礦料級(jí)配對(duì)溫拌橡膠瀝青混合料壓實(shí)特性的影響

張黎紅，董則軍，郭紹成

(1.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650041；2.四川省冶金地質(zhì)勘查局水文工程大隊(duì)，四川 成都 611730)

礦料級(jí)配對(duì)溫拌橡膠瀝青混合料壓實(shí)特性的影響

張黎紅1，董則軍2，郭紹成1

(1.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650041；2.四川省冶金地質(zhì)勘查局水文工程大隊(duì)，四川 成都 611730)

為探究礦料級(jí)配變化對(duì)溫拌橡膠瀝青混合料壓實(shí)特性的影響，設(shè)計(jì)AC-13、AC-20、AC-25三種級(jí)配類型下不同級(jí)配走向的溫拌橡膠瀝青混合料。分別基于馬歇爾試件空隙率和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)曲線研究不同級(jí)配下混合料的壓實(shí)特性，研究結(jié)果表明：礦料級(jí)配越細(xì)，其溫拌橡膠瀝青混合料空隙率越??；處于設(shè)計(jì)級(jí)配的溫拌橡膠瀝青混合料施工階段可壓實(shí)性最好；礦料級(jí)配越粗，溫拌橡膠瀝青路面開放交通后高溫穩(wěn)定性越好。

道路工程；溫拌橡膠瀝青混合料；礦料級(jí)配；壓實(shí)特性；旋轉(zhuǎn)壓實(shí)

0 引 言

廢輪胎膠粉用于瀝青路面，不僅可以解決廢舊輪胎對(duì)于環(huán)境的污染問(wèn)題，同時(shí)橡膠瀝青優(yōu)良的路用表現(xiàn)對(duì)于改善路面各項(xiàng)性能，延長(zhǎng)路面服役期限具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。然而由于橡膠瀝青的高黏度導(dǎo)致攤鋪現(xiàn)場(chǎng)施工困難，及混合料的施工溫度提高導(dǎo)致施工期間的排放問(wèn)題也更為突出[2]，這些弊病限制了橡膠瀝青在路面中的應(yīng)用。而溫拌技術(shù)則恰好具有在保證混合料品質(zhì)的前提下，降低施工溫度進(jìn)而降低排放的特點(diǎn)[3]。因此，研究溫拌技術(shù)在橡膠瀝青路面中的應(yīng)用，將會(huì)在確保工程質(zhì)量的同時(shí)對(duì)廢輪胎粉的應(yīng)用產(chǎn)生積極地影響。

在橡膠瀝青改性技術(shù)的基礎(chǔ)上引入溫拌技術(shù)，可以使混合料在較低的施工溫度下達(dá)到良好的施工和易性。筆者從溫拌橡膠瀝青混合料壓實(shí)特性角度入手，探討能實(shí)現(xiàn)較好壓實(shí)性能的溫拌橡膠瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)，以期為溫拌橡膠瀝青混合料的工程推廣提供技術(shù)支持。

1 原材料

1.1 基質(zhì)瀝青

采用中海AH-70#重交通瀝青作為基質(zhì)瀝青。按JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中相關(guān)要求對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行了測(cè)試，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合道路石油瀝青的技術(shù)指標(biāo)要求。

1.2 橡膠粉

根據(jù)相關(guān)研究，貨車輪胎對(duì)瀝青改性效果更好[4]，因此筆者選用30目貨車輪胎膠粉，將廢舊輪胎在常溫下經(jīng)過(guò)剪切、除雜、篩分以及脫硫等加工過(guò)程制成的黑色顆粒狀物質(zhì)，其性能指標(biāo)見表1和表2。

表1 廢舊膠粉物理技術(shù)指標(biāo)Table 1 Physical indexes of crumb rubber

表2 廢舊膠粉化學(xué)技術(shù)指標(biāo)Table 2 Chemical indexes of crumb rubber

1.3 集料

本研究所用集料類型為石灰?guī)r，其基本性能指標(biāo)及篩分結(jié)果如表3和表4。

表3 集料及礦粉密度試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of aggregate and mineral filler density

