張建孔，　李志剛，　徐　磊

(解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

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AR-AC-13干法橡膠瀝青混合料的集料級(jí)配優(yōu)化

張建孔，李志剛，徐磊

(解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

摘要：由于干法橡膠瀝青技術(shù)研究在國(guó)內(nèi)起步較晚，對(duì)干法橡膠瀝青技術(shù)級(jí)配選擇不盡相同。為探究出關(guān)于AR-AC-13干法橡膠瀝青混合料的最佳級(jí)配范圍，設(shè)計(jì)了四種粗細(xì)不同的級(jí)配進(jìn)行對(duì)比。通過對(duì)四種級(jí)配的水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和低溫穩(wěn)定性進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)合成級(jí)配偏粗偏細(xì)都會(huì)影響混合料路用性能；但適當(dāng)增加粗集料的比例，不僅不會(huì)降低混合料性能，還能有效提高混合料的穩(wěn)定性。當(dāng)4.75mm篩孔通過率控制在35%～40%時(shí)，合成級(jí)配能有效提高干法橡膠瀝青混合料的穩(wěn)定性。對(duì)此提出了AR-AC-13干法橡膠瀝青混合料集料級(jí)配優(yōu)化的建議，為干法橡膠瀝青工藝的完善盡一份力量。

關(guān)鍵詞：干法橡膠瀝青；級(jí)配范圍；路用性能

橡膠瀝青技術(shù)作為一種改性瀝青技術(shù)，一直為國(guó)內(nèi)外公路界所關(guān)注。經(jīng)過多年的研究與改進(jìn)，現(xiàn)橡膠瀝青技術(shù)形成濕法與干法兩大施工工藝[1]。

濕法橡膠瀝青技術(shù)在國(guó)內(nèi)已日臻成熟，在實(shí)際工程中已得到廣泛應(yīng)用。而干法橡膠瀝青技術(shù)由于具有優(yōu)良的路用性能等諸多優(yōu)點(diǎn)，很受業(yè)內(nèi)人士的青睞；但在國(guó)內(nèi)干法橡膠瀝青技術(shù)起步較晚，研究較少，近年來，國(guó)產(chǎn)CTOR連接劑[2]的出現(xiàn)，有效推動(dòng)了干法橡膠技術(shù)的推廣與研究。

目前，對(duì)于干法橡膠瀝青混合料級(jí)配的選擇在國(guó)內(nèi)也不盡相同，同濟(jì)大學(xué)呂偉民等認(rèn)為橡膠瀝青混合料需選擇間斷級(jí)配AR-AC型與AR-SMA型[3]；孫祖望、陳舜明等推薦橡膠瀝青混合料級(jí)配為懸浮密實(shí)型(AR-HM-G)、骨架密實(shí)型(ARHM-S)和骨架空隙型(ARHM-O)三種[4]；課題組在對(duì)干法橡膠瀝青技術(shù)研究與實(shí)際工程中選擇AR-AC-13型級(jí)配[5，6]。但是AR-AC-13級(jí)配范圍較寬泛，對(duì)級(jí)配設(shè)計(jì)有一定影響，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化AR-AC-13級(jí)配范圍。對(duì)此，本文通過控制關(guān)鍵篩孔，設(shè)計(jì)出四種粗細(xì)不同的級(jí)配，進(jìn)行系列性能試驗(yàn)，通過對(duì)比分析，對(duì)AR-AC-13型干法橡膠瀝青混合料的級(jí)配范圍進(jìn)行優(yōu)化。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

瀝青：采用70#道路石油瀝青，技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。石料：4檔集料，粗集料為玄武巖，細(xì)集料為石灰?guī)r。礦粉：石灰?guī)r礦粉。膠粉：30目橡膠粉。瀝青連接劑：國(guó)產(chǎn)CTOR連接劑。

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)課題組研究，已確定了AC-13型級(jí)配下干法工藝參數(shù)[7]，為此本次試驗(yàn)橡膠粉的摻量為瀝青質(zhì)量的17.5%，CTOR連接劑摻量為橡膠粉質(zhì)量的8%。試驗(yàn)時(shí)，集料加熱溫度180 ℃，瀝青加熱溫度160 ℃，拌和溫度180 ℃；拌和時(shí)先將集料與橡膠粉和CTOR連接劑干拌30 s，使橡膠粉及連接劑均勻的分布在集料中，然后加入基質(zhì)瀝青拌和150 s，保溫至少1 h(180 ℃)，在165 ℃條件下成型試件。

