AR-AC-13干法橡胶沥青混合料的集料级配优化

张建孔，　李志刚，　徐　磊

(解放军理工大学野战工程学院，江苏 南京 210007)



AR-AC-13干法橡胶沥青混合料的集料级配优化

张建孔，李志刚，徐磊

(解放军理工大学野战工程学院，江苏 南京 210007)

摘要：由于干法橡胶沥青技术研究在国内起步较晚，对干法橡胶沥青技术级配选择不尽相同。为探究出关于AR-AC-13干法橡胶沥青混合料的最佳级配范围，设计了四种粗细不同的级配进行对比。通过对四种级配的水稳定性、高温稳定性和低温稳定性进行室内试验测试，发现合成级配偏粗偏细都会影响混合料路用性能；但适当增加粗集料的比例，不仅不会降低混合料性能，还能有效提高混合料的稳定性。当4.75mm筛孔通过率控制在35%～40%时，合成级配能有效提高干法橡胶沥青混合料的稳定性。对此提出了AR-AC-13干法橡胶沥青混合料集料级配优化的建议，为干法橡胶沥青工艺的完善尽一份力量。

关键词：干法橡胶沥青；级配范围；路用性能

橡胶沥青技术作为一种改性沥青技术，一直为国内外公路界所关注。经过多年的研究与改进，现橡胶沥青技术形成湿法与干法两大施工工艺[1]。

湿法橡胶沥青技术在国内已日臻成熟，在实际工程中已得到广泛应用。而干法橡胶沥青技术由于具有优良的路用性能等诸多优点，很受业内人士的青睐；但在国内干法橡胶沥青技术起步较晚，研究较少，近年来，国产CTOR连接剂[2]的出现，有效推动了干法橡胶技术的推广与研究。

目前，对于干法橡胶沥青混合料级配的选择在国内也不尽相同，同济大学吕伟民等认为橡胶沥青混合料需选择间断级配AR-AC型与AR-SMA型[3]；孙祖望、陈舜明等推荐橡胶沥青混合料级配为悬浮密实型(AR-HM-G)、骨架密实型(ARHM-S)和骨架空隙型(ARHM-O)三种[4]；课题组在对干法橡胶沥青技术研究与实际工程中选择AR-AC-13型级配[5，6]。但是AR-AC-13级配范围较宽泛，对级配设计有一定影响，应进一步优化AR-AC-13级配范围。对此，本文通过控制关键筛孔，设计出四种粗细不同的级配，进行系列性能试验，通过对比分析，对AR-AC-13型干法橡胶沥青混合料的级配范围进行优化。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

沥青：采用70#道路石油沥青，技术指标满足规范要求。石料：4档集料，粗集料为玄武岩，细集料为石灰岩。矿粉：石灰岩矿粉。胶粉：30目橡胶粉。沥青连接剂：国产CTOR连接剂。

1.2 试验方法

根据课题组研究，已确定了AC-13型级配下干法工艺参数[7]，为此本次试验橡胶粉的掺量为沥青质量的17.5%，CTOR连接剂掺量为橡胶粉质量的8%。试验时，集料加热温度180 ℃，沥青加热温度160 ℃，拌和温度180 ℃；拌和时先将集料与橡胶粉和CTOR连接剂干拌30 s，使橡胶粉及连接剂均匀的分布在集料中，然后加入基质沥青拌和150 s，保温至少1 h(180 ℃)，在165 ℃条件下成型试件。

2 配合比设计

根据AR-AC-13级配标准，可知区间范围较大，尤其4.75 mm及以下筛孔，合成级配变化幅度大，易导致不同合成级配性能差别较大。为消除这一差别，应适当减小4.75 mm及以下筛孔的范围标准。首先根据AR-AC-13级配标准，确定级配属于粗型密级配，需控制2.36 mm筛孔通过率不大于40%。在合成级配中，矿粉用量为4.5%～5.5%，然后根据碎石筛分结果，几种级配应将4.75 mm、2.36 mm和1.8 mm筛孔通过率逐渐从中值向下限调整，反复调整各档集料比例，确定从粗到细四种合成级配。四种合成级配见表1，级配曲线趋势见图1。

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)，首先对四种级配最佳油石比进行确定。按照上述试验方法进行试件成型，根据设计空隙率为4%的标准，经图表法算得四种级配的最佳油石比分别为：4.4%、4.6%、4.7%、4.9%，求得马氏参数如表2所示。

表1 四种合成级配范围 %

不同筛孔尺寸(方孔筛)百分率/mm 1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075级配110092.372.843.930.221.113.99.37.25.4级配210091.870.939.326.818.812.58.56.75.0级配310091.269.033.426.418.712.58.56.75.0级配410092.071.531.824.717.611.88.16.44.9级配中值100957041.53022.516.512.58.56级配上限100100805340302318128级配下限100906030201510754

