適用于甘肅高海拔和多雨量地區(qū)的細(xì)粒式橡膠瀝青瑪蹄脂級配優(yōu)化研究

張 巖

（甘肅省交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 概述

以甘肅的隴南、甘南、祁連山山地、高原大區(qū)為代表的多雨量和高海拔地區(qū)具有地下水及降水豐富，地標(biāo)徑流發(fā)育，且多大部分地區(qū)的土質(zhì)為Q4紀(jì)黃土，這樣的環(huán)境條件下對瀝青路面的使用是極為不利的，其路面破壞的最主要形式為瀝青混凝土面層的溫度開裂，分布廣泛且危害嚴(yán)重。目前，我國在瀝青路面混合料級配設(shè)計中都是按照最大密實原理進(jìn)行設(shè)計，以最大密實原理設(shè)計的級配具有適用范圍廣、宜推廣等優(yōu)點，但是對于一些特殊的氣候條件其針對性不強(qiáng)，很難完全發(fā)揮瀝青路面的優(yōu)點。由于甘肅省地域廣闊且狹長，氣候差異較大，路面所用石料情況復(fù)雜，巖性參差不齊。因此，應(yīng)該針對橡膠瀝青路面這種高性能路面分別進(jìn)行混合料級配的設(shè)計，以充分利用當(dāng)?shù)氐牡夭模l(fā)揮橡膠瀝青路面的功效，服務(wù)當(dāng)?shù)氐纳鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展。

2 AR-SMA-13級配優(yōu)化設(shè)計

為了研究隴南、甘南、祁連山山地、高原大區(qū)細(xì)粒式橡膠瀝青瑪蹄脂AR-SMA-13的最佳級配，在結(jié)合當(dāng)?shù)氐夭暮蜌夂驐l件的基礎(chǔ)上，運用正交試驗對該地區(qū)的細(xì)粒式橡膠瀝青瑪蹄脂混合料級配范圍進(jìn)行優(yōu)化，具體優(yōu)化過程如下。

由于橡膠瀝青混合料的構(gòu)成主要包括粗集料、細(xì)集料和瀝青，因此根據(jù)不同的材料設(shè)置3個因素a（粗集料）、b（細(xì)集料）、c（油石比），根據(jù)粗細(xì)程度不同，每個因素又包括3個水平，各因素水平匯總見表1。

表1 AR-SMA-13正交試驗因素水平表

根據(jù)正交試驗設(shè)計方法，本級配優(yōu)化共進(jìn)行9組試驗，選用該地域內(nèi)典型的碎石進(jìn)行性能測試，其代表性篩分結(jié)果見表2。

表2 礦料篩分結(jié)果匯總表

從表2篩分得出的結(jié)果作為已知條件，進(jìn)行橡膠瀝青瑪蹄脂混合料礦料級配合成，具體曲線如圖1，2，3 所示。

圖1 AR-SMA-13 1#2#3#合成級配曲線

圖2 AR-SMA-13 4#5#6#合成級配曲線

圖3 AR-SMA-13 7#8#9#合成級配曲線

3 設(shè)計級配混合料性能測試

按照上述的9種細(xì)粒式橡膠瀝青瑪蹄脂ARSMA-13的設(shè)計級配，以《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（DB 62/T 3136）規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法成型橡膠瀝青混合料試件，測試其穩(wěn)定度等指標(biāo)，試驗結(jié)果見表3。

表3 9種橡膠瀝青瑪蹄脂AR-SMA-13混合料試驗結(jié)果

4 結(jié)果分析

運用極差分析方法對上表2中的試驗結(jié)果進(jìn)行分析，在分析過程中各因子對指標(biāo)影響程度的大小可從各個因子的極差來看，以各因子極差值的大小來分析因子對各指標(biāo)造成的影響。

1）空隙率結(jié)果。通過分析可知，因素c（油石比）是影響細(xì)粒式橡膠瀝青混合料AR-SMA-13空隙率的主要因素，其影響大小依次為：油石比>細(xì)集料級配>粗集料級配。可知，在設(shè)計級配中，空隙率隨油石比和細(xì)集料的含量增加而減小。粉膠起到填充骨架內(nèi)空隙的作用，當(dāng)空隙率為5.0%時對應(yīng)的油石比約為7%。

2）馬歇爾穩(wěn)定度結(jié)果。通過分析可知，因素b（細(xì)集料級配）是影響細(xì)粒式橡膠瀝青混合料ARSMA-13馬歇爾穩(wěn)定度的主要因素，其影響大小依次為：細(xì)集料的級配>油石比>粗集料級配。

由于穩(wěn)定度對設(shè)計級配有重要的影響，根據(jù)表2的試驗結(jié)果，將各因素對細(xì)粒式橡膠瀝青瑪蹄脂混合料穩(wěn)定度的影響繪制成曲線圖如圖4，5所示。

