河南省路橋建設集團有限公司 婁 琳河南省交通科學技術研究院有限公司 汪德才商丘市梁園區(qū)公路管理局 張艷菊

膠粉及膠粉復合改性瀝青混合料的配合比設計研究

河南省路橋建設集團有限公司 婁 琳
河南省交通科學技術研究院有限公司 汪德才
商丘市梁園區(qū)公路管理局 張艷菊

在膠粉及膠粉復合改性瀝青混合料的大量試驗及應用中表明：膠粉及膠粉復合改性瀝青混合料宜采用S型嵌擠級配。本文結合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40-2004)中有關要求，明確給出了S型嵌擠級配的定義，并對其S型嵌擠級配進行了驗證。室內試驗結果表明：采用S型嵌擠級配的膠粉及膠粉復合改性瀝青混合料具有適宜的體積參數(shù)，良好的高低溫性能和水穩(wěn)定性能。

膠粉 改性瀝青 S型 級配設計 性能測試

前言

根據(jù)國外應用橡膠瀝青混合料取得的經驗,橡膠瀝青或橡膠粉改性瀝青混合料一般用于斷級配和開級配結構,不主張用于密級配，但國內外均未明確提出橡膠粉改性瀝青混合料的配合比設計方法。本文結合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》中有關混合料設計的要求，提出了S型嵌擠級配的定義。S型嵌擠級配實際上是骨架密實型斷級配瀝青混合料組成結構，這種結構不僅粗集料數(shù)量較高，而且相互接觸形成骨架，骨架空隙又由細集料、礦粉及其他添加劑填密骨架的空隙。由于其內摩擦角較大，因而抗剪切強度較高，特別是在夏季溫度較高的南方，能較好地抗拒車轍變形。

一、S型嵌擠級配設計定義

膠粉及膠粉復合改性瀝青混合料盡管有較好的抗拒變形的能力，但由于膠粉具有一定的回彈特性，如果采用傳統(tǒng)的懸浮形密實結構，會使混合料壓實回彈而造成其結構不穩(wěn)定。經研究認為，SMA結構用于膠粉及膠粉復合改性瀝青混合料的效果是比較理想的，不需要摻加纖維增強劑也能較好的抗析漏。但由于SMA結構對材料的要求高，要求有較高的油石比，加上混合料的造價較高，對于一般的高等級公路的應用有一定的難度。在膠粉及膠粉復合改性瀝青混合料的大量試驗及應用中表明：采用膠粉及膠粉復合改性瀝青混合料適宜采用S型嵌擠級配，既能發(fā)揮膠粉的優(yōu)勢，又能發(fā)揮自身結構的優(yōu)勢?！豆窞r青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40-2004)中 B.2.2提出：為確保高溫抗車轍能力，同時兼顧低溫抗裂性能的需要，配合比設計時宜適當減少公稱最大粒徑附近的粗集料用量，減少0.6mm以下部分細粉的用量，使中等粒徑集料較多，形成S形級配曲線，并取中等或偏高水平的設計空隙率。但對于S型嵌擠級配，《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》沒有明確的設計和判別的方法。

S型嵌擠級配的設計思路如下：由于橡膠粉的比重小(不及石料的1/2)，其單位質量的體積大，因此在采用S型嵌擠體積法設計膠粉及膠粉復合改性瀝青混合料時必須考慮這部分體積，即細集料體積、橡膠粉體積、瀝青體積、礦粉體積及瀝青混合料最終設計空隙體積之總和小于主骨架空隙體積。研究已表明，在粗集料(≥4.75 mm)骨架中即使添加1%的2.36 mm顆粒，也會破壞骨架結構。試驗也已證明，增加2.36 mm的顆粒含量將顯著降低混合料的動穩(wěn)定度。因此，為避免細集料和橡膠粉干涉骨架結構，最好完全間斷2.36~4.75 mm檔細集料。

粗S型嵌擠級結構集料嵌擠是通過石-石接觸結構實現(xiàn)的，為此規(guī)定4.75 mm以上粗集料骨架之間的間隙率VCADRC作為粗集料嵌擠作用的衡量指標，壓實混合料中細集料、礦粉、橡膠粉、瀝青與空隙體積之和應不超過主骨架空隙體積，因此VCADRC的確定非常重要。

我們在大量的試驗研究和試驗路的應用中，對S型嵌擠級配有下式定義：若礦料級配公稱最大粒徑附近的粗集料的通過率都在《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》5.3表3.3.2.2級配范圍中值以上，0.6mm以下細集料部分的通過率都在級配范圍的中值以下，且在確定某一關鍵篩孔的前提下，符合式（1.0），則該級配為S型嵌擠級配。

式中：VCADRC——關鍵篩孔以上較粗集料的搗實礦料間隙率；PCA——瀝青混合料中關鍵篩孔以上集料的比例；γS——關鍵篩孔以上較粗集料的搗實相對密度；PX、PK、PZ、PE、PB——分別為關鍵篩孔以下細集料、礦粉、膠粉、P E、基質瀝青用量在混合料的比例；γX、γK、γZ、γE、γB——分別為關鍵篩孔以下細集料、礦粉、膠粉、PE、基質瀝青的毛體積相對密度。

