。

表2 礦質混合料的組成設計

4.75 mm篩：4#料XG3(0～4.75 mm)篩分結果為通過率96.7%(見表2)，規范規定其級配范圍為90%～100%；3#料G11(4.75～9.5 mm)篩分結果為通過率11.1%，規范規定其級配范圍為0～10%，略超出規范要求；2#料G8(9.5～19 mm)篩分結果為通過率1.7%，規范規定其級配范圍為0～5%；1#料G2(19～31.5 mm)篩分結果為通過率0.3%，規范規定其級配范圍為0～5%。各檔料在4.75 mm篩的篩分結果，只有4#料XG3(0～4.75 mm)的通過率很大，其他三檔料由于通過率很小而可以忽略不計，故可由式(2)計算可得出4#料XG3(0～4.75 mm)的質量百分比x4約等于36%。

35%=96.7%×x4

(2)

同理，根據9.5 mm篩計算3#料G11(4.75～9.5 mm)的質量百分比x3約等于19%，見式(3)。根據19 mm篩計算2#料G8(9.5～19 mm)的質量百分比x2約等于24%，見式(4)。各檔料質量百分比之和為100%，由式(5)可得出1#料的質量百分比x1等于21%。

54.5%=100%×36%+96.0%×x3

(3)

78%=100%×36%+100%×19%+96.9%×x2

(4)

36%+19%+24%+x1=100%

(5)

綜上所述，根據主粒徑混合料的通過率為級配中值，反求的配合比為1#料G2(19～31.5 mm)∶2#料G8(9.5～19 mm)∶3#料G11(4.75～9.5 mm)∶4#料XG3(0～4.75 mm)=21%∶24%∶19%∶36%。

現對以上計算結果進行分析并進行配合比調整。按式(1)可以求出混合料在各篩上的通過率即合成級配，計算結果與級配中值比較接近，說明各檔料滿足規范的規格要求，控制超粒徑含量，可以很方便控制混合料的級配。由于上述式(2)、式(3)、式(4)忽略了超粒徑的顆粒，因此，存在少量的誤差，可參照《基于級配要求的礦質混合料配合比調整公式研究》[4]進行配合比調整，使主粒徑4.75 mm、9.5 mm、19 mm的通過率為級配范圍中值35%、54.5%、78%，調整結果見表2，得出1#料G2(19～31.5 mm)∶2#料G8(9.5～19 mm)∶3#料G11(4.75～9.5 mm)∶4#料XG3(0～4.75 mm)=24%∶23%∶19%∶34%，26.5 mm篩的合成級配通過率為93.7%，滿足級配范圍90%～95%的要求，各標準篩合成級配均滿足要求。

因此，級配碎石G-A-3的公稱最大粒徑與最大粒徑相同，均為31.5 mm，根據基層施工技術細則推薦的備料方法進行材料的分檔與摻配，配成的混合料能滿足級配范圍的規定，但最粗檔料的公稱最大粒徑與最大粒徑相同，不能僅僅滿足基層施工技術細則規定的粗集料的規格要求即可，還要篩除大于公稱最大粒徑的顆粒，使31.5 mm的通過率為100%，否則配成的混合料不能滿足G-A-3公稱最大粒徑通過率為100%的級配要求。

2)假定級配碎石G-A-3的公稱最大粒徑為26.5 mm 級配碎石G-A-3在31.5 mm篩的通過率為100%，在26.5 mm篩通過率為90%～95%，如果按照公稱最大粒徑及最大粒徑的定義，很多試驗檢測人員會誤以為該混合料的公稱最大粒徑為26.5 mm。現在，來論證級配碎石G-A-3的公稱最大粒徑是否為26.5 mm。

假定級配碎石G-A-3的公稱最大粒徑為26.5 mm，備料規格為1#料G3(19～26.5 mm)、2#料G8(9.5～19 mm)、3#料G11(4.75～9.5 mm)、4#料XG3(0～4.75 mm)，可配成公稱粒徑為0～26.5 mm的混合料，與公稱最大粒徑為31.5 mm相比，僅最粗檔料不同，分別為G3(19～26.5 mm)、G2(19～31.5 mm)，兩種材料的區別主要在于26.5 mm篩的通過率不同，不影響主粒徑4.75 mm、9.5 mm、19 mm的通過率，故各檔料的質量百分比不變。將1#料在26.5 mm篩的通過率修改為G3(19～26.5 mm)的級配范圍下限值90%、上限值100%，計算得到混合料的通過率即合成級配分別為97.6%、100%(見表2)，故無法配出在26.5 mm篩通過率為90%～95%的級配碎石G-A-3混合料，但可配出26.5 mm篩級配上限為100%的混合料。

綜上所述，用最粗檔料公稱最大粒徑為26.5 mm，可配出混合料的公稱最大粒徑為26.5 mm，即欲配制的混合料的公稱最大粒徑與最粗檔料的公稱最大粒徑相同。

現在，用公式來反證這個結論。如果混合料的級配范圍上限值不是100%，例如，級配碎石G-A-3在26.5 mm篩的通過率為90%～95%，通過率上限值為95%，即累計篩余下限值為5%，表明G-A-3混合料至少有5%的顆粒大于26.5 mm，只能全部由最粗檔的1#料提供，因為其他三檔料在26.5 mm的通過率均為100%，即累計篩余為0。可由式(6)計算最粗檔的1#料在26.5 mm的累計篩余下限值A1約等于20.8%，即通過率的上限值為79.2%。

5%=24%A1

(6)

計算結果分析：最粗檔料在26.5 mm的通過率為x%～79.2%，很顯然，最粗檔料的公稱最大粒徑不是26.5 mm，不滿足公稱最大粒徑為26.5 mm的所有粗集料的規格要求，即要求所有的粗集料在公稱最大粒徑的通過率均為90%～100%。

4 結 論

按照基層施工技術細則推薦的方法可進行材料的分檔及摻配，但要根據混合料的級配范圍正確判定混合料的公稱最大粒徑。基層施工技術細則推薦的混合料級配有兩種情況，一種是公稱最大粒徑比最大粒徑小一號標準篩，另一種是公稱最大粒徑與最大粒徑相同。

在判定混合料的公稱最大粒徑時，可先根據最大粒徑的定義判定最大粒徑，再看小一號標準篩的通過率級配范圍，當級配范圍為x%～100%，即級配上限為100%時，可判定該號篩是公稱最大粒徑，且公稱最大粒徑比最大粒徑小一號標準篩。如果比最大粒徑小一號篩的級配上限不是100%，例如是級配范圍為90%～95%，則該號篩不是公稱最大粒徑，判定該混合料的公稱最大粒徑與最大粒徑相同。按照此方法，可判定級配碎石G-A-3、G-A-4及水泥穩定碎石C-B-1、C-B-2、C-B-3的公稱最大粒徑與最大粒徑相同；級配碎石G-A-1、G-A-2、G-A-5及水泥穩定碎石C-C-1、C-C-2、C-C-3的公稱最大粒徑比最大粒徑小一號標準篩。

當混合料的公稱最大粒徑與最大粒徑相同時，最粗檔料的公稱最大粒徑也與最大粒徑相同，備料時要篩除最粗檔料大于公稱最大粒徑的超粒徑顆粒，使公稱最大粒徑通過率為100%，否則不能配出公稱最大粒徑與最大粒徑相同的混合料。