譚繼宗， 劉靖， 徐升， 李平

(1.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530001； 2.廣西交科集團(tuán)有限公司； 3.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院)

1 前言

《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》對(duì)中國交通事業(yè)的發(fā)展提出了更高的要求，其中“綠色發(fā)展節(jié)約集約、低碳環(huán)?！北闶前l(fā)展目標(biāo)之一。廢舊輪胎是不熔或難熔的高分子材料固體垃圾，處置不當(dāng)會(huì)危害人類健康、引發(fā)火災(zāi)、污染環(huán)境，帶來嚴(yán)重的“黑色污染”，如何有效回收和利用廢舊輪胎一直是個(gè)難題。為解決這一問題，道路科研工作者研發(fā)橡膠改性瀝青技術(shù)，將廢舊輪胎重新加工成為筑路材料橡膠粉，與基質(zhì)瀝青在高溫條件下剪切混溶形成新型瀝青膠結(jié)料，對(duì)比應(yīng)用廣泛的SBS改性瀝青技術(shù)，可節(jié)省15%～20%的基質(zhì)瀝青，符合當(dāng)前“綠色環(huán)?！钡陌l(fā)展理念。

雖然橡膠瀝青混合料在中國公路建設(shè)中取得了一定應(yīng)用，但目前仍存在一定問題與不足。橡膠瀝青具備“溶脹”特性，傳統(tǒng)的AC連續(xù)型級(jí)配間隙率較小，難以滿足橡膠瀝青這一特性，有些地方標(biāo)準(zhǔn)、指南等僅基于經(jīng)驗(yàn)法確定了橡膠瀝青混合料的級(jí)配范圍，并未給出明確的級(jí)配設(shè)計(jì)方法，而路用性能與級(jí)配之間存在明顯相關(guān)性，因此，研究橡膠瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)方法有利于提升工程設(shè)計(jì)中級(jí)配選取的有效性，提升瀝青路面路用性能，提高工程質(zhì)量。

國內(nèi)外級(jí)配對(duì)橡膠改性瀝青混合料高溫性能研究取得了較多成果。Rongji Cao開發(fā)了一種新型的間斷級(jí)配橡膠瀝青混合料ARAC-13S，與SMA-13和AC-13C路用性能進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)ARAC-13S在高溫下具有與SMA-13相似的抗車轍變形能力，ARAC-13S在熱裂解方面的性能優(yōu)于常規(guī)瀝青混合料。Zhaohui Min在貝雷法的基礎(chǔ)上，通過改變環(huán)氧瀝青混合料的粗骨料比(CA)和細(xì)骨料粗粒率比(FAc)，得到了不同的混合料骨架結(jié)構(gòu)并進(jìn)行試驗(yàn)研究，提出環(huán)氧瀝青混合料推薦CA值為0.4，F(xiàn)Ac值為0.35的致密級(jí)配結(jié)構(gòu)，用于跑道覆蓋或路面養(yǎng)護(hù)；Cui Wentian為提高超薄耐磨層瀝青混合料的抗車轍性能，采用CAVF法設(shè)計(jì)出UTWC-10瀝青混合料，高溫車轍試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：UTWC-10瀝青混合料的車轍動(dòng)穩(wěn)定度(DS)指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的磨層瀝青混合料，具有更好的高溫穩(wěn)定性；蔣勇基于PCG3旋轉(zhuǎn)壓實(shí)設(shè)備，研究法國標(biāo)準(zhǔn)中GB4瀝青混合料級(jí)配對(duì)壓實(shí)特性的影響，發(fā)現(xiàn)5 mm(4.75 mm)和20 mm通過率對(duì)GB4瀝青混合料的壓實(shí)特性影響明顯；馬峰以動(dòng)穩(wěn)定度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)比分析了連續(xù)型、半間斷型和間斷型橡膠瀝青混合料的路用性能，發(fā)現(xiàn)級(jí)配對(duì)橡膠瀝青混合料高溫性能影響顯著，其中半間斷型級(jí)配的動(dòng)穩(wěn)定度是間斷型SMA-13的1.5倍，表明采用半間斷型級(jí)配有助于提高橡膠瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性；游金梅等對(duì)比分析4種級(jí)配(AR-AC-13、AC-13、AR-SMA-13、SMA-13)下纖維橡膠瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，結(jié)果表明：間斷型橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性優(yōu)于連續(xù)型橡膠瀝青混合料；張可強(qiáng)等選取AR-AC-13和AR-SMA-13級(jí)配分別進(jìn)行車轍試驗(yàn)、水穩(wěn)定等試驗(yàn)對(duì)比分析其路用性能，結(jié)果表明：AR-AC-13低溫抗裂性能和抗疲勞特性更優(yōu)，而AR-SMA13高溫穩(wěn)定性能較好，兩者水穩(wěn)性能無明顯差距；程培峰等針對(duì)不同礦料級(jí)配對(duì)溫拌橡膠瀝青混合料路用性能的影響，選取SMA型5種代表性級(jí)配和AC級(jí)配進(jìn)行室內(nèi)混合料路用性能試驗(yàn)并對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：SMA混合料相比于AC混合料具有更優(yōu)高低溫性能和水穩(wěn)定性能，且溫拌橡膠瀝青混合料適用于間斷級(jí)配；武建民等建立級(jí)配評(píng)價(jià)指標(biāo)分形維數(shù)與AC-16橡膠瀝青混合料高溫性能關(guān)系發(fā)現(xiàn)，隨著分形維數(shù)的增大混合料動(dòng)穩(wěn)定度減小，高溫穩(wěn)定性逐漸降低，進(jìn)一步根據(jù)橡膠瀝青混合料路用性能要求推薦級(jí)配整體分形維數(shù)值D宜小于2.53，而粗集料分形維數(shù)Dc宜小于2.66；苗超杰提出利用Matlab進(jìn)行混合料級(jí)配設(shè)計(jì)，依據(jù)礦料級(jí)配設(shè)計(jì)原理和CA值、FAC值、FAf值的合理范圍優(yōu)化級(jí)配，實(shí)踐證明應(yīng)用效果較好。

