摘要:介绍了某道路沥青混合料配合比设计要求及配合比设计过程,总结出当驼峰骨料给目标配合比带来困难而工程区附近又没有其他可供选择的料源时,可以考虑通过改装拌和楼来改善骨料级配。通过大量试验,给出了粘结层AC220 型和磨耗层AC214 型沥青混合料的合成级配曲线及最佳沥青含量,这对类似工程具有重要的参考价值。试验还证明,对于酸性骨料,在矿料中加入一定比例的水泥可以增强沥青混合料的水稳定性,同时也改善了沥青混合料的力学性能。利用美国ASTM D4867 标准检测沥青混合料的水损害,方法既简便又切合实际,值得推广。
关键词:骨料;驼峰;沥青混合料;水损害
中图分类号:TU528142 文献标识码:A
1 沥青混凝土设计要求
某道路工程位于非洲加纳。从起点11 + 425 至23 + 125 是双层沥青混凝土,设计路面宽度为14．0m。路面结构形式为6cm 粘结层+ 4cm 磨耗层,路面基层是规格为0～40mm 的级配碎石,碎石厚度为20cm。从23 + 125 至40 + 829 是双层沥青表面处置,设计宽度为7．0m。
该工程基层级配碎石、沥青表面处置和沥青混凝土所用的石料都是花岗岩,石料场距离该工程起点49km。沥青混凝土所用的沥青是从科特迪瓦进口的60/ 70 壳牌沥青。
该工程沥青混凝土粘结层和磨耗层的级配要求范围见表1。骨料最大粒径分别是20mm 和14mm ,相当于我国道路沥青混凝土的AC20 和AC13[1 ] ,但级配范围比我国的偏上,细料相对多一些。表1 粘结层和磨耗层沥青混凝土混合料矿料级配范围( %)
粘结层和磨耗层混合料马歇尔试验配合比设计要求如下:击实次数均为两面各75 次;稳定度大于8kN ;流值2～4mm;空隙率3 %～5 %;沥青含量4．5 %～5．5 %;粘结层饱和度为60 %～75 % ,磨耗层为65 %～75 %。
现场沥青混凝土压实后的空隙率要求是6 %～8 %。按试验室马歇尔试件的空隙率为4 %计算,现场的压实度应控制在96 %～98 %之间。
2 沥青混合料配合比的设计
配合比设计是道路施工至关重要的环节,也是决定工程质量的主要因素。按照本工程技术规范的要求,采用马歇尔配合比设计方法,试验依据是美国沥青混凝土协会MS22 (第6 版本) [2 ] 。配合比设计包括目标配合比设计阶段、生产配合比设计阶段和生产配合比验证阶段共3 个阶段。
本文沥青混凝土粘结层0～20mm 是用4 种不同规格的骨料合成,分别是0～5mm ,5～0mm ,10～14mm 和14～20mm。磨耗层0～14mm 是用3 种不同规格的骨料合成,分别是0～5mm、5～10mm、10～14mm。
表2 和图1 是粘结层4 种规格骨料的筛分结果和合成混合料的计算级配曲线。表3 和图2 是磨耗层3 种规格骨料的筛分结果和合成混合料的计算级配曲线。
从表2、表3 和图1、图2 可以看出,由于0～5mm 的石粉太细,无论配合比如何调整,合成级配曲线总是在0．3～0．6mm 之间出现驼峰。驼峰级配表示为含砂量过多的混合料或相对于总砂量来说细砂太多的混合料,这种级配的混合料在施工期间经常存在压实度难以达到设计要求的问题,并表现为在使用期抗永久变形能力不足,而且容易造成矿料间隙率过小,使路面出现泛油、波浪等病害。
驼峰级配给目标配合比设计增加了难度,经数次试验,试配出来的沥青混合料都无法满足设计矿料间隙率为12 %～14 %(粘结层) 和13 %～15 %(磨耗层) 的要求。所以不得不终止目标配合比的设计。
通过研究,首次提出了利用沥青拌和楼的除尘设备把引起驼峰的细砂吸出去的方法来解决骨料级配驼峰问题。