表4 礦料篩分結(jié)果Table 4 Sieving test results of aggregate

1.4 溫拌劑

根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)溫拌技術(shù)應(yīng)用情況的市場(chǎng)調(diào)研，國(guó)內(nèi)主要采用有機(jī)蠟類及化學(xué)溫拌技術(shù)，文中所用溫拌劑為重慶中交科技股份有限公司生產(chǎn)的Sasobit溫拌劑。Sasobit溫拌劑為白色顆粒狀物質(zhì)，將其摻入瀝青具有減低瀝青膠結(jié)料黏度的作用[5]。溫拌劑使用時(shí)，于干拌開始階段加入集料中即可，后續(xù)的生產(chǎn)步驟同常規(guī)瀝青混合料。

2 溫拌橡膠瀝青混合料設(shè)計(jì)

在制備溫拌橡膠瀝青膠結(jié)料時(shí)，根據(jù)相關(guān)研究，本研究所用的溫拌橡膠瀝青的膠粉摻量定為基質(zhì)瀝青質(zhì)量的20%，溫拌劑摻量為基質(zhì)瀝青質(zhì)量的2%，通過(guò)高速攪拌設(shè)備在180 ℃油浴溫度下將上述三者攪拌45 min即得到溫拌橡膠瀝青膠結(jié)料[6]。

設(shè)計(jì)混合料級(jí)配時(shí)選用AC-25，AC-20和AC-13 3種級(jí)配類型，每種級(jí)配類型又選取偏設(shè)計(jì)上限、設(shè)計(jì)級(jí)配和偏設(shè)計(jì)下限3檔級(jí)配，以研究不同的級(jí)配走向?qū)ε菽瓬匕铻r青混合料壓實(shí)特性的影響，試驗(yàn)所用混合料級(jí)配情況見圖1。

為使研究成果具有工程實(shí)用性，不同礦料級(jí)配下的溫拌橡膠瀝青混合料油石比分別為其最佳油石比。經(jīng)過(guò)計(jì)算各級(jí)配下最佳油石比如表5。

圖1 不同級(jí)配匯總Fig.1 Summary of different aggregate gradation

表5 各級(jí)配下最佳油石比Table 5 The optimal asphalt-aggregate ratios of various aggregate gradation

3 瀝青混合料壓實(shí)特性評(píng)價(jià)方法

3.1 基于空隙率的評(píng)價(jià)方法

瀝青混合料空隙率是指混合料中空隙的體積占混合料總體積的百分比，一般通過(guò)瀝青混合料的相對(duì)毛體積密度和理論密度之比計(jì)算得出，空隙率是評(píng)價(jià)混合料壓實(shí)程度最直觀的指標(biāo)，反映了瀝青混合料在特定壓實(shí)功(特定擊實(shí)次數(shù))作用下的壓實(shí)特性。但基于馬歇爾試件空隙率的壓實(shí)特性評(píng)價(jià)方法只能分析試件成型后的結(jié)果，得到的結(jié)論過(guò)于片面，并且基于馬歇爾試件空隙率的壓實(shí)特性評(píng)價(jià)方法無(wú)法評(píng)價(jià)開放交通階段混合料壓實(shí)特性，存在較大的局限性。

但是，鑒于目前國(guó)內(nèi)大部分筑路工程項(xiàng)目部的成型設(shè)備僅有馬歇爾擊實(shí)儀，因此在實(shí)體工程應(yīng)用時(shí)，測(cè)定瀝青混合料馬歇爾試件的空隙率便成為獲得施工現(xiàn)場(chǎng)的瀝青混合料壓實(shí)特性的最簡(jiǎn)單快捷的途徑，空隙率指標(biāo)起到了連接科研成果與實(shí)體工程應(yīng)用的“橋梁”作用。因此空隙率指標(biāo)是評(píng)價(jià)瀝青混合料壓實(shí)特性的一個(gè)重要指標(biāo)，利用空隙率指標(biāo)研究不同礦料級(jí)配下溫拌橡膠瀝青混合料的壓實(shí)特性可以使研究成果更直觀、有效地在實(shí)體工程中得到推廣。

