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影响沥青混合料质量的因素及其控制措施
刘洪海　徐中富
　　在影响路面平整度的众多因素中，沥青混合料的质量是至关重要的。从多年的工程实践中可以得出，无论多么先进的施工设备和多么完善的施工工艺都不能用劣等的材料铺筑出合格的路面，因此修筑高标准的路面必须使用优质的路面材料。目前困扰混合料质量的原因主要表现在：
　　(1) 混合料的矿料级配组成；
　　(2) 沥青用量；
　　(3) 混合料的离析问题；
　　(4) 混合料的温度。
　　在施工过程中混合料质量应从以下四个方面进行控制。
1　原材料管理
　　铺筑高等级路面的沥青混合料是由级配良好的集料和沥青经加热按一定配比混合搅拌，集料被均匀裹覆而成，因此混合料的质量直接取决于材料的好坏。由于目前我国工程施工中材料的来源很复杂，多家料场同时供料的现象十分普遍，因此对材料的检验和管理就很重要。
　　沥青结合料是一种粘稠胶结材料，具有耐久性、粘聚性、感温性和抗老化性，由于这些性能与沥青的来源和提炼方法有关，因此每批沥青均应按JTJ032—94《公路沥青路面施工技术规范》表C.1进行检验。除此之外最重要的是沥青的管理，不同来源的沥青要分别存放，不能混杂，其贮存温度在施工期不高于170℃，不低于150℃；长期存放时应在低温下进行。应采取措施防止沥青污染，例如沥青中若混入0.1%的柴油，会使闪点降低27℃，而针入度提高10°。
　　集料随来源和加工方法的不同差别很大，包括颗粒尺寸、级配、清洁度、强度、颗粒形状、表面结构、吸水能力和集料与沥青的亲合力等。不同来源或每批次的集料均应按JTJ032—94《公路沥青路面施工技术规范》表C.8～C.12进行检验。其次是要注意集料的堆放、铲运和取样。
　　对不同来源、不同规格的集料应分隔堆放，防止不同规格料混杂，堆放时应避免发生离析。离析现象是造成路面潜在损坏最严重的问题，混合料一旦发生离析，使铺出的路面不同区域的级配比、路面的结构和组织发生变化，严重影响了路面压实度、平整度与使用寿命，是路面早期破坏的主要原因。要减小离析的影响就要从材料管理、施工设备选型和施工管理上严格控制。
　　为了减小集料离析现象，各种规格料应分层堆放，每层厚度不应超过1m,这样可以减小由于粒径的差别造成的离析现象，如图1所示。

图1　分层堆料示意图
　　在进行集料检验时，取样方法十分重要，我们不可能对整堆材料进行分析检验，因此要求取样具有代表性。取样应分别从料堆的上、中、下进行，且不要在同一条线上取样，取样点上方应使用挡板，以防止上面的料滚入取样斗内。
　　集料的堆放场地应清洁坚实，以利于排水。对细集料要求有防雨措施，因为细集料的含水率变化很大，最高可达10%以上。集料含水率高会带来很多问题，首先是影响搅拌设备干燥筒的烘干能力，使混合料残余含水率增加，影响混合料中沥青与矿料的粘结力；其次是使搅拌设备温度自动控制失灵，造成成品料温度大幅波动；三是使燃油消耗率增加，这可由公式(1)推得。在标准状态下集料平均含水率每增加1%，燃油消耗率增加约10%。一般间歇式搅拌站在标准状态下，1t热骨料耗油约7kg，由于集料含水率增加1%，油耗将增加0.7kg/t。
　　　　(1)
式中：q—实际燃油消耗率，kg/h；
　　　A—排气温度系数590+0.486t3，其中t3为排气温度，℃；
　　　W—集料实际含水率，%；
　　　Ws—标准状态下集料含水率，5%；
　　　t1—供给骨料温度，℃；
　　　t4—加热骨料温度，℃；
　　　t1s—标准状态供给集料温度，15℃；
　　　t4s—标准状态下加热骨料温度，160℃；
　　　Q—标准状态下燃油消耗率，kg/h。
2　混合料的拌制
　　沥青混合料采用搅拌设备集中拌制。搅拌设备是一组集供料、加热、计量和拌和于一体，能生产满足要求混合料的机械电子设备，其大致可分为两种类型，即间歇式和连续式。由于我国集料来源不稳定，级配变化大，因此推荐使用间歇式搅拌设备。在进行设备调整和进行混合料拌制过程中，应注意如下几方面。
2.1　搅拌器最小拌和时间的确定
　　搅拌器拌和时间的物理概念为：热骨料从计量斗中开始卸料为干拌开始，沥青开始喷射为干拌结束、湿拌开始，搅拌器开门为湿拌结束，干拌时间与湿拌时间之和称拌和时间。拌和时间的确定依据机型的不同和材料的情况而定。间歇式搅拌设备的区别主要在于材料在搅拌器内占活动区的百分比不同。活动区是指搅拌器拌桨所到达的区域减去轴、衬板和桨叶的体积，如图2所示。如果材料堆积过满，最上面的材料得不到充分拌和；如果材料太少，搅拌器效率太低。搅拌器充盈率按式(2)计算。
　　　　(2)
式中：η—充盈率，%；
　　　W—热骨料质量，t；
　　　γ—材料平均密度，一般取1.6t/m3；
　　　V—活动区净体积，m3。

