【技术】沥青混合料制备技术及质量控制研究
沥青混合料制备技术及质量控制研究高旗南召县公路管理局 河南 南阳474650摘要：沥青混合料的生产阶段是影响路面质量的一个重要环节。为了保证良好的沥青路面施工质量，在做好前期施工组织的基础上，有必要着重对沥青混合料的生产过程进行控制。本文分别从原材料进厂到混合料的拌和，严格控制每一环节的质量，以期达到良好的路面施工效果。关键词：沥青混合料；制备技术；质量控制1.常规控制图方法概述控制图是1924年休哈特（WalterShewhart）博士首先提出的一种将显著性统计原理应用于控制生产过程的图形方法。通过控制图，可使整个过程处于可接受的并且稳定的水平，以确保产品和服务符合规定的要求。控制图由中心线（central line，简写CL）、上控制限（uppercontrol limit，简写UCL）和下控制限（lower control limit，简写LCL），以及按时间顺序抽取的样本统计量数值的描点序列组成。UCL、CL与LCL统称为控制线（control lines），若控制图中的描点落在UCL与LCL之外或在UCL与LCL之间的排列不随机，则表明过程异常。
图1 正态分布曲线
图2 控制图示例对于产品质量控制，可认为质量服从正态分布（图1），将分布曲线旋转90°，即为休哈特控制图（图2）。若产品质量特性值落在μ±3σ之间的概率为99.73%，则落在μ±3σ范围以外的概率为0.27%，即为小概率事件。根据统计学小概率事件原理，当点出界则可判定此过程异常。2.沥青混合料拌合楼控制级配控制是沥青混合料生产质量控制的重点。通常采取以下途径进行级配控制：通过拌合楼控制室控制各料仓掺配比例以及矿粉、沥青用量，降低拌合楼中的级配变异；采用各热料仓取料筛分分析集料的变异性，并以此调整级配；最后，通过运料车中取料，进行燃烧筛分试验，控制拌和中的配合比变异。图3~图5为AC-20混合料拌合楼生产中各组分变异状况。
图3 拌合楼各档料掺配比例变异性
从图3（a）可以看出，各档料的掺配比例存在一定的变异；从箱型图3（b）中可以看出，1#、2#大料的掺配比例一般大于均值，而3#、4#细集料的掺配比例一般小于均值。依照1#：2#：3#：4# =42:20:9:25的掺配比例，可以发现2#料生产用量略有偏小，3#号料略有偏大。从图4可以看出，拌和过程中油石比基本上在4.0（生产油石比）上下，其变化范围为3.7~4.3，但是依然存在个别盘油量异常的现象，控制精度有待于进一步加强。从图5可以看出，矿粉、水泥设计掺配率分别为3%和1%，实际水泥含量略低于1%。现场调查发现，在拌和中存在个别装料不及时，未能达到设计比例已经进行了拌和出料的状况。故在动态控制中，应剔除这些数据异常点，保证动态控制的精准性。3.试验室级配离析控制依据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2017），在沥青混合料生产中应检测标准压实度、级配、油石比等指标参数，每工作日检测两次。但实际生产中往往由于重视程度不够，甚至不能保证每天1次的检测频率。究其原因，主要是现有规范对尚未重视级配离析对沥青路面施工质量的影响，没有提出针对性的控制指标来约束施工中混合料的级配离析。同时级配离析将造成压实度的不均匀性，对路面危害巨大。因此，有必要对试验室检测数据进行分析，提出可行的级配离析控制指标。表1为中面层施工中拌合楼取料燃烧筛分试验数据。表1 AC-20C混合料燃烧筛分数据试验日期191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075油石比5.2597.686.473.855.742.631.925.820.314.38.44.84.016.495.482.570.85035.827.321.716.712.78.86.14.176.696.677.462.441.129.323.618.313.79.26.74.94.146.1092.682.971.557.140.229.421.315.611.37.95.33.906.1197.290.177.460.340.226.820.415.2117.65.33.916.1295.682.467.951.239.333.224.216.911.88.25.63.886.2695.681.46749.332.126.420.214.29.56.44.93.906.2796.184.871.25442.832.825.118.613.296.14.006.2897.882.367.247.338.831.82417.712.4854.106.2998.487.270.452.142.528.322.517.613.79.96.24.076.3094.485.370.650.639.329.623.718.814.510.36.64.067.110091.676.657.148.435.627.320.113.99.66.63.987.396.780.669.950.539.427.121.116.412.48.65.64.107.595.290.18066.245.832.624.117.412.18.46.23.877.1999.195.184.368.147.533.425.11913.89.46.53.937.2298.393.18265.541.629.421.214.910.37.45.74.087.2897.286.67660.733.520.915.110.67.85.74.64.367.2997.290.884.969.1452920.915.111.79.36.93.90设计级配96.786.173.655.940.229.422.316.612.08.35.74.00表2 