2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)AR-AC-13級(jí)配標(biāo)準(zhǔn)，可知區(qū)間范圍較大，尤其4.75 mm及以下篩孔，合成級(jí)配變化幅度大，易導(dǎo)致不同合成級(jí)配性能差別較大。為消除這一差別，應(yīng)適當(dāng)減小4.75 mm及以下篩孔的范圍標(biāo)準(zhǔn)。首先根據(jù)AR-AC-13級(jí)配標(biāo)準(zhǔn)，確定級(jí)配屬于粗型密級(jí)配，需控制2.36 mm篩孔通過率不大于40%。在合成級(jí)配中，礦粉用量為4.5%～5.5%，然后根據(jù)碎石篩分結(jié)果，幾種級(jí)配應(yīng)將4.75 mm、2.36 mm和1.8 mm篩孔通過率逐漸從中值向下限調(diào)整，反復(fù)調(diào)整各檔集料比例，確定從粗到細(xì)四種合成級(jí)配。四種合成級(jí)配見表1，級(jí)配曲線趨勢(shì)見圖1。

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)，首先對(duì)四種級(jí)配最佳油石比進(jìn)行確定。按照上述試驗(yàn)方法進(jìn)行試件成型，根據(jù)設(shè)計(jì)空隙率為4%的標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)圖表法算得四種級(jí)配的最佳油石比分別為：4.4%、4.6%、4.7%、4.9%，求得馬氏參數(shù)如表2所示。

表1 四種合成級(jí)配范圍 %

不同篩孔尺寸(方孔篩)百分率/mm 1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075級(jí)配110092.372.843.930.221.113.99.37.25.4級(jí)配210091.870.939.326.818.812.58.56.75.0級(jí)配310091.269.033.426.418.712.58.56.75.0級(jí)配410092.071.531.824.717.611.88.16.44.9級(jí)配中值100957041.53022.516.512.58.56級(jí)配上限100100805340302318128級(jí)配下限100906030201510754

圖1 級(jí)配曲線

表2 CTOR干法橡膠瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

注： 橡膠粉用量占瀝青用量的17.5%，CTOR用量為膠粉質(zhì)量的8%。 通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到四種級(jí)配馬氏指標(biāo)均能夠滿足體積指標(biāo)的規(guī)范要求。

3 不同級(jí)配性能試驗(yàn)對(duì)比

3.1 水穩(wěn)定性

試驗(yàn)分為殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，按照上述試驗(yàn)方法進(jìn)行拌合及根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)中試驗(yàn)步驟進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表3和圖2。

表3 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果　　%

由表3、圖2可以看出，不論殘留穩(wěn)定度還是凍融劈裂，級(jí)配2與級(jí)配3都要優(yōu)于級(jí)配1和級(jí)配4，其中級(jí)配3最優(yōu)，級(jí)配1與級(jí)配4的凍融劈裂強(qiáng)度比小于80%，低于規(guī)范要求。分析認(rèn)為級(jí)配1的細(xì)集料比例超過40%，細(xì)集料填充了粗集料形成的空隙，所組成的鑲嵌結(jié)構(gòu)內(nèi)摩阻力小，瀝青混合料的穩(wěn)定性則較差；級(jí)配4的粗集料比例增多，鑲嵌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定空隙率增大，橡膠粉和瀝青利用率降低，很大程度上成為填充空隙的集料，使得混合料之間的黏結(jié)力降低，水穩(wěn)定性極易受到外界因素破壞。

圖2 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)圖

3.2 高溫穩(wěn)定性

車轍試驗(yàn)是評(píng)價(jià)瀝青混合料抗車轍能力的較簡(jiǎn)單和有效的試驗(yàn)方法，此次試驗(yàn)根據(jù)相關(guān)規(guī)范中試驗(yàn)流程進(jìn)行測(cè)試，四種級(jí)配的車轍試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，隨著級(jí)配的增粗高溫穩(wěn)定性提高，級(jí)配4明顯優(yōu)于級(jí)配1與級(jí)配2，但與級(jí)配3相差不大，動(dòng)穩(wěn)定度均在6 000次/mm。原因主要是級(jí)配變粗后，粗集料的比例增加。石料的粒徑增加后，內(nèi)摩阻力相應(yīng)增加；粗級(jí)配表面積較細(xì)級(jí)配表面積小，而油石比較大，說明瀝青填充石料之間的縫隙，加上橡膠粉的摻加，大大增大了集料間的黏結(jié)力，因此使得鑲嵌結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，使得混合料的流動(dòng)性降低，高溫穩(wěn)定性提高。當(dāng)粗集料比例增多、粉料比例不變時(shí)，在設(shè)計(jì)孔隙率不變的情況下，填充空隙的瀝青增多，黏結(jié)力則會(huì)先增大后減小，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也會(huì)隨之變化，所以級(jí)配4與級(jí)配3高溫穩(wěn)定性相差不大，若是級(jí)配繼續(xù)變粗時(shí)高溫穩(wěn)定性會(huì)減小。

圖3 不同級(jí)配動(dòng)穩(wěn)定度的變化趨勢(shì)

