馮小偉，支鵬飛

(1.甘肅省道路材料工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅　蘭州　730050；2.甘肅省交通科學(xué)研究院有限公司，甘肅　蘭州　730050)

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基于馬歇爾試驗(yàn)的AR-SMA-13橡膠瀝青混合料線膨脹性能研究

馮小偉1,2，支鵬飛2

(1.甘肅省道路材料工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730050；2.甘肅省交通科學(xué)研究院有限公司，甘肅蘭州730050)

摘要：瀝青混合料密實(shí)程度的大小直接影響到路面結(jié)構(gòu)的抗拉或抗壓強(qiáng)度，橡膠瀝青混合料中由于高彈性廢胎膠粉的存在，使得其壓實(shí)后的特性與普通瀝青混合料有很大的區(qū)別。根據(jù)研究內(nèi)容選用橡膠瀝青混合料AR-SMA-13進(jìn)行橡膠瀝青中不同膠粉摻量、不同油石比、不同細(xì)料控制率、不同擊實(shí)功(次數(shù))的馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)，測(cè)其擊實(shí)后與冷卻后試件高度計(jì)算線膨脹率，分析馬歇爾試件線膨脹率與以上各因素之間的關(guān)系，并分析橡膠瀝青混合料線膨脹性能與體積指標(biāo)之間的相關(guān)性。結(jié)果表明，隨著橡膠瀝青中膠粉摻量的增加，AR-SMA-13橡膠瀝青混合料馬歇爾試件線膨脹率呈對(duì)數(shù)增加；增加合成礦料中0.075 mm的通過率，混合料馬歇爾試件的線膨脹率呈線性增加；增加擊實(shí)功，混合料的空隙率變小，試件的線膨脹率隨之增大；建立的線膨脹率預(yù)估模型，能夠很好地模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)；壓實(shí)度越大，橡膠瀝青混合料AR-SMA-13的線膨脹率也越大。

關(guān)鍵詞：道路工程；橡膠瀝青線膨脹性能；試驗(yàn)；馬歇爾試件；體積參數(shù)；預(yù)估模型

0引言

濕法橡膠瀝青生產(chǎn)的混合料由于廢胎膠粉的填充作用，使得其性能相對(duì)于普通及改性瀝青混合料來說有很大的差別[1]。高彈廢舊輪胎橡膠粉的存在讓橡膠瀝青混合料的壓實(shí)特性成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)，為了保證橡膠瀝青混合料具有整體穩(wěn)定性，混合料的級(jí)配需要給廢舊輪胎橡膠粉足夠的反彈空間。眾所周知，瀝青混合料密實(shí)程度的大小直接影響到材料的強(qiáng)度，如抗彎拉強(qiáng)度或抗壓強(qiáng)度。在相同條件下，密實(shí)程度好的材料具有較高的強(qiáng)度；反之，則較低。由于橡膠瀝青混合料是一種黏性非常顯著的材料，因而混合料成型時(shí)的溫度、壓實(shí)功、瀝青用量等對(duì)其壓實(shí)性能有極大的影響[2-4]。

目前，我國對(duì)橡膠瀝青混合料施工過程中的反彈現(xiàn)象的研究相對(duì)較少，在施工過程中如果不對(duì)橡膠瀝青混合料的反彈現(xiàn)象予以充分重視，會(huì)影響路面的壓實(shí)，未充分壓實(shí)的橡膠瀝青混合料則會(huì)出現(xiàn)較低的模量、延展性能、較差的抗疲勞性能，嚴(yán)重影響瀝青路面的服務(wù)質(zhì)量與服務(wù)周期[5]。為了方便設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量控制，對(duì)橡膠瀝青混合料的馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行研究就顯得非常有必要。目前，還沒有相關(guān)的文獻(xiàn)對(duì)橡膠瀝青混合料馬歇爾擊實(shí)試件的線膨脹變化規(guī)律進(jìn)行專門研究。為此，本文選取AR-SMA-13橡膠瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，通過測(cè)量試件的回彈率間接反映混合料的壓實(shí)效果，并分析試件回彈率與橡膠瀝青中膠粉摻量、油石比、細(xì)料控制率、擊實(shí)功間關(guān)系，建立AR-SMA-13橡膠瀝青混合料馬歇爾試件線膨脹率與上述各因素之間的關(guān)系[6]，為橡膠瀝青混合料AR-SMA-13的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1試驗(yàn)簡介

