基层及底基层材料分档与掺配及公称最大粒径的判定

余继凤

(湖北交通职业技术学院，武汉 430079)

公路路面的基层材料有级配要求，要用不同规格的集料进行掺配，即进行材料分档与掺配，使混合料的通过率满足级配范围的规定。在进行材料分档与掺配时，要根据混合料的级配范围确定混合料的公称最大粒径，再根据公称最大粒径选择集料的规格。若混合料的公称最大粒径判别错误，将导致材料分档与掺配错误，使混合料的合成级配不能满足级配范围的要求。

1 混合料的级配范围

设计文件推荐的基层和底基层混合料级配范围一般为基层施工技术细则[1]中的级配范围。例如，湖北某高速公路级配碎石底基层采用的级配范围为该规范表4.5.8中的G-A-3、水泥稳定碎石基层的级配范围为该规范表中的C-B-3。

2 混合料的公称最大粒径的判定

2.1 公称最大粒径与最大粒径的概念

公路工程集料试验规程[2]2.1.27规定：集料最大粒径是指集料的100%都要求通过的最小的标准筛筛孔尺寸。公路工程集料试验规程2.1.28规定：集料的公称最大粒径是指集料可能全部通过或允许有少量不通过(一般容许筛余不超过10%)的最小标准筛孔尺寸，通常比集料最大粒径小一个粒级。常用的标准筛尺寸有0.075 mm、0.15 mm、0.3 mm、0.6 mm、1.18 mm、2.36 mm、4.75 mm、9.5 mm、13.2 mm、16 mm、19 mm、26.5 mm、31.5 mm、37.5 mm、53 mm。

2.2 公称最大粒径比最大粒径小一号标准筛

根据公称最大粒径及最大粒径的概念，可根据混合料的级配范围直接判定公称最大粒径及最大粒径。

级配碎石G-A-1、G-A-2、G-A-5[1]及水泥稳定碎石C-C-1、C-C-2、C-C-3[1]的最大粒径分别是37.5 mm、31.5 mm、26.5 mm，为通过率100%的最小标准筛；公称最大粒径分别是31.5 mm、26.5 mm、19 mm，通过率为90%～100%，公称最大粒径比最大粒径小一号标准筛。沥青路面施工规范中[3]推荐的沥青混合料的级配均属于这种类型，可按定义进行公称最大粒径的判定，材料分档及掺配较为简单。

2.3 公称最大粒径与最大粒径相同

级配碎石G-A-3、G-A-4[1]及水泥稳定碎石C-B-1、C-B-2、C-B-3[1]的最大粒径分别是31.5 mm、26.5 mm、26.5 mm、19 mm、31.5 mm，为通过率100%的最小标准筛。但公称最大粒径并不比最大粒径小一号标准筛，而是与最大粒径相同，也不能用公称最大粒径的定义(一般容许筛余不超过10%)来判定，公称最大粒径的判定容易出错，将在该文的3.3中详细介绍。

3 材料的分档及掺配

3.1 材料分档数量

基层施工技术细则3.8.1规定，材料分档应符合表3.8.1[1]的规定，见表1。

表1 材料分档要求

基层施工技术细则3.8.3规定，二级及二级以上公路基层和底基层级配碎石或砾石，应不少于4种规格材料掺配[1]。湖北某高速公路的交通荷载等级为重交通，级配碎石底基层、水泥稳定碎石基层均选用4档材料备料。

3.2 备料规格

基层施工技术细则3.8.2规定，公称最大粒径为19 mm、26.5 mm和31.5 mm的无机结合料稳定碎石或砾石的备料规格宜符合表3.8.2[1]的规定。

基层施工技术细则3.6.2规定，基层、底基层的粗集料规格要求宜符合表3.6.2[1]的规定。基层施工技术细则3.7.3规定，细集料规格要求应符合表3.7.3[1]的规定。

从该规范中的数据规律可以看出，基层施工技术细则要求粗集料、细集料的公称最大粒径的通过率均为90%～100%，且公称最大粒径比最大粒径小一号标准筛。例如，表3.6.2中G2(19～31.5 mm)公称最大粒径31.5 mm筛的通过率为90%～100%；最大粒径比公称最大粒径大一号标准筛，37.5 mm通过率为100%，与公称最大粒径、最大粒径的定义一致。表格规定了各档料的超粒径含量，例如，对于G2(19～31.5 mm)，大于31.5 mm和小于19 mm的颗粒都属于超粒径，31.5 mm的通过率为90%～100%，即大于31.5 mm的颗粒不超过10%，19 mm的通过率为0～10%，即小于19 mm的颗粒不超过10%。

