摘要:介紹了某道路瀝青混合料配合比設計要求及配合比設計過程,總結(jié)出當駝峰骨料給目標配合比帶來困難而工程區(qū)附近又沒有其他可供選擇的料源時,可以考慮通過改裝拌和樓來改善骨料級配。通過大量試驗,給出了粘結(jié)層AC220 型和磨耗層AC214 型瀝青混合料的合成級配曲線及最佳瀝青含量,這對類似工程具有重要的參考價值。試驗還證明,對于酸性骨料,在礦料中加入一定比例的水泥可以增強瀝青混合料的水穩(wěn)定性,同時也改善了瀝青混合料的力學性能。利用美國ASTM D4867 標準檢測瀝青混合料的水損害,方法既簡便又切合實際,值得推廣。
關鍵詞:骨料;駝峰;瀝青混合料;水損害
中圖分類號:TU528142 文獻標識碼:A
1 瀝青混凝土設計要求
某道路工程位于非洲加納。從起點11 + 425 至23 + 125 是雙層瀝青混凝土,設計路面寬度為14．0m。路面結(jié)構(gòu)形式為6cm 粘結(jié)層+ 4cm 磨耗層,路面基層是規(guī)格為0～40mm 的級配碎石,碎石厚度為20cm。從23 + 125 至40 + 829 是雙層瀝青表面處置,設計寬度為7．0m。
該工程基層級配碎石、瀝青表面處置和瀝青混凝土所用的石料都是花崗巖,石料場距離該工程起點49km。瀝青混凝土所用的瀝青是從科特迪瓦進口的60/ 70 殼牌瀝青。
該工程瀝青混凝土粘結(jié)層和磨耗層的級配要求范圍見表1。骨料最大粒徑分別是20mm 和14mm ,相當于我國道路瀝青混凝土的AC20 和AC13[1 ] ,但級配范圍比我國的偏上,細料相對多一些。表1 粘結(jié)層和磨耗層瀝青混凝土混合料礦料級配范圍( %)
粘結(jié)層和磨耗層混合料馬歇爾試驗配合比設計要求如下:擊實次數(shù)均為兩面各75 次;穩(wěn)定度大于8kN ;流值2～4mm;空隙率3 %～5 %;瀝青含量4．5 %～5．5 %;粘結(jié)層飽和度為60 %～75 % ,磨耗層為65 %～75 %。
現(xiàn)場瀝青混凝土壓實后的空隙率要求是6 %～8 %。按試驗室馬歇爾試件的空隙率為4 %計算,現(xiàn)場的壓實度應控制在96 %～98 %之間。
2 瀝青混合料配合比的設計
配合比設計是道路施工至關重要的環(huán)節(jié),也是決定工程質(zhì)量的主要因素。按照本工程技術規(guī)范的要求,采用馬歇爾配合比設計方法,試驗依據(jù)是美國瀝青混凝土協(xié)會MS22 (第6 版本) [2 ] 。配合比設計包括目標配合比設計階段、生產(chǎn)配合比設計階段和生產(chǎn)配合比驗證階段共3 個階段。
本文瀝青混凝土粘結(jié)層0～20mm 是用4 種不同規(guī)格的骨料合成,分別是0～5mm ,5～0mm ,10～14mm 和14～20mm。磨耗層0～14mm 是用3 種不同規(guī)格的骨料合成,分別是0～5mm、5～10mm、10～14mm。
表2 和圖1 是粘結(jié)層4 種規(guī)格骨料的篩分結(jié)果和合成混合料的計算級配曲線。表3 和圖2 是磨耗層3 種規(guī)格骨料的篩分結(jié)果和合成混合料的計算級配曲線。
從表2、表3 和圖1、圖2 可以看出,由于0～5mm 的石粉太細,無論配合比如何調(diào)整,合成級配曲線總是在0．3～0．6mm 之間出現(xiàn)駝峰。駝峰級配表示為含砂量過多的混合料或相對于總砂量來說細砂太多的混合料,這種級配的混合料在施工期間經(jīng)常存在壓實度難以達到設計要求的問題,并表現(xiàn)為在使用期抗永久變形能力不足,而且容易造成礦料間隙率過小,使路面出現(xiàn)泛油、波浪等病害。
駝峰級配給目標配合比設計增加了難度,經(jīng)數(shù)次試驗,試配出來的瀝青混合料都無法滿足設計礦料間隙率為12 %～14 %(粘結(jié)層) 和13 %～15 %(磨耗層) 的要求。所以不得不終止目標配合比的設計。