本文工程所用的沥青拌和楼有5 个冷料仓,4 个热料仓。拌和楼的筛网尺寸分别为4、8、12 和25mm。排气集尘装置包括干式第1 级除尘装置和湿式第2 级除尘装置。干式集尘装置是把干燥筒、振动筛和热料仓的粉尘通过旋风除尘器吸到锥形筒内,锥形筒内较细的粉尘通过引风机吸进水塔打入水池,较粗的粉尘是通过热料提升器送到主拌和楼热料仓参与沥青混合料的拌和。
为了检测拌和楼的除尘能力,按照目标配合比计算的大概比例进料,然后从热料仓取样进行试配,结果骨料驼峰仍然存在。这说明拌和楼的正常除尘(尽管把鼓风机的风门开得很大) 不能把引起骨料驼峰的细砂抽出去。因为拌和楼的设计目标要把较粗的细砂通过热料提升器送至主拌和楼重新筛分,而这部分细料不需要,必须阻止这部分细砂进入拌和楼,为此需要通过改装拌和楼把这部分细料“导”出去,然后由装载机运走。
拌和楼改装后,又重新从4 个热料仓取样筛分(表4、表5) 。从表4、表5 的筛分结果可以看出,拌和楼改装后1 # 热料仓的石粉比拌和楼改装前粗了很多,骨料驼峰的问题得到了有效的解决。
粘结层AC220 型沥青混合料的合成级配曲线见图3 ,经试验最终确定沥青混合料最佳沥青含量为46 % ,热料仓配合比例为:矿粉1 % ,1# 38 % ,2 # 21 % ,3 # 15 % ,4 # 25 %。最佳沥青用量下的AC220 沥青混合料马歇尔指标见表6。
磨耗层AC214 型沥青混合料的合成级配曲线见图4 ,经试验最终确定沥青混合料最佳沥青含量为4．9 % ,热料仓配合比例为:矿粉1．5 % ,1# 46．5 % ,2 # 20 % ,3 # 18 % ,4 # 14 %。最佳沥青用量下的AC214沥青混合料马歇尔指标见表7。
3 沥青和石料的粘附性试验
众所周知,沥青与碱性石料有良好的结合力,与酸性石料的结合力较差,遇水沥青容易剥落。本文工程所用的石料是典型的酸性骨料———花岗岩。为了检验花岗岩与沥青的粘附力,本文试验室采用中国交通部标准T0616 的水煮法检测[3 ] ,检测结果表明,花岗岩的粘附性等级为3 级,需要进行处理。
4 水稳定性试验
按照施工合同的规定,在选定沥青混合料的最佳沥青用量和级配之后,必须按照ASTM D4867[4 ] 标准做水损害试验。如果劈裂抗拉强度比小于75 % ,则要在沥青混合料中加抗剥落剂。
4．1 ASTM D4867 试验过程 (1) 每次制作最少6 个试件,其中一半用于干燥条件试验,另一半用于潮湿条件试验; (2) 先把按配合比配好的矿料加热到150 ±6 ℃,然后加入要求数量的添加剂拌和均匀,放在烘箱中保持这一温度; (3) 将矿料从烘箱中取出加入最佳用量的沥青,拌和均匀,放入烘箱1～2h ,温度为140 ±5 ℃; (4) 把沥青混合料从烘箱中取出,做马歇尔击实,试件击实后的空隙率应为7 ±1 %; (5)将试件冷却到室温并脱模; (6) 按规定的方法测定混合料的最大理论密度,测量试件的直径、高度和毛体积相对密度。计算试件的空隙率,空隙率不符合要求的试件作废; (7) 将试件分成2 组,其中1 组作为干燥条件试验的试件,在室温条件下存放,直至劈裂试验前放入25 ℃水中20min ; (8) 另1 组供潮湿状态试验的试件按以下步骤处理,将试件放入一真空容器中,向容器注入蒸馏水浸没试件,在短时间内(5～10min) 施加70kPa 或525mm高水银柱的真空。取出试件,计算毛体积密度,并计算饱水率。饱水率应控制在55 %～80 %之间。如果饱水率不符合要求,应调整真空度,使试件的饱水率符合要求。当饱水率大于80 %时,试件应作废; (9) 把试件放入60 ±1 ℃水浴中24h ; (10) 调整试件温度,把试件放在25 ±1 ℃的水浴里1h ; (11) 测量试件的高度和体积,计算试件的吸水率和饱水率。如果饱水率超过80 %可以接受; (12) 将干燥条件下的试件同样放入水中保持20min ,然后与潮湿状态的试件同时进行劈裂试验。试验压条宽度为13mm。