1.1原材料及級(jí)配

本試驗(yàn)所用的橡膠瀝青是由陜西某材料科技公司生產(chǎn)的40目廢胎膠粉，SK-90#基質(zhì)瀝青在190 ℃ 反應(yīng)溫度、60 min反應(yīng)時(shí)間、高速攪拌的條件下制備的，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見表1。

混合料所用粗細(xì)集料均為堅(jiān)硬無風(fēng)化的玄武巖集料，包括10～15, 5～10, 0～3 mm 共3檔料； 礦粉為石灰?guī)r礦粉。礦料級(jí)配范圍參照SMA-13級(jí)配范圍并嚴(yán)格控制4.75 mm的通過率在25%～40%之間，各檔料篩分結(jié)果及級(jí)配范圍見表2。

表1　試驗(yàn)用橡膠瀝青技術(shù)性能表

注：上述指標(biāo)為廢胎膠粉外摻20%的橡膠瀝青的技術(shù)指標(biāo)。

表2　各檔及合成礦料的級(jí)配情況

1.2試驗(yàn)方法

按照混合料中橡膠瀝青不同的膠粉摻量, 不同的油石比, 不同的細(xì)料通過率,不同的擊實(shí)功成型馬歇爾試件，擊實(shí)成型后不等試件溫度下降，馬上測(cè)量試件的高度H1，在室溫下放置試件24 h，不脫模再次測(cè)量試件的高度H2，然后計(jì)算馬歇爾試件的線膨脹率δ[7]。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

橡膠瀝青混合料馬歇爾試件的線膨脹率可以間接地反映混合料的壓實(shí)效果，由于廢胎膠粉的填充作用，加之其所具有的彈性，為了保證混合料的整體性，其級(jí)配必須給廢胎膠粉足夠的空間，否則混合料難以形成整體穩(wěn)定性，在實(shí)際工程應(yīng)用中表現(xiàn)為碾壓回彈和碾壓不實(shí)。橡膠瀝青混合料馬歇爾試件的線膨脹率可按式(1)計(jì)算[8]。

(1)

式中，H1為馬歇爾試件成型后的高度；H2為馬歇爾試件冷卻后的高度。

對(duì)于普通的瀝青混合料來說，由于熱脹冷縮的作用，通常H1會(huì)大于H2；但對(duì)于橡膠瀝青混合料，由于廢胎膠粉的彈性膨脹，在某些情況下會(huì)導(dǎo)致H1小于H2。

2.1橡膠瀝青中膠粉摻量對(duì)混合料線膨脹性能的影響

橡膠瀝青混合料的線膨脹性能主要是由于廢胎膠粉的膨脹反彈造成的，因此，研究橡膠瀝青中不同膠粉摻量對(duì)混合料的線膨脹性能就顯得很有必要。本文選取如表3所示的AR-SMA-13級(jí)配，按照6.8%的油石比不變，分別按橡膠瀝青中廢胎膠粉外摻量5%, 10%, 15%, 20%, 25%進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果如下。

表3　試驗(yàn)用AR-SMA-13橡膠瀝青混合料礦料級(jí)配

橡膠瀝青混合料線膨脹性能隨橡膠瀝青中膠粉外摻量的變化結(jié)果見表4。

表4　AR-SMA-13橡膠瀝青混合料線膨脹性能隨

將上面試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)關(guān)系進(jìn)行對(duì)數(shù)曲線擬合，結(jié)果見圖1。

圖1　橡膠瀝青混合料線膨脹性能隨瀝青中膠粉摻量變化(單位：%)Fig.1　Linear expansion performance of asphalt rubber mixture varying with crumb rubber content(unit:%)

從圖1可以看出，在此AR-SMA-13混合料級(jí)配下，隨著橡膠瀝青中廢胎膠粉摻量從5%～25%逐漸增加，混合料的線膨脹率基本呈對(duì)數(shù)增長，前期增長快，后期增長緩慢，15%的膠粉外摻量為線膨脹率變化急緩的一個(gè)控制點(diǎn)。