通過研究,首次提出了利用瀝青拌和樓的除塵設備把引起駝峰的細砂吸出去的方法來解決骨料級配駝峰問題。
本文工程所用的瀝青拌和樓有5 個冷料倉,4 個熱料倉。拌和樓的篩網(wǎng)尺寸分別為4、8、12 和25mm。排氣集塵裝置包括干式第1 級除塵裝置和濕式第2 級除塵裝置。干式集塵裝置是把干燥筒、振動篩和熱料倉的粉塵通過旋風除塵器吸到錐形筒內(nèi),錐形筒內(nèi)較細的粉塵通過引風機吸進水塔打入水池,較粗的粉塵是通過熱料提升器送到主拌和樓熱料倉參與瀝青混合料的拌和。
為了檢測拌和樓的除塵能力,按照目標配合比計算的大概比例進料,然后從熱料倉取樣進行試配,結(jié)果骨料駝峰仍然存在。這說明拌和樓的正常除塵(盡管把鼓風機的風門開得很大) 不能把引起骨料駝峰的細砂抽出去。因為拌和樓的設計目標要把較粗的細砂通過熱料提升器送至主拌和樓重新篩分,而這部分細料不需要,必須阻止這部分細砂進入拌和樓,為此需要通過改裝拌和樓把這部分細料“導”出去,然后由裝載機運走。
拌和樓改裝后,又重新從4 個熱料倉取樣篩分(表4、表5) 。從表4、表5 的篩分結(jié)果可以看出,拌和樓改裝后1 # 熱料倉的石粉比拌和樓改裝前粗了很多,骨料駝峰的問題得到了有效的解決。
粘結(jié)層AC220 型瀝青混合料的合成級配曲線見圖3 ,經(jīng)試驗最終確定瀝青混合料最佳瀝青含量為46 % ,熱料倉配合比例為:礦粉1 % ,1# 38 % ,2 # 21 % ,3 # 15 % ,4 # 25 %。最佳瀝青用量下的AC220 瀝青混合料馬歇爾指標見表6。
磨耗層AC214 型瀝青混合料的合成級配曲線見圖4 ,經(jīng)試驗最終確定瀝青混合料最佳瀝青含量為4．9 % ,熱料倉配合比例為:礦粉1．5 % ,1# 46．5 % ,2 # 20 % ,3 # 18 % ,4 # 14 %。最佳瀝青用量下的AC214瀝青混合料馬歇爾指標見表7。
3 瀝青和石料的粘附性試驗
眾所周知,瀝青與堿性石料有良好的結(jié)合力,與酸性石料的結(jié)合力較差,遇水瀝青容易剝落。本文工程所用的石料是典型的酸性骨料———花崗巖。為了檢驗花崗巖與瀝青的粘附力,本文試驗室采用中國交通部標準T0616 的水煮法檢測[3 ] ,檢測結(jié)果表明,花崗巖的粘附性等級為3 級,需要進行處理。
4 水穩(wěn)定性試驗
按照施工合同的規(guī)定,在選定瀝青混合料的最佳瀝青用量和級配之后,必須按照ASTM D4867[4 ] 標準做水損害試驗。如果劈裂抗拉強度比小于75 % ,則要在瀝青混合料中加抗剝落劑。
4．1 ASTM D4867 試驗過程 (1) 每次制作最少6 個試件,其中一半用于干燥條件試驗,另一半用于潮濕條件試驗; (2) 先把按配合比配好的礦料加熱到150 ±6 ℃,然后加入要求數(shù)量的添加劑拌和均勻,放在烘箱中保持這一溫度; (3) 將礦料從烘箱中取出加入最佳用量的瀝青,拌和均勻,放入烘箱1～2h ,溫度為140 ±5 ℃; (4) 把瀝青混合料從烘箱中取出,做馬歇爾擊實,試件擊實后的空隙率應為7 ±1 %; (5)將試件冷卻到室溫并脫模; (6) 按規(guī)定的方法測定混合料的最大理論密度,測量試件的直徑、高度和毛體積相對密度。計算試件的空隙率,空隙率不符合要求的試件作廢; (7) 將試件分成2 組,其中1 組作為干燥條件試驗的試件,在室溫條件下存放,直至劈裂試驗前放入25 ℃水中20min ; (8) 另1 組供潮濕狀態(tài)試驗的試件按以下步驟處理,將試件放入一真空容器中,向容器注入蒸餾水浸沒試件,在短時間內(nèi)(5～10min) 施加70kPa 或525mm高水銀柱的真空。取出試件,計算毛體積密度,并計算飽水率。飽水率應控制在55 %～80 %之間。如果飽水率不符合要求,應調(diào)整真空度,使試件的飽水率符合要求。當飽水率大于80 %時,試件應作廢; (9) 把試件放入60 ±1 ℃水浴中24h ; (10) 調(diào)整試件溫度,把試件放在25 ±1 ℃的水浴里1h ; (11) 測量試件的高度和體積,計算試件的吸水率和飽水率。如果飽水率超過80 %可以接受; (12) 將干燥條件下的試件同樣放入水中保持20min ,然后與潮濕狀態(tài)的試件同時進行劈裂試驗。試驗壓條寬度為13mm。
