基于级配要求的矿质混合料配合比调整公式研究

余继凤,刘 唐

(湖北交通职业技术学院,武汉 430079)

基于级配要求的矿质混合料配合比调整公式研究

余继凤,刘 唐

(湖北交通职业技术学院,武汉 430079)

文章研究基于级配要求的矿质混合料配合比调整公式,可由矿质混合料在某筛上的通过率增量反算配合比调整量,能提高矿质混合料组成设计效率及对拌和站混合料的级配控制。

矿质混合料; 级配; 配合比调整; 公式

水泥混凝土、级配碎石、无机结合料稳定土、沥青混合料等材料是路桥工程中常用的混合料。在施工准备阶段,要对水泥混凝土的粗集料、级配碎石、无机结合料稳定土、沥青混合料进行矿质混合料的组成设计,当矿质混合料的合成级配不满足级配要求时,要调整配合比。在生产过程中,需要在拌和站对混合料进行级配抽检,当级配不满足要求时,也要调整配合比。目前在各版本的《道路建筑材料》教材中都没有介绍如何调整矿质混合料的配合比,也没有论文或著作来介绍此方面的研究成果,通常做法是通过反复修改配合比直至合成级配满足要求,工效低且欲使合成级配在某标准筛上的通过率达到调整的目标值较为困难。因此,研究如何根据级配要求来调整配合比具有重要意义。

1 级配要求

1.1 水泥混凝土、级配碎石、无机结合料稳定土

水泥混凝土的粗集料、级配碎石、无机结合料稳定土都有级配要求,按照行业规范的规定,都要做矿质混合料的组成设计,使合成级配在级配范围内。当水泥混凝土用于桥涵工程、路面工程时,要用多种不同规格的粗集料进行配合比设计,使粗集料的合成级配分别满足《公路桥涵施工技术规范》[1]、《公路水泥混凝土路面施工技术细则》[2]规定的级配范围。级配碎石、无机结合料稳定土用作路面的基层、底基层、垫层,其矿质混合料的合成级配应满足《公路路面基层施工技术细则》[3]、《公路沥青路面设计规范》[4]规定的级配范围。

1.2 沥青混合料

沥青混合料的级配要求非常严格,合成级配应满足《公路沥青路面施工技术规范》的相关规定。在进行沥青混合料的配合比设计时,合成级配应在级配范围内、合成级配曲线的形状应满足规定、关键性筛孔上通过率应满足要求;在沥青混合料的生产过程中,抽检的矿料级配应满足偏差要求。

1.2.1 沥青混合料应满足级配范围的要求

合成级配必须在级配范围内。《公路沥青路面施工技术规范》推荐了沥青混合料的级配范围[5],还规定了工程设计级配范围的确定方法及相关要求,应按照气候条件、交通条件、公路等级、所处的层位及工程所在地的经验来确定沥青混合料的工程设计级配范围[5]。在选定合格的原材料并完成各矿料的筛分试验后,确定各矿料的质量百分比(即配合比),校核合成级配是否在工程设计级配范围内,否则必须调整配合比。

1.2.2 沥青混合料应满足合成级配曲线的形状要求

沥青混合料不仅要满足级配范围要求,还要按泰勒曲线横坐标绘制级配曲线,要求合成级配曲线的形状不能有太多的锯齿形交错,在0.3～0.6 mm不要出现驼峰,否则必须调整配合比。级配曲线的绘制方法及级配曲线的形状要求详见《公路沥青路面施工技术规范》[5]附录B、《浅谈泰勒曲线横坐标级配曲线的绘制方法》[6]。

1.2.3 沥青混合料应满足关键性筛孔上通过率的限制条件

根据工程所在地的公路等级、气候及交通条件,选择采用粗型(C型)或细型(F型)混合料。粗型、细型级配在关键性筛孔上通过率应满足《公路沥青路面施工技术规范》中5.3条的要求[5]。例如,AC-13C在关键性筛孔2.36 mm上的通过率应小于40%。

