膠粉瀝青混合料配合比設計優化

狄升貫 ，曾 偉 ，王朝輝

（1.天津市市政工程設計研究院，天津市 300051；2.長安大學，陜西 西安 710064）

0 引言

廢舊輪胎的回收與利用一直是世界性難題，將廢舊輪胎磨細成膠粉應用于道路工程建設中，可以有效地使廢舊輪胎再次循環利用，每公里膠粉改性瀝青路面消耗的廢舊輪胎可達4 000條之多，并且能夠降低道路建設成本，提高路面的使用性能，增加路面的抗病害能力，延長路面的使用壽命，同時膠粉改性瀝青路面對于抑制路面噪聲污染也有顯著效果。目前國內在膠粉改性瀝青混合料配合比設計方面缺乏相關規范，開展的相關研究主要針對連續級配、斷級配以及美國現行各規范中的級配，對其設計優劣性、實際使用效果進行對比分析[1～3]，同時沒有針對膠粉摻量對油石比影響進行的試驗研究。因此，本文針對膠粉改性瀝青的性能特點，采用主骨架空隙填充法（即CAVF法）進行膠粉改性瀝青的配合比設計優化，并首次對比研究了膠粉摻量對混合料最佳油石比的影響效果。

1 膠粉瀝青混合料配合比設計方法

國內外橡膠瀝青混合料級配結構應用型式主要為連續級配、斷級配、開級配。其中連續級配是通過各檔集料逐級填充形成骨架，忽略了膠粉加入后對其骨架結構形成的干涉；采用斷級配則是考慮到膠粉在混合料中的填充作用，需要代替一部分細集料，因而提高礦料間隙率以容納膠粉，減少碾壓彈性；開級配一般適用于排水路面，應用相對較少。國內外大量工程實例證明，斷級配是橡膠瀝青混凝土發展到今天應用最為廣泛和成功的級配結構型式。

膠粉改性瀝青中橡膠粉含量較高，一般在15%以上，膠粉細度從20目到80目不等，相對于常規的聚合物改性劑，橡膠粉顆粒較大，因此會影響瀝青混合料中礦料的嵌擠狀態，為適應膠粉改性瀝青這一特性，混合料設計中通常減少細集料用量，增大礦料間隙率，為膠粉改性瀝青提供充分的空間，避免膠粉對集料嵌擠形成干涉。本研究中混合料級配設計采用按體積比設計瀝青混合料的CAVF法[5,6]，正是出于以上考慮，保證混合料中粗集料的充分嵌擠。該設計方法基于兩個基本假定：

（1）假定細集料的顆粒不對粗骨料的嵌擠結構形成干涉；

（2）細集料與瀝青混合的膠漿也不對粗骨料的嵌擠結構形成干涉。

在上述基本假定成立的基礎上，首先根據經驗設計主骨架，實測其空隙率，然后根據主骨架空隙率以及瀝青混合料設計目標空隙率確定細集料及礦粉和瀝青的用量，使細集料體積、礦粉體積、瀝青體積以及瀝青混合料的目標空隙體積的總和等于主骨架空隙體積，以保證粗骨料的礦料堆積嵌擠骨架結構。根據初步擬定的配合比設計，進行馬歇爾試驗，測定體積指標，以設計目標空隙率作為主要控制指標，確定最佳配合比。

2 膠粉瀝青混合料配合比設計及優化

膠粉改性瀝青混合料的級配設計中選用40目膠粉，摻量為20%（內摻，即膠粉：基質瀝青=20∶80）。級配設計過程如下：

（1）對10～15 mm、5～10 mm兩種粗集料分別按4∶6、5∶5、6∶4、7∶3測定主骨料緊裝空隙率。測試結果見表1。

表1 粗集料緊裝密度

由表1可以看出，當兩種粗集料按6∶4摻配時，緊裝密度最大，主骨料緊裝空隙率最小，即主骨架獲得最佳嵌擠效果，ρsc=1.70 g/cm3，Vvc=40.99%。

（2）根據瀝青混合料設計的主骨料空隙體積填充法的兩個基本假設，細集料體積、礦粉體積、瀝青體積以及瀝青混合料的目標空隙體積的總和等于主骨架空隙體積。可以得到式（1）和式（2）兩個關系式。根據以上所確定的各已知量，利用式（1）和式（2），聯立求解即可求出粗集料用量qc和細集料用量qf：