测定劈裂抗拉强度,加载速率为50mm/ min ,计算破坏强度比STR :STR = ( StmPStd ) ×100 (1)式中: S TR为劈裂抗拉强度比( %) ; Stm和Std分别为干燥条件下试件和潮湿条件试件的抗拉强度。
4．2 水损害试验 首先做粘结层和磨耗层沥青混合料在不添加任何抗剥落剂的水稳定性试验,试验结果见表8 ,表9。从表8 和表9 可以看出,不采取抗剥落措施粘结层和磨耗层的抗拉强度比不能满足ASTM规定的抗拉强度比大于75 %的要求。根据合同要求必须加入抗剥落剂。
抗剥落剂分液体和粉状固体2 种,固体的有石灰和波特兰水泥。考虑加纳国家的具体情况和成本核算以及采购的方便,决定采用波特兰水泥作为抗剥落剂。
对粘结层和磨耗层的混合料分别加入0．5 %、1．0 %、1．5 %和2．0 %的水泥代替矿粉来做水稳定试验,见表8 和表9。
表8 粘结层AC20 沥青混合料ASTM D4867 水损害试验结果
从表8 粘结层和表9 磨耗层的水损害试验结果可以看出,加入水泥后的沥青混合料的间接抗拉强度均有所提高,这表明添加抗剥落剂后有利于改善沥青混合料的力学性能。
观察马歇尔试件劈开后的断面,可以直观看出,不加水泥的沥青混合料(粘结层和磨耗层) 的石料沥青膜有不同程度的剥落,部分石子露出表面。当加入015 %的水泥时情况稍有好转。当水泥增至1．0 %以上,马歇尔试件劈开后的断面看不到石料露出表面。
从表8 和表9 还可以看出,粘结层AC20 和磨耗层AC14 的沥青混合料在不加水泥的情况下,粘结层的抗拉强度比为62． % ,磨耗层的抗拉强度比为66． % ,不能满足ASTM 规范最少为75 %的指标要求。
当水泥剂量从0.5 %～2.0 %逐渐增加时,粘结层和磨耗层的抗拉强度比也随之增大。当水泥剂量增大到一定程度,抗拉强度比无明显变化。粘结层水泥剂量为1.5 %的抗拉强度比为96.8 % ,水泥剂量为2.0 %的抗拉强度比为98.0 %。磨耗层水泥剂量为1.5 %的抗拉强度比为98.0 % ,水泥剂量为2.0 %的抗拉强度比为99.0 %。
由于粘结层位于磨耗层下面,不直接与水和空气接触,而且在水泥剂量为1.0 %的情况下,其抗拉强度为89.5 % ,已经满足ASTM标准规定的不小于75 %的要求。因此最后决定粘结层的沥青混合料加入1.0 %的水泥替代矿粉作为抗剥落剂。磨耗层沥青混合料加入1.5 %的水泥替代矿粉作为抗剥落剂。
5 结论
(1) 当驼峰骨料给目标配合比带来困难而工程项目附近又没有其他可供选择的料源时,可以考虑通过改装拌和楼来改善骨料级配,然后直接进行生产配合比设计; (2) 在矿料中加入一定比例的水泥可以增强沥青混合料的水稳定性,同时也改善了沥青混合料的力学性能; (3) 利用美国ASTM D4867 标准检测沥青混合料的水损害,方法既简便又切合实际,是国外施工常用的评价水损害的办法,值得国内同行借鉴。
参 考 文 献:
[1] JTG F4022004 ,公路沥青路面施工技术规范[ S] .
[2] MS22 (第六版本) ,沥青混凝土设计方法[ S] .
[3] JTJ 05222000 ,公路工程沥青及沥青混合料试验规程[ S] .
[4] ASTM D4867 ,水对沥青混凝土铺路材料影响的标准试验方法[ S] .
