配合比設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)瀝青混合料拌和和易性的影響研究

顏建春，鄒 前，王曉磊，黃宏康

(1.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西交通投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530022；3.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530007；4.廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

瀝青混合料是由不同規(guī)格的集料和具有粘彈特性的瀝青結(jié)合料經(jīng)攪拌均勻而形成的一種混合物，因其具有良好的路用性能而被廣泛應(yīng)用于路面工程。瀝青混合料良好的施工和易性是保證瀝青路面施工質(zhì)量的前提。施工和易性是指瀝青混合料在拌和、攤鋪和碾壓過程中的難易程度，實(shí)質(zhì)上就是材料的流動(dòng)特性。瀝青混合料的和易性越好，越有利于高質(zhì)量路面的成型。雖然提高瀝青混合料的和易性既有利于瀝青路面的施工質(zhì)量，又可以降低施工成本，但目前在工程技術(shù)應(yīng)用中，瀝青混合料施工和易性只是一個(gè)抽象的概念，并未將其實(shí)際應(yīng)用于工程施工中。因此，結(jié)合實(shí)際施工參數(shù)開展瀝青混合料和易性研究，具有重要的施工指導(dǎo)價(jià)值。

關(guān)于瀝青混合料的施工和易性，學(xué)者們開展了多方面的研究，但缺乏基于工程實(shí)際施工參數(shù)進(jìn)行的研究。郭平和侯曙光等[1-2]在定速條件下測(cè)試了瀝青混合料的拌和扭矩，并以拌和扭矩的倒數(shù)為和易性指數(shù)，研究了拌和速度、拌和溫度、瀝青種類及混合料級(jí)配類型對(duì)瀝青混合料拌和和易性的影響；李昂和唐真喜等[3-4]通過定義混合料廣義黏度的倒數(shù)為拌和和易性指標(biāo),研究了瀝青種類及拌和溫度對(duì)瀝青混合料和易性的影響規(guī)律。何亮和張琛等[5-6]通過旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)研究了溫度對(duì)橡膠瀝青施工和易性的影響；劉國柱和葉群山等[7-8]開展了混合料和瀝青膠漿的拌和流變特性研究。還有一些學(xué)者進(jìn)行了瀝青混合料的粘彈塑性、流變特性及數(shù)值模擬等方面的研究[9-11]，延西利等[12]通過混合料的拌和流動(dòng)直線對(duì)拌和速率的面積倒數(shù)百分率研究混合料拌和和易性。這些研究多集中于理論研究，無法直接指導(dǎo)工程施工。因此，本文通過自主改裝的室內(nèi)拌和設(shè)備對(duì)瀝青混合料拌和過程的功率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，選取工程實(shí)際施工參數(shù)，研究瀝青種類、瀝青用量、級(jí)配類型對(duì)瀝青混合料拌和和易性的影響規(guī)律，提出基于混合料拌和和易性的優(yōu)化參數(shù)，以期指導(dǎo)工程施工。

1 原材料技術(shù)性質(zhì)

1.1 瀝青

基質(zhì)瀝青選用殼牌70#瀝青，其主要技術(shù)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)表

橡膠瀝青選用廣西交科新材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的新一代高性能橡膠瀝青，其主要技術(shù)性能指標(biāo)如表2所示。

表2 橡膠瀝青技術(shù)指標(biāo)表

1.2 集料

AC-25及ARAC-20使用全石灰?guī)r集料，粗集料規(guī)格為20～25 mm、10～20 mm、5～10 mm，細(xì)集料規(guī)格為0～3 mm；ARAC-13使用輝綠巖粗集料和石灰?guī)r細(xì)集料，粗集料規(guī)格為10～15 mm、5～10 mm，細(xì)集料規(guī)格為0～3 mm；填料采用石灰?guī)r礦粉。集料及填料的吸水率及密度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，篩分試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表3 集料及填料吸水率、密度試驗(yàn)結(jié)果表

表4 集料及礦粉篩分試驗(yàn)結(jié)果表

2 試驗(yàn)方案

2.1 拌和設(shè)備加裝監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

對(duì)室內(nèi)瀝青混合料拌和裝置進(jìn)行改裝，監(jiān)測(cè)瀝青混合料拌和過程電壓、電流及功率的變化情況。在相同拌和速度條件下，拌和電流越大，即拌和功率越大，拌和瀝青混合料所需的功就越大，其拌和和易性就越差。

