夏热冬寒地区AC-20C沥青混凝土配合比设计

作者:陈中略 杨宏 邓宏观
单位:中交四航局第一工程有限公司
摘要:根据新疆塔额盆地的气候条件、当地集料、交通状况等, 结合克拉玛依至塔城高速公路工程KT-3标段沥青路面施工情况, 从原材料选择、级配确定及其性能评价等方面, 系统介绍夏热冬寒地区AC-20C沥青混凝土目标配合比、生产配合比的设计过程及施工应用。
关键词:高速公路 沥青混凝土 配合比 设计 施工
作者简介: 陈中略, 高级工程师, E-mail:czhonglie@cccc4.com
基金:中交第四航务工程局有限公司科技项目 (ZJSH-B-2012-01)

 

 

1 工程概况

克拉玛依至塔城高速公路工程 (以下简称“克塔”高速公路) KT-3标段位于新疆维吾尔自治区伊犁哈萨克自治州塔城地区, 主线全长72.6km, 主线路面结构为:底基层 (20cm) +基层 (32cm) +下、中、上 ( (7+6+4) cm) 沥青面层, 中面层为6cm的AC-20C中粒式密级配沥青混凝土, 如图1所示。

图1 路面横断面结构

图1 路面横断面结构

Fig.1 Structure of pavement cross-section

新疆维吾尔自治区塔额盆地最热月平均最高温度为22.3℃, 全年降雨量为291.6mm, 年极端最低温度低于-30℃;按JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》附录A沥青路面使用性能气候分区划分, 沥青路面使用性能气候分区为2-2-3区。

2 材料选择

2.1 沥青

按施工合同要求, AC-20C沥青混凝土采用中国石油克拉玛依石化公司生产的90号A级石油沥青, 经检测各项指标检验 (见表1) 均符合规范要求。

2.2 粗集料

因当地资源所限等原因, 所选粗集料洁净、干燥、表面粗糙, 取样进行检测, 检测结果 (见表2) 均符合技术要求。

2.3 细集料

沥青路面采用的细集料洁净、干燥、无风化、无杂质, 并有适当的颗粒级配。由于塔城地区极端天气较冷, 抗冻性能要求高, 天然砂用量选择不超过集料总量的10%, 对石屑与水洗砂进行了检测, 检测结果 (见表3) 均符合技术要求。

2.4 填料

选用矿粉采用石灰岩石料磨细成而成, 矿粉的检测结果均符合技术要求 (见表4) 。

2.5 抗剥落剂

采用某公司生产的TS-016沥青抗剥落剂, 现场按沥青储存罐中沥青质量的0.3%人工添加, 经储存罐的搅拌设备搅拌3~5h后, 取样对沥青进行老化试验, 并对老化后的沥青进行粘附性试验, 沥青对碎石的粘附性达5级, 满足图纸设计要求。

掺加一种抗剥落剂能使沥青粘附性能达到5级, 并不能说明使用水稳定性就好。克塔高速公路工程评价加抗剥落剂粘附性效果, 按JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》, 采用目标配合比级配, 对掺加与未掺加抗剥落剂沥青混合料, 均制作马歇尔试件进行试验检测, 试验结果表明:经长期老化后的掺抗剥落剂沥青混合料, 水稳定性能、高温性能及低温性能均有显著效果 (见表5) 。

表1 石油沥青试验结果

Table 1 Petroleum bitumen test results

 

项目 25℃针
入度/
0.1mm
针入度
指数

化点
(R&B) /℃
60℃动力
黏度/
Pa·s
25℃
延度/
cm
蜡含量
(蒸馏法) /%
闪点/
溶解
度/%
25℃
密度/
(g·cm-3)
TFOT后
质量
变化/
%
残留
针入
度比/
%
10℃
残留
延度/
cm
15℃
残留
延度/
cm
试验结果 81 -0.96 48.0 241 >100 1.4 270 99.8 0.971 0.23 77 68 44
技术要求 80~100 -1.5~+1.0 ≥44 ≥140 ≥100 ≤2.2 ≥245 ≥99.5 ≤±0.8 ≥57 ≥8 ≥20

 

表2 粗集料质量检测指标

Table 2 Coarse aggregate quality inspection indicators

 

