橡膠顆粒瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)研究

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400000)

引言

由于橡膠顆粒具有高彈性的特點(diǎn)，在壓實(shí)過程中易發(fā)生回彈，為使橡膠顆粒的存在不影響混合料的整體結(jié)構(gòu)，通常將粒徑較細(xì)的橡膠顆粒填充于骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)中并在骨架結(jié)構(gòu)中發(fā)揮填充作用。王修云等[1]對(duì)橡膠顆粒摻量、振動(dòng)頻率、振動(dòng)時(shí)間、二次擊實(shí)溫度及對(duì)應(yīng)的擊實(shí)次數(shù)設(shè)置了4水平進(jìn)行正交試驗(yàn)。影響因素的大小依次為橡膠顆粒摻量、擊實(shí)溫度、振動(dòng)時(shí)間、振動(dòng)頻率和擊實(shí)次數(shù)。孟勇軍[2]等采用二次雙面馬歇爾成型試驗(yàn)對(duì)不同橡膠顆粒摻量下的高彈橡膠顆粒瀝青混合料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了路用性能研究，研究結(jié)果表明隨著橡膠顆粒摻入比例的增大抗水損害能力下降、抗車轍性能下降、彈性模量降低。

一、基于體積設(shè)計(jì)法的配合比設(shè)計(jì)研究

由于本課題研究的瀝青混合料中摻入了橡膠顆粒，其中橡膠顆粒是以替代部分細(xì)集料的形式摻入混合料中，由于這部分替代材料的密度有別于被替代材料原有的密度，所以在通過體積設(shè)計(jì)法確定各成分比例時(shí)，需要將這部分影響因素考慮其中，具體步驟為：

pc+pf+pv+p橡膠顆粒=100(1)測(cè)得得兩檔粗集料最優(yōu)配比下的骨架空隙率Vvc；

Vvc=(1-ρb/ρ)*100

ρb——粗集料緊裝密度

ρ—粗集料表觀積密度

(2)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假定礦粉、粗集料的比例及混合料空隙率、瀝青體積；

(4)為了使混合料能達(dá)到目標(biāo)空隙率，根據(jù)下式計(jì)算出細(xì)集料的用量：

式中：pv—礦粉質(zhì)量占混合料質(zhì)量的百分率(%)；

pc—粗集料質(zhì)量占混合料質(zhì)量百分率(%)；

pf—細(xì)集料質(zhì)量占混合料質(zhì)量百分率(%)；

pa—瀝青的質(zhì)量占礦料質(zhì)量的百分率(%)；

Vvc—粗集料緊裝空隙率(%)；

Vvt—設(shè)計(jì)目標(biāo)空隙率(%)；

ρtc—粗集料緊裝密度(g/cm3)；

ρa(bǔ)p—礦粉表觀密度(g/cm3)；

ρa(bǔ)f—細(xì)集料表觀密度(g/cm3)；

ρa(bǔ)—瀝青密度(g/cm3)

粗集料緊裝空隙率Vvt和粗集料緊裝密度ρtc由本章3.3實(shí)測(cè)得到，ρtc、ρa(bǔ)p、ρa(bǔ)f、ρa(bǔ)、ρ橡膠顆粒為已知量，未知量僅為pv、pc、pf、pa、p橡膠顆粒和Vvt。對(duì)于該6個(gè)未知量，我們先確定目標(biāo)空隙率Vvt為4%，橡膠顆粒替代部分細(xì)集料，為了不改變細(xì)集料的填充效果，橡膠顆粒替代量為礦料總體積的3%，瀝青質(zhì)量百分比pa暫定為6%。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)為了保持足夠的高溫穩(wěn)定性SMA粉膠比約為1.8～2。

二、拌和成型方法的研究

橡膠顆粒在拌和時(shí)，會(huì)與瀝青發(fā)生交互作用，顆粒表面更粗糙且表面發(fā)生碳化作用，因此必須嚴(yán)格控制混合料的拌和溫度。研究表明：溫度太低，橡膠顆粒與瀝青之間反應(yīng)不充分，溫度過高則會(huì)使橡膠顆粒表面過度碳化，橡膠顆粒瀝青混合料的空隙率隨著溫度的升高呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)拌和溫度為160℃時(shí)空隙率達(dá)到最小。