測定劈裂抗拉強度,加載速率為50mm/ min ,計算破壞強度比STR :STR = ( StmPStd ) ×100 (1)式中: S TR為劈裂抗拉強度比( %) ; Stm和Std分別為干燥條件下試件和潮濕條件試件的抗拉強度。
4．2 水損害試驗 首先做粘結(jié)層和磨耗層瀝青混合料在不添加任何抗剝落劑的水穩(wěn)定性試驗,試驗結(jié)果見表8 ,表9。從表8 和表9 可以看出,不采取抗剝落措施粘結(jié)層和磨耗層的抗拉強度比不能滿足ASTM規(guī)定的抗拉強度比大于75 %的要求。根據(jù)合同要求必須加入抗剝落劑。
抗剝落劑分液體和粉狀固體2 種,固體的有石灰和波特蘭水泥?？紤]加納國家的具體情況和成本核算以及采購的方便,決定采用波特蘭水泥作為抗剝落劑。
對粘結(jié)層和磨耗層的混合料分別加入0．5 %、1．0 %、1．5 %和2．0 %的水泥代替礦粉來做水穩(wěn)定試驗,見表8 和表9。
表8 粘結(jié)層AC20 瀝青混合料ASTM D4867 水損害試驗結(jié)果
從表8 粘結(jié)層和表9 磨耗層的水損害試驗結(jié)果可以看出,加入水泥后的瀝青混合料的間接抗拉強度均有所提高,這表明添加抗剝落劑后有利于改善瀝青混合料的力學性能。
觀察馬歇爾試件劈開后的斷面,可以直觀看出,不加水泥的瀝青混合料(粘結(jié)層和磨耗層) 的石料瀝青膜有不同程度的剝落,部分石子露出表面。當加入015 %的水泥時情況稍有好轉(zhuǎn)。當水泥增至1．0 %以上,馬歇爾試件劈開后的斷面看不到石料露出表面。
從表8 和表9 還可以看出,粘結(jié)層AC20 和磨耗層AC14 的瀝青混合料在不加水泥的情況下,粘結(jié)層的抗拉強度比為62． % ,磨耗層的抗拉強度比為66． % ,不能滿足ASTM 規(guī)范最少為75 %的指標要求。
當水泥劑量從0.5 %～2.0 %逐漸增加時,粘結(jié)層和磨耗層的抗拉強度比也隨之增大。當水泥劑量增大到一定程度,抗拉強度比無明顯變化。粘結(jié)層水泥劑量為1.5 %的抗拉強度比為96.8 % ,水泥劑量為2.0 %的抗拉強度比為98.0 %。磨耗層水泥劑量為1.5 %的抗拉強度比為98.0 % ,水泥劑量為2.0 %的抗拉強度比為99.0 %。
由于粘結(jié)層位于磨耗層下面,不直接與水和空氣接觸,而且在水泥劑量為1.0 %的情況下,其抗拉強度為89.5 % ,已經(jīng)滿足ASTM標準規(guī)定的不小于75 %的要求。因此最后決定粘結(jié)層的瀝青混合料加入1.0 %的水泥替代礦粉作為抗剝落劑。磨耗層瀝青混合料加入1.5 %的水泥替代礦粉作為抗剝落劑。
5 結(jié)論
(1) 當駝峰骨料給目標配合比帶來困難而工程項目附近又沒有其他可供選擇的料源時,可以考慮通過改裝拌和樓來改善骨料級配,然后直接進行生產(chǎn)配合比設計; (2) 在礦料中加入一定比例的水泥可以增強瀝青混合料的水穩(wěn)定性,同時也改善了瀝青混合料的力學性能; (3) 利用美國ASTM D4867 標準檢測瀝青混合料的水損害,方法既簡便又切合實際,是國外施工常用的評價水損害的辦法,值得國內(nèi)同行借鑒。
參 考 文 獻:
[1] JTG F4022004 ,公路瀝青路面施工技術規(guī)范[ S] .
[2] MS22 (第六版本) ,瀝青混凝土設計方法[ S] .
[3] JTJ 05222000 ,公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[ S] .
[4] ASTM D4867 ,水對瀝青混凝土鋪路材料影響的標準試驗方法[ S] .