项目 石料压
碎值/%
洛杉矶磨
耗损失/%
表观
相对密度
吸水
率/%
针片状颗粒含量% <0.075mm含量
(水洗法) /%
软石
含量/%
坚固
性/%
磨光
≥9.5mm <9.5mm
3~10mm 14.8 8.3 2.791 0.98 7.6 0.9 0.3 4 42
5~10mm 2.785 0.83 10.1 0.8
10~20mm 2.778 0.66 11.7 0.5
10~25mm 2.782 0.72 10.5 0.2
技术要求 ≤26 ≤28 ≥2.60 ≤2.0 ≤12 ≤18 ≤1 ≤3 ≤12 ≥38

 

表3 细集料质量指标

Table 3 Fine aggregate quality indicators

 

项目 表观相对
密度
含泥量
(<0.075mm的含量) /%
砂当量/% 坚固性/% 亚甲
蓝值g/kg
棱角性
(流动时间) S
石屑 2.779 76 4 2.0 32.0
天然砂 2.746 2.7 3 31.7
技术要求 ≥2.50 ≤3 ≥60 ≤12 ≤2.5 ≥30

 

表4 矿粉质量检测结果

Table 4 Slag quality test results

 

项目 表观密度
(t·m-3)
含水量/% 外观 亲水
系数
塑性
指数
加热
安定性
粒度范围/%
<0.6mm <0.15mm <0.075mm
试验结果 2.696 0.4 无团粒结块 0.7 3 合格 100 96.8 85.0
技术要求 ≥2.50 ≤1 无团粒结块 <1 <4 实测记录 100 90~100 75~100

 

表5 掺加与未掺加抗剥落剂沥青混合料试验数据

Table 5 Test data for asphalt mixtures with and without anti-stripping agents

 

级配 稳定度/
kN
浸水马歇尔稳度/
kN
残留稳定度/
%
动稳定度/
(次·mm-1)
冻融劈裂试验强度比/
%
掺抗剥落剂 (0.3%) , 无长期老化 10.50 9.59 91.3 2 231 82.8
掺抗剥落剂 (0.3%) , 长期老化后 10.32 9.08 88.0 2 048 80.2
未掺抗剥落剂, 长期老化后 8.94 7.21 80.6 1 435 71.4

注:10~25mm∶10~20mm∶5~10mm∶3~10mm∶石屑0~3mm∶水洗砂∶矿粉=13%∶32%∶18%∶10%∶16%∶8%∶3% (油石比4.2%, 抗剥落剂为沥青质量的0.3%)

3 目标配合比设计

3.1 矿料级配组成确定

3.1.1 拟定初步目标级配

设计要求级配范围内, 初步拟定偏粗、中线、偏细3种的目标级配曲线, 拟定的曲线在关键筛孔范围的约1/4, 1/2, 3/4位置通过 (见图2) 。

表6 各级矿料筛分与合成级配

Table 6 Screening and synthetic grading for mineral material at all levels

 

筛孔尺寸/
mm
各集料通过百分率/% 通过百分率
1
(10~25)
碎石
2
(10~20)
碎石
3
(5~10)
碎石
4
(3~10)
碎石
5
(0~3)
石屑
6
(水洗
砂)
7
(矿粉)
合成
级配1
合成
级配2
合成
级配3
规范值/%
下限 中值 上限
37.5 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100 100 100
31.5 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100 100 100
26.5 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100 100 100
19 51.8 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 91.8 92.8 93.7 90 95 100
16 14.6 97.4 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 85.0 86.5 88.1 78 85 92
13.2 0.9 63.6 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 76.2 76.0 75.5 62 71 80
9.5 0.3 10.6 86.2 100.0 100.0 99.2 100.0 65.2 61.0 55.9 50 61 72
4.75 0.2 1.7 1.2 63.6 97.8 95.3 100.0 48.1 41.3 33.3 26 41 56
2.36 0.2 1.6 0.9 10.5 88.5 79.8 100.0 31.1 28.6 25.3 16 30 44
1.18 0.2 1.6 0.9 5.4 69.4 66.4 100.0 24.7 23.0 20.6 12 22.5 33
0.6 0.2 1.5 0.9 3.9 52.5 52.3 100.0 19.6 18.4 16.6 8 16 24
0.3 0.2 1.3 0.9 3.1 37.1 23.6 100.0 13.8 13.0 11.7 5 11 17
0.15 0.2 1.3 0.9 2.8 29.3 9.0 100.0 10.9 10.3 9.3 4 8.5 13
0.075 0.2 0.5 0.8 0.9 8.2 2.6 85.0 4.9 4.7 4.5 3 5 7
掺配比例1 17 19 6 26 21 8 3 比例合计 100.0
掺配比例2 15 25 12 18 19 8 3 比例合计 100.0
掺配比例3 13 32 18 10 16 8 3 比例合计 100.0