2.2油石比對(duì)混合料線膨脹性能的影響

選取和表3一樣的AR-SMA-13混合料級(jí)配，分別以6.0%, 6.3%, 6.6%, 6.9%, 7.2%, 7.5%、7.8%, 8.1%的油石比雙面各擊實(shí)75次，成型橡膠瀝青混合料馬歇爾試件(橡膠瀝青中采用廢胎膠粉的外摻量為20%)，計(jì)算每個(gè)油石比下的馬歇爾試件的線膨脹率，并用臘封法測(cè)每組馬歇爾試件的體積指標(biāo)，進(jìn)行油石比與線膨脹率、空隙率、礦料間隙率間的相關(guān)關(guān)系研究，結(jié)果見圖2～圖4。

圖2　不同油石比下的橡膠瀝青混合料線膨脹性能(單位:%)Fig.2　Linear expansion performance of asphalt rubber mixture in different asphalt-aggregate ratios(unit:%)

空隙率、線膨脹率隨油石比的變化趨勢(shì)見圖3。

圖3　空隙率、線膨脹率隨油石比的變化趨勢(shì)圖(單位：%)Fig.3　VV and linear expansion rate varying with asphalt-aggregate ratio(unit:%)

可以看出在與2.1節(jié)AR-SMA-13混合料級(jí)配相同的情況下逐漸增加油石比，橡膠瀝青混合料馬歇爾試件的線膨脹率在逐漸增加，其中在油石比6%～7.5%為一階段，增長較為緩慢，大致服從斜率為K1的線性增長；油石比在7.5%～8.1%為另一階段，增長較為迅速，大致服從斜率為K2的線性增長。由圖3可知，控制空隙率5%時(shí)對(duì)應(yīng)的油石比為6.8%，此時(shí)的線膨脹率約在1.6%左右，恰好線膨脹率與空隙率交匯于油石比6.8%附近，這就能為細(xì)粒式橡膠瀝青混合料的設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)。選擇細(xì)粒式橡膠瀝青混合料的空隙率5%得到其油石比，將在此油石比下測(cè)得的馬歇爾試件的線膨脹率作為控制標(biāo)準(zhǔn)，能夠很好地指導(dǎo)實(shí)踐[9]。圖4中礦料間隙率與線膨脹率有兩個(gè)交點(diǎn)，大的記作VMAmax，小的記作VMAmin，油石比6.8%對(duì)應(yīng)的礦料間隙率基本上為二者的平均數(shù)，即：

(2)

圖4　礦料間隙率、線膨脹率隨油石比的變化趨勢(shì)圖(單位：%)Fig.4　VMA and linear expansion rate varying with asphalt-aggregate ratio(unit:%)

此時(shí)，該值恰好在線膨脹率與油石比的關(guān)系線上(即對(duì)應(yīng)油石比6.8%的線膨脹率)，這就大大簡化了線膨脹率與其他體積指標(biāo)的關(guān)系，即使沒有實(shí)際測(cè)量，通過計(jì)算也可以知道其線膨脹情況，具有顯著的實(shí)用意義。

2.3級(jí)配細(xì)料(0.075 mm以下)對(duì)混合料線膨脹性能的影響

固定油石比6.8%不變(橡膠瀝青中外摻20%廢胎膠粉)，調(diào)整橡膠瀝青混合料AR-SMA-13的級(jí)配曲線，使其合成礦料0.075 mm的通過率為6.0%，8.0%，10%，12%，14%，在調(diào)節(jié)過程中控制4.75 mm篩孔的通過率在(30±2)%間，控制2.36 mm 篩孔的通過率在(20±2)%間，雙面各擊實(shí)75次成型馬歇爾試件，進(jìn)行AR-SMA-13線膨脹率與細(xì)料關(guān)系的研究。

由圖5可知，AR-SMA-13合成礦料中0.075 mm 的通過率與混合料馬歇爾試件的線膨脹率的表現(xiàn)為:隨著礦料中0.075 mm通過率的增加，馬歇爾試件的線膨脹率也在增大，且二者之間基本上呈線性關(guān)系，其線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.98。這主要是由于0.075 mm以下的礦料與用油量及空隙率有很大的關(guān)系，0.075 mm 以下的礦料在填充著空隙的同時(shí)也占據(jù)著膨脹廢胎膠粉的反彈空間，0.075 mm以下的礦料越少，給溶脹膠粉留下的空間越大[10]；反之，空間則越小，試件的線膨脹就越明顯。

圖5　礦料中細(xì)料與橡膠瀝青混合料線膨脹性能的關(guān)系Fig.5　Relation between fine materials in aggregate and linear expansion performance of asphalt rubber mixture

