膠粉及膠粉復(fù)合改性瀝青混合料的配合比設(shè)計研究

河南省路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司 婁 琳河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 汪德才商丘市梁園區(qū)公路管理局 張艷菊

膠粉及膠粉復(fù)合改性瀝青混合料的配合比設(shè)計研究

河南省路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司 婁 琳
河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 汪德才
商丘市梁園區(qū)公路管理局 張艷菊

在膠粉及膠粉復(fù)合改性瀝青混合料的大量試驗及應(yīng)用中表明：膠粉及膠粉復(fù)合改性瀝青混合料宜采用S型嵌擠級配。本文結(jié)合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中有關(guān)要求，明確給出了S型嵌擠級配的定義，并對其S型嵌擠級配進(jìn)行了驗證。室內(nèi)試驗結(jié)果表明：采用S型嵌擠級配的膠粉及膠粉復(fù)合改性瀝青混合料具有適宜的體積參數(shù)，良好的高低溫性能和水穩(wěn)定性能。

膠粉 改性瀝青 S型 級配設(shè)計 性能測試

前言

根據(jù)國外應(yīng)用橡膠瀝青混合料取得的經(jīng)驗,橡膠瀝青或橡膠粉改性瀝青混合料一般用于斷級配和開級配結(jié)構(gòu),不主張用于密級配，但國內(nèi)外均未明確提出橡膠粉改性瀝青混合料的配合比設(shè)計方法。本文結(jié)合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中有關(guān)混合料設(shè)計的要求，提出了S型嵌擠級配的定義。S型嵌擠級配實際上是骨架密實型斷級配瀝青混合料組成結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅粗集料數(shù)量較高，而且相互接觸形成骨架，骨架空隙又由細(xì)集料、礦粉及其他添加劑填密骨架的空隙。由于其內(nèi)摩擦角較大，因而抗剪切強(qiáng)度較高，特別是在夏季溫度較高的南方，能較好地抗拒車轍變形。

一、S型嵌擠級配設(shè)計定義

膠粉及膠粉復(fù)合改性瀝青混合料盡管有較好的抗拒變形的能力，但由于膠粉具有一定的回彈特性，如果采用傳統(tǒng)的懸浮形密實結(jié)構(gòu)，會使混合料壓實回彈而造成其結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。經(jīng)研究認(rèn)為，SMA結(jié)構(gòu)用于膠粉及膠粉復(fù)合改性瀝青混合料的效果是比較理想的，不需要摻加纖維增強(qiáng)劑也能較好的抗析漏。但由于SMA結(jié)構(gòu)對材料的要求高，要求有較高的油石比，加上混合料的造價較高，對于一般的高等級公路的應(yīng)用有一定的難度。在膠粉及膠粉復(fù)合改性瀝青混合料的大量試驗及應(yīng)用中表明：采用膠粉及膠粉復(fù)合改性瀝青混合料適宜采用S型嵌擠級配，既能發(fā)揮膠粉的優(yōu)勢，又能發(fā)揮自身結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中 B.2.2提出：為確保高溫抗車轍能力，同時兼顧低溫抗裂性能的需要，配合比設(shè)計時宜適當(dāng)減少公稱最大粒徑附近的粗集料用量，減少0.6mm以下部分細(xì)粉的用量，使中等粒徑集料較多，形成S形級配曲線，并取中等或偏高水平的設(shè)計空隙率。但對于S型嵌擠級配，《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》沒有明確的設(shè)計和判別的方法。

S型嵌擠級配的設(shè)計思路如下：由于橡膠粉的比重小(不及石料的1/2)，其單位質(zhì)量的體積大，因此在采用S型嵌擠體積法設(shè)計膠粉及膠粉復(fù)合改性瀝青混合料時必須考慮這部分體積，即細(xì)集料體積、橡膠粉體積、瀝青體積、礦粉體積及瀝青混合料最終設(shè)計空隙體積之總和小于主骨架空隙體積。研究已表明，在粗集料(≥4.75 mm)骨架中即使添加1%的2.36 mm顆粒，也會破壞骨架結(jié)構(gòu)。試驗也已證明，增加2.36 mm的顆粒含量將顯著降低混合料的動穩(wěn)定度。因此，為避免細(xì)集料和橡膠粉干涉骨架結(jié)構(gòu)，最好完全間斷2.36~4.75 mm檔細(xì)集料。