 

表7 马歇尔试验结果

Table 7 Marshall test results

 

试验项目 油石比/% 规范值
3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
毛体积相对密度 2.396 2.420 2.438 2.431 2.427
理论最大相对密度 2.580 2.565 2.542 2.521 2.501
空隙率/% 7.1 5.7 4.1 3.6 3.0 3~5
矿料间隙率/% 14.2 13.8 13.5 14.2 14.8 ≥13
饱和度/% 50.0 59.1 69.8 74.8 79.7 65~75
稳定度/kN 9.55 10.22 11.11 10.67 10.45 ≥8
流值/0.1mm 21 25 29 38 42 20~40

 

3.1.2 级配组成确定

各种矿料进行筛分, 采用人机对话的方式, 使矿料合成级配曲线尽量符合3种拟定初步目标级配曲线, 矿料筛分及合成级配表 (见表6) , 确定比例后进行室内各项试验。

图2 矿料合成级配偏粗、中线、偏细曲线

图2 矿料合成级配偏粗、中线、偏细曲线

Fig.2 Thickness, neutral line, and partial fineness profile of synthetic gradation of mineral materials

3.2 偏粗级配目标配合比设计

3.2.1 马歇尔试验

依据沥青粘温曲线, 确定混合料拌合温度为151~157℃, 摊铺温度为142~146℃, 室内标准击实温度确定为140℃, 对沥青拌合料进行马歇尔试验, 不同油石比混合料的空隙率VV、间隙率VMA、饱和度VFA等试验结果如表7所示。

3.2.2 最佳油石比

根据马歇尔试验结果确定最佳油石比 (见表8) 、建立油石比与各指标关系, 如图3所示。

3.2.3 最佳油石比试验结果

经试验确定的最佳油石比为4.2%, 所检指标 (见表8) 均符合规范及图纸设计要求。

表8 最佳油石比确定步骤

Table 8 The best oil/rock ratio determination

 

步骤 取值内容及条件 代号 油石比/%
1 密度最大的油石比 a1 4.1
2 稳定度最大的油石比 a2 4.0
3 目标空隙率的油石比 (或中值) a3 4.4
4 沥青饱和度范围中值的油石比 a4 4.2
5 最佳油石初始值 (a1+a2+a3+a4) /4 OAC1 4.2
6 各指标均符合技术标准的油石比范围最小值 OACmin 3.8
7 各指标均符合技术标准的油石比范围最大值 OACmax 4.5
8 各指标均符合技术标准的油石比范围中值 OAC2 4.2
9 本次最佳油石比 OAC 4.2

 

图3 最佳石油比确定

图3 最佳石油比确定

Fig.3 Best oil ratio determination

3.3 选定目标配合比

按上述配合比设计方法, 继续对中线、偏细级配进行室内试验确定最佳油石比, 试验数据如表9所示, 新疆塔额盆地夏天路面最高温度超过60℃, 冬天最低温度低于-30℃, 沥青路面的低温性能与高温性能尤为重要, 从试验数据可以看出偏粗曲线整体较优, 所以选取偏粗级配曲线的矿料比例:1号 (10~25mm) ∶2号 (10~20mm) ∶3号 (5~10mm) ∶4号 (3~10mm) ∶石屑 (0~3mm) ∶水洗砂∶矿粉=13%∶32%∶18%∶10%∶16%∶8%∶3% (抗剥落剂掺沥青质量的0.3%) 为最终目标配合比。