2.4擊實(shí)功(次數(shù))對(duì)混合料線膨脹性能的影響

選擇AR-SMA-13混合料級(jí)配與2.1相同，以6.8%的油石比(橡膠瀝青中外摻20%廢胎膠粉)，雙面分別擊實(shí)25, 50, 75, 100次，測(cè)量其線膨脹率與擊實(shí)次數(shù)的關(guān)系，如圖6所示。

圖6　擊實(shí)次數(shù)與橡膠瀝青混合料線膨脹性能的關(guān)系Fig.6　Relation between compaction times and linear expansion performance of asphalt rubber mixture

從圖6可以看出，隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，AR-SMA-13混合料的線膨脹率也在逐漸增加，從雙面25次到雙面100次，其馬歇爾試件的線膨脹率基本呈冪函數(shù)的形式增長。擊實(shí)次數(shù)越少，作用在橡膠瀝青馬歇爾試件上面的功就越小，空隙率就越大，留給溶脹的廢胎膠粉反彈的剩余空隙率就越多，宏觀上表現(xiàn)為線膨脹率較??；相反，擊實(shí)次數(shù)越多，作用在橡膠瀝青馬歇爾試件上面的功就越大，空隙率就會(huì)越小，留給廢胎膠粉反彈的剩余空隙率就越少，反彈使得馬歇爾試件的線膨脹率變化明顯。

3AR-SMA-13混合料馬歇爾試件線膨脹率影響因素模型研究

從上面的研究可知，AR-SMA-13混合料馬歇爾試件的線膨脹率與橡膠瀝青中的膠粉摻量、混合料的油石比、礦料中細(xì)料的控制率、試件擊實(shí)功有密切的關(guān)系，其中任何一項(xiàng)變化都可能會(huì)引起其線膨脹率的變化[11]。就整個(gè)試驗(yàn)研究而言，AR-SMA-13混合料馬歇爾試件的線膨脹率δ與橡膠瀝青中的膠粉摻量R呈對(duì)數(shù)關(guān)系，與油石比Pa呈二次多項(xiàng)式的關(guān)系，與細(xì)料通過率PA0.075呈線性關(guān)系，與擊實(shí)功Wi(次數(shù))呈冪關(guān)系。根據(jù)上面的研究建立AR-SMA-13混合料馬歇爾試件的線膨脹率δ與各因素的關(guān)系式。

(3)

式中,δ為橡膠瀝青混合料馬歇爾試件的線膨脹率；R為橡膠瀝青中廢胎膠粉外摻量；Pa為油石比；PA0.075為合成礦料中0.075的通過率；Wi為擊實(shí)功；X1，X2，X3，X4，X5為可變量；a0，a1為常量。

將上面試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行改進(jìn)的最小二乘Levenberg-Marquardt法(L-M 法)擬合回歸，根據(jù)一一對(duì)應(yīng)關(guān)系得到該AR-SMA-13橡膠瀝青混合料馬歇爾試件的線膨脹率因素影響模型[10]：

1.059 2Pa+0.146 6PA0.075+0.921 。

(4)

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)與建立的模型之間的相關(guān)性來看，其相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到了0.979 6，具有顯著的相關(guān)性。依據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的顯著性水平F分布表中的α=0.10分布，F(xiàn)0.10(3,9)=2.81

4AR-SMA-13混合料線膨脹性能與壓實(shí)之間的關(guān)系

相比較普通瀝青及SBS改性瀝青混合料，橡膠瀝青混合料由于廢胎膠粉的加入使得瀝青變脆，壓實(shí)變得困難，高橡膠含量的混合料壓實(shí)復(fù)雜程度要比低橡膠含量大很多，這主要是由于橡膠瀝青混合料的反彈現(xiàn)象造成的[12]。根據(jù)試驗(yàn)研究，AR-SMA-13混合料壓實(shí)度與線膨脹率關(guān)系見表5和圖7。

可以看出，隨著橡膠瀝青混合料AR-SMA-13線膨脹率的增加，其壓實(shí)度呈冪函數(shù)的形式增加。這是因?yàn)榫€膨脹率越大，留給廢胎膠粉反彈的空間越小，也就是空隙率越??；空隙率越小，混合料的壓實(shí)度就越大。因此，橡膠瀝青混合料馬歇爾試件的線膨脹率能夠在某些方面很好地反映其壓實(shí)特性。

