配合比设计参数对沥青混合料拌和和易性的影响研究

颜建春，邹 前，王晓磊，黄宏康

(1.广西新发展交通集团有限公司，广西 南宁 530029；2.广西交通投资集团有限公司，广西 南宁 530022；3.广西道路结构与材料重点实验室，广西 南宁 530007；4.广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

沥青混合料是由不同规格的集料和具有粘弹特性的沥青结合料经搅拌均匀而形成的一种混合物，因其具有良好的路用性能而被广泛应用于路面工程。沥青混合料良好的施工和易性是保证沥青路面施工质量的前提。施工和易性是指沥青混合料在拌和、摊铺和碾压过程中的难易程度，实质上就是材料的流动特性。沥青混合料的和易性越好，越有利于高质量路面的成型。虽然提高沥青混合料的和易性既有利于沥青路面的施工质量，又可以降低施工成本，但目前在工程技术应用中，沥青混合料施工和易性只是一个抽象的概念，并未将其实际应用于工程施工中。因此，结合实际施工参数开展沥青混合料和易性研究，具有重要的施工指导价值。

关于沥青混合料的施工和易性，学者们开展了多方面的研究，但缺乏基于工程实际施工参数进行的研究。郭平和侯曙光等[1-2]在定速条件下测试了沥青混合料的拌和扭矩，并以拌和扭矩的倒数为和易性指数，研究了拌和速度、拌和温度、沥青种类及混合料级配类型对沥青混合料拌和和易性的影响；李昂和唐真喜等[3-4]通过定义混合料广义黏度的倒数为拌和和易性指标,研究了沥青种类及拌和温度对沥青混合料和易性的影响规律。何亮和张琛等[5-6]通过旋转压实试验研究了温度对橡胶沥青施工和易性的影响；刘国柱和叶群山等[7-8]开展了混合料和沥青胶浆的拌和流变特性研究。还有一些学者进行了沥青混合料的粘弹塑性、流变特性及数值模拟等方面的研究[9-11]，延西利等[12]通过混合料的拌和流动直线对拌和速率的面积倒数百分率研究混合料拌和和易性。这些研究多集中于理论研究，无法直接指导工程施工。因此，本文通过自主改装的室内拌和设备对沥青混合料拌和过程的功率进行监测，选取工程实际施工参数，研究沥青种类、沥青用量、级配类型对沥青混合料拌和和易性的影响规律，提出基于混合料拌和和易性的优化参数，以期指导工程施工。

1 原材料技术性质

1.1 沥青

基质沥青选用壳牌70#沥青，其主要技术性能指标如表1所示。

表1 基质沥青技术指标表

橡胶沥青选用广西交科新材料有限责任公司生产的新一代高性能橡胶沥青，其主要技术性能指标如表2所示。

表2 橡胶沥青技术指标表

1.2 集料

AC-25及ARAC-20使用全石灰岩集料，粗集料规格为20～25 mm、10～20 mm、5～10 mm，细集料规格为0～3 mm；ARAC-13使用辉绿岩粗集料和石灰岩细集料，粗集料规格为10～15 mm、5～10 mm，细集料规格为0～3 mm；填料采用石灰岩矿粉。集料及填料的吸水率及密度试验结果如表3所示，筛分试验结果如表4所示。

表3 集料及填料吸水率、密度试验结果表

表4 集料及矿粉筛分试验结果表

2 试验方案

2.1 拌和设备加装监测系统

对室内沥青混合料拌和装置进行改装，监测沥青混合料拌和过程电压、电流及功率的变化情况。在相同拌和速度条件下，拌和电流越大，即拌和功率越大，拌和沥青混合料所需的功就越大，其拌和和易性就越差。

2.2 混合料级配设计

采用三相电参数监测系对AC-25、ARAC-20、ARAC-13混合料进行拌和功率采集。

为系统研究沥青混合料拌和功率的影响因素，本研究设计了AC-25、ARAC-20、ARAC-13三种混合料级配，并对三种混合料级配2.36 mm和4.75 mm关键筛孔通过率进行了设计，混合料级配各筛孔通过率见表5～7；每一种级配根据实际施工参数进行了油石比设计，具体见下页表8。

表5 AC-25沥青混合料级配设计一览表

表6 ARAC-20沥青混合料级配设计一览表

表7 ARAC-13沥青混合料级配设计一览表

表8 不同级配混合料油石比设计一览表(%)

2.3 沥青混合料拌和和易性测试

沥青混合料的拌和和易性一般通过混合料的拌和难易程度来表征。相同拌和速度条件下，拌和电流越大，即拌和功率越大，拌和沥青混合料所需的功就越大，其拌和和易性就越差。本次研究采用三相电参数监测系统对拌和设备的拌和功率进行数据采集，结合工程实际施工参数，研究油石比、关键筛孔通过率对150 ℃基质沥青混合料AC-25及180 ℃橡胶沥青混合料ARAC-20和ARAC-13拌和和易性的影响规律。

