橡膠顆粒瀝青混合料的配合比設計研究

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400000)

引言

由于橡膠顆粒具有高彈性的特點，在壓實過程中易發(fā)生回彈，為使橡膠顆粒的存在不影響混合料的整體結構，通常將粒徑較細的橡膠顆粒填充于骨架密實結構中并在骨架結構中發(fā)揮填充作用。王修云等[1]對橡膠顆粒摻量、振動頻率、振動時間、二次擊實溫度及對應的擊實次數(shù)設置了4水平進行正交試驗。影響因素的大小依次為橡膠顆粒摻量、擊實溫度、振動時間、振動頻率和擊實次數(shù)。孟勇軍[2]等采用二次雙面馬歇爾成型試驗對不同橡膠顆粒摻量下的高彈橡膠顆粒瀝青混合料進行優(yōu)化設計，并進行了路用性能研究，研究結果表明隨著橡膠顆粒摻入比例的增大抗水損害能力下降、抗車轍性能下降、彈性模量降低。

一、基于體積設計法的配合比設計研究

由于本課題研究的瀝青混合料中摻入了橡膠顆粒，其中橡膠顆粒是以替代部分細集料的形式摻入混合料中，由于這部分替代材料的密度有別于被替代材料原有的密度，所以在通過體積設計法確定各成分比例時，需要將這部分影響因素考慮其中，具體步驟為：

pc+pf+pv+p橡膠顆粒=100(1)測得得兩檔粗集料最優(yōu)配比下的骨架空隙率Vvc；

Vvc=(1-ρb/ρ)*100

ρb——粗集料緊裝密度

ρ—粗集料表觀積密度

(2)根據(jù)經(jīng)驗假定礦粉、粗集料的比例及混合料空隙率、瀝青體積；

(4)為了使混合料能達到目標空隙率，根據(jù)下式計算出細集料的用量：

式中：pv—礦粉質量占混合料質量的百分率(%)；

pc—粗集料質量占混合料質量百分率(%)；

pf—細集料質量占混合料質量百分率(%)；

pa—瀝青的質量占礦料質量的百分率(%)；

Vvc—粗集料緊裝空隙率(%)；

Vvt—設計目標空隙率(%)；

ρtc—粗集料緊裝密度(g/cm3)；

ρap—礦粉表觀密度(g/cm3)；

ρaf—細集料表觀密度(g/cm3)；

ρa—瀝青密度(g/cm3)

粗集料緊裝空隙率Vvt和粗集料緊裝密度ρtc由本章3.3實測得到，ρtc、ρap、ρaf、ρa、ρ橡膠顆粒為已知量，未知量僅為pv、pc、pf、pa、p橡膠顆粒和Vvt。對于該6個未知量，我們先確定目標空隙率Vvt為4%，橡膠顆粒替代部分細集料，為了不改變細集料的填充效果，橡膠顆粒替代量為礦料總體積的3%，瀝青質量百分比pa暫定為6%。根據(jù)經(jīng)驗為了保持足夠的高溫穩(wěn)定性SMA粉膠比約為1.8～2。

二、拌和成型方法的研究

橡膠顆粒在拌和時，會與瀝青發(fā)生交互作用，顆粒表面更粗糙且表面發(fā)生碳化作用，因此必須嚴格控制混合料的拌和溫度。研究表明：溫度太低，橡膠顆粒與瀝青之間反應不充分，溫度過高則會使橡膠顆粒表面過度碳化，橡膠顆粒瀝青混合料的空隙率隨著溫度的升高呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當拌和溫度為160℃時空隙率達到最小。

由于橡膠顆粒本身屬于輕質材料，要使橡膠顆粒均勻分布于拌和而成的混合料中，很大程度上取決于拌和時原材料的投放順序。當橡膠顆粒未均勻分散于集料中時，一旦遇到瀝青便黏結成團難以分散均勻，因此，本實驗先將集料在180℃環(huán)境下加熱，為了橡膠顆粒不至于過度碳化，將橡膠顆粒放置于60℃的烘箱中烘干至恒重，再將橡膠顆粒與集料在拌和鍋內干拌60s后倒入加熱到170℃的瀝青繼續(xù)拌和60s，最后加入礦粉拌和60s。

三、最佳瀝青用量的確定

以體積設計法初步確定的油石比為基準，以0.3%為間隔變化油石比，分別成型馬歇爾試件，計算混合料毛體積相對密度、空隙率、流值、礦料間隙率和瀝青飽和度并測定不同油石比下的馬歇爾穩(wěn)定度，再通過式計算獲得最佳油石比OAC：

其中：a1為毛體積密度最大時對應的油石比；

a2為馬歇爾穩(wěn)定度最大時對應的油石比；

級配類型VCADRC(%)VCAmix(%)體積設計級配38.837.2SMA-13C42.142.7SMA-13f40.341.5

a3為規(guī)范空隙率中值對應的油石比；

OACmax和OACmin分別為各項指標均能滿足的油石比范圍的上限和下限。

本實驗選用的橡膠顆粒粒徑為1.18mm以4%的比例等體積替代同粒徑的集料，實驗結果表明最佳油石比為6.2%。

四、級配類型對壓實性能的影響

由于橡膠顆粒為彈性材料，當荷載卸除后，添加了橡膠顆粒的試件其體積會在橡膠顆粒的回彈作用下發(fā)生一定的回彈變形。由于回彈過后將會對混合料的體積參數(shù)產(chǎn)生一定影響，通過SGC旋轉壓實儀成型不同級配條件下的橡膠顆粒瀝青混合料試件，并測試其體積參數(shù)。

本實驗在SMA-13 級配范圍內選取較粗和較細的兩組級配作為對照，分別為SMA-13c和SMA-13f，橡膠顆粒摻量均為為3%，粒徑為1.18mm，油石比為6.2%，實驗結果見下表：

級配類型各篩孔通過率(%)13.29.54.752.361.180.60.30.150.075回彈率(%)空隙率(%)體積設計級配10050262621171412110.54SMA-13C9550221915131211102.25.6SMA-13f10065302622191513121.65.2

試驗結果表明：嚴格采用體積設計法設計的級配試件為出現(xiàn)明顯的回彈現(xiàn)象，而未采用體積設計法確定的級配SMA-13c和SMA-13f均出現(xiàn)了較為明顯的回彈現(xiàn)象，并且回彈過后空隙率明顯變大。此外，以上三種級配中只有通過體積設計法設計的級配能滿足VCAmix≤VCADRC的要求，對于橡膠顆粒瀝青混合料而言，干涉現(xiàn)象越明顯則回彈現(xiàn)象越嚴重。

五、結論

在橡膠顆粒摻量為3%的條件下，通過馬歇爾試驗得出的最佳油石比為6.2%。本研究采用的馬歇爾試件均采用一次擊實的方法成型，成型溫度為160℃；此外，橡膠顆粒瀝青混合料級配設計是否合理與所成型試件的回彈現(xiàn)象的出現(xiàn)與否密切相關，通過體積設計法法設計的級配回彈最小。