2.2 混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

采用三相電參數(shù)監(jiān)測(cè)系對(duì)AC-25、ARAC-20、ARAC-13混合料進(jìn)行拌和功率采集。

為系統(tǒng)研究瀝青混合料拌和功率的影響因素，本研究設(shè)計(jì)了AC-25、ARAC-20、ARAC-13三種混合料級(jí)配，并對(duì)三種混合料級(jí)配2.36 mm和4.75 mm關(guān)鍵篩孔通過率進(jìn)行了設(shè)計(jì)，混合料級(jí)配各篩孔通過率見表5～7；每一種級(jí)配根據(jù)實(shí)際施工參數(shù)進(jìn)行了油石比設(shè)計(jì)，具體見下頁表8。

表5 AC-25瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)一覽表

表6 ARAC-20瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)一覽表

表7 ARAC-13瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)一覽表

表8 不同級(jí)配混合料油石比設(shè)計(jì)一覽表(%)

2.3 瀝青混合料拌和和易性測(cè)試

瀝青混合料的拌和和易性一般通過混合料的拌和難易程度來表征。相同拌和速度條件下，拌和電流越大，即拌和功率越大，拌和瀝青混合料所需的功就越大，其拌和和易性就越差。本次研究采用三相電參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)拌和設(shè)備的拌和功率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，結(jié)合工程實(shí)際施工參數(shù)，研究油石比、關(guān)鍵篩孔通過率對(duì)150 ℃基質(zhì)瀝青混合料AC-25及180 ℃橡膠瀝青混合料ARAC-20和ARAC-13拌和和易性的影響規(guī)律。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 油石比對(duì)拌和和易性的影響

圖1 油石比對(duì)AC-25瀝青混合料拌和功率的影響趨勢(shì)曲線圖

圖1是油石比對(duì)AC-25瀝青混合料粗、中、細(xì)級(jí)配拌和功率的影響趨勢(shì)圖。由圖1可知，粗、中、細(xì)三種級(jí)配AC-25瀝青混合料均隨著油石比的增加出現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，這說明瀝青添加量較少時(shí)，油石比的增加可改善混合料的拌和和易性，當(dāng)瀝青達(dá)到一定量時(shí)，隨著油石比的增加，混合料的拌和和易性有所下降。這主要是因?yàn)榛旌狭霞现g因嵌擠作用會(huì)產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，拌和混合料需要克服摩擦力做功，在集料中添加瀝青之后，經(jīng)過攪拌，瀝青會(huì)與礦粉結(jié)合形成瀝青膠漿，填充于集料間，消除一部分集料間的內(nèi)摩擦力，從而表現(xiàn)出拌和功率降低的現(xiàn)象；隨著瀝青用量的不斷增加，過量的瀝青發(fā)揮出自身的粘結(jié)性，增大了瀝青膠漿對(duì)集料的粘聚力，又出現(xiàn)拌和功率逐漸上升的趨勢(shì)。

圖2 油石比對(duì)ARAC-20瀝青混合料拌和功率的影響趨勢(shì)曲線圖

圖2是油石比對(duì)橡膠瀝青混合料ARAC-20拌和功率的影響趨勢(shì)圖。由圖2可知，三種級(jí)配對(duì)應(yīng)的拌和功率隨著油石比的增加出現(xiàn)先平緩下降后大幅度提升的趨勢(shì)，且隨著級(jí)配的變粗，各自的拌和功率最小值出現(xiàn)左移現(xiàn)象。這主要是因?yàn)橄鹉z瀝青具有較大的黏度，橡膠瀝青對(duì)于集料的“潤滑”作用相比基質(zhì)瀝青而言較弱，故拌和功率下降趨勢(shì)較為平緩；隨著混合料中細(xì)集料的增加，達(dá)到拌和最佳狀態(tài)所需的瀝青越多，故混合料級(jí)配越細(xì)，拌和功率最小值對(duì)應(yīng)的油石比越大。