3.3 低溫穩(wěn)定性

低溫彎曲試驗(yàn)是評(píng)價(jià)瀝青混合料低溫性能的主要試驗(yàn)方法之一，依照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行四種級(jí)配的低溫(-10 ℃)性能測(cè)試，結(jié)果見圖4。

圖4 四種級(jí)配彎曲應(yīng)變大小

從圖4中可知，顯然四種級(jí)配的最大彎曲應(yīng)變都大于規(guī)范要求的2 800 με，滿足規(guī)范要求。 四種級(jí)配的低溫穩(wěn)定性變化趨勢(shì)與高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性變化趨勢(shì)基本相同，依然是級(jí)配2和級(jí)配3的低溫抗裂性能優(yōu)于級(jí)配1和級(jí)配4，其中級(jí)配2的低溫抗裂性能最好，說明級(jí)配2和級(jí)配3的粗細(xì)集料之比更為合理，鑲嵌結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，彈性好，橡膠粉加入后，能更好的適應(yīng)低溫環(huán)境，大大提高了瀝青混合料的低溫性能。

4 結(jié)束語

整體來看，級(jí)配2與級(jí)配3性能明顯優(yōu)于其他兩種級(jí)配，說明級(jí)配2、級(jí)配3不但能很好形成骨架鑲嵌，橡膠粉也補(bǔ)充了粗集料之間增大的空隙，瀝青也有效裹敷在集料上，大大提高了瀝青混合料的粘結(jié)性和內(nèi)摩阻力，瀝青混合料粗細(xì)集料比例適中，提高了混合料整體性能。對(duì)于級(jí)配1來說，細(xì)集料比例占到40%以上，水穩(wěn)定性和高溫性能差；級(jí)配4級(jí)配偏粗，粗集料比例偏大，集料之間的內(nèi)摩阻力增大，但粗集料之間的空隙增大，細(xì)集料與橡膠粉不足以填充粗集料的空隙，必須用大量瀝青來填充空隙，反而降低了瀝青混合料的粘結(jié)性，使得水穩(wěn)定性與低溫穩(wěn)定性降低，且瀝青用量多，造成資源浪費(fèi)。

綜上所述，本文認(rèn)為對(duì)于AR-AC-13級(jí)配，關(guān)鍵需要控制4.75 mm篩孔和2.36 mm篩孔的幅度范圍。參照級(jí)配2和級(jí)配3的混合料性能，應(yīng)適當(dāng)增加粗集料的比例，減少細(xì)集料，4.75 mm篩孔的通過率要控制在40%以下，考慮到瀝青用量，也不宜低于35%。通過粗細(xì)集料比例的調(diào)整，使得瀝青混合料的鑲嵌結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，以增加整體穩(wěn)定性。建議AR-AC-13干法橡膠瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)范圍做以下調(diào)整，詳見表4。

表4 建議AR-AC-13干法橡膠瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)范圍 %

參考文獻(xiàn)

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[4孫祖望,陳舜明,張廣春,等.橡膠瀝青路面技術(shù)應(yīng)用手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，2014:79-81

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[7]李 聰,李志剛,張建孔.干法橡膠瀝青混合料性能參數(shù)研究[J].國(guó)防交通工程與技術(shù)，2015(1):20-22

On the Optimization of the Gradation for the AR-AC-13 Dry Rubber Asphalt Mixture

Zhang Jiankong，Li Zhigang，Xu Lei

(The Field Engineering College of the University of Science and Technology of the PLA,Nanjing 210007,China)

Abstract:Because the study of the dry rubber asphalt technology at home is started rather late,the choices of the gradation for the dry rubber asphalt are quite different.To find out the optimal gradation range of the AR-AC-13 dry rubber asphalt mixture,4 different kinds of gradation,from coarse to fine,of the dry rubber asphalt mixture are designed and compared in the paper.After the water stability,high-temperature stability and low-temperature stability of the 4 kinds of gradation are tested in the lab, it is found that the synthetic gradation will affect the road performance of the mixed material,either too coarse or too fine.However, appropriately increasing the proportion of coarse aggregate will not degrade the performance of the mixture.On the contrary,it can effectively improve the stability of the mixture. When the passing rate of the 4.75 mm screen is kept to 35% ～ 40%,the synthesis gradation can effectively improve the stability of the dry rubber asphalt mixture.Upon the basis of the research mentioned above, some suggestions on the optimal gradation for the AR-AC-13 dry rubber asphalt mixture are put forward in the paper,which may contribute to perfecting the dry process of rubber asphalt.

Key words:dry rubber asphalt;gradation range;road performance

中圖分類號(hào)：U414

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-3953(2016)02-0033-04

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.02.009

作者簡(jiǎn)介：張建孔(1990—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楦煞ㄏ鹉z瀝青混合料工藝研究yanyudichen@163.com

收稿日期：2015-11-27