粗S型嵌擠級結(jié)構(gòu)集料嵌擠是通過石-石接觸結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的，為此規(guī)定4.75 mm以上粗集料骨架之間的間隙率VCADRC作為粗集料嵌擠作用的衡量指標(biāo)，壓實混合料中細(xì)集料、礦粉、橡膠粉、瀝青與空隙體積之和應(yīng)不超過主骨架空隙體積，因此VCADRC的確定非常重要。

我們在大量的試驗研究和試驗路的應(yīng)用中，對S型嵌擠級配有下式定義：若礦料級配公稱最大粒徑附近的粗集料的通過率都在《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》5.3表3.3.2.2級配范圍中值以上，0.6mm以下細(xì)集料部分的通過率都在級配范圍的中值以下，且在確定某一關(guān)鍵篩孔的前提下，符合式（1.0），則該級配為S型嵌擠級配。

式中：VCADRC——關(guān)鍵篩孔以上較粗集料的搗實礦料間隙率；PCA——瀝青混合料中關(guān)鍵篩孔以上集料的比例；γS——關(guān)鍵篩孔以上較粗集料的搗實相對密度；PX、PK、PZ、PE、PB——分別為關(guān)鍵篩孔以下細(xì)集料、礦粉、膠粉、P E、基質(zhì)瀝青用量在混合料的比例；γX、γK、γZ、γE、γB——分別為關(guān)鍵篩孔以下細(xì)集料、礦粉、膠粉、PE、基質(zhì)瀝青的毛體積相對密度。

上式表明：關(guān)鍵篩孔以下的細(xì)集料、礦粉、瀝青及其他摻加劑的密實體積之和應(yīng)小于關(guān)鍵篩孔以上的搗實后相互嵌擠的較粗集料的空隙。一般情況下，關(guān)鍵篩孔AC13（含AC13）以上為2.36mm，AC10為1.18mm。

但采用S型嵌擠級配作馬歇爾試驗時，繪制的各種指標(biāo)與油石比的關(guān)系曲線中，密度與穩(wěn)定度兩個指標(biāo)經(jīng)常不出現(xiàn)峰值，在選擇最佳油石比時，一般都以目標(biāo)空隙率為準(zhǔn)來確定最佳瀝青用量，但必須符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF40-2004)中5.3配合比設(shè)計中的表3.3.3.1密級配瀝青混凝土混合料馬歇爾試驗技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

二、膠粉復(fù)合改性瀝青混合料的S型嵌擠級配設(shè)計與驗證

1. S型嵌擠級配設(shè)計。

（1）原材料。本試驗采用鎮(zhèn)海AH-70#瀝青，改性瀝青采用基質(zhì)瀝青+10%廢舊膠粉+3%PE的配方類型，采用四川80目膠粉。膠粉及膠粉復(fù)合改性瀝青混合料使用的粗集料應(yīng)該干凈、干燥、無風(fēng)化、不含雜質(zhì)，并符合規(guī)范規(guī)定要求。本試驗粗集料采用石灰?guī)r碎石，壓碎石值20.8%，磨耗值21.5%。細(xì)集料為石灰?guī)r石屑，礦粉為石灰?guī)r礦粉。（粗細(xì)集料規(guī)格按S9、S12、S14及S16規(guī)定生產(chǎn)和使用）