圖4 集料級配對馬歇爾穩(wěn)定度的影響

從圖中可以看出粗集料和細(xì)集料兩個試驗因素在上位（0.75 位）至下位（0.25 位）時，AR-SMA-13的穩(wěn)定度都大于規(guī)范要求值（7kN）。當(dāng)油石比在6.7%～7.7%范圍內(nèi)浮動時，所有級配成型的試件穩(wěn)定度均大于規(guī)定值，且當(dāng)油石比在7.2%時馬歇爾穩(wěn)定度值達(dá)到了極大值。因此，單從力學(xué)強(qiáng)度的角度出發(fā)，7.2%的油石比最接近細(xì)粒式橡膠瀝青瑪蹄脂混合料AR-SMA-13的最佳油石比。

3）飽和度結(jié)果。根據(jù)正交試驗結(jié)果因素c（油石比）是影響細(xì)粒式橡膠瀝青混合料AR-SMA-13飽和度的主要因素。a、b、c3個因素在上位（0.75位）至下位（0.25位）時，設(shè)計級配的AR-SMA-13飽和度均在規(guī)范約束的范圍內(nèi)。并且當(dāng)集料在上中位時，AR-SMA-13的飽和度接近限制區(qū)間 （70%～85%）的中值，而當(dāng)油石比為7.7%時AR-SMA-13的飽和度接近限制區(qū)間的頂端。

4）動穩(wěn)定度結(jié)果。通過分析可知，因素a（粗集料的級配）是影響細(xì)粒式橡膠瀝青瑪蹄脂混合料AR-SMA-13動穩(wěn)定度的主要因素。a、b、c3個因素在上位（0.75位）至下位（0.25位）時，其動穩(wěn)定度值均在最低要求（3000次/mm）以上。

圖5 油石比對馬歇爾穩(wěn)定度的影響

5）凍融劈裂結(jié)果。同樣可知，因素b（細(xì)集料的級配）是影響細(xì)粒式橡膠瀝青瑪蹄脂混合料ARSMA-13水穩(wěn)定性的主要因素。三a、b、c3個因素在上位（0.75位）至下位（0.25位）時，其凍融劈裂強(qiáng)度比均在限制點（80%）以上。

6）低溫彎曲結(jié)果。可知因素C（油石比）是影響細(xì)粒式橡膠瀝青瑪蹄脂混合料AR-SMA-13低溫抗裂性的主要因素，其次為細(xì)集料的級配。a、b、c3個因素在上位（0.75位）至下位（0.25位）時，ARSMA-13的低溫彎拉應(yīng)變值均在最低要求值（2800με）以上。

5 級配優(yōu)化

結(jié)合上面4的試驗結(jié)果分析并考慮寒冷、多雨等不利氣候條件的影響下，綜合得到各指標(biāo)的主要影響因素、最小影響因素的最優(yōu)組合與因素水平取值范圍，分析結(jié)果見表3。

表3 AR-SMA-13配合比結(jié)果優(yōu)化分析

影響因素a對 VV、穩(wěn)定度、VFA、彎拉應(yīng)變的影響最小，在AR-SMA-13配合比設(shè)計時可適當(dāng)放寬；因素b和c對細(xì)粒式橡膠瀝青瑪蹄脂混合料AR-SMA-13的VV、VFA、低溫彎拉應(yīng)變值影響顯著，表明配合比設(shè)計時需重點考慮。同時從表2可以看出，各設(shè)計級配混合料的穩(wěn)定度、飽和度、動穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比均明顯超過規(guī)定的技術(shù)要求，另外該地區(qū)海拔高、氣候寒冷、降雨豐富所以在選取級配時應(yīng)重點考慮橡膠瀝青混合料的低溫性能和滲水性能，因此，空隙率、凍融劈裂強(qiáng)度比和低溫彎拉應(yīng)變值是控制配合比合理范圍的主要試驗指標(biāo)。介于以上考慮，計算滿足隙率、凍融劈裂以及低溫彎拉應(yīng)變的級配的組合，得到最終的因素組合級配的取值范圍見表4。

表4 隴南、甘南、祁連山山地、高原大區(qū)AR-SMA-13級配參考級配范圍

可知推薦的細(xì)粒式橡膠瀝青瑪蹄脂混合料AR-SMA-13級配的上下限均成平坦的曲線，呈S型分布，這種S形分布的AR-SMA-13級配能夠讓瀝青瑪蹄脂混合料以4.75mm為間斷點構(gòu)成骨架—密實結(jié)構(gòu)，并且著重考慮了混合料的低溫性能，該級配具有適宜的空隙率保證耐久性，且水穩(wěn)定性好、表面構(gòu)造深度大，適宜于高海拔和多雨量地區(qū)使用。

6 結(jié)語

本文利用正交試驗設(shè)計方法，選擇了9種有代表性的級配進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度等路用性能的測試，然后根據(jù)設(shè)計級配的試驗結(jié)果進(jìn)行了級配優(yōu)化，通過優(yōu)化設(shè)計的基本思路給出甘肅省隴南、甘南、祁連山山地、高原大區(qū)地區(qū)高等級公路細(xì)粒式橡膠瀝青瑪蹄脂混合料AR-SMA-13的合理級配范圍，從而達(dá)到對級配優(yōu)化的目的。文章研究成果對于推進(jìn)綠色低碳高等級公路在高海拔和多雨量地區(qū)的發(fā)展具有重要意義。