狄升貫 ，曾 偉 ，王朝輝

（1.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市 300051；2.長安大學(xué)，陜西 西安 710064）

0 引言

廢舊輪胎的回收與利用一直是世界性難題，將廢舊輪胎磨細(xì)成膠粉應(yīng)用于道路工程建設(shè)中，可以有效地使廢舊輪胎再次循環(huán)利用，每公里膠粉改性瀝青路面消耗的廢舊輪胎可達(dá)4 000條之多，并且能夠降低道路建設(shè)成本，提高路面的使用性能，增加路面的抗病害能力，延長路面的使用壽命，同時(shí)膠粉改性瀝青路面對(duì)于抑制路面噪聲污染也有顯著效果。目前國內(nèi)在膠粉改性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方面缺乏相關(guān)規(guī)范，開展的相關(guān)研究主要針對(duì)連續(xù)級(jí)配、斷級(jí)配以及美國現(xiàn)行各規(guī)范中的級(jí)配，對(duì)其設(shè)計(jì)優(yōu)劣性、實(shí)際使用效果進(jìn)行對(duì)比分析[1～3]，同時(shí)沒有針對(duì)膠粉摻量對(duì)油石比影響進(jìn)行的試驗(yàn)研究。因此，本文針對(duì)膠粉改性瀝青的性能特點(diǎn)，采用主骨架空隙填充法（即CAVF法）進(jìn)行膠粉改性瀝青的配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化，并首次對(duì)比研究了膠粉摻量對(duì)混合料最佳油石比的影響效果。

1 膠粉瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法

國內(nèi)外橡膠瀝青混合料級(jí)配結(jié)構(gòu)應(yīng)用型式主要為連續(xù)級(jí)配、斷級(jí)配、開級(jí)配。其中連續(xù)級(jí)配是通過各檔集料逐級(jí)填充形成骨架，忽略了膠粉加入后對(duì)其骨架結(jié)構(gòu)形成的干涉；采用斷級(jí)配則是考慮到膠粉在混合料中的填充作用，需要代替一部分細(xì)集料，因而提高礦料間隙率以容納膠粉，減少碾壓彈性；開級(jí)配一般適用于排水路面，應(yīng)用相對(duì)較少。國內(nèi)外大量工程實(shí)例證明，斷級(jí)配是橡膠瀝青混凝土發(fā)展到今天應(yīng)用最為廣泛和成功的級(jí)配結(jié)構(gòu)型式。

膠粉改性瀝青中橡膠粉含量較高，一般在15%以上，膠粉細(xì)度從20目到80目不等，相對(duì)于常規(guī)的聚合物改性劑，橡膠粉顆粒較大，因此會(huì)影響瀝青混合料中礦料的嵌擠狀態(tài)，為適應(yīng)膠粉改性瀝青這一特性，混合料設(shè)計(jì)中通常減少細(xì)集料用量，增大礦料間隙率，為膠粉改性瀝青提供充分的空間，避免膠粉對(duì)集料嵌擠形成干涉。本研究中混合料級(jí)配設(shè)計(jì)采用按體積比設(shè)計(jì)瀝青混合料的CAVF法[5,6]，正是出于以上考慮，保證混合料中粗集料的充分嵌擠。該設(shè)計(jì)方法基于兩個(gè)基本假定：

（1）假定細(xì)集料的顆粒不對(duì)粗骨料的嵌擠結(jié)構(gòu)形成干涉；

（2）細(xì)集料與瀝青混合的膠漿也不對(duì)粗骨料的嵌擠結(jié)構(gòu)形成干涉。

在上述基本假定成立的基礎(chǔ)上，首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)主骨架，實(shí)測(cè)其空隙率，然后根據(jù)主骨架空隙率以及瀝青混合料設(shè)計(jì)目標(biāo)空隙率確定細(xì)集料及礦粉和瀝青的用量，使細(xì)集料體積、礦粉體積、瀝青體積以及瀝青混合料的目標(biāo)空隙體積的總和等于主骨架空隙體積，以保證粗骨料的礦料堆積嵌擠骨架結(jié)構(gòu)。根據(jù)初步擬定的配合比設(shè)計(jì)，進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，測(cè)定體積指標(biāo)，以設(shè)計(jì)目標(biāo)空隙率作為主要控制指標(biāo)，確定最佳配合比。

2 膠粉瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)及優(yōu)化

膠粉改性瀝青混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)中選用40目膠粉，摻量為20%（內(nèi)摻，即膠粉：基質(zhì)瀝青=20∶80）。級(jí)配設(shè)計(jì)過程如下：

（1）對(duì)10～15 mm、5～10 mm兩種粗集料分別按4∶6、5∶5、6∶4、7∶3測(cè)定主骨料緊裝空隙率。測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 粗集料緊裝密度

由表1可以看出，當(dāng)兩種粗集料按6∶4摻配時(shí)，緊裝密度最大，主骨料緊裝空隙率最小，即主骨架獲得最佳嵌擠效果，ρsc=1.70 g/cm3，Vvc=40.99%。

