摻加顆粒狀抗車轍劑改性瀝青混合料配合比設計方法

王 偉，孟慶營，張紅兵，張春昱，王小平，董 哲

(天津市市政工程研究院，天津 300457)

在瀝青路面的早期損壞中尤其以高溫車轍破壞最為突出，不僅在南方，而且北方也存在嚴重的高溫車轍破壞現(xiàn)象.為此，國內(nèi)外一些研究機構(gòu)和生產(chǎn)廠家已經(jīng)研制出多種顆粒狀抗車轍劑，用以提高瀝青混合料的抗車轍能力，并且在防治瀝青路面車轍損壞方面取得了很好的效果.但是由于摻加顆粒狀抗車轍劑改性瀝青混合料是一種全新的瀝青混合料品種，采用干法工藝將抗車轍劑摻入瀝青混合料中，這既不同于普通瀝青混合料，也不同于濕法改性瀝青混合料，因此，在具體應用過程中存在如下問題.

(1) 瀝青用量主要依靠經(jīng)驗調(diào)整、無明確的技術(shù)控制指標.有些抗車轍劑瀝青用量增加量是固定值[1]，有些則是根據(jù)摻量不同而不同[2]，還有一些則根據(jù)使用要求調(diào)整[3]，總之，瀝青用量的增減主要依據(jù)材料供應商所提供的建議值，在此基礎(chǔ)上進行經(jīng)驗性調(diào)整.但是在普通瀝青混合料最佳油石比基礎(chǔ)上適當增加的原因以及基于什么技術(shù)指標控制用油量的增加量并不清楚，缺乏明確的技術(shù)控制指標.

(2) 配合比設計中多項指標欠缺[4].現(xiàn)行的瀝青混合料配合比設計技術(shù)指標是經(jīng)過大量室內(nèi)外試驗以及實際應用經(jīng)驗總結(jié)得出的.然而，摻加抗車轍劑的瀝青混合料僅基于普通瀝青混合料配比之上，適當增加一定的瀝青用量，即獲得最佳油石比，這導致VFA(瀝青飽和度)和 VMA(礦料間隙率)等一系列技術(shù)指標在摻加抗車轍劑之后基本處于不受控制狀態(tài)，同時造成設計報告中的多數(shù)指標欠缺.因此，有必要對摻加抗車轍劑瀝青混合料的配合比設計方法進行深入探討和改進.

1 不同摻量下馬歇爾試驗結(jié)果及分析

參照普通混合料配合比設計方法[5]，分別對不同抗車轍劑摻量(0.0%，0.3%，0.4%，0.5%)的瀝青混合料進行馬歇爾試驗，試驗結(jié)果如圖1-2所示.

圖1 空隙率隨油石比變化趨勢

通過分析圖 1-2中馬歇爾試驗指標隨油石比變化的趨勢可以得到如下結(jié)論.

(1) 從圖2中可以清晰的看到，在設計油石比范圍內(nèi)，摻加抗車轍劑后瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度沒有出現(xiàn)峰值，而是隨著油石比的增加逐漸減小.摻量為 0.4%和 0.5%時，其馬歇爾穩(wěn)定度曲線上還出現(xiàn)了驟然下降的現(xiàn)象.上述兩種現(xiàn)象是不同于普通瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果的獨特現(xiàn)象.

圖2 馬歇爾穩(wěn)定度隨油石比變化趨勢

(2) 在設計油石比范圍內(nèi)，摻加抗車轍劑后瀝青混合料馬歇爾試驗的體積指標出現(xiàn)了小幅度的上浮或下降，表明混合料的密實程度受到了一定的影響.但是，體積指標隨油石比增加所發(fā)生的變化趨勢并沒有改變，這表明利用馬歇爾試驗方法對摻加顆粒狀抗車轍劑改性瀝青混合料的配合比設計是合理可行的.

2 摻加顆粒狀抗車轍劑改性瀝青混合料最大理論密度的確定

摻加顆粒狀抗車轍劑的改性瀝青混合料團塊容易分散，因此，可以采用實測的方法來獲得其最大理論密度.在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，分散開來的瀝青混合料并沒有全部浸泡在水中，有許多細小的顆粒漂浮在水面上，不斷擾動才能將其浸泡于水中.在所有混合料原材料組成中，只有抗車轍劑的密度略低于水的密度，因此，推斷這些顆粒為包裹著瀝青砂漿的抗車轍劑.之所以發(fā)生上述現(xiàn)象是由于這些顆粒的密度較小(略大于水)而水的表面張力又較大的緣故.試驗過程中，為使這些微小顆?？焖俳]于水中，在水中加入了微量的洗滌劑以顯著降低水的表面張力.