图2　搅拌器活动区示意图
　　在考察搅拌设备时，可以看到两种设计原则的搅拌器：一种以意大利玛连尼公司为代表，其搅拌器的充盈率在35%～45％之间，拌和时间通常取25～30s，即采用少装快拌的原则；另一种以英国帕克公司为代表，搅拌器的充盈率60%～70％，而拌和时间则为35～50s，即多装慢拌的原则。由此可见，搅拌器的拌和时间与充盈率之间有内在的联系，不可随意确定。另外针对不同规格的混合料，由于拌和难易程度不同(主要是粗细材料的比例，沥青用量的多少以及温度等因素)，一般细集料多则拌和时间长；沥青含量和温度高，拌和时间短。不同的充盈率对搅拌效果的影响见图3，不同的拌和时间对搅拌均匀性的影响见图4。由图3可见充盈率45%时拌和时间20s与充盈率60%的拌和时间41s的拌和效果相当。由图4可知，拌和时间越长，拌和均匀性越好，但不可过长，时间过长会对混合料质量产生负面影响；因为混合料在搅拌器中的拌和过程，就是在高温下沥青薄膜与氧气充分接触的过程，即老化过程。拌和时间对沥青针入度的影响见图5。通常拌和时间最长不超过90s。

图3　充盈率对搅拌效果的影响

图4　拌和时间对搅拌均匀性的影响

图5　拌和时间对沥青针入度的影响
　　由此可见，对现场使用的搅拌设备和施工材料有一个最佳的拌和时间，该拌和时间应由试验确定。
2.2　混合料骨料级配和沥青含量的控制
　　生产级配是根据目标级配的要求，从搅拌设备的热料仓卸料口取样筛分确定。取样时应注意，由于振动筛的结构原因，热料仓中细颗粒落入仓的一边，而粗颗粒落入另一边，因此要进行全宽采样，如图6所示。

图6　取样示意图
　　为了保持级配的稳定，要定期对振动筛进行检查。一般情况下热料仓混仓率小于10%，若筛网被堵塞，混仓率就会发生变化，产生波动，直接影响混合料骨料级配组成，特别是对细集料的变化影响最大，因为细集料单位体积的表面积很大。研究表明混合料有最佳沥青含量时，骨料表面裹覆一层约10～15μm的沥青膜，沥青膜过薄或过厚对沥青的质量影响很大。表1给出了通过不同筛孔材料的表面积系数。
表1　通过各筛孔材料的表面积系数

筛孔尺寸(mm)
>4.75
2.36
1.18
0.60
0.30
0.15
0.075
表面积系数(m2/kg)
2
4
8
14
30
60
160

3　混合料的质量检验
　　对拌和厂沥青混合料的质量检验是混合料质量控制的重要方面，主要包括三项内容：
　　(1) 混合料出厂温度　对于AH沥青混凝土一般要求最高温度不超过165℃，因为混合料温度太高会造成沥青老化以致失去粘结力；低温不低于140℃，视运输环境温度而定，一般到现场温度不低于130℃。
　　(2) 混合料沥青含量的抽样检验　在进行混合料取样时，样本容量对试验结果有很大的影响，由参考资料［5］可知，样本平均值的置信区间按式(3)计算。若样品沥青含量为5%，试验标准差为0.05%，则取样数与置信区间的关系如表2所示。
　　　　(3)
式中：Xn—n个试样变动范围；
　　　—n个试样均值；
　　　α—置信水平；
　　　s—样品总体标准差；
　　　n—取样数量。
表2　取样数与置信区间的关系