AC-20C沥青混合料级配与设计级配偏差试验日期191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075油石比5.250.90.30.20.22.42.53.53.72.30.10.90.016.41.33.62.85.94.42.10.60.10.70.50.40.176.60.18.711.214.810.95.84.02.92.81.60.80.146.104.13.22.11.20.00.01.01.00.70.40.40.106.110.54.03.84.40.02.61.91.41.00.70.40.096.121.13.75.74.70.93.81.90.30.20.10.10.126.261.14.76.66.68.13.02.12.42.51.90.80.106.270.61.32.41.92.63.42.82.01.20.70.40.006.281.13.86.48.61.42.41.71.10.40.30.70.106.291.71.13.23.82.31.10.21.01.71.60.50.076.302.30.83.05.30.90.21.42.22.52.00.90.067.13.35.53.01.28.26.25.03.51.91.30.90.027.30.05.53.75.40.82.31.20.20.40.30.10.107.51.54.06.410.35.63.21.80.80.10.10.50.137.192.49.010.812.27.34.02.82.41.81.10.80.077.221.67.08.49.61.40.01.11.71.70.90.00.087.280.50.52.44.86.78.57.26.04.22.61.10.367.290.54.711.413.24.80.41.41.50.31.01.20.10从表2中可以看出，存在明显超出范围的级配。在级配变异的混合料中，存在着>9.5mm筛孔通过率偏高，级配偏细，9.5mm、4.75mm筛孔，筛孔通过率偏低，中间档集料含量较高，集料可能存在干涉现象。综合分析，大颗粒粒料整体发生了一定离析。3.1经验控制法依据我国《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2017）中级配变异性的规定，表3中18个工作日有13个工作日级配超出了正常范围，出现了异常状况，异常率为72%。表3 各种离析指标汇总经验法离析率(%)级配变异性贝雷法参数分维数规范变异性NCAT离析标准CA比值（设计值0.35）FAc比（设计值0.61）分维数D（设计值2.510）Adj. R-Square（0.995）005.04.10.300.612.5100.9801113.96.20.280.612.5350.9851227.912.00.200.622.4990.976009.112.20.390.532.5010.9980014.06.30.510.512.4820.9951122.18.00.240.622.5190.9911117.97.60.340.632.4830.9880011.75.30.240.592.5320.9931128.410.20.160.622.5150.9820026.78.40.200.532.5390.9861117.18.50.230.602.5580.9841123.07.80.200.562.5330.9931116.98.00.220.542.5230.9891123.59.90.600.532.5040.9991221.19.20.650.532.5140.9981120.910.30.690.512.4730.9961129.812.60.690.452.4300.9821241.313.00.780.462.5060.990注：①规范允许变异值中，参照我国施工规范，当级配范围超出允许变异值时，赋值1，反之为0；②NCAT离析标准中：无离析：0，轻度离析：1，中度离析：2，严重离析：3。依据NCAT离析划分标准，分析各筛孔级配变异性状况，集料发生离析的概率为72%，其中，轻微离析率56%，中等离析率16%，未发生严重离析。通过对我国规范与NCAT中离析划分标准的对比分析可知，NCAT在级配的控制上要苛刻一些，规定各档通过率级配变异大于5%即发生了离析。我国施工规范中则分为三段：大于4.75mm的各档通过率要求变异性不大于±6；0.075mm通过率变异性要求不大于±2；其余各档细集料变异性要求不大于±5。这样规定虽然能够更好地约束各档集料的变异性，但与NCAT标准相比，我国规范并未划分离析程度，不能引起施工单位的足够重视。