级配碎石配合比优化设计在疏港公路中的应用

级配碎石配合比优化设计在疏港公路中的应用

李晓善

中铁十四局集团第四工程有限公司山东济南250002

摘要：本文以烟台港龙口港区疏港公路为例，结合当地原材料的实际情况，采用天然筛分砂砾进行配合比的优化设计，并进行了成功的应用，节约了成本，保证了路面施工质量，为类似工程提供参考。

关键词：级配碎石；天然筛分砂砾；配合比；优化

级配碎石作为一种半刚性材料，由于其属于松散颗粒结构，不传递拉应力、拉应变，具有良好的排水性能被广泛应用于沥青路面底基层结构中，以减少和延缓反射裂缝，改善路面结构排水性能，其质量的优劣直接决定了路面结构的成败。

为确保工程质量，降低成本，结合多年来的实践，总结和探索常用的级配碎石结构层材料配合比设计、施工技术及其质量控制。在规范推荐的悬浮密实型级配碎石基础上，通过填充试验，对骨架结构进行了优化；通过击实试验、CBR、抗压回弹模量及掺砂量影响规律等检验其力学性能；从本次级配碎石配合比优化设计的过程看，配合比的优化设计与费用关系重大。烟台港龙口港区疏港公路，级配碎石底基层设计方量共计24.15万方，其中30％碎石用砂砾替代，砂砾共计7.245万方，直接节约材料费用共计229.975万元，充分显示了优化设计的重要性。另外通过与其他施工单位级配碎石配合比设计、施工相比，本项目级配碎石配合比设计从质量到工期再到费用方面都有明显的优势，为以后类似工程施工提供了借鉴和参考。

1、工程概况

1.1.工程概况

龙口港区疏港公路工程被列入国家“十一五中后期高速公路重大新开工施工项目”。

本标段主线全长10.916km，设互通立交3座，分离立交4座，通道8座，大桥2座，中桥2座，涵洞7道。主要的工程量：涵洞通道约1700延米，桥梁2495.1延米。碎石垫层1.6万平方米、水稳风化砂底基层44.2万平方、水稳碎石基层：80.5万平方、LSPM柔性基层23.8万平方、粗粒式沥青砼：28.7万平方、中粒式沥青砼8.3万平方、SMA-13细粒式沥青砼：27万平方。

2.级配碎石施工的不利条件

级配碎石底基层施工工艺已经相对成熟，从成本的角度来讲，施工工艺成本已经能够得到有效的控制，直接制约本项目底基层施工成本的就是原材料，对于当地特殊的地理和人文环境，原材料的生产和使用主要存在以下几个问题：

（1）本项目进场后，根据施工特点结合项目的实际情况，项目试验室牵头对主线范围内所有挖方段进行了地质岩性的调查，调查表明该范围内的碎石各项指标均不能满足底基层的施工要求。

（2）业主指定采石场碎石指标基本符合要求，但是原材料的储量有限，仅仅能够满足本项目防护工程和排水工程的石材需求。

（3）项目通过各种渠道寻找指标符合要求的石山自行开采，但是因当地的特殊人文环境，符合要求的石山受到当地的保护，沟通协调的难度大、时间长，对项目的生产施工非常不利。

（4）各项指标符合设计及规范要求的料场距离本标段较远，且生产能力有限只能供应其周边标段。

3.设计方案比选

本项目工期紧、任务重，试验室结合多年施工经验，从优化级配碎石配合比入手，以节本增效为原则，确保施工质量为前提，提出了合理的级配碎石配合比优化方案，并报送总监办进行验证试验，各项指标均符合要求。

3.1初始设计方案

3.1.1.原材料的选用

选用优良的原材料是配合比设计和施工生产保证产品质量的关键。

选用既定料场规格为0～4.75mm、4.75～9.5、9.5～19mm、19～31.5mm四种集料，经试验各项试验指标符合《公路路面基层施工技术细则》、《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》、《公路工程集料试验规程》、《公路工程土工试验规程》等规范要求。

具体试验技术指标如下：

表3.1-1底基层集料技术指标

3.1.2.筛分试验

（1）级配碎石底基层原材料筛分及设计图纸级配颗粒组成范围见表3.1-2。

表3.1-2原材料筛分及级配颗粒组成

根据筛分结果，在设计图纸级配范围内，调整各集料比例，设计出1组最佳级配，级配组成见表3.1-3，分别测定最佳级配的最大干密度和最佳含水量、CBR强度。测试结果见表3.1-4.

