礦料級配對溫拌橡膠瀝青混合料壓實特性的影響

張黎紅，董則軍，郭紹成

(1.云南省交通規劃設計研究院，云南 昆明 650041；2.四川省冶金地質勘查局水文工程大隊，四川 成都 611730)

礦料級配對溫拌橡膠瀝青混合料壓實特性的影響

張黎紅1，董則軍2，郭紹成1

(1.云南省交通規劃設計研究院，云南 昆明 650041；2.四川省冶金地質勘查局水文工程大隊，四川 成都 611730)

為探究礦料級配變化對溫拌橡膠瀝青混合料壓實特性的影響，設計AC-13、AC-20、AC-25三種級配類型下不同級配走向的溫拌橡膠瀝青混合料。分別基于馬歇爾試件空隙率和旋轉壓實曲線研究不同級配下混合料的壓實特性，研究結果表明：礦料級配越細，其溫拌橡膠瀝青混合料空隙率越??；處于設計級配的溫拌橡膠瀝青混合料施工階段可壓實性最好；礦料級配越粗，溫拌橡膠瀝青路面開放交通后高溫穩定性越好。

道路工程；溫拌橡膠瀝青混合料；礦料級配；壓實特性；旋轉壓實

0 引 言

廢輪胎膠粉用于瀝青路面，不僅可以解決廢舊輪胎對于環境的污染問題，同時橡膠瀝青優良的路用表現對于改善路面各項性能，延長路面服役期限具有重要的現實意義[1]。然而由于橡膠瀝青的高黏度導致攤鋪現場施工困難，及混合料的施工溫度提高導致施工期間的排放問題也更為突出[2]，這些弊病限制了橡膠瀝青在路面中的應用。而溫拌技術則恰好具有在保證混合料品質的前提下，降低施工溫度進而降低排放的特點[3]。因此，研究溫拌技術在橡膠瀝青路面中的應用，將會在確保工程質量的同時對廢輪胎粉的應用產生積極地影響。

在橡膠瀝青改性技術的基礎上引入溫拌技術，可以使混合料在較低的施工溫度下達到良好的施工和易性。筆者從溫拌橡膠瀝青混合料壓實特性角度入手，探討能實現較好壓實性能的溫拌橡膠瀝青混合料級配設計，以期為溫拌橡膠瀝青混合料的工程推廣提供技術支持。

1 原材料

1.1 基質瀝青

采用中海AH-70#重交通瀝青作為基質瀝青。按JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中相關要求對基質瀝青進行了測試，其各項技術指標均符合道路石油瀝青的技術指標要求。

1.2 橡膠粉

根據相關研究，貨車輪胎對瀝青改性效果更好[4]，因此筆者選用30目貨車輪胎膠粉，將廢舊輪胎在常溫下經過剪切、除雜、篩分以及脫硫等加工過程制成的黑色顆粒狀物質，其性能指標見表1和表2。

表1 廢舊膠粉物理技術指標Table 1 Physical indexes of crumb rubber

表2 廢舊膠粉化學技術指標Table 2 Chemical indexes of crumb rubber

1.3 集料

本研究所用集料類型為石灰巖，其基本性能指標及篩分結果如表3和表4。

表3 集料及礦粉密度試驗結果Table 3 Test results of aggregate and mineral filler density

表4 礦料篩分結果Table 4 Sieving test results of aggregate

1.4 溫拌劑

根據對國內溫拌技術應用情況的市場調研，國內主要采用有機蠟類及化學溫拌技術，文中所用溫拌劑為重慶中交科技股份有限公司生產的Sasobit溫拌劑。Sasobit溫拌劑為白色顆粒狀物質，將其摻入瀝青具有減低瀝青膠結料黏度的作用[5]。溫拌劑使用時，于干拌開始階段加入集料中即可，后續的生產步驟同常規瀝青混合料。

2 溫拌橡膠瀝青混合料設計

在制備溫拌橡膠瀝青膠結料時，根據相關研究，本研究所用的溫拌橡膠瀝青的膠粉摻量定為基質瀝青質量的20%，溫拌劑摻量為基質瀝青質量的2%，通過高速攪拌設備在180 ℃油浴溫度下將上述三者攪拌45 min即得到溫拌橡膠瀝青膠結料[6]。

設計混合料級配時選用AC-25，AC-20和AC-13 3種級配類型，每種級配類型又選取偏設計上限、設計級配和偏設計下限3檔級配，以研究不同的級配走向對泡沫溫拌瀝青混合料壓實特性的影響，試驗所用混合料級配情況見圖1。

為使研究成果具有工程實用性，不同礦料級配下的溫拌橡膠瀝青混合料油石比分別為其最佳油石比。經過計算各級配下最佳油石比如表5。

圖1 不同級配匯總Fig.1 Summary of different aggregate gradation

表5 各級配下最佳油石比Table 5 The optimal asphalt-aggregate ratios of various aggregate gradation