式中：qc、qf、qp、qa分別為粗集料、細集料、礦粉以及瀝青用量百分數；ρsc為粗骨料緊裝密度，ρtf、ρp分別為細料、礦粉的表觀密度，ρa為瀝青的密度；Vvc、Vvs分別為主骨架緊裝空隙率百分數及瀝青混合料設計目標空隙率百分數。

初擬礦粉用量6%，目標空隙率4%，以7.0%油石比為中值，間隔0.5進行5組配合比設計，計算得設計結果，見表2。

表2 混合料配合比設計

設計級配符合《橡膠瀝青及混合料設計施工技術指南》（交通部公路科學研究院）[7]中ARC-16的級配范圍（《指南》中對1.18、0.3、0.15三個篩孔未作要求），級配曲線見圖1。

（3）分別制作馬歇爾試件，測定體積指標。試驗結果見表3。

試驗結果表明：當油石比為7.0時，空隙率為4.3%，最接近設計目標空隙率4%，同時穩定度最大值也出現在油石比7.0%處。因此，選定7.0%為最佳油石比進行下一步試驗研究。

圖1 設計級配曲線

表3 混合料體積指標測試結果

3 膠粉摻量對最佳油石比影響研究

最佳油石比主要受礦料級配及集料自身性質影響，但不同膠粉摻量的膠粉改性瀝青，其各項性能指標差異較大，需要研究膠粉摻量對最佳油石比的影響，在此基礎上開展后續路用性能的研究。

采用馬歇爾試驗測定不同膠粉摻量下的空隙率及馬歇爾穩定度，膠粉摻量分別為0%、10%、15%、17.5%、20%。測試結果見表4及圖2。

表4 膠粉摻量對空隙率及油石比影響

圖2 不同膠粉摻量下油石比變化曲線

由表4和圖2分析可知，隨著膠粉摻量變化，設計目標空隙率對應的油石比并無明顯變化趨勢，且各摻量下油石比均在7.0%附近。考慮到試驗中不可避免存在少量誤差，可以認為膠粉摻量對瀝青混合料最佳油石比幾乎沒有影響，最佳油石比均為7.0%。

從穩定度試驗結果（見圖3）分析，也證明膠粉摻量對瀝青混合料最佳油石比影響甚微，穩定度最大值均為油石比7.0%的瀝青混合料。相對于膠粉摻量，膠粉細度對瀝青性能影響較小，因此，可認為膠粉細度對油石比沒有影響。

圖3 膠粉摻量對馬歇爾穩定度影響

4 結語

（1）綜合分析國內外膠粉改性瀝青混合料級配設計方法，針對連續型級配中膠粉顆粒對礦料骨架的干涉，采用主骨架空隙填充法（即CAVF法）進行膠粉改性瀝青混合料級配設計，確定出級配方案，最佳油石比為7.0%。

（2）對比研究了不同膠粉摻量對混合料最佳油石比的影響效果，結果表明：隨著膠粉摻量變化，設計目標空隙率對應的油石比并無明顯變化趨勢，且各摻量下油石比均在7.0%附近。

[1]夏瑋.廢膠粉改性瀝青及瀝青混合料路用性能研究[D].重慶:重慶交通大學,2009.

[2]王清.膠粉改性瀝青混合料的配合比設計方法及施工工藝研究[D].長沙:長沙理工大學,2008.

[3]彭慶躍,陳星,彭綱.橡膠瀝青混合料骨架嵌擠級配優化及配合比設計方法研究與應用[J].湖南交通科技,2009,35(4):5-11.

[4]白琦峰,張志祥,曹榮吉.新型斷級配橡膠瀝青混合料設計及性能研究[A].第十屆中國科協年會論文集（四）[C].2008.550-555.

[5]張肖寧,王紹懷,吳曠懷,等.瀝青混合料組成設計的CAVF法[J].公路,2001(12):17-21.

[6]吳曠懷,張肖寧.瀝青混合料設計的主骨料空隙體積填充法研究及應用[J].中南公路工程,2004,29(2):58-64.

[7]交通部公路科學研究院.橡膠瀝青及混合料設計施工技術指南[M].北京:人民交通出版社,2008.