1.2.4 沥青混合料拌和站矿料级配的允许偏差

在沥青混合料的生产过程中,需按一定的频率抽检混合料级配,偏差不得大于《公路沥青路面施工技术规范》11.4.4.3规定的允许偏差[5],否则应及时调整生产配合比。

2 配合比调整

如果矿质混合料不满足上述级配要求,则需进行配合比调整。

案例1:某夏炎热区高速公路AC-13C目标配合比设计时,选用的五种矿料为1#料9.5～13.2 mm、2#料4.75～9.5 mm、3#料2.36～4.75 mm、4#料0～2.36 mm、矿粉,已知这5种矿料的筛分试验结果及AC-13C的级配范围见表1,初拟配合比为1#料∶2#料∶3#料∶4#料∶矿粉=25%∶22%∶10%∶40%∶3%,计算出矿质混合料的合成级配见表1,画出的级配曲线图见图1。

表1 AC-13C的目标配合比设计

2.1 确定配合比调整目标

在进行沥青混合料的配合比设计时,应根据级配要求校核配合比,使混合料的合成级配满足三个要求(即级配范围、级配曲线形状、关键性筛孔通过率)。在图1中,合成级配在级配范围内;合成级配没有太多的锯齿形交错,且在0.3～0.6 mm范围内不出现“驼峰”;在关键性筛孔2.36 mm上的通过率是43.5%,大于《公路沥青路面施工技术规范》[5]规定的“小于40%”的要求,必须调整配合比,使关键性筛孔2.36 mm的通过率满足要求,否则会因为粗集料太少而不能形成骨架结构,使夏炎热区的沥青路面高温抗车辙能力不足而出现破坏。在图1中,混合料在2.36 mm筛上的通过率偏大,调整配合比前的通过率为P=43.5%,可根据工程经验确定调整配合比后混合料应达到的通过率P′,例如P′=37.0%,则混合料在2.36 mm筛上的通过率增量ΔP=P′-P=37.0%-43.5%=-6.5%。

2.2 确定需调整配合比的矿料种类

在案例1中,设1#料、2#料、3#料、4#料、矿粉在某筛上的通过率分别为P1、P2、P3、P4、P5,调整前1#料∶2#料∶3#料∶4#料∶矿粉的配合比为X1∶X2∶X3∶X4∶X5,调整后的配合比为可按分别式(1)、式(2)求出调整前、调整后矿质混合料在某筛上的通过率为P、P′。

用式(2)减去式(1),可得出矿质混合料在某筛上的通过率增量ΔP与矿料用量的增量ΔXi的关系,见式(3)。

所有矿料的用量Xi之和保持100%不变,故所有矿料用量ΔXi的增量之和为零,调整矿料A和矿料B的用量,设矿料A用量增量为ΔX,则矿料B用量增量为-ΔX,其它矿料增量为零,即式(3)变形为式(4)。

在案例1中,欲调整混合料在2.36 mm筛上的通过率,为了使ΔP调整的效果显著,应使(PA-PB)的值尽可能大,即在级配曲线图上,矿料A位于欲调整混合料通过率的筛孔2.36 mm的左侧(例如矿粉、4#料),而矿料B位于其右侧(例如3#料、2#料、1#料);调整混合料在2.36 mm筛的通过率时,不能对0.075 mm、4.75 mm、中间粒径9.5 mm、公称最大粒径13.2 mm等筛孔的通过率造成较大影响,即在这些筛上矿料A、矿料B的通过率之差(PA-PB)的值尽可能小,即在级配曲线图上,矿料A、矿料B在这些筛的同侧。因此,矿料A、矿料B的位置应该相邻,故在案例1中矿料A、矿料B分别为4#料、3#料。