3 试验结果与分析

3.1 油石比对拌和和易性的影响

图1 油石比对AC-25沥青混合料拌和功率的影响趋势曲线图

图1是油石比对AC-25沥青混合料粗、中、细级配拌和功率的影响趋势图。由图1可知，粗、中、细三种级配AC-25沥青混合料均随着油石比的增加出现先降低后增加的趋势，这说明沥青添加量较少时，油石比的增加可改善混合料的拌和和易性，当沥青达到一定量时，随着油石比的增加，混合料的拌和和易性有所下降。这主要是因为混合料集料之间因嵌挤作用会产生内摩擦力，拌和混合料需要克服摩擦力做功，在集料中添加沥青之后，经过搅拌，沥青会与矿粉结合形成沥青胶浆，填充于集料间，消除一部分集料间的内摩擦力，从而表现出拌和功率降低的现象；随着沥青用量的不断增加，过量的沥青发挥出自身的粘结性，增大了沥青胶浆对集料的粘聚力，又出现拌和功率逐渐上升的趋势。

图2 油石比对ARAC-20沥青混合料拌和功率的影响趋势曲线图

图2是油石比对橡胶沥青混合料ARAC-20拌和功率的影响趋势图。由图2可知，三种级配对应的拌和功率随着油石比的增加出现先平缓下降后大幅度提升的趋势，且随着级配的变粗，各自的拌和功率最小值出现左移现象。这主要是因为橡胶沥青具有较大的黏度，橡胶沥青对于集料的“润滑”作用相比基质沥青而言较弱，故拌和功率下降趋势较为平缓；随着混合料中细集料的增加，达到拌和最佳状态所需的沥青越多，故混合料级配越细，拌和功率最小值对应的油石比越大。

图3 油石比对ARAC-13沥青混合料拌和功率的影响趋势曲线图

图3是油石比对橡胶沥青混合料ARAC-13拌和功率的影响趋势图。由图3可知，在给定的油石比条件下，拌和功率随着油石比的增加出现先减小后增大的趋势。这主要是因为在集料中添加沥青之后，经过搅拌，沥青会与矿粉结合形成沥青胶浆，少量的胶浆粘附于集料表面起到了“润滑”作用，抵消了一部分集料间的摩擦力，从而表现出拌和功率减小的趋势；当沥青用量增加到一定量时，此时形成的沥青胶浆较多，沥青的黏性表现得更加突出，集料间的粘聚力逐渐增加，从而表现出拌和功率逐渐增大的趋势。

3.2 关键筛孔通过率对拌和和易性的影响

图4是不同级配类型的AC-25沥青混合料对拌和功率的影响趋势图。由图4可知，当油石比较低时，在级配由细型向粗型变换的过程中，拌和功率出现先升高后平缓的趋势。这主要是因为，在较低油石比条件下，随着关键筛孔通过率的减小，沥青的“润滑”程度逐渐增强，粗集料间的嵌挤、摩擦作用也逐渐增强，并且集料间摩擦力增加的程度远大于沥青所起到的“润滑”作用，故表现为混合料拌和功率逐渐增大；粗集料达到一定量之后，粗集料的继续增加引起的内摩擦力增长幅度减小，表现出拌和功率趋于平缓的状态；当油石比为4.0%时，此时中间级配对应的拌和功率最小，这是因为此时油石比正好为级配二的最佳油石比，沥青的润滑作用发挥到最大状态，表现出相同拌和速度对应的拌和功率最小；当油石比进一步增大时，此时油石比偏高，过多的沥青表现出更多的黏性，故此时拌和功率出现小幅度的提升，且关键筛孔通过率变化对其拌和功率影响不大。

图4 AC-25不同级配对拌和功率的影响趋势曲线图

图5是不同级配类型的ARAC-20沥青混合料对拌和功率的影响趋势图。由图5可知，不同油石比混合料拌和功率随关键筛孔通过率的减小整体呈现出上升趋势，且增长幅度较为平缓，这主要是因为橡胶沥青本身具有较大的黏性，橡胶沥青对集料的粘聚力相比基质沥青而言更强，橡胶沥青对粗集料的粘聚力影响幅度不大，故拌和功率表现出随粗集料的增加而平缓上升的趋势。

图5 ARAC-20不同级配对拌和功率的影响趋势曲线图

图6 ARAC-13不同级配对拌和功率的影响趋势曲线图

图6是不同级配类型的ARAC-13沥青混合料对拌和功率的影响趋势图。由图6可知，拌和功率呈现出缓慢增长的趋势，橡胶沥青黏度较大的特性，使得集料间的“润滑”和粘聚作用相对稳定，关键筛孔通过率的调整对于橡胶沥青混合料的拌和和易性影响幅度不大。

4 结语

(1)沥青用量低于最佳沥青用量时，基质沥青油石比变化对混合料拌和和易性影响较大；沥青用量高于最佳沥青用量时，橡胶沥青油石比变化对混合料拌和和易性影响较大；沥青用量处于最佳沥青用量附近时，沥青混合料拌和和易性较好。

(2)同一结构类型沥青混合料，可以通过增加关键筛孔通过率改善混合料拌和和易性，但对于橡胶沥青混合料影响幅度相对较小。