AR-AC-13干法橡膠瀝青混合料的集料級配優(yōu)化

張建孔，　李志剛，　徐　磊

(解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

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AR-AC-13干法橡膠瀝青混合料的集料級配優(yōu)化

張建孔，李志剛，徐磊

(解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

摘要：由于干法橡膠瀝青技術(shù)研究在國內(nèi)起步較晚，對干法橡膠瀝青技術(shù)級配選擇不盡相同。為探究出關(guān)于AR-AC-13干法橡膠瀝青混合料的最佳級配范圍，設(shè)計了四種粗細不同的級配進行對比。通過對四種級配的水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和低溫穩(wěn)定性進行室內(nèi)試驗測試，發(fā)現(xiàn)合成級配偏粗偏細都會影響混合料路用性能；但適當增加粗集料的比例，不僅不會降低混合料性能，還能有效提高混合料的穩(wěn)定性。當4.75mm篩孔通過率控制在35%～40%時，合成級配能有效提高干法橡膠瀝青混合料的穩(wěn)定性。對此提出了AR-AC-13干法橡膠瀝青混合料集料級配優(yōu)化的建議，為干法橡膠瀝青工藝的完善盡一份力量。

關(guān)鍵詞：干法橡膠瀝青；級配范圍；路用性能

橡膠瀝青技術(shù)作為一種改性瀝青技術(shù)，一直為國內(nèi)外公路界所關(guān)注。經(jīng)過多年的研究與改進，現(xiàn)橡膠瀝青技術(shù)形成濕法與干法兩大施工工藝[1]。

濕法橡膠瀝青技術(shù)在國內(nèi)已日臻成熟，在實際工程中已得到廣泛應(yīng)用。而干法橡膠瀝青技術(shù)由于具有優(yōu)良的路用性能等諸多優(yōu)點，很受業(yè)內(nèi)人士的青睞；但在國內(nèi)干法橡膠瀝青技術(shù)起步較晚，研究較少，近年來，國產(chǎn)CTOR連接劑[2]的出現(xiàn)，有效推動了干法橡膠技術(shù)的推廣與研究。

目前，對于干法橡膠瀝青混合料級配的選擇在國內(nèi)也不盡相同，同濟大學(xué)呂偉民等認為橡膠瀝青混合料需選擇間斷級配AR-AC型與AR-SMA型[3]；孫祖望、陳舜明等推薦橡膠瀝青混合料級配為懸浮密實型(AR-HM-G)、骨架密實型(ARHM-S)和骨架空隙型(ARHM-O)三種[4]；課題組在對干法橡膠瀝青技術(shù)研究與實際工程中選擇AR-AC-13型級配[5，6]。但是AR-AC-13級配范圍較寬泛，對級配設(shè)計有一定影響，應(yīng)進一步優(yōu)化AR-AC-13級配范圍。對此，本文通過控制關(guān)鍵篩孔，設(shè)計出四種粗細不同的級配，進行系列性能試驗，通過對比分析，對AR-AC-13型干法橡膠瀝青混合料的級配范圍進行優(yōu)化。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

瀝青：采用70#道路石油瀝青，技術(shù)指標滿足規(guī)范要求。石料：4檔集料，粗集料為玄武巖，細集料為石灰?guī)r。礦粉：石灰?guī)r礦粉。膠粉：30目橡膠粉。瀝青連接劑：國產(chǎn)CTOR連接劑。

1.2 試驗方法

根據(jù)課題組研究，已確定了AC-13型級配下干法工藝參數(shù)[7]，為此本次試驗橡膠粉的摻量為瀝青質(zhì)量的17.5%，CTOR連接劑摻量為橡膠粉質(zhì)量的8%。試驗時，集料加熱溫度180 ℃，瀝青加熱溫度160 ℃，拌和溫度180 ℃；拌和時先將集料與橡膠粉和CTOR連接劑干拌30 s，使橡膠粉及連接劑均勻的分布在集料中，然后加入基質(zhì)瀝青拌和150 s，保溫至少1 h(180 ℃)，在165 ℃條件下成型試件。

