級配對橡膠高黏瀝青PAC-13混合料性能的影響

基金項目：廣西重點研發(fā)計劃資助“山區(qū)高速公路長大縱坡瀝青路面抗車轍提升技術(shù)與工程應用研究”（編號：桂科AB22080034）；廣西重點研發(fā)計劃資助“桂北高寒山區(qū)公路路面及設(shè)施快速除冰雪技術(shù)”（編號：桂科AB21220070）

作者簡介：韋萬峰（1992—），工程師，主要從事道路結(jié)構(gòu)與材料方向研究工作。

摘要：在確定橡膠高黏瀝青PAC-13混合料油石比的條件下，文章通過設(shè)定不同的2.36 mm關(guān)鍵篩孔通過率，研究了五種級配中2.36 mm篩孔通過率對透水混合料空隙率等體積指標的影響，進而分析空隙率與混合料抗飛散能力、水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性的關(guān)系。研究結(jié)果表明：級配中2.36 mm篩孔通過率與混合料空隙率、滲水系數(shù)之間存在高度的線性相關(guān)性；空隙率對混合料力學穩(wěn)定性有重要影響，隨著空隙率的增大，瀝青混合料的浸水抗飛散能力、高溫抗車轍性均有一定程度下降；在空隙率為18%～21%時，橡膠高黏瀝青PAC-13混合料的水穩(wěn)定性對空隙率不敏感，凍融劈裂強度比都在90%以上。該研究對橡膠高黏瀝青PAC-13混合料配合比設(shè)計具有一定的指導意義。

關(guān)鍵詞：級配；橡膠高黏瀝青；PAC-13；2.36 mm篩孔；道路工程

中圖分類號：U416.03A020054

0 引言

道路雨天積水在車輛行駛過程中會發(fā)生飛濺，產(chǎn)生水霧，阻擋駕駛員行車視野，甚至導致車輛發(fā)生水漂，對路面行車安全造成嚴重威脅。為了解決道路積水問題，透水瀝青路面應運而生。透水性瀝青路面可以有效減少城市道路噪音和積水等問題，顯著降低道路事故率^［1-3］。透水瀝青混合料的空隙率一般在18%～25%^［4］，其中的連通空隙賦予混合料透水能力。然而，大空隙也給透水混合料的物理力學性能帶來負面影響，透水瀝青混合料的耐久性較密級配瀝青混合料有一定程度降低^［5］。橡膠高黏瀝青在降低成本的同時，還能有效保障透水瀝青混合料的耐久性，是一種性能優(yōu)異的膠結(jié)料。級配對透水瀝青混合料的性能具有重要影響，不同級配的透水瀝青混合料具有不同的空隙率^［6］。對于PA-13類的透水瀝青混合料，《排水瀝青路面設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3350-03-2020）明確規(guī)定其主要通過調(diào)控2.36 mm關(guān)鍵篩孔通過率以獲得目標空隙率^［7］。

本文研究了橡膠高黏瀝青含量對橡膠高黏PAC-13瀝青混合料性能的影響，探究了級配對橡膠高黏PAC-13瀝青混合料體積指標及性能的影響，分析了級配中2.36 mm關(guān)鍵篩孔通過率與混合料空隙率的關(guān)系，為透水瀝青混合料的配合比設(shè)計優(yōu)化提供參考。

1 原材料

1.1 橡膠高黏瀝青

采用橡膠改性瀝青和Z型高黏劑（黃色顆粒狀熱塑性樹脂）復合制備橡膠高黏瀝青。其中，橡膠改性瀝青中橡膠粉摻量為20%，橡膠粉目數(shù)為30～80目，高黏劑摻量為橡膠改性瀝青的8%（內(nèi)摻）。

橡膠高黏瀝青的制備步驟為：（1）將橡膠改性瀝青在175 ℃～180 ℃下加熱至融化狀態(tài)；（2）將橡膠改性瀝青升溫至180 ℃，加入一定量的Z型高黏劑并溶脹30 min；（3）在高速剪切機（剪切速率為4 000～5 000 r/min）中剪切40 min；（4）將上述瀝青混合物在180 ℃中發(fā)育120min;（5）冷卻至室溫，得到橡膠高黏瀝青。橡膠高黏瀝青基本性能的試驗結(jié)果見表1。

1.2 集料

粗集料采用10～15 mm、5～10 mm兩檔輝綠巖集料，細集料采用0～3 mm石灰?guī)r機制砂，填料采用磨細石灰?guī)r礦粉。集料基本性能測試結(jié)果如表2所示，篩分試驗結(jié)果見表3。