上式表明：關鍵篩孔以下的細集料、礦粉、瀝青及其他摻加劑的密實體積之和應小于關鍵篩孔以上的搗實后相互嵌擠的較粗集料的空隙。一般情況下，關鍵篩孔AC13（含AC13）以上為2.36mm，AC10為1.18mm。

但采用S型嵌擠級配作馬歇爾試驗時，繪制的各種指標與油石比的關系曲線中，密度與穩(wěn)定度兩個指標經常不出現(xiàn)峰值，在選擇最佳油石比時，一般都以目標空隙率為準來確定最佳瀝青用量，但必須符合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTGF40-2004)中5.3配合比設計中的表3.3.3.1密級配瀝青混凝土混合料馬歇爾試驗技術標準。

二、膠粉復合改性瀝青混合料的S型嵌擠級配設計與驗證

1. S型嵌擠級配設計。

（1）原材料。本試驗采用鎮(zhèn)海AH-70#瀝青，改性瀝青采用基質瀝青+10%廢舊膠粉+3%PE的配方類型，采用四川80目膠粉。膠粉及膠粉復合改性瀝青混合料使用的粗集料應該干凈、干燥、無風化、不含雜質，并符合規(guī)范規(guī)定要求。本試驗粗集料采用石灰?guī)r碎石，壓碎石值20.8%，磨耗值21.5%。細集料為石灰?guī)r石屑，礦粉為石灰?guī)r礦粉。（粗細集料規(guī)格按S9、S12、S14及S16規(guī)定生產和使用）

（2）級配設計。礦質混合料配合組成設計目的，是選配一個具有足夠密實度，并有較高內摩阻力的礦質混合料。我們采用粗集料（9.5mm~13.2mm）、粗集料（4.75mm~9.5mm）、細集料（＜4.75mm）、礦粉這幾種集料進行礦質混合料配合組成設計，其篩分試驗見下表1。根據(jù)S型嵌擠級配的定義，選用AC13-F、AC13-C.、AC10-C按S型嵌擠級配進行混合料配合比設計，且按照《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》的相應要求，最終確定AC10-C為膠粉復合改性瀝青混合料目標配合比，通過膠粉復合改性瀝青混合料的馬歇爾試驗確定其最佳油石4.9%。

表 1 礦料篩分試驗結果與AC10-C混合料的礦料組成計算

圖1 AC10-C礦質混合料級配范圍與合成級配圖

2. S型嵌擠級配驗證。按目標配合比由JTG E42-2005 試驗規(guī)程中T0309-2005試驗得AC10-C型配合比中關鍵性篩孔2.36mm、1.18mm以上合成集料的搗實相對密度γs(2.36)=1.698、γs(1.18)=1.679。各種集料、膠粉、PE及瀝青用量見表3、4。

表 2 材料密度

表 3 材料用量計算表

在瀝青混合料中的比例關鍵篩孔以下細集料比例PX=PcaK%瀝青用量PB=PaK% 68.43 21.48 4.7 3 0.47 0.14 4.73關鍵篩孔以上集料比例PCA=PcaK%礦粉比例PK=PkK%膠粉比例PZ=PzK% PE例PE=PeK%

驗證AC10-C型是否為S型嵌擠級配(關鍵篩孔為1.18)，將表2、表3和表4中的數(shù)據(jù)代入式（1.0）所得：

則AC10-C型級配為S型嵌擠級配。

3. 性能試驗。我國現(xiàn)行規(guī)范評價瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的方法主要是馬歇爾試驗法和車轍試驗法；評價混合料的水穩(wěn)定性常用浸水馬歇爾試驗與凍融劈裂試驗；評價瀝青混合料的低溫抗裂性的試驗主要是瀝青混合料彎曲試驗，采用低溫彎曲試驗的破壞應變指標作為改性瀝青混合料的低溫抗裂性能的評價指標。根據(jù)AC10-C礦質混合料配合比以及最佳油石比4.9%（橡膠10%+PE3%復合改性瀝青），計算各礦質混合料和瀝青用量。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTJ052-2000)，成型試件，并測定其物理和力學指標。試驗結果如表5，6所示。

表 5 S型嵌擠級配復合改性瀝青混合料馬歇爾試驗結果

表 6 S型級配瀝青混合料性能測試結果

從表5，表6可知：經室內試驗測試，S型嵌擠級配混合料性能都能滿足規(guī)范的相應要求，具有良好的體積參數(shù)，優(yōu)良的高低溫性能和水穩(wěn)定性能。

四、結語

本文根據(jù)瀝青混合料級配理論和膠粉的回彈特性，確定膠粉及膠粉復合改性瀝青混合料的配合比設計采用S型嵌擠級配，給出了S型嵌擠級配明確定義，并對提出的級配理論進行了驗證，從而進一步完善了我國膠粉及膠粉復合改性瀝青的相關研究。最后，經室內試驗測試：S型嵌擠級配瀝青混合料性能優(yōu)良，在工程實踐中可以參考使用，對進一步推廣膠粉及膠粉改性瀝青混合料有重要意義。

[1] JTJ F40-2004，公路瀝青路面施工技術規(guī)范[S].

[2] JT J052-2000，公路工程瀝青及混合料試驗規(guī)程[S].

[3] 沈金安.改性瀝青與SMA路面[J].人民交通出版社，1999

[4] 曹衛(wèi)東,呂偉明.廢橡膠粉改性骨架密實型瀝青混合料的設計方法[J].公路，2004年第4期