表3.1-3最佳级配的设计组成结果

表3.1-4最大干密度、最佳含水量、承载比测试结果

3.1.3.重型击实试验

采用含水量为3.0％、4.0％、5.0％、5.5％、6.0％重型击实试验，确定最大干密度和最佳含水量，实验结果见表3.1-5：

表3.1-5试验结果

根据击实数据绘制击实曲线图，求出最大干密度为2.255g/cm3，最佳含水量为5.7％。3.1.4.测定最大干密度和最佳含水量级配碎石承载比

每组试件击实分别为30、50、98次，压实度为93％～96％所对应的承载比，试验结果见3.1-6。

表3.1-6承载比试验结果

3.1.5.确定级配碎石配合比

根据以上试验，最后确定目标配合比为：19～31.5mm碎石：9.5～19mm碎石：4.75～9.5mm碎石：0～4.75mm石粉=32％：12％：18％：38％，最大干密度：2.255g/m3、最佳含水量：5.7％，压实度按96.0％控制。由于当地空气干燥，蒸发量大、实际施工中用水量应增加0.5～1.0％。

3.2优化设计方案

一般施工当中材料费用占到投标单价的50％左右，但是本项目每平米级配碎石原材约17.8元，投标单价为25.3元，材料费占到投标单价的70.4％，远大于一般工程材料费用所占比例，对工程的成本控制非常不利。其次，既定料场生产能力有限，在正常生产的情况下每天仅能提供2500方，按照我项目制定的路面铺筑日计划，级配碎石底基层单幅每天1.2公里计算每天需要原材3000方才能保证最基本的施工生产，供料与生产计划严重不符，直接影响了本项目的施工进度。

针对以上问题，项目部开展专题研究，根据项目实际，提出了用筛分砂砾替代部分碎石的大胆假设。根据要求，试验室对全线指定砂砾料场进行筛分试验，对符合要求的筛分砂砾与既定料场的碎石进行配合比的优化设计，经检验优化后级配碎石底基层配合比各项指标均符合相关规定要求，筛分砂砾可以替代9.5～19mm的碎石，本次优化可以减少外购原材7.245万方，能够在成本控制和进度控制方面为项目带来巨大收益，本次配合比优化方案如下：

3.2.1.原材料的选用

采用既定料场提供的集料和施工现场9.5～19mm砂砾，经试验各项试验指标符合相关要求，可以作为底基层集料。具体试验技术指标如下：

表3.2-1底基层集料技术指标

3.2.2.筛分试验

（1）级配碎石底基层原材料筛分及设计图纸级配颗粒组成范围见表3.2-2。

表3.2-2原材料筛分及级配颗粒组成

根据筛分结果，在设计图纸级配范围内，调整各集料比例，设计出1组最佳级配，级配组成见表3.2-3，分别测定最佳级配的最大干密度和最佳含水量、CBR强度。测试结果见表3.2-4.

表3.2-3最佳级配的设计组成结果

表3.2-4最大干密度、最佳含水量、承载比测试结果

3.2.3.重型击实试验

采用含水量为3.0％、4.0％、5.0％、5.5％、6.0％重型击实试验，确定最大干密度和最佳含水量，实验结果见表3.2-5：

表3.2-5试验结果

根据击实数据绘制击实曲线图，求出最大干密度为2.260g/cm3，最佳含水量为5.4％。

3.2.4.测定最大干密度和最佳含水量级配碎石承载比

每组击实分别为30、50、98次，压实度为93％～96％所对应的承载比，试验结果见3.2-6。

表3.2-6承载比试验结果

3.2.5.确定级配碎石配合比

根据以上试验，最后确定目标配合比为：19～31.5mm碎石：9.5～19mm砂砾：4.75～9.5mm：0～4.75mm石屑=17％：30％：17％：36％，最大干密度：2.260g/m3、最佳含水量：5.4％，压实度按96.0％控制。由于当地空气干燥，蒸发量大、实际施工中用水量应增加0.5～1.0％。

4.经济效益分析

在级配碎石底基层施工当中，本项目严格按照审定的方案进行实施，对材料和配合比进行严格而灵活的控制。在施工过程中，本项目加强了砂砾的质量抽检频率，保证使用材料的质量与试验材料一致，加强了集料拌合站各称量器具的校验，保证了优化后配合比的真正使用，为施工质量奠定了良好的基础。

经优化级配碎石底基层原材料费用由初设的1086.75万元降至856.775万元，优化费用229.975万元，达到了预期目的。

4.1.初始设计费用计算

初始设计中碎石材料全部由既定料场提供，单价采用综合单价计算，各种规格碎石单价相同，单价中已经包含了装车和运输费用，每立方米按照45元计算。本项目级配碎石底基层共计需要原材料24.15万m3，原材料所需费用：1086.75万元。

4.2.优化后费用计算

级配碎石配合比优化后，外购原材料由原来的100％下降到了70％，项目自行加工原材由原来的0增加到了30％，减少外购碎石7.245万方。因砂砾从现场开采，其成本仅由设备采购费、机械使用费和材料运输费组成，材料成本大幅度降低，节本增效效果明显。优化后费用如下表：

表4.2-1优化后费用计算

优化后节省成本229.975万元。

5.结束语

优化后配合比具有较好的力学性能和经济性，可用于大面积施工作业，为级配碎石外掺砂砾的推广提供了良好的技术支持。本工程在施工期间得到了业主、监理、质监等多单位表扬，由业主、质监站组织的观摩团多次到现场进行参观。配合比的优化为企业赢得了效益，保证了本工程优质、安全、按期的完成。切实实现了业主满意进度、监理满意质量，企业满意效益的效果。

参考文献：

【1】《公路工程集料试验规程》中华人民共和国交通部2005人民交通出版社

【2】《公路路面基层施工技术规范》中华人民共和国交通部2015人民交通出版社