4 生产配合比设计

4.1 生产配合比设计内容

依据AC-20C中面层目标配合比设计结论, 进行中面层生产配合比设计及拌合楼调试工作, 主要内容包括:冷料舱流量曲线标定、拌合楼热料舱矿料筛分与指标检测、生产配合比级配组成设计和拌合楼试拌验证等。

4.2 拌合楼冷料流量试验

采用无锡恒云QLB4000型拌合楼, 冷料进料速度采用单舱转速频率控制, 生产过程中通过单舱转速频率的设定, 确保各料舱材料用量比例。生产配合比设计中, 进行了拌合楼冷料流量曲线标定试验, 对每种材料按转速频率大小进行3次流量试验, 每次流量试验进料时间为10min, 每小时流量与转速频率标定结果如表10所示。

由于二种矿料流量曲线的一元一次方程式相关系数差, 为了减少溢料与等料, 流量曲线按一元二次方程式建立。根据目标配合比设计结果, 结合冷料流量标定试验的流量关系曲线, 发现10~20mm冷料供应不及, 导致每小时沥青混合料产量只有160t, 通过改进10~20mm碎石冷料舱出料口, 再次做10~20mm的流量曲线, 拌合楼的沥青混合料产量可达220t/h, 计算各冷料舱皮带所需的转速频率如表11所示。

4.3 生产配合比级配调试

对拌合楼热料舱矿料进行了密度和筛分试验, 依据目标配合比设计级配及热料舱筛分试验结果, 进行了生产配合比级配设计, 试验结果如表12所示。

4.4 生产配合比室内试验

按调试确定的生产配合比级配曲线进行生产配合比设计, 确定的最佳油石比为4.2%, 抗剥落剂掺沥青质量的0.3%。取4.2%, ±0.3% 3个油石比进行试拌验证, 按沥青粘温曲线, 混合料拌合温度为151~157℃, 摊铺温度为142~146℃, 室内标准击实温度确定为140℃, 沥青混合料的试验结果 (见表13) 均符合图纸规范及图纸设计要求。

5 现场实施情况

拌合楼对AC-20C沥青混凝土生产配合比进行了试拌验证工作, 并进行了沥青路面试验段施工, 得出各施工参数, 在2013年9月至2014年6月间, 共施工30多km, AC-20C沥青路面的压实度、平整度、渗水系数、动稳定度、残留稳定度、冻融劈裂强度比、弯沉等各项指标均符合规范及图纸设计要求。

表9 不同油石比AC-20C目标配合比试验数据

Table 9 Test data of different oil ratio AC-20C target mix ratio

 

级配 油石
比/%
毛体积
相对
密度
理论
最大相
对密度
空隙
率/%
矿料
间率/
%
沥青
饱和度/
%
稳定
度/
kN

值/
mm
浸水
马歇尔
稳度/kN
残留
稳定
度/%
动稳
定度/
(次·mm-1)
冻融劈裂
试验强度
比/%
低温弯曲
试验破坏
应变/μm
偏粗 4.2 2.440 2.541 4.0 13.6 70.6 10.50 2.9 9.59 91.3 2 231 82.8 2 850
中线 4.2 2.444 2.545 4.0 13.4 70.1 10.17 3.0 9.08 89.3 1 776 83.1 2 680
偏细 4.3 2.417 2.533 4.6 14.4 68.1 9.85 3.4 8.45 85.8 1 450 79.6 2 610

 

表10 拌合楼各冷料舱流量试验结果

Table 10 Flow test results of cold silo in mixing building

 

10~25mm碎石 10~20mm碎石
出料口调整后
5~10mm碎石 3~10mm 石屑 天然砂 10~20mm碎石
出料口调整后
转速/
%
流量/
(t·h-1)
转速/
%
流量/
(t·h-1)
转速/
%
流量/
(t·h-1)
转速/
%
流量/
(t·h-1)
转速/
%
流量/
(t·h-1)
转速/
%
流量
(t·h-1)
转速/
%
流量/
(t·h-1)
10 16.926 10 11.226 10 12.480 10 16.008 10 13.440 10 17.960 10 18.562
25 29.166 25 25.218 25 34.176 25 29.976 25 46.540 25 54.940 25 39.675
40 42.720 40 42.114 40 41.928 40 40.548 40 59.820 40 85.240 40 75.823

 