下面，我们用矿质混合料的组成设计案例来论证级配碎石G-A-3的公称最大粒径的判定方法。

3.3 矿质混合料的组成设计

1)假定级配碎石G-A-3的公称最大粒径为31.5 mm 假定级配碎石G-A-3的公称最大粒径为31.5 mm，四档备料，查该规范表3.8.2，可确定备料规格为1#料G2(19～31.5 mm)、2#料G8(9.5～19 mm)、3#料G11(4.75～9.5 mm)、4#料XG3(0～4.75 mm)，可配成公称粒径为0～31.5 mm的混合料。各档料的筛分结果见表2，满足规范中的粗集料、细集料的规格要求，且最粗档料1#料G2(19～31.5 mm)的公称最大粒径及最大粒径均为31.5 mm，即公称最大粒径31.5 mm的通过率为100%，且26.5 mm筛的通过率不满足90%～100%的规定(本案例为73.7%)，否则公称最大粒径为26.5 mm，而不是31.5 mm。

当各档料满足规格要求时，可用各档料的分界尺寸即主粒径4.75 mm、9.5 mm、19 mm的通过率来控制混合料的级配，例如，控制主粒径4.75 mm、9.5 mm、19 mm的通过率分别为级配范围中值35%、54.5%、78%(见表2)，来反求各档料的比例。混合料的通过率即合成级配计算见式(1)。

P=∑Pixi

(1)

式中,P为混合料的通过率；Pi为各档料的通过率；xi为各档料的质量百分比。

表2 矿质混合料的组成设计

4.75 mm筛：4#料XG3(0～4.75 mm)筛分结果为通过率96.7%(见表2)，规范规定其级配范围为90%～100%；3#料G11(4.75～9.5 mm)筛分结果为通过率11.1%，规范规定其级配范围为0～10%，略超出规范要求；2#料G8(9.5～19 mm)筛分结果为通过率1.7%，规范规定其级配范围为0～5%；1#料G2(19～31.5 mm)筛分结果为通过率0.3%，规范规定其级配范围为0～5%。各档料在4.75 mm筛的筛分结果，只有4#料XG3(0～4.75 mm)的通过率很大，其他三档料由于通过率很小而可以忽略不计，故可由式(2)计算可得出4#料XG3(0～4.75 mm)的质量百分比x4约等于36%。

35%=96.7%×x4

(2)

同理，根据9.5 mm筛计算3#料G11(4.75～9.5 mm)的质量百分比x3约等于19%，见式(3)。根据19 mm筛计算2#料G8(9.5～19 mm)的质量百分比x2约等于24%，见式(4)。各档料质量百分比之和为100%，由式(5)可得出1#料的质量百分比x1等于21%。

54.5%=100%×36%+96.0%×x3

(3)

78%=100%×36%+100%×19%+96.9%×x2

(4)

36%+19%+24%+x1=100%

(5)

综上所述，根据主粒径混合料的通过率为级配中值，反求的配合比为1#料G2(19～31.5 mm)∶2#料G8(9.5～19 mm)∶3#料G11(4.75～9.5 mm)∶4#料XG3(0～4.75 mm)=21%∶24%∶19%∶36%。

现对以上计算结果进行分析并进行配合比调整。按式(1)可以求出混合料在各筛上的通过率即合成级配，计算结果与级配中值比较接近，说明各档料满足规范的规格要求，控制超粒径含量，可以很方便控制混合料的级配。由于上述式(2)、式(3)、式(4)忽略了超粒径的颗粒，因此，存在少量的误差，可参照《基于级配要求的矿质混合料配合比调整公式研究》[4]进行配合比调整，使主粒径4.75 mm、9.5 mm、19 mm的通过率为级配范围中值35%、54.5%、78%，调整结果见表2，得出1#料G2(19～31.5 mm)∶2#料G8(9.5～19 mm)∶3#料G11(4.75～9.5 mm)∶4#料XG3(0～4.75 mm)=24%∶23%∶19%∶34%，26.5 mm筛的合成级配通过率为93.7%，满足级配范围90%～95%的要求，各标准筛合成级配均满足要求。