（2）根據(jù)瀝青混合料設(shè)計(jì)的主骨料空隙體積填充法的兩個(gè)基本假設(shè)，細(xì)集料體積、礦粉體積、瀝青體積以及瀝青混合料的目標(biāo)空隙體積的總和等于主骨架空隙體積?？梢缘玫绞剑?）和式（2）兩個(gè)關(guān)系式。根據(jù)以上所確定的各已知量，利用式（1）和式（2），聯(lián)立求解即可求出粗集料用量qc和細(xì)集料用量qf：

式中：qc、qf、qp、qa分別為粗集料、細(xì)集料、礦粉以及瀝青用量百分?jǐn)?shù)；ρsc為粗骨料緊裝密度，ρtf、ρp分別為細(xì)料、礦粉的表觀密度，ρa(bǔ)為瀝青的密度；Vvc、Vvs分別為主骨架緊裝空隙率百分?jǐn)?shù)及瀝青混合料設(shè)計(jì)目標(biāo)空隙率百分?jǐn)?shù)。

初擬礦粉用量6%，目標(biāo)空隙率4%，以7.0%油石比為中值，間隔0.5進(jìn)行5組配合比設(shè)計(jì)，計(jì)算得設(shè)計(jì)結(jié)果，見表2。

表2 混合料配合比設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)級(jí)配符合《橡膠瀝青及混合料設(shè)計(jì)施工技術(shù)指南》（交通部公路科學(xué)研究院）[7]中ARC-16的級(jí)配范圍（《指南》中對(duì)1.18、0.3、0.15三個(gè)篩孔未作要求），級(jí)配曲線見圖1。

（3）分別制作馬歇爾試件，測(cè)定體積指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)油石比為7.0時(shí)，空隙率為4.3%，最接近設(shè)計(jì)目標(biāo)空隙率4%，同時(shí)穩(wěn)定度最大值也出現(xiàn)在油石比7.0%處。因此，選定7.0%為最佳油石比進(jìn)行下一步試驗(yàn)研究。

圖1 設(shè)計(jì)級(jí)配曲線

表3 混合料體積指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

3 膠粉摻量對(duì)最佳油石比影響研究

最佳油石比主要受礦料級(jí)配及集料自身性質(zhì)影響，但不同膠粉摻量的膠粉改性瀝青，其各項(xiàng)性能指標(biāo)差異較大，需要研究膠粉摻量對(duì)最佳油石比的影響，在此基礎(chǔ)上開展后續(xù)路用性能的研究。

采用馬歇爾試驗(yàn)測(cè)定不同膠粉摻量下的空隙率及馬歇爾穩(wěn)定度，膠粉摻量分別為0%、10%、15%、17.5%、20%。測(cè)試結(jié)果見表4及圖2。

表4 膠粉摻量對(duì)空隙率及油石比影響

圖2 不同膠粉摻量下油石比變化曲線

由表4和圖2分析可知，隨著膠粉摻量變化，設(shè)計(jì)目標(biāo)空隙率對(duì)應(yīng)的油石比并無明顯變化趨勢(shì)，且各摻量下油石比均在7.0%附近?？紤]到試驗(yàn)中不可避免存在少量誤差，可以認(rèn)為膠粉摻量對(duì)瀝青混合料最佳油石比幾乎沒有影響，最佳油石比均為7.0%。

從穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果（見圖3）分析，也證明膠粉摻量對(duì)瀝青混合料最佳油石比影響甚微，穩(wěn)定度最大值均為油石比7.0%的瀝青混合料。相對(duì)于膠粉摻量，膠粉細(xì)度對(duì)瀝青性能影響較小，因此，可認(rèn)為膠粉細(xì)度對(duì)油石比沒有影響。

圖3 膠粉摻量對(duì)馬歇爾穩(wěn)定度影響

4 結(jié)語

（1）綜合分析國內(nèi)外膠粉改性瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)方法，針對(duì)連續(xù)型級(jí)配中膠粉顆粒對(duì)礦料骨架的干涉，采用主骨架空隙填充法（即CAVF法）進(jìn)行膠粉改性瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)，確定出級(jí)配方案，最佳油石比為7.0%。

（2）對(duì)比研究了不同膠粉摻量對(duì)混合料最佳油石比的影響效果，結(jié)果表明：隨著膠粉摻量變化，設(shè)計(jì)目標(biāo)空隙率對(duì)應(yīng)的油石比并無明顯變化趨勢(shì)，且各摻量下油石比均在7.0%附近。

[1]夏瑋.廢膠粉改性瀝青及瀝青混合料路用性能研究[D].重慶:重慶交通大學(xué),2009.

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[4]白琦峰,張志祥,曹榮吉.新型斷級(jí)配橡膠瀝青混合料設(shè)計(jì)及性能研究[A].第十屆中國科協(xié)年會(huì)論文集（四）[C].2008.550-555.

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[7]交通部公路科學(xué)研究院.橡膠瀝青及混合料設(shè)計(jì)施工技術(shù)指南[M].北京:人民交通出版社,2008.