表11 拌合楼产量220t/h时各冷料舱流量设定

Table 11 Flow setting of each cold silo at the output of 220t/h

 

材料 10~25mm
碎石
10~20mm
碎石调整前
5~10mm
碎石
3~10mm
碎石
石屑 天然砂 10~20mm
碎石调整后
转速 (x) 与流量
(y) 关系式
y=0.002 9x2+
0.713 8x+
9.496
y=0.006 5x2+
0.706 9x+
3.511 3
y=-0.031x2+
2.530 9x
-9.730 7
y=-0.007 5x2+
1.195 3x+
4.809 3
y=-0.044x2+
3.748 2x-
19.638
y=-0.014 8x2+
2.984 9x
-10.404
y=0.033 4x2
+0.238 1x
+12.839
设定值/Hz 24.3 47.1 32.2 16.0 18.8 9.9 38.1
预计流量/ (t·h-1) 28.6 51.2 39.6 22.0 35.3 17.7 70.4

 

表12 热料舱筛分与合成级配

Table 12 Hot silo screening and synthetic scale

 

筛孔尺寸/
mm
矿料 级配/% 目标级配/% 偏差/%
5号热料舱
17~24mm
4号热料舱
11~17mm
3号热料舱
6`11mm
2号热料舱
3~6mm
1号热料舱
0~3mm
矿粉
26.5 100 100 100 100 100 100 100 100 0.0
19 83.8 100 100 100 100 100 96.3 93.7 2.6
16 60.5 93.1 100 100 100 100 89.7 88.1 1.6
13.2 11.4 62.5 100 100 100 100 72.8 75.5 -2.6
9.5 0.6 5.1 87.2 100 100 100 57.3 55.9 1.4
4.75 0.2 0.3 1.2 60.3 100 100 35.2 33.3 1.9
2.36 0.2 0.3 0.5 7.1 84.5 100 26.7 25.3 1.4
1.18 0.2 0.3 0.5 0.7 70.4 100 22.6 20.6 2.0
0.6 0.2 0.3 0.5 0.7 46.7 100 16.4 16.6 -0.2
0.3 0.2 0.3 0.5 0.7 26.7 100 11.2 11.7 -0.5
0.15 0.2 0.3 0.5 0.7 11.9 100 7.4 9.3 -1.9
0.075 0.2 0.3 0.5 0.7 3.1 85.4 4.5 4.5 0.0
配合比/% 23 18 21 8 26 4 合计 100
表观相对密度 2.788 2.791 2.798 2.802 2.804 2.688 2.792 2.776 0.016
毛体积相对密度 2.753 2.740 2.730 2.722 2.716 - 2.731 2.712 0.019

 

表13 不同沥青用量混合料的马歇尔击实试验结果

Table 13 Marshall compaction test results for different asphalt mixtures

 

油石比/
%
毛体积
相对
密度
理论最大
相对
密度
空隙率/
%
矿料
间隙率/%
饱和度/
%
稳定度/
kN
流值/
mm
浸水
马歇尔
稳定度/kN
残留稳
定度/%
动稳
定度/
(次·mm-1)
冻融劈裂
试验强度
比/%
渗水
系数/
(ml·min-1)
3.9 2.438 2.564 4.9 14.1 65.3 11.46 2.6 10.09 88.1 2 612 79.1 106
4.2 2.446 2.557 4.4 14.0 69.0 11.95 2.8 11.23 94.0 2 561 81.5 79
4.5 2.441 2.541 3.9 14.5 72.8 10.79 3.0 10.22 94.7 1 858 84.9 65

 

6 结语

1) 评价加抗剥落剂粘附性效果, 应证明经长期老化后的掺抗剥落剂沥青混合料, 水稳定性能、高温性能及低温性能等有显著效果。

2) 目标与生产配合比合成级配曲线均避开Superpave混合料设计Sup-19类型级配中0.3~2.36mm级配禁区, 使沥青混合料宜压实, 并形成更大的级配和最大强度的集料结构。

3) 流量曲线按一元二次方程式建立时相关系数为1, 可以最大限度避免等料或溢料情况的出现。施工生产时应严格控制天然砂冷料舱的转速, 保证天然砂用量与实际配合比相同。

 

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