表5　AR-SMA-13橡膠瀝青混合料線膨脹率與壓實(shí)度間的

圖7　 AR-SMA-13橡膠瀝青混合料線膨脹率與壓實(shí)度間關(guān)系圖(單位：%)Fig.7　Relation between linear expansion rate of AR-SMA-13 asphalt rubber mixture and Compaction degree(unit:%)

5結(jié)論

本文通過對(duì)AR-SMA-13橡膠瀝青混合料馬歇爾試件線膨脹性能的試驗(yàn)研究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及理論分析，主要得到如下結(jié)論：

(1)隨著橡膠瀝青中膠粉摻量的增加，AR-SMA-13橡膠瀝青混合料馬歇爾試件線膨脹率呈對(duì)數(shù)增加，前期增長快，后期增長緩慢，15%的膠粉外摻量為線膨脹率變化急緩的一個(gè)控制點(diǎn)。

(2)在選定的級(jí)配下增加油石比，AR-SMA-13橡膠瀝青混合料馬歇爾試件的線膨脹率在油石比達(dá)到7.5%前的增長比其后的增長要緩慢；選取空隙率5%時(shí)的空隙率回歸線與線膨脹率回歸線相交，與交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的油石比即為AR-SMA-13混合料所用最佳油石比；混合料馬歇爾試件與礦料間隙率在最佳油石比下具有很好的數(shù)據(jù)相關(guān)性。

(3)合成礦料中0.075 mm以下部分的通過率增加，AR-SMA-13橡膠瀝青混合料馬歇爾試件的線膨脹率也在增加，二者之間基本上呈線性關(guān)系。

(4)擊實(shí)功(次數(shù))對(duì)AR-SMA-13橡膠瀝青混合料馬歇爾試件的線膨脹率的影響體現(xiàn)在隨著擊實(shí)功的增加，混合料的空隙率變小，留給廢胎膠粉反彈的剩余空隙率就變少，試件的線膨脹率隨之增大。

(5)建立的AR-SMA-13橡膠瀝青混合料馬歇爾試件的線膨脹性能的模型能夠很好地模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為控制其線膨脹性能提供一定的指導(dǎo)。

(6)壓實(shí)度越大，橡膠瀝青混合料AR-SMA-13的線膨脹率也越大。

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Study of Linear Expansion Performance of AR-SMA-13 Asphalt Rubber Mixture Based on Marshall Test

FENG Xiao-wei1,2, ZHI Peng-fei2

(1. Gansu Provincial Engineering Laboratory For Road Materials，Lanzhou Gansu 730050，China；

2. Gansu Provincial Transportation Research Institute Co., Ltd., Lanzhou Gansu 730050，China)

Abstract：The compaction degree of asphalt mixture directly affects the tensile or compressive strength of the pavement structure, due to the high elastic crumb rubber exists in asphalt rubber mixture, its compaction characteristics is quite different from ordinary asphalt mixture. According to research content, selecting asphalt rubber mixture AR-SMA-13, the Marshall compaction tests with different crumb rubber contents, different asphalt-aggregate ratios, different fines control rates, and different compaction works (numbers) are conducted to measure the heights of samples after compaction and cooling. Then, the relationships between the linear expansion rate of Marshall sample and the above factors are analyzed, and the correlation between the linear expansion performance of asphalt rubber mixture and volume indicator is analyzed. The result shows that (1) with the increase of rubber powder content, the linear expansion rate of Marshall sample of AR-SMA-13 asphalt rubber mixture increase logarithmically; (2) increase 0.075 mm passing rate of the composite material, the linear expansion rate of Marshall sample increases linearly; (3) Increase compaction work, the mixture void fraction decreases, and its linear expansion rate increases; (4) the established linear expansion prediction model can well simulate experimental data; (5) the larger the compactness, the greater the linear expansion rate of asphalt rubber mixture AR-SMA-13.

Key words：road engineering；asphalt rubber linear expansion performance；test；Marshall sample；volume parameter；prediction model

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-0268(2016)03-0031-06

中圖分類號(hào)：U416.217

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.03.006

作者簡介：馮小偉(1985-)，男，甘肅會(huì)寧人，碩士研究生.(xiaowei06671@163.com)

基金項(xiàng)目：甘肅省科技計(jì)劃項(xiàng)目(1305TCYA024)；甘肅省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(1104GKCA026)

收稿日期：2014-09-11