現(xiàn)有對(duì)橡膠瀝青混合料的高溫性能側(cè)重點(diǎn)在于對(duì)比連續(xù)型與間斷型級(jí)配的路用性能，未針對(duì)級(jí)配范圍內(nèi)不同級(jí)配的路用性能進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)近年來涌現(xiàn)的貝雷法和CAVF法等方法的對(duì)比也較少。在此背景下，該文分析同一級(jí)配范圍內(nèi)，不同級(jí)配設(shè)計(jì)方法下的橡膠瀝青混合料高溫性能，結(jié)合級(jí)配特性進(jìn)行研究，有助于工程實(shí)際中的級(jí)配優(yōu)選。

2 橡膠瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

2.1 橡膠改性瀝青制備

選用某高速公路工程實(shí)際配方，包括殼牌70#基質(zhì)瀝青，30～80目橡膠粉，YH-791H線型SBS改性劑，白色助劑T1與黑色助劑T2。剪切機(jī)為AE300L-P型試驗(yàn)室剪切乳化機(jī)，制備工序及制備時(shí)間如表1所示。

表1 橡膠改性瀝青制備工藝參數(shù)

橡膠瀝青性能測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 橡膠瀝青性能測(cè)試結(jié)果

2.2 級(jí)配設(shè)計(jì)

采用20型橡膠瀝青混合料ARAC-20，基于貝雷法、CAVF法、經(jīng)驗(yàn)法得到合成級(jí)配如表3所示。貝雷法主要設(shè)計(jì)思想是將集料形成的骨架結(jié)構(gòu)作為混合料承力主體，提升瀝青路面的高溫抗車轍性能，同時(shí)調(diào)整粗細(xì)集料所占比例，獲取適當(dāng)?shù)牡V料間隙率VMA，提升所設(shè)計(jì)混合料的耐久性能。CAVF法設(shè)計(jì)過程為按照經(jīng)驗(yàn)選取合適的粗集料比例后根據(jù)泰波理論進(jìn)行細(xì)集料部分設(shè)計(jì)，根據(jù)粗細(xì)集料、礦粉以及瀝青相關(guān)技術(shù)參數(shù)，計(jì)算粗細(xì)集料總體比例，最終確定合成級(jí)配。按照該方法所設(shè)計(jì)礦料級(jí)配可以使集料骨架相互嵌擠，主骨架間隙由瀝青膠漿充分填充，不會(huì)出現(xiàn)膠漿干涉作用，可提高瀝青混合料性能。經(jīng)驗(yàn)法是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和JTG F40-2004《瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》確定的。