3 瀝青混合料壓實特性評價方法

3.1 基于空隙率的評價方法

瀝青混合料空隙率是指混合料中空隙的體積占混合料總體積的百分比，一般通過瀝青混合料的相對毛體積密度和理論密度之比計算得出，空隙率是評價混合料壓實程度最直觀的指標，反映了瀝青混合料在特定壓實功(特定擊實次數)作用下的壓實特性。但基于馬歇爾試件空隙率的壓實特性評價方法只能分析試件成型后的結果，得到的結論過于片面，并且基于馬歇爾試件空隙率的壓實特性評價方法無法評價開放交通階段混合料壓實特性，存在較大的局限性。

但是，鑒于目前國內大部分筑路工程項目部的成型設備僅有馬歇爾擊實儀，因此在實體工程應用時，測定瀝青混合料馬歇爾試件的空隙率便成為獲得施工現場的瀝青混合料壓實特性的最簡單快捷的途徑，空隙率指標起到了連接科研成果與實體工程應用的“橋梁”作用。因此空隙率指標是評價瀝青混合料壓實特性的一個重要指標，利用空隙率指標研究不同礦料級配下溫拌橡膠瀝青混合料的壓實特性可以使研究成果更直觀、有效地在實體工程中得到推廣。

3.2 基于旋轉壓實曲線的評價方法

3.2.1 壓實能量指數CEI

壓實能量指數CEI(construction energy index)是指瀝青路面在鋪筑過程中，施工機械(包括攤鋪機和壓路機)將瀝青混合料壓實至某一指定壓實度時所作壓實功的大小[7]。在瀝青混合料的旋轉壓實成型試驗中，旋轉壓實曲線與X軸所包圍面積的大小，從數學意義上來說，代表了旋轉壓實儀對試件密實所作的功的多少。初始壓實次數對應的壓實度代表攤鋪機振搗夯實的作用，工程中一般要求瀝青路面的竣工壓實度在93%[8]，所以由初始壓實次數對應的壓實度至路面竣工壓實度93%的密實曲線表征了瀝青混合料在攤鋪碾壓階段的壓實特性。壓實能量指數CEI的值等于以初始壓實次數對應的壓實度至路面竣工壓實度93%的這一段密實曲線與X軸之間的面積。CEI面積值越小，則表明在相同的壓實功下瀝青混合料越容易被壓實，即壓實性能越好。

3.2.2 交通密實指數TDI

瀝青路面在竣工壓實度93%的標準下開放交通，那么瀝青路面會在車輛的反復碾壓下被進一步壓實。在Superpave瀝青混合料設計方法體系中，通過旋轉壓實方法成型的瀝青混合料設計空隙率為4%，因此用由壓實度為93%至96%的這一段旋轉壓實曲線與X軸圍成的面積大小代表車輛對瀝青路面的進一步壓密作用，用交通密實指數TDI(traffic densification index)表示[9]。交通密實指數TDI的值越大，則說明瀝青路面抵抗車載壓密能力的越強，即開放交通階段路面的抗變形能力越強。

4 試驗結果及分析

在150 ℃的壓實溫度下分別通過馬歇爾擊實和旋轉壓實兩種成型方式成型溫拌橡膠瀝青混合料試件，為提高試驗結果的可靠性，每種級配成型3組試件，共計27組試件，馬歇爾擊實設置雙面擊實75次，旋轉壓實儀設置初始壓實次數為8次，設計壓實次數為100次，最大壓實次數為160次。待馬歇爾試件冷卻后通過網籃法測試其空隙率，旋轉壓實試件通過成型過程中的旋轉壓實曲線計算各級配冷卻混合料的壓實特性參數CEI與TDI的值，試驗及計算結果如表6。計算各級配下3組試件空隙率、CEI和TDI的平均值，不同級配下溫拌橡膠瀝青混合料的空隙率、壓實能量指數和交通密實指數隨級配變化趨勢如圖2～圖4。

表6 不同級配混合料壓實特性參數值Table 6 Compaction characteristics parameter values of mixture with different gradation

4.1 不同級配混合料空隙率分析

根據表6及圖2可得，采用馬歇爾擊實的方式成型不同級配走向的溫拌橡膠瀝青混合料試件，在壓實溫度和壓實功相同的條件下，試件的空隙率都表現為級配較細的溫拌橡膠瀝青混合料的空隙率最小，處于設計級配的溫拌橡膠瀝青空隙率次之，級配較粗的溫拌橡膠瀝青混合料的空隙率最大；但不同級配類型的溫拌橡膠瀝青混合料空隙率大小有明顯差異，其空隙率大小排序為AC-13>AC-20>AC-25，表明溫拌橡膠瀝青混合料的壓實特性受混合料的公稱最大粒徑影響，具體表現為公稱最大粒徑越小的溫拌橡膠瀝青混合料，其在施工階段越難以壓密，因此在溫拌橡膠瀝青混合料攤鋪時要特別注意瀝青上面層的碾壓，確保足夠的壓實遍數。在溫拌橡膠瀝青混合料的設計和生產過程中也要保證級配在適當的范圍之內，以保證良好的施工質量。

