橡膠改性瀝青混合料生產(chǎn)配合比調(diào)試優(yōu)化及工程應(yīng)用

余 琦,趙丁鑫,李佳佳,胡曉芳,殷衛(wèi)永

(1.中建橋梁有限公司，重慶 402260；2.中國(guó)建筑第五工程局股份有限公司河南公司，鄭州 450009；3.中國(guó)建筑第七工程局股份有限公司，鄭州 450016；4.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，鄭州 450018)

0 引言

我國(guó)公路建設(shè)為國(guó)家的快速經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用，但隨著人均汽車(chē)保有量的不斷增長(zhǎng)，公路交通面臨著交通量迅猛增長(zhǎng)、重載交通不斷增多、超載現(xiàn)象嚴(yán)重等問(wèn)題，從而引起公路路面發(fā)生嚴(yán)重的早期損壞，影響通行質(zhì)量和安全。近年來(lái)，橡膠復(fù)合改性瀝青以其優(yōu)異的綜合路用性能、突出的環(huán)保優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于交通繁重的高速公路和國(guó)省道干線公路新建及養(yǎng)護(hù)工程的瀝青中、上面層及功能層，不僅提高了公路的路用性能和服務(wù)水平，還大規(guī)模消耗廢舊輪胎，充分利用廢舊輪胎的剩余價(jià)值，變廢為寶，節(jié)約工程建設(shè)投資，減輕環(huán)境壓力，經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益突出[1]。

已有研究表明，橡膠改性瀝青混合料的路用性能除受原材料質(zhì)量影響外，混合料級(jí)配的影響也比較顯著。在公路工程中，瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)一般包括目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)、生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)和生產(chǎn)配合比驗(yàn)證等階段，其中目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)是為了確定冷料倉(cāng)供料比例；生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)是為了確定熱料倉(cāng)供料比例；生產(chǎn)配合比驗(yàn)證是為了檢驗(yàn)采用確定的生產(chǎn)配比拌和的瀝青混合料技術(shù)指標(biāo)是否滿足技術(shù)要求，判斷生產(chǎn)配合比的合理性。一般而言，生產(chǎn)配合比的確定應(yīng)以目標(biāo)配合比為基礎(chǔ)，調(diào)整各檔熱料比例，使生產(chǎn)配合比的合成級(jí)配與目標(biāo)配合比的合成級(jí)配保持一致，從而保持瀝青混合料性能穩(wěn)定。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于石料短缺、料源變動(dòng)等原因，可能導(dǎo)致即使生產(chǎn)配合比與目標(biāo)配合比合成級(jí)配十分接近，但兩個(gè)配比對(duì)應(yīng)的混合料性能卻差異較大。此時(shí)需要分析查找原因，并對(duì)生產(chǎn)級(jí)配做相應(yīng)的調(diào)整優(yōu)化，使冷料供給與熱料消耗保持基本平衡，從而減少溢料、等料現(xiàn)象發(fā)生，確保混合料技術(shù)指標(biāo)合格，以更好地滿足生產(chǎn)要求[2-3]。

本文以橡膠瀝青混合料WRAC-13在河南省公路項(xiàng)目中的應(yīng)用為例，介紹橡膠瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)過(guò)程，并對(duì)生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中混合料性能變化的原因及調(diào)試過(guò)程進(jìn)行分析，提出了橡膠瀝青混合料的施工控制及質(zhì)量控制要點(diǎn)，以便為橡膠瀝青混合料在公路建設(shè)及養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目中的推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 目標(biāo)配合比

1.1 原材料

1.1.1 橡膠瀝青

本項(xiàng)目采用的橡膠瀝青為復(fù)合改性瀝青，由東明70#基質(zhì)瀝青、橡膠粉與少量SBS復(fù)配而成。以70#基質(zhì)瀝青為基準(zhǔn)，按外摻法計(jì)算，橡膠粉的摻量為20%，SBS摻量為1.5%[4-5]。

結(jié)合前期相關(guān)研究，膠粉細(xì)度為40目，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)篩分，膠粉細(xì)度滿足技術(shù)要求，篩分結(jié)果見(jiàn)表1。橡膠粉技術(shù)指標(biāo)要求及檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，橡膠復(fù)合改性瀝青技術(shù)要求及檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表1 橡膠粉篩分結(jié)果

表2 路用廢胎膠粉技術(shù)指標(biāo)

表3 橡膠復(fù)合改性瀝青技術(shù)要求及檢驗(yàn)結(jié)果

1.1.2 集料及填料

1.1.2.1 粗集料

項(xiàng)目所用粗集料規(guī)格為5～10mm和10～15mm碎石。粗集料的試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，試驗(yàn)結(jié)果表明粗集料滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的技術(shù)指標(biāo)要求。

表4 粗集料技術(shù)要求及檢驗(yàn)結(jié)果

1.1.2.2 細(xì)集料

細(xì)集料采用石灰?guī)r加工而成的機(jī)制砂，試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。結(jié)果表明，細(xì)集料滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)等相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求。

