矿料级配对温拌橡胶沥青混合料压实特性的影响

张黎红，董则军，郭绍成

(1.云南省交通规划设计研究院，云南 昆明 650041；2.四川省冶金地质勘查局水文工程大队，四川 成都 611730)

矿料级配对温拌橡胶沥青混合料压实特性的影响

张黎红1，董则军2，郭绍成1

(1.云南省交通规划设计研究院，云南 昆明 650041；2.四川省冶金地质勘查局水文工程大队，四川 成都 611730)

为探究矿料级配变化对温拌橡胶沥青混合料压实特性的影响，设计AC-13、AC-20、AC-25三种级配类型下不同级配走向的温拌橡胶沥青混合料。分别基于马歇尔试件空隙率和旋转压实曲线研究不同级配下混合料的压实特性，研究结果表明：矿料级配越细，其温拌橡胶沥青混合料空隙率越小；处于设计级配的温拌橡胶沥青混合料施工阶段可压实性最好；矿料级配越粗，温拌橡胶沥青路面开放交通后高温稳定性越好。

道路工程；温拌橡胶沥青混合料；矿料级配；压实特性；旋转压实

0 引 言

废轮胎胶粉用于沥青路面，不仅可以解决废旧轮胎对于环境的污染问题，同时橡胶沥青优良的路用表现对于改善路面各项性能，延长路面服役期限具有重要的现实意义[1]。然而由于橡胶沥青的高黏度导致摊铺现场施工困难，及混合料的施工温度提高导致施工期间的排放问题也更为突出[2]，这些弊病限制了橡胶沥青在路面中的应用。而温拌技术则恰好具有在保证混合料品质的前提下，降低施工温度进而降低排放的特点[3]。因此，研究温拌技术在橡胶沥青路面中的应用，将会在确保工程质量的同时对废轮胎粉的应用产生积极地影响。

在橡胶沥青改性技术的基础上引入温拌技术，可以使混合料在较低的施工温度下达到良好的施工和易性。笔者从温拌橡胶沥青混合料压实特性角度入手，探讨能实现较好压实性能的温拌橡胶沥青混合料级配设计，以期为温拌橡胶沥青混合料的工程推广提供技术支持。

1 原材料

1.1 基质沥青

采用中海AH-70#重交通沥青作为基质沥青。按JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中相关要求对基质沥青进行了测试，其各项技术指标均符合道路石油沥青的技术指标要求。

1.2 橡胶粉

根据相关研究，货车轮胎对沥青改性效果更好[4]，因此笔者选用30目货车轮胎胶粉，将废旧轮胎在常温下经过剪切、除杂、筛分以及脱硫等加工过程制成的黑色颗粒状物质，其性能指标见表1和表2。

表1 废旧胶粉物理技术指标Table 1 Physical indexes of crumb rubber

表2 废旧胶粉化学技术指标Table 2 Chemical indexes of crumb rubber

1.3 集料

本研究所用集料类型为石灰岩，其基本性能指标及筛分结果如表3和表4。

表3 集料及矿粉密度试验结果Table 3 Test results of aggregate and mineral filler density

表4 矿料筛分结果Table 4 Sieving test results of aggregate

1.4 温拌剂

根据对国内温拌技术应用情况的市场调研，国内主要采用有机蜡类及化学温拌技术，文中所用温拌剂为重庆中交科技股份有限公司生产的Sasobit温拌剂。Sasobit温拌剂为白色颗粒状物质，将其掺入沥青具有减低沥青胶结料黏度的作用[5]。温拌剂使用时，于干拌开始阶段加入集料中即可，后续的生产步骤同常规沥青混合料。

2 温拌橡胶沥青混合料设计

在制备温拌橡胶沥青胶结料时，根据相关研究，本研究所用的温拌橡胶沥青的胶粉掺量定为基质沥青质量的20%，温拌剂掺量为基质沥青质量的2%，通过高速搅拌设备在180 ℃油浴温度下将上述三者搅拌45 min即得到温拌橡胶沥青胶结料[6]。

设计混合料级配时选用AC-25，AC-20和AC-13 3种级配类型，每种级配类型又选取偏设计上限、设计级配和偏设计下限3档级配，以研究不同的级配走向对泡沫温拌沥青混合料压实特性的影响，试验所用混合料级配情况见图1。