2 混合料油石比的確定

級配對橡膠高黏瀝青PAC-13混合料性能的影響/韋萬峰，劉威勤，劉秘強，陳 杰

2.1 初步選擇級配

PAC-13混合料是典型的間斷開級配。為研究橡膠高黏瀝青含量對透水瀝青混合料性能的影響，根據(jù)集料的篩分結(jié)果，結(jié)合工程實際及實踐經(jīng)驗，初步設(shè)PAC-13集料級配如表4所示，其中合成級配2.36 mm篩孔的通過率為11.5%。

2.2 油石比對混合料的影響

在橡膠高黏透水瀝青混合料的拌和過程中，先將一定量的高黏劑和集料加入拌和鍋中拌和90 s后，再加入橡膠瀝青拌和90 s，最后加入礦粉拌和90 s。集料的烘料溫度為185 ℃，瀝青的加熱溫度為180 ℃，瀝青混合料的拌和溫度為175 ℃。

以0.5%間隔變化，分別采用5個不同油石比（4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%）的橡膠高黏透水瀝青混合料進行謝倫堡瀝青析漏試驗和肯塔堡飛散試驗。試驗結(jié)果見表5。

根據(jù)表5的析漏和飛散試驗結(jié)果，繪制油石比與析漏損失和飛散損失的關(guān)系曲線見圖1和圖2。

謝倫堡瀝青析漏試驗通過高溫條件下從瀝青混合料中析出多余的瀝青膠結(jié)料質(zhì)量確定混合料的最大油石比。由圖1中謝倫堡瀝青析漏試驗曲線拐點確定PAC-13混合料的最大油石比OAC_max=4.80%。由于空隙率較高，在車輛荷載、溫度、雨水等作用下，透水瀝青混合料可能會發(fā)生粘結(jié)失效，路面后期面臨掉粒的風險。肯塔堡飛散試驗用以評價透水瀝青混合料的整體粘結(jié)力及抗飛散能力，一般而言，瀝青用量較少的情況下，其抗飛散能力較弱。由圖2中肯塔堡飛散試驗曲線拐點確定PAC-13混合料的最小油石比OAC_min=5.1%，最佳油石比OAC=（OAC_max+OAC_min）/2=（4.8%+5.1%）/2=4.95%。取最佳油石比為5.0%制備瀝青混合料試件，最佳油石比下的馬歇爾試件體積指標、析漏試驗和飛散試驗結(jié)果見表6。

由表6可知，當油石比為5%時，橡膠高黏透水瀝青PAC-13混合料的體積及性能指標均符合技術(shù)要求。

3 級配組成設(shè)計

為了研究級配對橡膠高黏瀝青PAC-13混合料體積參數(shù)及力學性能的影響，文章主要通過控制關(guān)鍵篩孔2.36 mm的通過率，設(shè)計了五種PAC-13混合料級配。其中，五種PAC-13混合料級配中2.36 mm的通過率分別是11.4%、11.5%、12.9%、13.7%、14.7%，如表7所示。

4 結(jié)果分析

4.1 馬歇爾試件體積參數(shù)

將五種PAC-13混合料用馬歇爾擊實儀雙面擊打50次成型馬歇爾試件，輪碾機碾壓8個往返（碾壓16次）成型車轍試件。測試橡膠高黏PAC-13混合料馬歇爾試件的體積指標，包括毛體積密度、空隙率、連通空隙率、礦料間隙率，表8為五種礦料級配下瀝青混合料馬歇爾試件的體積指標。

由表8可知，橡膠高黏瀝青PAC-13混合料馬歇爾試件的整體空隙率、連通空隙率、礦料間隙率、毛體積密度受級配中2.36 mm篩孔通過率影響較大。隨著2.36 mm篩孔通過率的增加，級配中細集料含量逐漸增加，試件的整體空隙率、連通空隙率、礦料間隙率逐漸降低，這表明細集料在粗集料中的填充作用對瀝青混合料的體積指標具有重要影響。瀝青混合料的整體空隙率由封閉空隙和連通孔隙組成，而連通空隙率的形成是瀝青混合料實現(xiàn)排水功能的先決條件，整體空隙率則是影響排水瀝青混合料力學穩(wěn)定性能的主要因素。隨著瀝青混合料整體空隙率的降低，連通空隙率也相應降低，試件整體空隙率從21.2%降至18.5%，連通空隙率也相應從17.6%降至12.7%。2.36 mm篩孔是PAC-13混合料級配中粗細集料的分界點，其通過率決定了細集料對粗集料骨架的填充程度，細集料越多，填充程度越高，混合料毛體積密度逐漸增大。根據(jù)圖3中2.36 mm篩孔通過率與空隙率的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)2.36 mm篩孔通過率與混合料整體空隙率、連通空隙率呈高度線性相關(guān)，礦料級配中2.36 mm篩孔通過率增加1%，瀝青混合料試件整體空隙率約降低0.8%。