3.2 基于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)曲線的評(píng)價(jià)方法

3.2.1 壓實(shí)能量指數(shù)CEI

壓實(shí)能量指數(shù)CEI(construction energy index)是指瀝青路面在鋪筑過(guò)程中，施工機(jī)械(包括攤鋪機(jī)和壓路機(jī))將瀝青混合料壓實(shí)至某一指定壓實(shí)度時(shí)所作壓實(shí)功的大小[7]。在瀝青混合料的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試驗(yàn)中，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)曲線與X軸所包圍面積的大小，從數(shù)學(xué)意義上來(lái)說(shuō)，代表了旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀對(duì)試件密實(shí)所作的功的多少。初始?jí)簩?shí)次數(shù)對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度代表攤鋪機(jī)振搗夯實(shí)的作用，工程中一般要求瀝青路面的竣工壓實(shí)度在93%[8]，所以由初始?jí)簩?shí)次數(shù)對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度至路面竣工壓實(shí)度93%的密實(shí)曲線表征了瀝青混合料在攤鋪碾壓階段的壓實(shí)特性。壓實(shí)能量指數(shù)CEI的值等于以初始?jí)簩?shí)次數(shù)對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度至路面竣工壓實(shí)度93%的這一段密實(shí)曲線與X軸之間的面積。CEI面積值越小，則表明在相同的壓實(shí)功下瀝青混合料越容易被壓實(shí)，即壓實(shí)性能越好。

3.2.2 交通密實(shí)指數(shù)TDI

瀝青路面在竣工壓實(shí)度93%的標(biāo)準(zhǔn)下開放交通，那么瀝青路面會(huì)在車輛的反復(fù)碾壓下被進(jìn)一步壓實(shí)。在Superpave瀝青混合料設(shè)計(jì)方法體系中，通過(guò)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法成型的瀝青混合料設(shè)計(jì)空隙率為4%，因此用由壓實(shí)度為93%至96%的這一段旋轉(zhuǎn)壓實(shí)曲線與X軸圍成的面積大小代表車輛對(duì)瀝青路面的進(jìn)一步壓密作用，用交通密實(shí)指數(shù)TDI(traffic densification index)表示[9]。交通密實(shí)指數(shù)TDI的值越大，則說(shuō)明瀝青路面抵抗車載壓密能力的越強(qiáng)，即開放交通階段路面的抗變形能力越強(qiáng)。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在150 ℃的壓實(shí)溫度下分別通過(guò)馬歇爾擊實(shí)和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)兩種成型方式成型溫拌橡膠瀝青混合料試件，為提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每種級(jí)配成型3組試件，共計(jì)27組試件，馬歇爾擊實(shí)設(shè)置雙面擊實(shí)75次，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀設(shè)置初始?jí)簩?shí)次數(shù)為8次，設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)為100次，最大壓實(shí)次數(shù)為160次。待馬歇爾試件冷卻后通過(guò)網(wǎng)籃法測(cè)試其空隙率，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件通過(guò)成型過(guò)程中的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)曲線計(jì)算各級(jí)配冷卻混合料的壓實(shí)特性參數(shù)CEI與TDI的值，試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果如表6。計(jì)算各級(jí)配下3組試件空隙率、CEI和TDI的平均值，不同級(jí)配下溫拌橡膠瀝青混合料的空隙率、壓實(shí)能量指數(shù)和交通密實(shí)指數(shù)隨級(jí)配變化趨勢(shì)如圖2～圖4。