參照普通瀝青混合料最大理論密度試驗方法[6]，對摻加不同品種顆粒狀抗車轍劑的改性瀝青混合料實測其最大理論密度，結(jié)果如表1所示.同時，還采用礦料合成平均密度(由式(1)計算)按照式(2)計算了最大理論密度，結(jié)果也列于表 1中，以便與實測最大理論密度值進行對比.

表1 實測最大理論密度與計算最大理論密度對比

對比分析表1中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，實測最大理論密度與采用礦料合成平均密度計算出的最大密度值結(jié)果十分接近，計算值與實測值的最大相對誤差僅為0.29%，最小的只有 0.13%.上述偏差的出現(xiàn)可能是由于以下幾點原因造成的：①實測值本身存在試驗誤差；②礦料合成平均密度其實質(zhì)是指礦料所有開口孔隙吸油50%的情形下礦料的有效密度，而實際礦料的吸油量受多種因素影響；③抗車轍劑本身也吸收一部分油分.由于抗車轍劑的密度小于水致使實測混合料的最大理論密度存在諸多不便，而計算值與實測值之間的偏差又非常小，因此，建議采用以礦料的合成平均密度計算得到的最大理論密度值來計算摻加抗車轍劑改性瀝青混合料的各項體積指標.

3 摻加顆粒狀抗車轍劑改性瀝青混合料配合比設計方法

鑒于摻加抗車轍劑瀝青混合料配合比設計過程中存在的種種問題，本文認為不宜采用材料供應商建議的，在普通瀝青混合料配合比設計基礎(chǔ)上進行適當調(diào)整的方法確定其最佳瀝青用量，而應當直接利用馬歇爾試驗進行配合比設計.可是由于摻加抗車轍劑后瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度曲線上不出現(xiàn)峰值，其最大理論密度的確定方法與普通瀝青混合料的有所不同，因此，不能夠簡單地照搬普通瀝青混合料的配合比設計方法，而是應當結(jié)合摻加顆粒狀抗車轍劑改性瀝青混合料的自身特點，對現(xiàn)行的普通瀝青混合料配合比設計方法進行適當改進，以便使之適用于摻加顆粒狀抗車轍劑的改性瀝青混合料.

3.1 設計程序

摻加顆粒狀抗車轍劑改性瀝青混合料配合比的設計程序為：原材料的選擇與性能檢測—礦質(zhì)混合料配合比設計—選取抗車轍劑的最佳摻量—確定最佳瀝青用量—混合料路用性能檢驗.

3.2 設計方法

3.2.1 原材料的選擇與性能檢測及礦質(zhì)混合料配合比設計

就原材料的選擇與性能檢測和礦質(zhì)混合料配合比設計而言，摻加顆粒狀抗車轍劑改性瀝青混合料與普通瀝青混合料并無明顯區(qū)別，可參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的相關(guān)規(guī)定進行.

3.2.2 抗車轍劑最佳摻量的設計

抗車轍劑的合理摻量是根據(jù)礦料級配和性能要求確定的，應當結(jié)合工程實踐經(jīng)驗和室內(nèi)試驗研究結(jié)果，并考慮其經(jīng)濟性，選取一個性價比較高的摻量.

3.2.3 最佳瀝青用量的確定

3.2.3.1 馬歇爾試驗的室內(nèi)拌和工藝

本研究表明摻加顆粒狀抗車轍劑改性瀝青混合料室內(nèi)拌和工藝宜按照下述步驟進行：使用機械拌和，拌和溫度采用180 ℃，將預熱的集料和要求劑量的抗車轍劑倒入拌和鍋中，干拌90 s，然后加入熱瀝青濕拌90 s，最后，再加入礦粉拌和至均勻.

3.2.3.2 試件的體積指標計算方法

(1) 計算礦質(zhì)混合料的合成毛體積相對密度γsb和合成表觀相對密度γsa.參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的公式B.5.3和公式B.5.4計算礦質(zhì)混合料的合成毛體積相對密度γsb和合成表觀相對密度γsa.

(2) 確定礦質(zhì)混合料的有效相對密度.采用礦質(zhì)混合料合成平均密度(即礦料合成毛體積密度與礦料合成表觀密度的平均值)作為礦質(zhì)混合料的有效相對密度反算混合料的最大理論密度.礦質(zhì)混合料合成平均密度的計算公式如下

式中：γse——礦質(zhì)混合料的有效相對密度；

γsb——礦質(zhì)混合料的合成毛體積相對密度；

γsa——礦質(zhì)混合料的合成表觀相對密度.