表5 機(jī)制砂技術(shù)要求及檢驗(yàn)結(jié)果

1.1.2.3 礦粉

礦粉為石灰?guī)r礦粉。礦粉干燥、清潔，檢測(cè)指標(biāo)及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。試驗(yàn)結(jié)果表明，礦粉質(zhì)量滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的相關(guān)技術(shù)要求。

表6 礦粉技術(shù)要求及檢驗(yàn)結(jié)果

1.2 目標(biāo)配合比

按照河南省地方標(biāo)準(zhǔn)《廢胎膠粉復(fù)合改性瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》，采用馬歇爾試驗(yàn)方法對(duì)WRAC-13橡膠復(fù)合改性瀝青混凝土進(jìn)行了目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)，在綜合考慮混合料的水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗滑性能及經(jīng)濟(jì)性的前提下，確定了WRAC-13橡膠復(fù)合改性瀝青混合料的目標(biāo)配合比，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

2 生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)

2.1 生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)出現(xiàn)的問(wèn)題

目標(biāo)配合比確定后，在“盡可能使生產(chǎn)配合比與目標(biāo)配合比合成級(jí)配相吻合，以減少溢料、等料現(xiàn)象，提高生產(chǎn)拌和效率”的前提下[6]，根據(jù)熱料篩分結(jié)果，進(jìn)行了WRAC-13橡膠復(fù)合改性瀝青混合料的生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)，確定各檔熱料倉(cāng)比例，按照生產(chǎn)配合比成型馬歇爾試件并檢測(cè)試件各性能指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 生產(chǎn)配合比馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表7和表8可知，當(dāng)生產(chǎn)配合比與目標(biāo)配合比合成級(jí)配相吻合時(shí)，按照生產(chǎn)配合比成型的馬歇爾試件在油石比6.0%時(shí)空隙率僅2.8%，不滿足規(guī)范要求，而相同油石比下目標(biāo)配合比馬歇爾試件的空隙率為4.0%，兩者性能差異較大；而且按照生產(chǎn)配合比成型試件比較密實(shí)，表面構(gòu)造深度較小，如圖1所示。

圖1 目標(biāo)級(jí)配的馬歇爾試件

通過(guò)分析集料篩分、密度等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)冷料和熱料中細(xì)集料的吸水率相差很大，如圖2所示。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)采用的機(jī)制砂吸水率為2.67%，而生產(chǎn)配合比采用的0～3mm細(xì)集料吸水率僅為0.77%，相差較大；進(jìn)一步計(jì)算瀝青吸收系數(shù)，目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)中被細(xì)集料吸收的瀝青為0.85%，而生產(chǎn)配合比中僅為0.45%，即目標(biāo)配合比的細(xì)集料比生產(chǎn)配合比多吸收0.4%的瀝青，也就是說(shuō)生產(chǎn)配合比的最佳油石比與目標(biāo)配合比的最佳油石比小0.4%，兩者之差顯然超過(guò)0.2%，需要調(diào)整生產(chǎn)配合比。

圖2 0～3mm的熱料和冷料對(duì)比

2.2 生產(chǎn)配合比調(diào)試優(yōu)化

為充分發(fā)揮橡膠復(fù)合改性瀝青的特性并保證混合料性能，在6.0%油石比保持不變，通過(guò)調(diào)整級(jí)配(減少細(xì)集料，礦粉，增加3～6mm，6～11mm粗集料)來(lái)增大礦料間隙率，進(jìn)而增大空隙率，級(jí)配調(diào)試優(yōu)化過(guò)程見(jiàn)表9。調(diào)試優(yōu)化后的馬歇爾試驗(yàn)性能指標(biāo)和最終采用的生產(chǎn)配合比混合料性能指標(biāo)見(jiàn)表10～表11。

表9 橡膠復(fù)合改性瀝青混合料生產(chǎn)配合比調(diào)試優(yōu)化過(guò)程

表10 橡膠復(fù)合改性瀝青混合料生產(chǎn)配合比調(diào)試優(yōu)化后性能指標(biāo)

表11 WRAC-13橡膠復(fù)合改性瀝青混合料性能試驗(yàn)結(jié)果

由表10和表11分析可知，調(diào)整后的橡膠復(fù)合改性瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)性能指標(biāo)及混合料路用性能指標(biāo)良好，均滿足規(guī)范要求。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，推薦施工的生產(chǎn)級(jí)配及油石比控制范圍見(jiàn)表12[7]。

表12 施工過(guò)程中推薦的級(jí)配及油石比控制范圍

3 施工質(zhì)量控制要點(diǎn)

本項(xiàng)目采用的橡膠復(fù)合瀝青混合料與連續(xù)級(jí)配SBS改性瀝青混合料相比，主要區(qū)別是橡膠復(fù)合改性瀝青黏度較大，各環(huán)節(jié)需要較高的施工溫度，其他施工工藝與SBS改性瀝青混合料基本一致[8]。