为使研究成果具有工程实用性，不同矿料级配下的温拌橡胶沥青混合料油石比分别为其最佳油石比。经过计算各级配下最佳油石比如表5。

图1 不同级配汇总Fig.1 Summary of different aggregate gradation

表5 各级配下最佳油石比Table 5 The optimal asphalt-aggregate ratios of various aggregate gradation

3 沥青混合料压实特性评价方法

3.1 基于空隙率的评价方法

沥青混合料空隙率是指混合料中空隙的体积占混合料总体积的百分比，一般通过沥青混合料的相对毛体积密度和理论密度之比计算得出，空隙率是评价混合料压实程度最直观的指标，反映了沥青混合料在特定压实功(特定击实次数)作用下的压实特性。但基于马歇尔试件空隙率的压实特性评价方法只能分析试件成型后的结果，得到的结论过于片面，并且基于马歇尔试件空隙率的压实特性评价方法无法评价开放交通阶段混合料压实特性，存在较大的局限性。

但是，鉴于目前国内大部分筑路工程项目部的成型设备仅有马歇尔击实仪，因此在实体工程应用时，测定沥青混合料马歇尔试件的空隙率便成为获得施工现场的沥青混合料压实特性的最简单快捷的途径，空隙率指标起到了连接科研成果与实体工程应用的“桥梁”作用。因此空隙率指标是评价沥青混合料压实特性的一个重要指标，利用空隙率指标研究不同矿料级配下温拌橡胶沥青混合料的压实特性可以使研究成果更直观、有效地在实体工程中得到推广。

3.2 基于旋转压实曲线的评价方法

3.2.1 压实能量指数CEI

压实能量指数CEI(construction energy index)是指沥青路面在铺筑过程中，施工机械(包括摊铺机和压路机)将沥青混合料压实至某一指定压实度时所作压实功的大小[7]。在沥青混合料的旋转压实成型试验中，旋转压实曲线与X轴所包围面积的大小，从数学意义上来说，代表了旋转压实仪对试件密实所作的功的多少。初始压实次数对应的压实度代表摊铺机振捣夯实的作用，工程中一般要求沥青路面的竣工压实度在93%[8]，所以由初始压实次数对应的压实度至路面竣工压实度93%的密实曲线表征了沥青混合料在摊铺碾压阶段的压实特性。压实能量指数CEI的值等于以初始压实次数对应的压实度至路面竣工压实度93%的这一段密实曲线与X轴之间的面积。CEI面积值越小，则表明在相同的压实功下沥青混合料越容易被压实，即压实性能越好。

3.2.2 交通密实指数TDI

沥青路面在竣工压实度93%的标准下开放交通，那么沥青路面会在车辆的反复碾压下被进一步压实。在Superpave沥青混合料设计方法体系中，通过旋转压实方法成型的沥青混合料设计空隙率为4%，因此用由压实度为93%至96%的这一段旋转压实曲线与X轴围成的面积大小代表车辆对沥青路面的进一步压密作用，用交通密实指数TDI(traffic densification index)表示[9]。交通密实指数TDI的值越大，则说明沥青路面抵抗车载压密能力的越强，即开放交通阶段路面的抗变形能力越强。

4 试验结果及分析

在150 ℃的压实温度下分别通过马歇尔击实和旋转压实两种成型方式成型温拌橡胶沥青混合料试件，为提高试验结果的可靠性，每种级配成型3组试件，共计27组试件，马歇尔击实设置双面击实75次，旋转压实仪设置初始压实次数为8次，设计压实次数为100次，最大压实次数为160次。待马歇尔试件冷却后通过网篮法测试其空隙率，旋转压实试件通过成型过程中的旋转压实曲线计算各级配冷却混合料的压实特性参数CEI与TDI的值，试验及计算结果如表6。计算各级配下3组试件空隙率、CEI和TDI的平均值，不同级配下温拌橡胶沥青混合料的空隙率、压实能量指数和交通密实指数随级配变化趋势如图2～图4。

表6 不同级配混合料压实特性参数值Table 6 Compaction characteristics parameter values of mixture with different gradation