(3) 確定馬歇爾試驗用油石比Pai.以預估的油石比為中值，以0.5%間隔上下變化油石比，制備不少于5組的馬歇爾試件.

(4) 測定馬歇爾試件的毛體積相對密度fγ.采用表干法測定各組馬歇爾試件的毛體積相對密度.

(5) 摻加顆粒狀抗車轍劑改性瀝青混合料最大

理論密度的計算.不同油石比條件下的混合料最大理論相對密度的計算公式如下

式中：tiγ——對應于計算油石比Pai時瀝青混合料的最大理論相對密度，無量綱；

Pai——計算的瀝青混合料的油石比，%；

γse——礦質(zhì)混合料的有效相對密度，按式(1)計算，無量綱；

γb——瀝青的相對密度(25℃/25℃)，無量綱；

add——抗車轍劑質(zhì)量占礦質(zhì)混合料總量的百分比，%；

γa——抗車轍劑的相對密度，無量綱.

(6) 計算摻加顆粒狀抗車轍劑改性瀝青混合料的VV，VMA和VFA值.分別參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的公式B.5.10-1、公式B.5.10-2和公式 B.5.10-3計算瀝青混合料試件的空隙率VV、礦料間隙率VMA、瀝青飽和度VFA等體積指標，進行體積組成分析.

3.2.3.3 確定最佳油石比的具體步驟

采用馬歇爾試驗配合比設計方法進行設計時，對于密級配瀝青混合料，其馬歇爾試驗中的試件成型條件以及各項試驗的技術(shù)要求，應當滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)表5.3.3-1《密級配瀝青混合料馬歇爾試驗技術(shù)標準》的要求.具體設計步驟如表2所示.

表2 馬歇爾試驗法確定最佳油石比的具體步驟

3.2.4 路用性能檢驗

設計完成的瀝青混合料需在配合比設計的基礎(chǔ)上進行高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性等路用性能檢驗，不符合要求的瀝青混合料，必須更換材料或重新進行配合比設計.對于這部分內(nèi)容，摻加顆粒狀抗車轍劑改性瀝青混合料與普通瀝青混合料并無明顯區(qū)別，可參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的相關(guān)規(guī)定進行.

4 結(jié) 論

為了提高摻加顆粒狀抗車轍劑改性瀝青混合料配合比設計水平，充分發(fā)揮抗車轍劑的優(yōu)勢，更好地指導施工實踐，對摻加抗車轍劑瀝青混合料的配合比設計方法進行了較為深入的探討，得出結(jié)論如下.

(1) 針對摻加顆粒狀抗車轍劑改性瀝青混合料最大理論密度實測過程中存在的困難，提出采用礦質(zhì)混合料合成平均密度(即礦料合成毛體積密度與礦料合成表觀密度的平均值)作為礦質(zhì)混合料的有效相對密度以反算混合料的最大理論密度.

(2) 在設計瀝青用量范圍內(nèi)，摻加抗車轍劑后瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度不會出現(xiàn)峰值，于是在最佳瀝青用量的確定過程中，直接以目標空隙率所對應的瀝青用量作為 OAC1，但 OAC1必須介于 OACmin和OACmax之間.

(3) 結(jié)合摻加顆粒狀抗車轍劑改性瀝青混合料的自身特點，在現(xiàn)行的普通瀝青混合料配合比設計方法的基礎(chǔ)上加以改進，系統(tǒng)研究并詳盡闡述了如何利用馬歇爾試驗進行摻加顆粒狀抗車轍劑改性瀝青混合料配合比設計的成套方法.

［1］胡耀輝，王國耀. PR PLASTS添加劑抗車轍劑在高速公路瀝青混合料中的應用研究[J]. 建筑施工，2006，12(12)：85-87.

［2］王萬平，武和平，趙 升. 摻加車轍王抗車轍劑的瀝青混合料試驗研究[J]. 公路工程，2009，4(2)：53-57.

［3］趙 松，滕康保. 路孚8000抗車轍瀝青混合料應用探討[J]. 中南公路工程，2008，4(2)：25-28.

［4］肖慶一. 摻加抗車轍劑瀝青混合料技術(shù)性能及其數(shù)值模擬研究[D]. 西安：長安大學，2007.

［5］JTG F40—2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].

［6］JTJ052—2000，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[S].