（2）級配設(shè)計。礦質(zhì)混合料配合組成設(shè)計目的，是選配一個具有足夠密實度，并有較高內(nèi)摩阻力的礦質(zhì)混合料。我們采用粗集料（9.5mm~13.2mm）、粗集料（4.75mm~9.5mm）、細(xì)集料（＜4.75mm）、礦粉這幾種集料進(jìn)行礦質(zhì)混合料配合組成設(shè)計，其篩分試驗見下表1。根據(jù)S型嵌擠級配的定義，選用AC13-F、AC13-C.、AC10-C按S型嵌擠級配進(jìn)行混合料配合比設(shè)計，且按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的相應(yīng)要求，最終確定AC10-C為膠粉復(fù)合改性瀝青混合料目標(biāo)配合比，通過膠粉復(fù)合改性瀝青混合料的馬歇爾試驗確定其最佳油石4.9%。

表 1 礦料篩分試驗結(jié)果與AC10-C混合料的礦料組成計算

圖1 AC10-C礦質(zhì)混合料級配范圍與合成級配圖

2. S型嵌擠級配驗證。按目標(biāo)配合比由JTG E42-2005 試驗規(guī)程中T0309-2005試驗得AC10-C型配合比中關(guān)鍵性篩孔2.36mm、1.18mm以上合成集料的搗實相對密度γs(2.36)=1.698、γs(1.18)=1.679。各種集料、膠粉、PE及瀝青用量見表3、4。

表 2 材料密度

表 3 材料用量計算表

在瀝青混合料中的比例關(guān)鍵篩孔以下細(xì)集料比例PX=PcaK%瀝青用量PB=PaK% 68.43 21.48 4.7 3 0.47 0.14 4.73關(guān)鍵篩孔以上集料比例PCA=PcaK%礦粉比例PK=PkK%膠粉比例PZ=PzK% PE例PE=PeK%

驗證AC10-C型是否為S型嵌擠級配(關(guān)鍵篩孔為1.18)，將表2、表3和表4中的數(shù)據(jù)代入式（1.0）所得：

則AC10-C型級配為S型嵌擠級配。

3. 性能試驗。我國現(xiàn)行規(guī)范評價瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的方法主要是馬歇爾試驗法和車轍試驗法；評價混合料的水穩(wěn)定性常用浸水馬歇爾試驗與凍融劈裂試驗；評價瀝青混合料的低溫抗裂性的試驗主要是瀝青混合料彎曲試驗，采用低溫彎曲試驗的破壞應(yīng)變指標(biāo)作為改性瀝青混合料的低溫抗裂性能的評價指標(biāo)。根據(jù)AC10-C礦質(zhì)混合料配合比以及最佳油石比4.9%（橡膠10%+PE3%復(fù)合改性瀝青），計算各礦質(zhì)混合料和瀝青用量。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTJ052-2000)，成型試件，并測定其物理和力學(xué)指標(biāo)。試驗結(jié)果如表5，6所示。

表 5 S型嵌擠級配復(fù)合改性瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果

表 6 S型級配瀝青混合料性能測試結(jié)果

從表5，表6可知：經(jīng)室內(nèi)試驗測試，S型嵌擠級配混合料性能都能滿足規(guī)范的相應(yīng)要求，具有良好的體積參數(shù)，優(yōu)良的高低溫性能和水穩(wěn)定性能。

四、結(jié)語

本文根據(jù)瀝青混合料級配理論和膠粉的回彈特性，確定膠粉及膠粉復(fù)合改性瀝青混合料的配合比設(shè)計采用S型嵌擠級配，給出了S型嵌擠級配明確定義，并對提出的級配理論進(jìn)行了驗證，從而進(jìn)一步完善了我國膠粉及膠粉復(fù)合改性瀝青的相關(guān)研究。最后，經(jīng)室內(nèi)試驗測試：S型嵌擠級配瀝青混合料性能優(yōu)良，在工程實踐中可以參考使用，對進(jìn)一步推廣膠粉及膠粉改性瀝青混合料有重要意義。

[1] JTJ F40-2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2] JT J052-2000，公路工程瀝青及混合料試驗規(guī)程[S].

[3] 沈金安.改性瀝青與SMA路面[J].人民交通出版社，1999

[4] 曹衛(wèi)東,呂偉明.廢橡膠粉改性骨架密實型瀝青混合料的設(shè)計方法[J].公路，2004年第4期