2 配合比設(shè)計

根據(jù)AR-AC-13級配標準，可知區(qū)間范圍較大，尤其4.75 mm及以下篩孔，合成級配變化幅度大，易導(dǎo)致不同合成級配性能差別較大。為消除這一差別，應(yīng)適當減小4.75 mm及以下篩孔的范圍標準。首先根據(jù)AR-AC-13級配標準，確定級配屬于粗型密級配，需控制2.36 mm篩孔通過率不大于40%。在合成級配中，礦粉用量為4.5%～5.5%，然后根據(jù)碎石篩分結(jié)果，幾種級配應(yīng)將4.75 mm、2.36 mm和1.8 mm篩孔通過率逐漸從中值向下限調(diào)整，反復(fù)調(diào)整各檔集料比例，確定從粗到細四種合成級配。四種合成級配見表1，級配曲線趨勢見圖1。

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)，首先對四種級配最佳油石比進行確定。按照上述試驗方法進行試件成型，根據(jù)設(shè)計空隙率為4%的標準，經(jīng)圖表法算得四種級配的最佳油石比分別為：4.4%、4.6%、4.7%、4.9%，求得馬氏參數(shù)如表2所示。

表1 四種合成級配范圍 %

不同篩孔尺寸(方孔篩)百分率/mm 1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075級配110092.372.843.930.221.113.99.37.25.4級配210091.870.939.326.818.812.58.56.75.0級配310091.269.033.426.418.712.58.56.75.0級配410092.071.531.824.717.611.88.16.44.9級配中值100957041.53022.516.512.58.56級配上限100100805340302318128級配下限100906030201510754

圖1 級配曲線

表2 CTOR干法橡膠瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果

注： 橡膠粉用量占瀝青用量的17.5%，CTOR用量為膠粉質(zhì)量的8%。 通過試驗數(shù)據(jù)可以看到四種級配馬氏指標均能夠滿足體積指標的規(guī)范要求。

3 不同級配性能試驗對比

3.1 水穩(wěn)定性

試驗分為殘留穩(wěn)定度試驗和凍融劈裂試驗，按照上述試驗方法進行拌合及根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)中試驗步驟進行試驗測試，試驗結(jié)果見表3和圖2。

表3 水穩(wěn)定性試驗結(jié)果　　%

由表3、圖2可以看出，不論殘留穩(wěn)定度還是凍融劈裂，級配2與級配3都要優(yōu)于級配1和級配4，其中級配3最優(yōu)，級配1與級配4的凍融劈裂強度比小于80%，低于規(guī)范要求。分析認為級配1的細集料比例超過40%，細集料填充了粗集料形成的空隙，所組成的鑲嵌結(jié)構(gòu)內(nèi)摩阻力小，瀝青混合料的穩(wěn)定性則較差；級配4的粗集料比例增多，鑲嵌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定空隙率增大，橡膠粉和瀝青利用率降低，很大程度上成為填充空隙的集料，使得混合料之間的黏結(jié)力降低，水穩(wěn)定性極易受到外界因素破壞。

圖2 水穩(wěn)定性試驗結(jié)果趨勢圖

3.2 高溫穩(wěn)定性

車轍試驗是評價瀝青混合料抗車轍能力的較簡單和有效的試驗方法，此次試驗根據(jù)相關(guān)規(guī)范中試驗流程進行測試，四種級配的車轍試驗結(jié)果見圖3。

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，隨著級配的增粗高溫穩(wěn)定性提高，級配4明顯優(yōu)于級配1與級配2，但與級配3相差不大，動穩(wěn)定度均在6 000次/mm。原因主要是級配變粗后，粗集料的比例增加。石料的粒徑增加后，內(nèi)摩阻力相應(yīng)增加；粗級配表面積較細級配表面積小，而油石比較大，說明瀝青填充石料之間的縫隙，加上橡膠粉的摻加，大大增大了集料間的黏結(jié)力，因此使得鑲嵌結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，使得混合料的流動性降低，高溫穩(wěn)定性提高。當粗集料比例增多、粉料比例不變時，在設(shè)計孔隙率不變的情況下，填充空隙的瀝青增多，黏結(jié)力則會先增大后減小，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也會隨之變化，所以級配4與級配3高溫穩(wěn)定性相差不大，若是級配繼續(xù)變粗時高溫穩(wěn)定性會減小。