综上所述,欲调整混合料在某筛上的通过率,则应调整在级配曲线图上的与该筛位置相邻的两种矿料。

2.3 调整配合比

由式(4)变形,可得配合比调整公式,见式(5)。

式中,ΔP调为配合比调整目标,即混合料在某筛孔上的通过率增量,%。PA、PB分别为矿料A、矿料B在该筛上的通过率,%。矿料A、矿料B为需调整配合比的两种矿料,即在级配曲线上与该筛的位置相邻的两种矿料。ΔX为矿料A的配合比增量。矿料B的配合比增量为-ΔX。

在案例1中,混合料在2.36 mm筛上的通过率增量ΔP调为-6.5%,矿料A(4#料)在2.36 mm筛上的通过率PA=100%,矿料B(3#料)在2.36 mm筛上的通过率PB=5.4%,代入式(5),可求矿料A的配合比增量ΔX:ΔX=ΔP调/(PA-PB)=-6.5/(100-5.4)=-7%。

配合比调整的结果:4#料减少7%,3#料增加7%,其它矿料用量不变,调整前的配合比为1#料∶2#料∶3#料∶4#料∶矿粉=25%∶22%∶10%∶40%∶3%,调整后的配合比为1#料∶2#料∶3#料∶4#料∶矿粉=25%∶22%∶17%∶33%∶3%。

2.4 配合比调整的效果分析

根据调整后的配合比,计算混合料在各标准筛上的通过率,画出调整后的级配曲线见图2,混合料在2.36 mm筛的通过率达到调整目标;混合料在0.075 mm、4.75 mm、中间粒径9.5 mm、公称最大粒径13.2 mm筛孔的通过率增量分别为0.6%、0%、0%、0%,基本没有发生变化,可见调整效果较好。

3 结 语

调整矿质混合料的配合比时,首先确定级配曲线的调整目标,即混合料在某筛上的通过率增量;再确定需调整的矿料种类,即在级配曲线图上与该筛相邻的两种矿料;最后通过配合比调整公式计算配合比调整量,见式(5)。文章介绍的配合比调整公式,可由混合料的级配曲线调整目标快速反算配合比调整量,且不影响混合料在其它重要筛孔上的通过率,调整方法简单,效果显著,对提高矿质混合料组成设计效率及拌和站混合料的级配控制均具有重要意义。文章介绍的配合比调整方法不仅适用于AC-13的矿质混合料级配控制,还适用于AC-20、AC-25等所有AC、SMA、沥青碎石、级配碎石、无机结合料稳定土等矿质混合料的级配控制。

[1] 中交第一公路工程局有限公司.JTG/T F 50—2011公路桥涵施工技术规范[S].北京:人民交通出版社,2011.

[2] 交通运输部公路科学研究院.JTG/T F 30—2014公路水泥混凝土路面施工技术细则[S].北京:人民交通出版社,2014.

[3] 交通运输部公路科学研究院.JTG/T F 20—2015公路路面基层施工技术细则[S].北京:人民交通出版社,2015.

[4] 中交公路规划设计院.JTG D 50—2006公路沥青路面设计规范[S].北京:人民交通出版社,2006.

[5] 交通运输部公路科学研究院.JTG F 40—2004公路沥青路面施工技术规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[6] 余继凤.浅谈泰勒曲线横坐标级配曲线的绘制方法[J].中国水运(下半月),2015,15(9):322-324.

Research on Formula of Adjusting Mineral Mixture Ratio Based on Grading Requirement

YU Ji-feng,LIU Tang
(Hubei Communication Technical College,Wuhan 430079,China)

This paper introduces the formula of adjusting mineral mixture ratio based on the grading requirement. According to the increment of the mineral mixture on a sieve,the proportion of the mixture is calculated.This can important to improve the efficiency of composition design of mineral mixture and control the grading of the mixture in the mixing station.

mineral mixture; grading; adjusting mineral mixture ratio;formula

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.05.010

2015-07-17.

余继凤(1973-),副教授.E-mail:819755055@qq.com