表3 瀝青混合料合成級(jí)配

2.3 級(jí)配評(píng)價(jià)

(1) 貝雷法評(píng)價(jià)參數(shù)

貝雷法引入CA比、FAc比、FAf比3個(gè)參數(shù)評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)的級(jí)配，其中CA比反映礦料中粗集料填充特性，F(xiàn)Ac、FAf分別反映細(xì)集料中粗集料和合成集料中最細(xì)一級(jí)的嵌擠填充情況。由于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的級(jí)配中細(xì)集料部分較為接近，F(xiàn)Af、FAc差距不大，因此選取CA值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用式(1)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表4所示。

表4 不同級(jí)配貝雷法CA值計(jì)算結(jié)果

(1)

式中：CA為粗集料比；PD/2為粒徑為D/2的通過率[D為公稱最大粒徑(%)，下文中D為分形維數(shù)]；PPCS為第一控制篩孔通過率(%)。

(2) 級(jí)配分形評(píng)價(jià)參數(shù)

分形理論能較好地適應(yīng)瀝青混合料的非勻質(zhì)性、非線性、非規(guī)則性及模糊性等特征，引入分形維數(shù)D(粒徑為0.075～19 mm)、粗集料分形維數(shù)DC(粒徑為4.75～19 mm)、細(xì)集料分形維數(shù)Df(粒徑為0.075～4.75 mm)3個(gè)參數(shù)用以評(píng)價(jià)所確定的合成級(jí)配。由于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的級(jí)配中細(xì)集料部分較為接近，Df差距不大，因此選取分形維數(shù)D、粗集料分形維數(shù)DC作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用級(jí)配分形評(píng)價(jià)參數(shù)D、DC對(duì)上述級(jí)配進(jìn)行線性回歸分析。

對(duì)于常用級(jí)配，集料質(zhì)量分?jǐn)?shù)P(r)可用式(2)計(jì)算：

P(r)=(r/rmax)3-D

(2)

式中：P(r)為集料質(zhì)量分?jǐn)?shù)；rmax為最大顆粒粒徑；D為集料顆粒粒徑分形維數(shù)。

對(duì)式(2)兩邊取對(duì)數(shù)，可得式(3)：

lgP(r)=C+(3-D)lg(r/rmax)

(3)

繪制lgP(r)-lg(r/rmax)坐標(biāo)圖(圖1)，線性回歸分析后即可通過式(4)計(jì)算得出級(jí)配的整體分形維數(shù)D。

圖1 lgP(r)-lg(r/rmax)擬合圖

D=3-k

(4)

式中：k為lgP(r)-lg(r/rmax)擬合圖中的直線斜率。

當(dāng)lgP(r)-lg(r/rmax)圖中曲線只取4.75 mm以上部分時(shí)，可計(jì)算得出粗集料級(jí)配分形維數(shù)DC。

D和DC計(jì)算結(jié)果如表5所示，其中R2為選用級(jí)配與級(jí)配分形理論模型擬合度，其值越大表明級(jí)配的分形特征越明顯。

表5 不同級(jí)配分形維數(shù)計(jì)算結(jié)果

由表5可得：① 9種級(jí)配均表現(xiàn)出良好的分形特征，其中以基于CAVF法設(shè)計(jì)的級(jí)配略優(yōu)。9種級(jí)配中整體分形維數(shù)D的R2最小值為0.968 7，表明實(shí)際級(jí)配與級(jí)配分形理論相關(guān)性顯著。9種級(jí)配中R2最大值0.991 2為CAVF法設(shè)計(jì)的級(jí)配，且CAVF法設(shè)計(jì)級(jí)配的R2均值大于貝雷法和經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)級(jí)配的R2均值，由此可知CAVF法設(shè)計(jì)的級(jí)配分形特征較好；② 基于CAVF法所設(shè)計(jì)的級(jí)配D值與DC值均大于基于貝雷法所設(shè)計(jì)的級(jí)配，表明CAVF法設(shè)計(jì)的級(jí)配集料體系內(nèi)的不規(guī)則程度更大。