因此，级配碎石G-A-3的公称最大粒径与最大粒径相同，均为31.5 mm，根据基层施工技术细则推荐的备料方法进行材料的分档与掺配，配成的混合料能满足级配范围的规定，但最粗档料的公称最大粒径与最大粒径相同，不能仅仅满足基层施工技术细则规定的粗集料的规格要求即可，还要筛除大于公称最大粒径的颗粒，使31.5 mm的通过率为100%，否则配成的混合料不能满足G-A-3公称最大粒径通过率为100%的级配要求。

2)假定级配碎石G-A-3的公称最大粒径为26.5 mm 级配碎石G-A-3在31.5 mm筛的通过率为100%，在26.5 mm筛通过率为90%～95%，如果按照公称最大粒径及最大粒径的定义，很多试验检测人员会误以为该混合料的公称最大粒径为26.5 mm。现在，来论证级配碎石G-A-3的公称最大粒径是否为26.5 mm。

假定级配碎石G-A-3的公称最大粒径为26.5 mm，备料规格为1#料G3(19～26.5 mm)、2#料G8(9.5～19 mm)、3#料G11(4.75～9.5 mm)、4#料XG3(0～4.75 mm)，可配成公称粒径为0～26.5 mm的混合料，与公称最大粒径为31.5 mm相比，仅最粗档料不同，分别为G3(19～26.5 mm)、G2(19～31.5 mm)，两种材料的区别主要在于26.5 mm筛的通过率不同，不影响主粒径4.75 mm、9.5 mm、19 mm的通过率，故各档料的质量百分比不变。将1#料在26.5 mm筛的通过率修改为G3(19～26.5 mm)的级配范围下限值90%、上限值100%，计算得到混合料的通过率即合成级配分别为97.6%、100%(见表2)，故无法配出在26.5 mm筛通过率为90%～95%的级配碎石G-A-3混合料，但可配出26.5 mm筛级配上限为100%的混合料。

综上所述，用最粗档料公称最大粒径为26.5 mm，可配出混合料的公称最大粒径为26.5 mm，即欲配制的混合料的公称最大粒径与最粗档料的公称最大粒径相同。

现在，用公式来反证这个结论。如果混合料的级配范围上限值不是100%，例如，级配碎石G-A-3在26.5 mm筛的通过率为90%～95%，通过率上限值为95%，即累计筛余下限值为5%，表明G-A-3混合料至少有5%的颗粒大于26.5 mm，只能全部由最粗档的1#料提供，因为其他三档料在26.5 mm的通过率均为100%，即累计筛余为0。可由式(6)计算最粗档的1#料在26.5 mm的累计筛余下限值A1约等于20.8%，即通过率的上限值为79.2%。

5%=24%A1

(6)

计算结果分析：最粗档料在26.5 mm的通过率为x%～79.2%，很显然，最粗档料的公称最大粒径不是26.5 mm，不满足公称最大粒径为26.5 mm的所有粗集料的规格要求，即要求所有的粗集料在公称最大粒径的通过率均为90%～100%。

4 结 论

按照基层施工技术细则推荐的方法可进行材料的分档及掺配，但要根据混合料的级配范围正确判定混合料的公称最大粒径。基层施工技术细则推荐的混合料级配有两种情况，一种是公称最大粒径比最大粒径小一号标准筛，另一种是公称最大粒径与最大粒径相同。

在判定混合料的公称最大粒径时，可先根据最大粒径的定义判定最大粒径，再看小一号标准筛的通过率级配范围，当级配范围为x%～100%，即级配上限为100%时，可判定该号筛是公称最大粒径，且公称最大粒径比最大粒径小一号标准筛。如果比最大粒径小一号筛的级配上限不是100%，例如是级配范围为90%～95%，则该号筛不是公称最大粒径，判定该混合料的公称最大粒径与最大粒径相同。按照此方法，可判定级配碎石G-A-3、G-A-4及水泥稳定碎石C-B-1、C-B-2、C-B-3的公称最大粒径与最大粒径相同；级配碎石G-A-1、G-A-2、G-A-5及水泥稳定碎石C-C-1、C-C-2、C-C-3的公称最大粒径比最大粒径小一号标准筛。

当混合料的公称最大粒径与最大粒径相同时，最粗档料的公称最大粒径也与最大粒径相同，备料时要筛除最粗档料大于公称最大粒径的超粒径颗粒，使公称最大粒径通过率为100%，否则不能配出公称最大粒径与最大粒径相同的混合料。