通過研究2.36 mm篩孔通過率對PAC-13瀝青混合料整體空隙率、連通空隙率等指標的影響，可以基于設(shè)定的目標空隙率，快速確定PAC-13瀝青混合料礦料級配關(guān)鍵篩孔的通過率。

4.2 混合料性能

采用油石比5.0%分別拌和五種級配的瀝青混合料，并成型相應的瀝青混合料試件，測試橡膠高黏瀝青PAC-13混合料試件的物理力學性能，包括瀝青混合料的抗飛散性能、水穩(wěn)定性能、高溫穩(wěn)定性及透水性能。表9為五種礦料級配下橡膠高黏瀝青PAC-13混合料的物理力學性能。

從表9可知，空隙率直接影響瀝青混合料的粘結(jié)性、力學穩(wěn)定性及滲水性能，其對橡膠高黏瀝青PAC-13混合料的物理力學性能具有重要影響。隨著瀝青混合料空隙率的降低，混合料的浸水抗飛散能力和高溫穩(wěn)定性得到了一定程度的提升，但滲水系數(shù)則有所降低。在空隙率為18%～21%時，橡膠高黏瀝青PAC-13混合料的水穩(wěn)定性對空隙率不敏感，凍融劈裂強度比都在90%以上。隨著空隙率的降低，瀝青混合料的凍融劈裂強度比并沒有呈現(xiàn)規(guī)律性的變化，這可能與橡膠高黏瀝青的良好性能相關(guān)，橡膠高黏瀝青黏度較高，對集料的粘附性較強，在適當?shù)目障堵史秶鷥?nèi)，其都能有效保障瀝青混合料集料-瀝青之間的粘聚性，從而使瀝青混合料不發(fā)生水損害。空隙率對橡膠高黏瀝青PAC-13混合料的浸水抗飛散能力具有一定影響，整體空隙率的增大將降低混合料的整體粘聚性，增加混合料脫落和飛散的風險。PAC-13混合料整體空隙率每增加1%，其浸水飛散質(zhì)量損失大約增加2.2%。在交通荷載及環(huán)境作用下，排水瀝青路面最容易發(fā)生的病害是飛散和掉粒，因此排水瀝青路面混合料設(shè)計時，不能為了增強混合料的透水能力而過度增大整體空隙率。圖4顯示了瀝青混合料整體空隙率與滲水系數(shù)之間的關(guān)系，從擬合曲線可以看出，整體空隙率與滲水系數(shù)呈高度的線性相關(guān)，R²達到0.958，整體空隙率每降低1%，滲水系數(shù)約降低627 mL/min。因此，在透水瀝青混合料級配設(shè)計時，可以根據(jù)路面滲水系數(shù)的要求，快速確定適用于該瀝青混合料的整體空隙率范圍。

空隙率的降低增大了瀝青混合料的密實程度，瀝青混合料車轍板60 ℃動穩(wěn)定度隨空隙率的降低呈現(xiàn)增長趨勢。空隙率在21%以下，排水瀝青混合料60 ℃動穩(wěn)定度可以達到6 000次/mm以上。當瀝青混合料空隙率在18%～21%時，五種級配下的橡膠高黏瀝青PAC-13混合料70 ℃動穩(wěn)定度在1 700～1 900次/mm，可以看出整體空隙率對混合料70 ℃動穩(wěn)定度的影響不大，這可能與混合料所處的溫度有關(guān)。在70 ℃的高溫環(huán)境下，大空隙瀝青混合料車轍板遭到輪碾的破壞較大，五種級配下的車轍板車轍深度都較大。因此，瀝青混合料70 ℃動穩(wěn)定度相差較小。

5 結(jié)語

（1）通過研究油石比對橡膠高黏瀝青PAC-13混合料體積指標及抗飛散等性能的影響，確定5.0%的油石比對橡膠高黏瀝青PAC-13混合料較合適，混合料既能得到適宜的體積指標，又能保障混合料的粘聚性。

（2）隨著2.36 mm篩孔通過率的增加，礦料級配中的細集料含量逐漸增加，瀝青混合料試件的整體空隙率、連通空隙率、礦料間隙率逐漸降低，毛體積密度逐漸增大。

（3）整體空隙率會直接影響瀝青混合料的粘結(jié)性、力學穩(wěn)定性以及滲水性能。隨著瀝青混合料空隙率的減小，混合料的浸水抗飛散能力和高溫穩(wěn)定性得到一定程度的增強，但是滲水系數(shù)有一定幅度降低。

（4）通過研究五種級配中2.36 mm篩孔通過率與混合料整體空隙率等體積指標及混合料整體空隙率同滲水系數(shù)的關(guān)系，可以根據(jù)項目透水路面的滲水系數(shù)要求，在配合比設(shè)計中快速確定混合料的整體空隙率以及2.36 mm關(guān)鍵篩孔的通過率。

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［7］JTG/T 3350-03-2020，排水瀝青路面設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范［S］.