橡膠復(fù)合改性瀝青施工各環(huán)節(jié)的溫度比SBS改性瀝青高10℃～15℃，施工時(shí)需重點(diǎn)控制各環(huán)節(jié)的溫度。橡膠復(fù)合改性瀝青混合料的施工溫度可參照表13的范圍選擇。

表13 橡膠復(fù)合改性瀝青混合料的施工溫度

4 試驗(yàn)段性能檢測(cè)

橡膠復(fù)合改性瀝青混合料試驗(yàn)段施工完成后，檢測(cè)試驗(yàn)段主要的性能指標(biāo)。經(jīng)檢測(cè)，橡膠復(fù)合改性瀝青上面層平整、密實(shí)、抗滑、耐磨，其中主要指標(biāo)優(yōu)良率達(dá)100%。

4.1 壓實(shí)度

壓實(shí)度是瀝青面層質(zhì)量控制的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一，采用鉆芯取樣法對(duì)試驗(yàn)段壓實(shí)度進(jìn)行了檢測(cè)評(píng)定，芯樣及芯樣切面如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)段芯樣及芯樣切面

以室內(nèi)馬歇爾密度為基準(zhǔn)，平均壓實(shí)度99.3%，最大壓實(shí)度100.9%，最小壓實(shí)度97.2%，大于97%的設(shè)計(jì)要求；以理論最大密度為基準(zhǔn)，平均壓實(shí)度95.3%，最大壓實(shí)度97.3%，最小壓實(shí)度94.5%，大于93%的設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)段壓實(shí)度良好。

4.2 平整度

路面平整度直接影響車(chē)輛行駛的舒適性及路面的安全性和使用期限，是路面施工質(zhì)量評(píng)價(jià)及驗(yàn)收的重要指標(biāo)之一。平整度一般可采用3m直尺、連續(xù)式平整度儀、激光路面平整度測(cè)定儀和車(chē)載式顛簸累計(jì)儀等進(jìn)行檢測(cè)，橡膠復(fù)合改性瀝青路面試驗(yàn)段采用八輪儀對(duì)平整度進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明：橡膠復(fù)合改性瀝青路面試驗(yàn)段平整度標(biāo)準(zhǔn)差平均值為0.37mm，滿足小于0.8mm的技術(shù)要求，平整度良好。

4.3 滲水系數(shù)

密實(shí)不透水的路面可以有效防止雨水、雪水等通過(guò)面層進(jìn)入基層或土基中，從而降低路基路面的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，因此，路面滲水系數(shù)是評(píng)價(jià)瀝青路面施工質(zhì)量的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)段滲水系數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，各測(cè)點(diǎn)滲水系數(shù)均為“基本不透水”，表明試驗(yàn)段密水性能良好。

4.4 抗滑性能

路面抗滑性能是指車(chē)輛在路面制動(dòng)時(shí)抵抗滑移的能力，直接影響車(chē)輛的行車(chē)安全性，是瀝青路面質(zhì)量評(píng)定驗(yàn)收的重要指標(biāo)之一。

瀝青路面的抗滑性能可通過(guò)構(gòu)造深度(TD)、抗滑擺值(BPN)、橫向力系數(shù)(SFC)等指標(biāo)表征。對(duì)于橡膠復(fù)合改性瀝青路面試驗(yàn)段，采用手動(dòng)鋪砂法對(duì)試驗(yàn)段構(gòu)造深度進(jìn)行了檢測(cè)，平均構(gòu)造深度為0.72mm，介于0.7mm～1.1mm之間，表明既有良好的構(gòu)造深度，又有足夠的密實(shí)度。同時(shí)，采用擺式摩擦儀對(duì)擺值進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果均在70BPN左右，滿足規(guī)范要求的不小于45BPN。因此，綜合構(gòu)造深度和擺值測(cè)試結(jié)果表明WRAC-13具有良好的抗滑性能。

5 結(jié)論

本文以橡膠復(fù)合改性瀝青混合料應(yīng)用項(xiàng)目為例，分析了與目標(biāo)配合比接近的生產(chǎn)配合比性能變化原因，并對(duì)生產(chǎn)配合比進(jìn)行調(diào)試，最終得到性能良好的合成級(jí)配。同時(shí)介紹了橡膠復(fù)合改性瀝青混合料施工質(zhì)量控制要點(diǎn)，總結(jié)了橡膠復(fù)合改性瀝青混合料試驗(yàn)段應(yīng)用效果，主要結(jié)論：

(1)由于熱料倉(cāng)細(xì)集料吸水率比目標(biāo)配合比時(shí)冷料吸水率減小，導(dǎo)致與目標(biāo)配合比相接近的生產(chǎn)配合比空隙率減小，不能滿足生產(chǎn)要求。

(2)通過(guò)減少細(xì)集料、礦粉用量，增加粗集料用量，可增大礦料間隙率和空隙率，逐步得到性能良好的生產(chǎn)配合比。

(3)橡膠復(fù)合改性瀝青施工各環(huán)節(jié)溫度比SBS改性瀝青高10℃～15℃，施工過(guò)程中需重點(diǎn)控制溫度。

(4)橡膠復(fù)合改性瀝青混合料的綜合路用性能良好。