圖3 油石比對(duì)ARAC-13瀝青混合料拌和功率的影響趨勢(shì)曲線圖

圖3是油石比對(duì)橡膠瀝青混合料ARAC-13拌和功率的影響趨勢(shì)圖。由圖3可知，在給定的油石比條件下，拌和功率隨著油石比的增加出現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)樵诩现刑砑訛r青之后，經(jīng)過攪拌，瀝青會(huì)與礦粉結(jié)合形成瀝青膠漿，少量的膠漿粘附于集料表面起到了“潤滑”作用，抵消了一部分集料間的摩擦力，從而表現(xiàn)出拌和功率減小的趨勢(shì)；當(dāng)瀝青用量增加到一定量時(shí)，此時(shí)形成的瀝青膠漿較多，瀝青的黏性表現(xiàn)得更加突出，集料間的粘聚力逐漸增加，從而表現(xiàn)出拌和功率逐漸增大的趨勢(shì)。

3.2 關(guān)鍵篩孔通過率對(duì)拌和和易性的影響

圖4是不同級(jí)配類型的AC-25瀝青混合料對(duì)拌和功率的影響趨勢(shì)圖。由圖4可知，當(dāng)油石比較低時(shí)，在級(jí)配由細(xì)型向粗型變換的過程中，拌和功率出現(xiàn)先升高后平緩的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)?，在較低油石比條件下，隨著關(guān)鍵篩孔通過率的減小，瀝青的“潤滑”程度逐漸增強(qiáng)，粗集料間的嵌擠、摩擦作用也逐漸增強(qiáng)，并且集料間摩擦力增加的程度遠(yuǎn)大于瀝青所起到的“潤滑”作用，故表現(xiàn)為混合料拌和功率逐漸增大；粗集料達(dá)到一定量之后，粗集料的繼續(xù)增加引起的內(nèi)摩擦力增長(zhǎng)幅度減小，表現(xiàn)出拌和功率趨于平緩的狀態(tài)；當(dāng)油石比為4.0%時(shí)，此時(shí)中間級(jí)配對(duì)應(yīng)的拌和功率最小，這是因?yàn)榇藭r(shí)油石比正好為級(jí)配二的最佳油石比，瀝青的潤滑作用發(fā)揮到最大狀態(tài)，表現(xiàn)出相同拌和速度對(duì)應(yīng)的拌和功率最??；當(dāng)油石比進(jìn)一步增大時(shí)，此時(shí)油石比偏高，過多的瀝青表現(xiàn)出更多的黏性，故此時(shí)拌和功率出現(xiàn)小幅度的提升，且關(guān)鍵篩孔通過率變化對(duì)其拌和功率影響不大。

圖4 AC-25不同級(jí)配對(duì)拌和功率的影響趨勢(shì)曲線圖

圖5是不同級(jí)配類型的ARAC-20瀝青混合料對(duì)拌和功率的影響趨勢(shì)圖。由圖5可知，不同油石比混合料拌和功率隨關(guān)鍵篩孔通過率的減小整體呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，且增長(zhǎng)幅度較為平緩，這主要是因?yàn)橄鹉z瀝青本身具有較大的黏性，橡膠瀝青對(duì)集料的粘聚力相比基質(zhì)瀝青而言更強(qiáng)，橡膠瀝青對(duì)粗集料的粘聚力影響幅度不大，故拌和功率表現(xiàn)出隨粗集料的增加而平緩上升的趨勢(shì)。

圖5 ARAC-20不同級(jí)配對(duì)拌和功率的影響趨勢(shì)曲線圖

圖6 ARAC-13不同級(jí)配對(duì)拌和功率的影響趨勢(shì)曲線圖

圖6是不同級(jí)配類型的ARAC-13瀝青混合料對(duì)拌和功率的影響趨勢(shì)圖。由圖6可知，拌和功率呈現(xiàn)出緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，橡膠瀝青黏度較大的特性，使得集料間的“潤滑”和粘聚作用相對(duì)穩(wěn)定，關(guān)鍵篩孔通過率的調(diào)整對(duì)于橡膠瀝青混合料的拌和和易性影響幅度不大。

4 結(jié)語

(1)瀝青用量低于最佳瀝青用量時(shí)，基質(zhì)瀝青油石比變化對(duì)混合料拌和和易性影響較大；瀝青用量高于最佳瀝青用量時(shí)，橡膠瀝青油石比變化對(duì)混合料拌和和易性影響較大；瀝青用量處于最佳瀝青用量附近時(shí)，瀝青混合料拌和和易性較好。

(2)同一結(jié)構(gòu)類型瀝青混合料，可以通過增加關(guān)鍵篩孔通過率改善混合料拌和和易性，但對(duì)于橡膠瀝青混合料影響幅度相對(duì)較小。