表6 不同級(jí)配混合料壓實(shí)特性參數(shù)值Table 6 Compaction characteristics parameter values of mixture with different gradation

4.1 不同級(jí)配混合料空隙率分析

根據(jù)表6及圖2可得，采用馬歇爾擊實(shí)的方式成型不同級(jí)配走向的溫拌橡膠瀝青混合料試件，在壓實(shí)溫度和壓實(shí)功相同的條件下，試件的空隙率都表現(xiàn)為級(jí)配較細(xì)的溫拌橡膠瀝青混合料的空隙率最小，處于設(shè)計(jì)級(jí)配的溫拌橡膠瀝青空隙率次之，級(jí)配較粗的溫拌橡膠瀝青混合料的空隙率最大；但不同級(jí)配類型的溫拌橡膠瀝青混合料空隙率大小有明顯差異，其空隙率大小排序?yàn)锳C-13>AC-20>AC-25，表明溫拌橡膠瀝青混合料的壓實(shí)特性受混合料的公稱最大粒徑影響，具體表現(xiàn)為公稱最大粒徑越小的溫拌橡膠瀝青混合料，其在施工階段越難以壓密，因此在溫拌橡膠瀝青混合料攤鋪時(shí)要特別注意瀝青上面層的碾壓，確保足夠的壓實(shí)遍數(shù)。在溫拌橡膠瀝青混合料的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中也要保證級(jí)配在適當(dāng)?shù)姆秶畠?nèi)，以保證良好的施工質(zhì)量。

圖2 不同級(jí)配走向的溫拌橡膠瀝青混合料空隙率Fig.2 Warm mix rubber asphalt mixture void ratio of different aggregate gradation trend

圖3 不同級(jí)配走向的溫拌橡膠瀝青混合料CEI值Fig.3 Warm mix rubber asphalt mixture CEI values of different aggregate gradation trend

4.2 不同級(jí)配混合料CEI值分析

由圖3可以看出，溫拌橡膠瀝青混合料公稱最大粒徑越小，CEI值越低，說(shuō)明其路面在施工階段可壓實(shí)性越好。這是因?yàn)樽畲蠊Q粒徑越小的混合料，其集料支撐效果越差，并且混合料中的小塊集料更易在壓實(shí)過(guò)程中被壓碎而導(dǎo)致集料的骨架作用進(jìn)一步減弱。因此，在施工時(shí)要特別注意下面層溫拌橡膠瀝青混合料的壓實(shí)，須達(dá)到足夠的壓實(shí)遍數(shù)以保證路面質(zhì)量。比較相同公稱最大粒徑的溫拌橡膠瀝青混合料不同級(jí)配走向下，壓實(shí)能量指數(shù)CEI值的大小表現(xiàn)為中級(jí)配<粗級(jí)配<細(xì)級(jí)配，這表明若要達(dá)到同樣的壓實(shí)效果，處于設(shè)計(jì)級(jí)配的溫拌橡膠瀝青混合料在施工過(guò)程中比其他兩種級(jí)配需要更小的壓實(shí)功，即中值級(jí)配混合料比其他兩種級(jí)配的混合料要更容易被壓實(shí)。因此在溫拌橡膠瀝青混合料設(shè)計(jì)時(shí)級(jí)配設(shè)計(jì)要適中以實(shí)現(xiàn)較好的壓實(shí)。