取样数n
2
3
4
5
6
置信区间(%)
5±0.63
5±0.13
5±0.08
5±0.06
5±0.05

　　由表2可知取样数以5个为宜，最少不低于3个。目前进行沥青含量分析的方法有抽提法、核子法、燃烧法，一般工地较为常用的是离心抽提法。在用该方法进行试验时应注意以下问题：
　　(1) 离心过程中矿粉的流失　研究表明，矿粉的流失量与离心机转速、滤纸压紧程度、混合料中的矿粉含量等因素关系很大。流失量从2g到7g不等，若取样1.5kg，矿粉流失3g，设沥青含量为5%，则试验结果为X1＝（1500×5％＋3）／1500＝5.2％。
　　(2) 混合料中残余含水率的影响　因为集料中的水分在经过干燥筒3min左右的烘烤后，不能彻底干燥，会因设备性能不同，其残余含水率不同。一般残留0.05%～0.5%不等。若残余含水率为0.3%，则引起的试验结果为

　　由以上分析可知，在进行抽提试验时，由于跑粉和残余含水率所引起的试验误差为0.5%，已超出了规范中对混合料沥青含量偏差≤0.30%的要求，因此必须采取回粉和残余含水率修正措施，以提高试验准确度。
　　抽提后骨料的筛分应着重注意矿物填料和矿粉，即通过0.60mm和通过0.075mm筛的部分。因为矿物填料和矿粉是生产沥青混凝土的重要成份，若加入偏高则混合料过于干燥，粘结力弱，防水性差，低温易开裂；若矿物填料或矿粉偏低，则沥青混凝土含油量过多，易泛油，起油包等。特别是矿粉量的细微变化都会引起混合料性能的变化，一般要求其变动量≤±2%。
　　(3) 密度和马歇尔试验　一般情况下每天至少取样2次，进行马歇尔稳定性和流值试验，与规范要求进行比较。同时测取试样密度，作为路面压实度的参考。
4　沥青混合料的运输和摊铺
　　混合料的运输和摊铺中存在的问题在施工中往往容易被忽视。一是卸料离析问题，若运料卡车停在搅拌机下不动，往往大料滚向料堆四周，细料留在中间。较好的卸料方式为采用前、后、中卸料法，如图7所示，可以减小离析现象。
　　二是运料卡车在卸料时，应将混合料快速卸下，使整块物料往下卸，减小料的离析。摊铺机的料斗中应尽量保持满载。螺旋分料器应保持匀速转动，螺旋分料器卸料和运转不平稳是造成摊铺时混合料离析的主要原因。

图7　推荐卸料方式
　　施工人员在进行混合料温度检测时，应注意是否存在不正常现象，如是否冒蓝烟、表面硬化、冒蒸气、明显离析、污染、泛油等，及时检查处理，保证混合料质量。
　　综上所述，沥青混合料的质量是决定路面性能的最主要的因素，必须从材料的管理开始，加强施工过程的检验与控制，只有对集料的生产、存放、烘干、筛分计量，混合料的拌和、检验、运输及摊铺等进行全过程的、系统的、科学的管理，才能为混合料的质量提供可靠的保证。
作者单位：刘洪海　西安公路交通大学
　　　　　徐中富　山东泰安市公路局
参考文献
　1　J.Don Brock, PhD. P.E. and James G. May and Greg Reneger.离析的原因与补救.美国ASTEC公司，1995
　2　E. Gail Mize.间歇式拌和站与连续式双滚筒拌和站的对比.美国ASTEC公司，1995
　3　孙祖望，刘洪海.影响间歇式沥青混凝土搅拌设备生产能力的因素和额定生产能力的确定.筑路机械与施工机械化，1995，13(2)(3)
　4　Test Code of Asphalt Plants. 日本，1985
　5　沙定国.实用误差理论与数据处理.北京：北京理工大学出版社，1993