夏热冬寒地区AC-20C沥青混凝土配合比设计
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。
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 |
软 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 值 |
|||||
≥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
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 |
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 |
流 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。
参考文献
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[4] 章志军, 李伟.高速公路沥青混凝土路面面层施工技术[J]. 交通世界, 2017 (35) :51-52.
[5] 张琪瑞, 林奕, 姚佳良, 等. AC—20C沥青混凝土在路面维修工程中的应用[J].交通世界2017 (25) :64-66.
[6] 丁济同, 何东坡.水温循环作用下温拌再生沥青混合料水稳定性能研究[J].施工技术, 2017, 46 (17) :70-72, 77.