圖2 不同級配走向的溫拌橡膠瀝青混合料空隙率Fig.2 Warm mix rubber asphalt mixture void ratio of different aggregate gradation trend

圖3 不同級配走向的溫拌橡膠瀝青混合料CEI值Fig.3 Warm mix rubber asphalt mixture CEI values of different aggregate gradation trend

4.2 不同級配混合料CEI值分析

由圖3可以看出，溫拌橡膠瀝青混合料公稱最大粒徑越小，CEI值越低，說明其路面在施工階段可壓實性越好。這是因為最大公稱粒徑越小的混合料，其集料支撐效果越差，并且混合料中的小塊集料更易在壓實過程中被壓碎而導致集料的骨架作用進一步減弱。因此，在施工時要特別注意下面層溫拌橡膠瀝青混合料的壓實，須達到足夠的壓實遍數以保證路面質量。比較相同公稱最大粒徑的溫拌橡膠瀝青混合料不同級配走向下，壓實能量指數CEI值的大小表現為中級配<粗級配<細級配，這表明若要達到同樣的壓實效果，處于設計級配的溫拌橡膠瀝青混合料在施工過程中比其他兩種級配需要更小的壓實功，即中值級配混合料比其他兩種級配的混合料要更容易被壓實。因此在溫拌橡膠瀝青混合料設計時級配設計要適中以實現較好的壓實。

4.3 不同級配混合料TDI值分析

由圖4可以看出，溫拌橡膠瀝青混合料公稱最大粒徑越大則TDI值越低，說明其路面在開放交通后抵抗再次變形的能力越強。對比相同公稱最大粒徑不同級配粗細程度的溫拌橡膠瀝青混合料可知，偏級配上限的混合料TDI值比偏級配下限的混合料TDI值要大，說明級配較細的溫拌橡膠瀝青路面在開放交通后在車輛反復碾壓的作用下更易產生車轍等變形，穩定性較差。究其原因主要是因為級配較細的混合料中4.75 mm以下的細集料所占比例較大，各級較大的顆粒都被較小的顆粒擠開，集料間的內摩阻角較小，因此礦料無法形成較為穩定的骨架嵌擠結構，其抗剪切變形的能力較差。

圖4 不同級配走向的溫拌橡膠瀝青混合料TDI值Fig.4 Warm mix rubber asphalt mixture TDI values of different aggregate gradation trend

5 結 論

1) 采用馬歇爾擊實儀成型溫拌橡膠瀝青混合料試件，相同成型條件下級配較細的溫拌橡膠瀝青混合料的空隙率最小，處于設計級配的溫拌橡膠瀝青空隙率次之，級配較粗的溫拌橡膠瀝青混合料的空隙率最大，混合料級配越細，成型后的路面密實度越高。

2) 在施工階段，對于同一公稱最大粒徑級配的泡沫溫拌瀝青混合料，設計級配混合料最容易壓實，其次是靠近級配上限的混合料，靠近級配下限的混合料最難被壓實。因此在溫拌橡膠瀝青混合料生產時應重視混合料級配的監控，保持混合料的級配時刻處于質量控制范圍內，以達到較好的壓實效果。

3) 在開放交通階段，對于AC-13、AC-20及AC-25三種級配，混合料級配設計偏粗會對抵抗路面再壓密有積極作用，因此在高溫或重交通地區要保證溫拌橡膠瀝青路面具有良好的高溫穩定性，混合料級配設計應適當偏級配下限。

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(責任編輯：朱漢容)

Influence of Aggregate Gradation on Compaction Characteristics of Warm Mix Rubber Asphalt Mixture

ZHANG Lihong1，DONG Zejun2，GUO Shaocheng1

(1.Yunnan Provincial Communications Planning & Design Institute，Kunming 650041，Yunnan，P.R.China；2.Hydro-engineering Team of Sichuan Metallurgical Geology & Exploration Bureau，Chengdu 611730，Sichuan，P.R.China)

In order to study the influence of aggregate gradation on compaction characteristics of warm mix rubber asphalt mixture，different aggregate gradation trend of AC-13，AC-20 and AC-25 warm mix rubber asphalt mixture was designed.Compaction characteristics of different aggregate gradation mixture were studied based on void ratio of Marshall specimen and gyratory compaction curve.The results show that fine gradation gives smaller void ratio of warm mix rubber asphalt mixture；the warm mix rubber asphalt mixture with design gradation has the best compactibility at the construction stage；the coarser gradation，the better high temperature stability of warm mix rubber asphalt pavement after traffic operation.

highway engineering；warm mix rubber asphalt mixture；aggregate gradation；compaction characteristics；gyratory compaction

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.08.08

2016-04-22；

2016-07-12

國家自然科學基金項目(51308329)；山西省青年科技研究基金項目(2015021115)

張黎紅(1972—)，男，云南南澗人，高級工程師，主要從事公路交通勘測設計方面的工作。E-mail：582337953@qq.com。

U414

A

1674-0696(2017)08-044-05