3 橡膠瀝青混合料高溫性能試驗(yàn)

3.1 車轍試驗(yàn)

車轍試驗(yàn)采用LHC-2型瀝青混合料恒溫室車轍試驗(yàn)機(jī)，在60 ℃試驗(yàn)環(huán)境下對(duì)前述9組ARAC-20級(jí)配進(jìn)行測(cè)定，以動(dòng)穩(wěn)定度DS為評(píng)價(jià)指標(biāo)。每個(gè)合成級(jí)配成型3個(gè)車轍板試件，試驗(yàn)結(jié)果取其平均值，9組級(jí)配車轍試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 不同級(jí)配瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表6可得：

(1) 瀝青混合料高溫抗車轍性能受級(jí)配影響顯著。不同級(jí)配橡膠瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度差異較大，最大差值可達(dá)3 058次/mm。表明在規(guī)范級(jí)配范圍內(nèi)對(duì)級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化的必要性。

(2) 車轍試驗(yàn)中，貝雷法與CAVF法兩種級(jí)配設(shè)計(jì)方法均體現(xiàn)出較好的適用性但有較大波動(dòng)，二者無明顯差異。經(jīng)驗(yàn)法由于數(shù)據(jù)量不足，不納入對(duì)比，貝雷法與CAVF法兩種設(shè)計(jì)方法下動(dòng)穩(wěn)定度均值分別為7 986與7 979次/mm，均滿足路用性能要求，但數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，因此兩種級(jí)配設(shè)計(jì)方法未表現(xiàn)出明顯差異。

(3) 涉及的級(jí)配評(píng)價(jià)指標(biāo)中，CA值(表4)與瀝青混合料抗車轍性能具備良好的線性相關(guān)關(guān)系。根據(jù)表4～6繪制圖2。

圖2 動(dòng)穩(wěn)定度與分形維數(shù)值、CA值相關(guān)性

由圖2可得：D、DC與混合料動(dòng)穩(wěn)定度間關(guān)聯(lián)性較弱，R2僅為0.142 5、0.012 9。但瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度隨著CA值增大而增大，CA值與瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度之間相關(guān)性較好，R2達(dá)到0.803 3，表明在一定范圍內(nèi)改善礦料中粗集料含量有助于提高混合料抗車轍性能。

3.2 單軸貫入試驗(yàn)

單軸貫入試驗(yàn)采用WDW型電子萬能試驗(yàn)機(jī)，貫入試驗(yàn)壓頭為28.5 mm，加載速度為1 mm/min。從試驗(yàn)便利性角度出發(fā)，直接采用馬歇爾擊實(shí)成型的試件進(jìn)行貫入試驗(yàn)。

為正確評(píng)價(jià)及反映瀝青混合料高溫抗剪性能，選取貫入模量(Ef)作為抗剪強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算公式如下：

(5)

(6)

(7)

式中：F為試件破壞時(shí)最大荷載(kN)；A為壓頭橫截面面積(mm2)；εf為應(yīng)變；σf為應(yīng)力(MPa)；Δs為破壞荷載峰值所對(duì)應(yīng)位移(mm)；H為試件高度(mm)；Ef為貫入模量(MPa)。

基于貫入試驗(yàn)方法及參數(shù)，對(duì)前述9種級(jí)配橡膠瀝青混合料在最佳油石比下進(jìn)行貫入試驗(yàn)，每個(gè)級(jí)配成型3個(gè)馬歇爾試件，試驗(yàn)結(jié)果取其平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。根據(jù)表6、7繪制動(dòng)穩(wěn)定度與單軸貫入模量關(guān)系曲線如圖3所示。

表7 各組級(jí)配橡膠瀝青混合料單軸貫入試驗(yàn)結(jié)果

圖3 動(dòng)穩(wěn)定度與單軸貫入模量相關(guān)性

由表7、圖3可得：

(1) 單軸貫入模量與混合料動(dòng)穩(wěn)定度之間具有一定的相關(guān)性，R2為0.605 2。表明單軸貫入模量可較為有效地評(píng)價(jià)橡膠瀝青混合料高溫抗車轍性能，可從另一角度為橡膠瀝青混合料高溫抗車轍性能提供評(píng)價(jià)指標(biāo)。車轍試驗(yàn)和單軸貫入試驗(yàn)在一定范圍內(nèi)可相互通用，但車轍試驗(yàn)在油石比變化較大導(dǎo)致的空隙率變化較大時(shí)，就喪失了評(píng)價(jià)混合料高溫穩(wěn)定性的能力，而單軸貫入試驗(yàn)恰好彌補(bǔ)了這一缺點(diǎn)。且貫入試驗(yàn)更多反映瀝青結(jié)合料的黏結(jié)作用，而車轍試驗(yàn)則更傾向于對(duì)級(jí)配的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，因而兩者也存在一定的不同。

