掺加颗粒状抗车辙剂改性沥青混合料配合比设计方法

2011-10-29孟庆营张红兵张春昱王小平

天津城建大学学报 2011年4期

王伟，孟庆营，张红兵，张春昱，王小平，董哲

(天津市市政工程研究院，天津 300457)

在沥青路面的早期损坏中尤其以高温车辙破坏最为突出，不仅在南方，而且北方也存在严重的高温车辙破坏现象.为此，国内外一些研究机构和生产厂家已经研制出多种颗粒状抗车辙剂，用以提高沥青混合料的抗车辙能力，并且在防治沥青路面车辙损坏方面取得了很好的效果.但是由于掺加颗粒状抗车辙剂改性沥青混合料是一种全新的沥青混合料品种，采用干法工艺将抗车辙剂掺入沥青混合料中，这既不同于普通沥青混合料，也不同于湿法改性沥青混合料，因此，在具体应用过程中存在如下问题.

(1) 沥青用量主要依靠经验调整、无明确的技术控制指标.有些抗车辙剂沥青用量增加量是固定值[1]，有些则是根据掺量不同而不同[2]，还有一些则根据使用要求调整[3]，总之，沥青用量的增减主要依据材料供应商所提供的建议值，在此基础上进行经验性调整.但是在普通沥青混合料最佳油石比基础上适当增加的原因以及基于什么技术指标控制用油量的增加量并不清楚，缺乏明确的技术控制指标.

(2) 配合比设计中多项指标欠缺[4].现行的沥青混合料配合比设计技术指标是经过大量室内外试验以及实际应用经验总结得出的.然而，掺加抗车辙剂的沥青混合料仅基于普通沥青混合料配比之上，适当增加一定的沥青用量，即获得最佳油石比，这导致VFA(沥青饱和度)和 VMA(矿料间隙率)等一系列技术指标在掺加抗车辙剂之后基本处于不受控制状态，同时造成设计报告中的多数指标欠缺.因此，有必要对掺加抗车辙剂沥青混合料的配合比设计方法进行深入探讨和改进.

1 不同掺量下马歇尔试验结果及分析

参照普通混合料配合比设计方法[5]，分别对不同抗车辙剂掺量(0.0%，0.3%，0.4%，0.5%)的沥青混合料进行马歇尔试验，试验结果如图1-2所示.

图1 空隙率随油石比变化趋势

通过分析图 1-2中马歇尔试验指标随油石比变化的趋势可以得到如下结论.

(1) 从图2中可以清晰的看到，在设计油石比范围内，掺加抗车辙剂后沥青混合料的马歇尔稳定度没有出现峰值，而是随着油石比的增加逐渐减小.掺量为 0.4%和 0.5%时，其马歇尔稳定度曲线上还出现了骤然下降的现象.上述两种现象是不同于普通沥青混合料马歇尔试验结果的独特现象.

图2 马歇尔稳定度随油石比变化趋势

(2) 在设计油石比范围内，掺加抗车辙剂后沥青混合料马歇尔试验的体积指标出现了小幅度的上浮或下降，表明混合料的密实程度受到了一定的影响.但是，体积指标随油石比增加所发生的变化趋势并没有改变，这表明利用马歇尔试验方法对掺加颗粒状抗车辙剂改性沥青混合料的配合比设计是合理可行的.

2 掺加颗粒状抗车辙剂改性沥青混合料最大理论密度的确定

掺加颗粒状抗车辙剂的改性沥青混合料团块容易分散，因此，可以采用实测的方法来获得其最大理论密度.在试验过程中发现，分散开来的沥青混合料并没有全部浸泡在水中，有许多细小的颗粒漂浮在水面上，不断扰动才能将其浸泡于水中.在所有混合料原材料组成中，只有抗车辙剂的密度略低于水的密度，因此，推断这些颗粒为包裹着沥青砂浆的抗车辙剂.之所以发生上述现象是由于这些颗粒的密度较小(略大于水)而水的表面张力又较大的缘故.试验过程中，为使这些微小颗粒快速浸没于水中，在水中加入了微量的洗涤剂以显著降低水的表面张力.

参照普通沥青混合料最大理论密度试验方法[6]，对掺加不同品种颗粒状抗车辙剂的改性沥青混合料实测其最大理论密度，结果如表1所示.同时，还采用矿料合成平均密度(由式(1)计算)按照式(2)计算了最大理论密度，结果也列于表 1中，以便与实测最大理论密度值进行对比.

表1 实测最大理论密度与计算最大理论密度对比

对比分析表1中的数据可以发现，实测最大理论密度与采用矿料合成平均密度计算出的最大密度值结果十分接近，计算值与实测值的最大相对误差仅为0.29%，最小的只有 0.13%.上述偏差的出现可能是由于以下几点原因造成的：①实测值本身存在试验误差；②矿料合成平均密度其实质是指矿料所有开口孔隙吸油50%的情形下矿料的有效密度，而实际矿料的吸油量受多种因素影响；③抗车辙剂本身也吸收一部分油分.由于抗车辙剂的密度小于水致使实测混合料的最大理论密度存在诸多不便，而计算值与实测值之间的偏差又非常小，因此，建议采用以矿料的合成平均密度计算得到的最大理论密度值来计算掺加抗车辙剂改性沥青混合料的各项体积指标.