4.1 不同级配混合料空隙率分析

根据表6及图2可得，采用马歇尔击实的方式成型不同级配走向的温拌橡胶沥青混合料试件，在压实温度和压实功相同的条件下，试件的空隙率都表现为级配较细的温拌橡胶沥青混合料的空隙率最小，处于设计级配的温拌橡胶沥青空隙率次之，级配较粗的温拌橡胶沥青混合料的空隙率最大；但不同级配类型的温拌橡胶沥青混合料空隙率大小有明显差异，其空隙率大小排序为AC-13>AC-20>AC-25，表明温拌橡胶沥青混合料的压实特性受混合料的公称最大粒径影响，具体表现为公称最大粒径越小的温拌橡胶沥青混合料，其在施工阶段越难以压密，因此在温拌橡胶沥青混合料摊铺时要特别注意沥青上面层的碾压，确保足够的压实遍数。在温拌橡胶沥青混合料的设计和生产过程中也要保证级配在适当的范围之内，以保证良好的施工质量。

图2 不同级配走向的温拌橡胶沥青混合料空隙率Fig.2 Warm mix rubber asphalt mixture void ratio of different aggregate gradation trend

图3 不同级配走向的温拌橡胶沥青混合料CEI值Fig.3 Warm mix rubber asphalt mixture CEI values of different aggregate gradation trend

4.2 不同级配混合料CEI值分析

由图3可以看出，温拌橡胶沥青混合料公称最大粒径越小，CEI值越低，说明其路面在施工阶段可压实性越好。这是因为最大公称粒径越小的混合料，其集料支撑效果越差，并且混合料中的小块集料更易在压实过程中被压碎而导致集料的骨架作用进一步减弱。因此，在施工时要特别注意下面层温拌橡胶沥青混合料的压实，须达到足够的压实遍数以保证路面质量。比较相同公称最大粒径的温拌橡胶沥青混合料不同级配走向下，压实能量指数CEI值的大小表现为中级配<粗级配<细级配，这表明若要达到同样的压实效果，处于设计级配的温拌橡胶沥青混合料在施工过程中比其他两种级配需要更小的压实功，即中值级配混合料比其他两种级配的混合料要更容易被压实。因此在温拌橡胶沥青混合料设计时级配设计要适中以实现较好的压实。

4.3 不同级配混合料TDI值分析

由图4可以看出，温拌橡胶沥青混合料公称最大粒径越大则TDI值越低，说明其路面在开放交通后抵抗再次变形的能力越强。对比相同公称最大粒径不同级配粗细程度的温拌橡胶沥青混合料可知，偏级配上限的混合料TDI值比偏级配下限的混合料TDI值要大，说明级配较细的温拌橡胶沥青路面在开放交通后在车辆反复碾压的作用下更易产生车辙等变形，稳定性较差。究其原因主要是因为级配较细的混合料中4.75 mm以下的细集料所占比例较大，各级较大的颗粒都被较小的颗粒挤开，集料间的内摩阻角较小，因此矿料无法形成较为稳定的骨架嵌挤结构，其抗剪切变形的能力较差。

图4 不同级配走向的温拌橡胶沥青混合料TDI值Fig.4 Warm mix rubber asphalt mixture TDI values of different aggregate gradation trend

5 结 论

1) 采用马歇尔击实仪成型温拌橡胶沥青混合料试件，相同成型条件下级配较细的温拌橡胶沥青混合料的空隙率最小，处于设计级配的温拌橡胶沥青空隙率次之，级配较粗的温拌橡胶沥青混合料的空隙率最大，混合料级配越细，成型后的路面密实度越高。

2) 在施工阶段，对于同一公称最大粒径级配的泡沫温拌沥青混合料，设计级配混合料最容易压实，其次是靠近级配上限的混合料，靠近级配下限的混合料最难被压实。因此在温拌橡胶沥青混合料生产时应重视混合料级配的监控，保持混合料的级配时刻处于质量控制范围内，以达到较好的压实效果。

3) 在开放交通阶段，对于AC-13、AC-20及AC-25三种级配，混合料级配设计偏粗会对抵抗路面再压密有积极作用，因此在高温或重交通地区要保证温拌橡胶沥青路面具有良好的高温稳定性，混合料级配设计应适当偏级配下限。

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(责任编辑：朱汉容)

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

国家自然科学基金项目(51308329)；山西省青年科技研究基金项目(2015021115)

张黎红(1972—)，男，云南南涧人，高级工程师，主要从事公路交通勘测设计方面的工作。E-mail：582337953@qq.com。

U414

A

1674-0696(2017)08-044-05