圖3 不同級配動穩(wěn)定度的變化趨勢

3.3 低溫穩(wěn)定性

低溫彎曲試驗是評價瀝青混合料低溫性能的主要試驗方法之一，依照規(guī)范標準進行四種級配的低溫(-10 ℃)性能測試，結(jié)果見圖4。

圖4 四種級配彎曲應(yīng)變大小

從圖4中可知，顯然四種級配的最大彎曲應(yīng)變都大于規(guī)范要求的2 800 με，滿足規(guī)范要求。 四種級配的低溫穩(wěn)定性變化趨勢與高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性變化趨勢基本相同，依然是級配2和級配3的低溫抗裂性能優(yōu)于級配1和級配4，其中級配2的低溫抗裂性能最好，說明級配2和級配3的粗細集料之比更為合理，鑲嵌結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，彈性好，橡膠粉加入后，能更好的適應(yīng)低溫環(huán)境，大大提高了瀝青混合料的低溫性能。

4 結(jié)束語

整體來看，級配2與級配3性能明顯優(yōu)于其他兩種級配，說明級配2、級配3不但能很好形成骨架鑲嵌，橡膠粉也補充了粗集料之間增大的空隙，瀝青也有效裹敷在集料上，大大提高了瀝青混合料的粘結(jié)性和內(nèi)摩阻力，瀝青混合料粗細集料比例適中，提高了混合料整體性能。對于級配1來說，細集料比例占到40%以上，水穩(wěn)定性和高溫性能差；級配4級配偏粗，粗集料比例偏大，集料之間的內(nèi)摩阻力增大，但粗集料之間的空隙增大，細集料與橡膠粉不足以填充粗集料的空隙，必須用大量瀝青來填充空隙，反而降低了瀝青混合料的粘結(jié)性，使得水穩(wěn)定性與低溫穩(wěn)定性降低，且瀝青用量多，造成資源浪費。

綜上所述，本文認為對于AR-AC-13級配，關(guān)鍵需要控制4.75 mm篩孔和2.36 mm篩孔的幅度范圍。參照級配2和級配3的混合料性能，應(yīng)適當增加粗集料的比例，減少細集料，4.75 mm篩孔的通過率要控制在40%以下，考慮到瀝青用量，也不宜低于35%。通過粗細集料比例的調(diào)整，使得瀝青混合料的鑲嵌結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，以增加整體穩(wěn)定性。建議AR-AC-13干法橡膠瀝青混合料級配設(shè)計范圍做以下調(diào)整，詳見表4。

表4 建議AR-AC-13干法橡膠瀝青混合料級配設(shè)計范圍 %

參考文獻

[1]孫大權(quán),金福根.橡膠瀝青路面濕法和干法技術(shù)研究進展[J].石油瀝青，2008，12(6):1-5

[2]李志剛,李 聰.接枝杜仲膠對干法橡膠瀝青混合料的改性機理與效果[J].東南大學(xué)學(xué)報，2014，7(4):845-848

[3]呂偉民.橡膠瀝青路面技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2011:41-42

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[5]許光宇,李志剛.小浪底專線改造工程CTOR干法橡膠瀝青混合料性能研究[J].交通科技，2013(6):90-92

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On the Optimization of the Gradation for the AR-AC-13 Dry Rubber Asphalt Mixture

Zhang Jiankong，Li Zhigang，Xu Lei

(The Field Engineering College of the University of Science and Technology of the PLA,Nanjing 210007,China)

Abstract:Because the study of the dry rubber asphalt technology at home is started rather late,the choices of the gradation for the dry rubber asphalt are quite different.To find out the optimal gradation range of the AR-AC-13 dry rubber asphalt mixture,4 different kinds of gradation,from coarse to fine,of the dry rubber asphalt mixture are designed and compared in the paper.After the water stability,high-temperature stability and low-temperature stability of the 4 kinds of gradation are tested in the lab, it is found that the synthetic gradation will affect the road performance of the mixed material,either too coarse or too fine.However, appropriately increasing the proportion of coarse aggregate will not degrade the performance of the mixture.On the contrary,it can effectively improve the stability of the mixture. When the passing rate of the 4.75 mm screen is kept to 35% ～ 40%,the synthesis gradation can effectively improve the stability of the dry rubber asphalt mixture.Upon the basis of the research mentioned above, some suggestions on the optimal gradation for the AR-AC-13 dry rubber asphalt mixture are put forward in the paper,which may contribute to perfecting the dry process of rubber asphalt.

Key words:dry rubber asphalt;gradation range;road performance

中圖分類號：U414

文獻標識碼：A

文章編號：1672-3953(2016)02-0033-04

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.02.009

作者簡介：張建孔(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為干法橡膠瀝青混合料工藝研究yanyudichen@163.com

收稿日期：2015-11-27