3 掺加颗粒状抗车辙剂改性沥青混合料配合比设计方法

鉴于掺加抗车辙剂沥青混合料配合比设计过程中存在的种种问题，本文认为不宜采用材料供应商建议的，在普通沥青混合料配合比设计基础上进行适当调整的方法确定其最佳沥青用量，而应当直接利用马歇尔试验进行配合比设计.可是由于掺加抗车辙剂后沥青混合料的马歇尔稳定度曲线上不出现峰值，其最大理论密度的确定方法与普通沥青混合料的有所不同，因此，不能够简单地照搬普通沥青混合料的配合比设计方法，而是应当结合掺加颗粒状抗车辙剂改性沥青混合料的自身特点，对现行的普通沥青混合料配合比设计方法进行适当改进，以便使之适用于掺加颗粒状抗车辙剂的改性沥青混合料.

3.1 设计程序

掺加颗粒状抗车辙剂改性沥青混合料配合比的设计程序为：原材料的选择与性能检测—矿质混合料配合比设计—选取抗车辙剂的最佳掺量—确定最佳沥青用量—混合料路用性能检验.

3.2 设计方法

3.2.1 原材料的选择与性能检测及矿质混合料配合比设计

就原材料的选择与性能检测和矿质混合料配合比设计而言，掺加颗粒状抗车辙剂改性沥青混合料与普通沥青混合料并无明显区别，可参照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的相关规定进行.

3.2.2 抗车辙剂最佳掺量的设计

抗车辙剂的合理掺量是根据矿料级配和性能要求确定的，应当结合工程实践经验和室内试验研究结果，并考虑其经济性，选取一个性价比较高的掺量.

3.2.3 最佳沥青用量的确定

3.2.3.1 马歇尔试验的室内拌和工艺

本研究表明掺加颗粒状抗车辙剂改性沥青混合料室内拌和工艺宜按照下述步骤进行：使用机械拌和，拌和温度采用180 ℃，将预热的集料和要求剂量的抗车辙剂倒入拌和锅中，干拌90 s，然后加入热沥青湿拌90 s，最后，再加入矿粉拌和至均匀.

3.2.3.2 试件的体积指标计算方法

(1) 计算矿质混合料的合成毛体积相对密度γsb和合成表观相对密度γsa.参照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的公式B.5.3和公式B.5.4计算矿质混合料的合成毛体积相对密度γsb和合成表观相对密度γsa.

(2) 确定矿质混合料的有效相对密度.采用矿质混合料合成平均密度(即矿料合成毛体积密度与矿料合成表观密度的平均值)作为矿质混合料的有效相对密度反算混合料的最大理论密度.矿质混合料合成平均密度的计算公式如下

式中：γse——矿质混合料的有效相对密度；

γsb——矿质混合料的合成毛体积相对密度；

γsa——矿质混合料的合成表观相对密度.

(3) 确定马歇尔试验用油石比Pai.以预估的油石比为中值，以0.5%间隔上下变化油石比，制备不少于5组的马歇尔试件.

(4) 测定马歇尔试件的毛体积相对密度fγ.采用表干法测定各组马歇尔试件的毛体积相对密度.

(5) 掺加颗粒状抗车辙剂改性沥青混合料最大

理论密度的计算.不同油石比条件下的混合料最大理论相对密度的计算公式如下

式中：tiγ——对应于计算油石比Pai时沥青混合料的最大理论相对密度，无量纲；

Pai——计算的沥青混合料的油石比，%；

γse——矿质混合料的有效相对密度，按式(1)计算，无量纲；

γb——沥青的相对密度(25℃/25℃)，无量纲；

add——抗车辙剂质量占矿质混合料总量的百分比，%；

γa——抗车辙剂的相对密度，无量纲.

(6) 计算掺加颗粒状抗车辙剂改性沥青混合料的VV，VMA和VFA值.分别参照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的公式B.5.10-1、公式B.5.10-2和公式 B.5.10-3计算沥青混合料试件的空隙率VV、矿料间隙率VMA、沥青饱和度VFA等体积指标，进行体积组成分析.

3.2.3.3 确定最佳油石比的具体步骤

采用马歇尔试验配合比设计方法进行设计时，对于密级配沥青混合料，其马歇尔试验中的试件成型条件以及各项试验的技术要求，应当满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)表5.3.3-1《密级配沥青混合料马歇尔试验技术标准》的要求.具体设计步骤如表2所示.

表2 马歇尔试验法确定最佳油石比的具体步骤

3.2.4 路用性能检验

设计完成的沥青混合料需在配合比设计的基础上进行高温稳定性、低温稳定性、水稳定性等路用性能检验，不符合要求的沥青混合料，必须更换材料或重新进行配合比设计.对于这部分内容，掺加颗粒状抗车辙剂改性沥青混合料与普通沥青混合料并无明显区别，可参照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的相关规定进行.