整体而言，NCAT离析划分标准能够较好的引导施工单位进行施工控制，但是作为半定量指标，依然有待于进一步完善。3.2平均离析率取13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm四个筛孔上集料含量作为平均离析率计算筛孔，计算结果见表4。分析平均离析率与离析等级的相关性，发现二者具有较好的相关性，见表4，相关系数P=0.657。对于普通AC-20混合料而言，采用这四档筛孔含量控制混合料生产中的级配离析是可行的，可代表混合料级配的离析变异程度。3.3级配差异值与沥青混合料平均离析率指标相比较，级配差异值采用各个筛孔上质量百分率的差异值评价沥青混合料的变异性。不仅考察了粗集料的离析，也包括了细集料的变异，能够体现混合料级配整体变异性状况。分析其与NCAT离析标准的相关性，如表5，可以看出，二者间相关性较好。二者主要区别在于，NCAT离析标准仅仅采用级配变化极差的评价方法。而级配差异值则考虑了每一档的变异性。分析级配差异值与平均离析率的相关关系，发现二者具有很强的相关性，这可能源自于二者本质上的共性，均为筛孔集料含量差异值的统计结果。同时，也反映出2.36mm以上、13.2mm以下几档集料的离析特性往往能够代表整个混合料的变异状况。3.4贝雷法参数分析贝雷法参数与级配离析标准的相关关系，发现CA比与传统经验法确定的离析率间存在一定的趋势。随着CA比的降低，沥青混合料逐渐处于离析状态，CA比小于0.3时，粗集料骨架间隙不能完全的填充，混合料往往处于离析状态，间接说明了贝雷法设计将CA比下限规定为0.4是合适的。同时，在设计阶段与生产阶段控制CA比也是很有必要的。分析CA比与NCAT离析标准、平均离析率、级配变异性之间的相关性，见表5。发现CA比与其他离析指标的关系较弱，分析原因可能由于后三项指标均为设计级配变异性统计量，而CA值仅仅表征粗集料间是否存在一种嵌挤结构或者该级配是否容易产生离析等，不能直接反应原设计级配的变异状况。因此，CA比可作为判断粗集料组成比例变异性的辅助指标，应与其他控制指标结合使用。与CA比相比，FAc值表征了级配中细集料部分组成比例的变异性，因而与上述几种级配离析控制指标相关性较弱。当细集料含量较低时，相应的FAc比值较小；相反，当6.75mm以下粗集料含量较高时，相应的FAc比值较大，混合料已经发生了级配变异性。据有关研究分析表明，当FAc>0.5，表明沥青混合料中含有过的天然砂，有待于进一步验证。3.5分维数尝试分析分维数与集料级配变异性的关系，试图得出以分维数为依据的混合料离析评价标准。由表4可知，分维数与NCAT离析标准、离析率、级配变异值间相关性均不显著，原因与CA比类似，针对特定设计级配，分维数不能表征实际级配与设计级配差异值的大小。分析分维数与CA比、FAc比的相关关系，发现分维数与CA比具有较好的相关性，P=-0.625，在0.01水平上显著相关；与FAc相关性较弱，P=0.488，在0.05水平上显著相关。参考试验室研究数据，如图6、图7所示。对比分析图中分形维数、CA比、FAc比三者关系，发现试验室离析沥青混合料分形维数与CA比、FAc比关系与实际生产中三者规律恰恰相反：试验室离析沥青混合料分形维数随着CA比的增大而增大，随着FAc比的增大而减小；而实际生产中混合料分形维数随着CA比的增大而减小，随着FAc比的增大而增大。
分析分维数与各筛孔通过率的相关性，可以解释上述原因。分维数表征了集料颗粒的复杂程度，相应的集料颗粒越细，其分维数越大，并且分维数仅仅与2.36mm以下各筛孔的通过率有关，随着通过率的增大而增大。故分维数与CA比间不存在特定关系，而与FAc比间存在弱的正比例关系。表4 分维数与各筛孔通过率间的相关关系筛孔尺寸（mm）191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075DP相关性0.0720.1170.2370.3270.3660.5690.70500.79200.8580.8740.625显著性0.7690.6340.3290.1720.1230.0110.0010.0000.0000.0000.004N1919191919191919191919通过以上对分维数的分析，可初步认为分维数表征级配中细集料组成状况，2.36mm以下各筛孔含量对分维数影响较大，且随着级配变细，分维数增大。因而分维数可用以表征细集料的级配状况，但是无法甄别2.36mm~4.75mm之间集料的干涉或2.36mm~4.75mm档集料缺失现象，因而不能直接用于判定混合料的离析状况，可作为一种辅助判断手段。通过对上面几项离析指标的探讨和分析，沥青混合料平均离析率可作为生产阶段级配离析的关键控制指标，同时，CA比可作为辅助控制指标判断粗集料集料的嵌挤状况，分维数作为辅助指标判断细集料的组成以及变异状况。4.结论在拌合楼控制阶段采用常规控制图中均值-极差图的控制方法，可很好约束油石比和温度的变异性，并对拌合楼级配的控制有一定的积极意义。通过试验室燃烧试验发现，采用平均离析率控制混合料生产中的级配离析问题，同时，结合CA比、级配分形维数分别判断混合料的粗集料变异性与细集料变异性。