由于橡膠顆粒本身屬于輕質(zhì)材料，要使橡膠顆粒均勻分布于拌和而成的混合料中，很大程度上取決于拌和時(shí)原材料的投放順序。當(dāng)橡膠顆粒未均勻分散于集料中時(shí)，一旦遇到瀝青便黏結(jié)成團(tuán)難以分散均勻，因此，本實(shí)驗(yàn)先將集料在180℃環(huán)境下加熱，為了橡膠顆粒不至于過度碳化，將橡膠顆粒放置于60℃的烘箱中烘干至恒重，再將橡膠顆粒與集料在拌和鍋內(nèi)干拌60s后倒入加熱到170℃的瀝青繼續(xù)拌和60s，最后加入礦粉拌和60s。

三、最佳瀝青用量的確定

以體積設(shè)計(jì)法初步確定的油石比為基準(zhǔn)，以0.3%為間隔變化油石比，分別成型馬歇爾試件，計(jì)算混合料毛體積相對(duì)密度、空隙率、流值、礦料間隙率和瀝青飽和度并測(cè)定不同油石比下的馬歇爾穩(wěn)定度，再通過式計(jì)算獲得最佳油石比OAC：

其中：a1為毛體積密度最大時(shí)對(duì)應(yīng)的油石比；

a2為馬歇爾穩(wěn)定度最大時(shí)對(duì)應(yīng)的油石比；

級(jí)配類型VCADRC(%)VCAmix(%)體積設(shè)計(jì)級(jí)配38.837.2SMA-13C42.142.7SMA-13f40.341.5

a3為規(guī)范空隙率中值對(duì)應(yīng)的油石比；

OACmax和OACmin分別為各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足的油石比范圍的上限和下限。

本實(shí)驗(yàn)選用的橡膠顆粒粒徑為1.18mm以4%的比例等體積替代同粒徑的集料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明最佳油石比為6.2%。

四、級(jí)配類型對(duì)壓實(shí)性能的影響

由于橡膠顆粒為彈性材料，當(dāng)荷載卸除后，添加了橡膠顆粒的試件其體積會(huì)在橡膠顆粒的回彈作用下發(fā)生一定的回彈變形。由于回彈過后將會(huì)對(duì)混合料的體積參數(shù)產(chǎn)生一定影響，通過SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型不同級(jí)配條件下的橡膠顆粒瀝青混合料試件，并測(cè)試其體積參數(shù)。

本實(shí)驗(yàn)在SMA-13 級(jí)配范圍內(nèi)選取較粗和較細(xì)的兩組級(jí)配作為對(duì)照，分別為SMA-13c和SMA-13f，橡膠顆粒摻量均為為3%，粒徑為1.18mm，油石比為6.2%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見下表：

級(jí)配類型各篩孔通過率(%)13.29.54.752.361.180.60.30.150.075回彈率(%)空隙率(%)體積設(shè)計(jì)級(jí)配10050262621171412110.54SMA-13C9550221915131211102.25.6SMA-13f10065302622191513121.65.2

試驗(yàn)結(jié)果表明：嚴(yán)格采用體積設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的級(jí)配試件為出現(xiàn)明顯的回彈現(xiàn)象，而未采用體積設(shè)計(jì)法確定的級(jí)配SMA-13c和SMA-13f均出現(xiàn)了較為明顯的回彈現(xiàn)象，并且回彈過后空隙率明顯變大。此外，以上三種級(jí)配中只有通過體積設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的級(jí)配能滿足VCAmix≤VCADRC的要求，對(duì)于橡膠顆粒瀝青混合料而言，干涉現(xiàn)象越明顯則回彈現(xiàn)象越嚴(yán)重。

五、結(jié)論

在橡膠顆粒摻量為3%的條件下，通過馬歇爾試驗(yàn)得出的最佳油石比為6.2%。本研究采用的馬歇爾試件均采用一次擊實(shí)的方法成型，成型溫度為160℃；此外，橡膠顆粒瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)是否合理與所成型試件的回彈現(xiàn)象的出現(xiàn)與否密切相關(guān)，通過體積設(shè)計(jì)法法設(shè)計(jì)的級(jí)配回彈最小。