(2) 級(jí)配對(duì)橡膠瀝青混合料單軸貫入試驗(yàn)結(jié)果影響顯著。不同級(jí)配的橡膠瀝青混合料貫入模量值呈現(xiàn)較大差異，差值可達(dá)164.8 MPa。表明選取合適的級(jí)配設(shè)計(jì)方法可有效提高橡膠瀝青混合料抗剪性能。

(3) 基于瀝青混合料貫入試驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)橡膠瀝青混合料高溫抗剪性能，兩種級(jí)配設(shè)計(jì)方法不存在明顯的優(yōu)劣。采用CAVF法設(shè)計(jì)的級(jí)配貫入模量均值較采用BL法設(shè)計(jì)級(jí)配高出27 MPa，但貫入模量最低值也是CAVF法所設(shè)計(jì)的級(jí)配，CAVF法設(shè)計(jì)級(jí)配的貫入模量值并不穩(wěn)定；BL法設(shè)計(jì)的級(jí)配單軸貫入模量均值較低但是其值分布較穩(wěn)定，因此兩種方法不存在對(duì)高溫抗剪性能影響的優(yōu)劣。

(4) 級(jí)配評(píng)價(jià)指標(biāo)中，CA值與單軸貫入模量相關(guān)性較好。基于高溫抗剪性能考慮，推薦采用CA值進(jìn)行級(jí)配評(píng)價(jià)。根據(jù)表4、5、7繪制圖4。

由圖4可知：分形維數(shù)D、粗集料分形維數(shù)值DC與單軸貫入模量相關(guān)度較弱，而CA值與單軸貫入模量相關(guān)系數(shù)為0.622 6，相關(guān)性較好，表明在一定范圍內(nèi)改善CA值可有效提升瀝青混合料高溫抗剪性能。當(dāng)CA比小于0.9時(shí)，單軸貫入模量隨著CA比的增加而增大，這是由于當(dāng)CA比較小時(shí)，粗集料中較大粒徑含量較高，雖然細(xì)集料填充了一部分粗集料留下的空隙，但二者的嵌擠作用不夠顯著，隨著CA比的增大，混合料逐漸密實(shí)，當(dāng)CA比超過1時(shí)，粗集料中較細(xì)部分的含量增加，干涉顆粒易于破壞粗集料內(nèi)部的平衡結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致混合料難于壓實(shí)，容易產(chǎn)生推移。

圖4 單軸貫入試驗(yàn)指標(biāo)與CA值、分形維數(shù)相關(guān)性

4 結(jié)論

(1) 級(jí)配評(píng)價(jià)指標(biāo)中，貝雷法評(píng)價(jià)參數(shù)CA值與動(dòng)穩(wěn)定度和單軸貫入模量相關(guān)性較好，而分形維數(shù)評(píng)價(jià)參數(shù)D、DC與其相關(guān)性較差，基于高溫性能考慮，推薦采用CA值進(jìn)行級(jí)配評(píng)價(jià)。

(2) 級(jí)配對(duì)橡膠瀝青混合料高溫性能影響顯著，但CAVF法和BL法對(duì)橡膠瀝青混合料高溫性能影響不存在明顯優(yōu)劣，應(yīng)根據(jù)實(shí)際混合料性能進(jìn)行級(jí)配優(yōu)選。

(3) 單軸貫入模量與混合料動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)之間具有一定的相關(guān)性，表明單軸貫入模量可較為有效地評(píng)價(jià)橡膠瀝青混合料高溫抗車轍性能。但貫入試驗(yàn)更多反映瀝青結(jié)合料的黏結(jié)作用，而車轍試驗(yàn)則更傾向于對(duì)級(jí)配的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，因而兩者也存在一定的不同。