4.3 不同級(jí)配混合料TDI值分析

由圖4可以看出，溫拌橡膠瀝青混合料公稱最大粒徑越大則TDI值越低，說(shuō)明其路面在開放交通后抵抗再次變形的能力越強(qiáng)。對(duì)比相同公稱最大粒徑不同級(jí)配粗細(xì)程度的溫拌橡膠瀝青混合料可知，偏級(jí)配上限的混合料TDI值比偏級(jí)配下限的混合料TDI值要大，說(shuō)明級(jí)配較細(xì)的溫拌橡膠瀝青路面在開放交通后在車輛反復(fù)碾壓的作用下更易產(chǎn)生車轍等變形，穩(wěn)定性較差。究其原因主要是因?yàn)榧?jí)配較細(xì)的混合料中4.75 mm以下的細(xì)集料所占比例較大，各級(jí)較大的顆粒都被較小的顆粒擠開，集料間的內(nèi)摩阻角較小，因此礦料無(wú)法形成較為穩(wěn)定的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，其抗剪切變形的能力較差。

圖4 不同級(jí)配走向的溫拌橡膠瀝青混合料TDI值Fig.4 Warm mix rubber asphalt mixture TDI values of different aggregate gradation trend

5 結(jié) 論

1) 采用馬歇爾擊實(shí)儀成型溫拌橡膠瀝青混合料試件，相同成型條件下級(jí)配較細(xì)的溫拌橡膠瀝青混合料的空隙率最小，處于設(shè)計(jì)級(jí)配的溫拌橡膠瀝青空隙率次之，級(jí)配較粗的溫拌橡膠瀝青混合料的空隙率最大，混合料級(jí)配越細(xì)，成型后的路面密實(shí)度越高。

2) 在施工階段，對(duì)于同一公稱最大粒徑級(jí)配的泡沫溫拌瀝青混合料，設(shè)計(jì)級(jí)配混合料最容易壓實(shí)，其次是靠近級(jí)配上限的混合料，靠近級(jí)配下限的混合料最難被壓實(shí)。因此在溫拌橡膠瀝青混合料生產(chǎn)時(shí)應(yīng)重視混合料級(jí)配的監(jiān)控，保持混合料的級(jí)配時(shí)刻處于質(zhì)量控制范圍內(nèi)，以達(dá)到較好的壓實(shí)效果。

3) 在開放交通階段，對(duì)于AC-13、AC-20及AC-25三種級(jí)配，混合料級(jí)配設(shè)計(jì)偏粗會(huì)對(duì)抵抗路面再壓密有積極作用，因此在高溫或重交通地區(qū)要保證溫拌橡膠瀝青路面具有良好的高溫穩(wěn)定性，混合料級(jí)配設(shè)計(jì)應(yīng)適當(dāng)偏級(jí)配下限。

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(責(zé)任編輯：朱漢容)

Influence of Aggregate Gradation on Compaction Characteristics of Warm Mix Rubber Asphalt Mixture

ZHANG Lihong1，DONG Zejun2，GUO Shaocheng1

(1.Yunnan Provincial Communications Planning & Design Institute，Kunming 650041，Yunnan，P.R.China；2.Hydro-engineering Team of Sichuan Metallurgical Geology & Exploration Bureau，Chengdu 611730，Sichuan，P.R.China)

In order to study the influence of aggregate gradation on compaction characteristics of warm mix rubber asphalt mixture，different aggregate gradation trend of AC-13，AC-20 and AC-25 warm mix rubber asphalt mixture was designed.Compaction characteristics of different aggregate gradation mixture were studied based on void ratio of Marshall specimen and gyratory compaction curve.The results show that fine gradation gives smaller void ratio of warm mix rubber asphalt mixture；the warm mix rubber asphalt mixture with design gradation has the best compactibility at the construction stage；the coarser gradation，the better high temperature stability of warm mix rubber asphalt pavement after traffic operation.

highway engineering；warm mix rubber asphalt mixture；aggregate gradation；compaction characteristics；gyratory compaction

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.08.08

2016-04-22；

2016-07-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51308329)；山西省青年科技研究基金項(xiàng)目(2015021115)

張黎紅(1972—)，男，云南南澗人，高級(jí)工程師，主要從事公路交通勘測(cè)設(shè)計(jì)方面的工作。E-mail：582337953@qq.com。

U414

A

1674-0696(2017)08-044-05