图1 级配曲线

表2 CTOR干法橡胶沥青混合料马歇尔试验结果

注： 橡胶粉用量占沥青用量的17.5%，CTOR用量为胶粉质量的8%。 通过试验数据可以看到四种级配马氏指标均能够满足体积指标的规范要求。

3 不同级配性能试验对比

3.1 水稳定性

试验分为残留稳定度试验和冻融劈裂试验，按照上述试验方法进行拌合及根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中试验步骤进行试验测试，试验结果见表3和图2。

表3 水稳定性试验结果　　%

由表3、图2可以看出，不论残留稳定度还是冻融劈裂，级配2与级配3都要优于级配1和级配4，其中级配3最优，级配1与级配4的冻融劈裂强度比小于80%，低于规范要求。分析认为级配1的细集料比例超过40%，细集料填充了粗集料形成的空隙，所组成的镶嵌结构内摩阻力小，沥青混合料的稳定性则较差；级配4的粗集料比例增多，镶嵌结构稳定空隙率增大，橡胶粉和沥青利用率降低，很大程度上成为填充空隙的集料，使得混合料之间的黏结力降低，水稳定性极易受到外界因素破坏。

图2 水稳定性试验结果趋势图

3.2 高温稳定性

车辙试验是评价沥青混合料抗车辙能力的较简单和有效的试验方法，此次试验根据相关规范中试验流程进行测试，四种级配的车辙试验结果见图3。

从图3中可以发现，随着级配的增粗高温稳定性提高，级配4明显优于级配1与级配2，但与级配3相差不大，动稳定度均在6 000次/mm。原因主要是级配变粗后，粗集料的比例增加。石料的粒径增加后，内摩阻力相应增加；粗级配表面积较细级配表面积小，而油石比较大，说明沥青填充石料之间的缝隙，加上橡胶粉的掺加，大大增大了集料间的黏结力，因此使得镶嵌结构趋于稳定，使得混合料的流动性降低，高温稳定性提高。当粗集料比例增多、粉料比例不变时，在设计孔隙率不变的情况下，填充空隙的沥青增多，黏结力则会先增大后减小，结构的稳定性也会随之变化，所以级配4与级配3高温稳定性相差不大，若是级配继续变粗时高温稳定性会减小。

图3 不同级配动稳定度的变化趋势

3.3 低温稳定性

低温弯曲试验是评价沥青混合料低温性能的主要试验方法之一，依照规范标准进行四种级配的低温(-10 ℃)性能测试，结果见图4。

图4 四种级配弯曲应变大小

从图4中可知，显然四种级配的最大弯曲应变都大于规范要求的2 800 με，满足规范要求。 四种级配的低温稳定性变化趋势与高温稳定性、水稳定性变化趋势基本相同，依然是级配2和级配3的低温抗裂性能优于级配1和级配4，其中级配2的低温抗裂性能最好，说明级配2和级配3的粗细集料之比更为合理，镶嵌结构更加稳定，弹性好，橡胶粉加入后，能更好的适应低温环境，大大提高了沥青混合料的低温性能。

4 结束语

整体来看，级配2与级配3性能明显优于其他两种级配，说明级配2、级配3不但能很好形成骨架镶嵌，橡胶粉也补充了粗集料之间增大的空隙，沥青也有效裹敷在集料上，大大提高了沥青混合料的粘结性和内摩阻力，沥青混合料粗细集料比例适中，提高了混合料整体性能。对于级配1来说，细集料比例占到40%以上，水稳定性和高温性能差；级配4级配偏粗，粗集料比例偏大，集料之间的内摩阻力增大，但粗集料之间的空隙增大，细集料与橡胶粉不足以填充粗集料的空隙，必须用大量沥青来填充空隙，反而降低了沥青混合料的粘结性，使得水稳定性与低温稳定性降低，且沥青用量多，造成资源浪费。

综上所述，本文认为对于AR-AC-13级配，关键需要控制4.75 mm筛孔和2.36 mm筛孔的幅度范围。参照级配2和级配3的混合料性能，应适当增加粗集料的比例，减少细集料，4.75 mm筛孔的通过率要控制在40%以下，考虑到沥青用量，也不宜低于35%。通过粗细集料比例的调整，使得沥青混合料的镶嵌结构趋于稳定，以增加整体稳定性。建议AR-AC-13干法橡胶沥青混合料级配设计范围做以下调整，详见表4。

表4 建议AR-AC-13干法橡胶沥青混合料级配设计范围 %

参考文献

[1]孙大权,金福根.橡胶沥青路面湿法和干法技术研究进展[J].石油沥青，2008，12(6):1-5

[2]李志刚,李 聪.接枝杜仲胶对干法橡胶沥青混合料的改性机理与效果[J].东南大学学报，2014，7(4):845-848

[3]吕伟民.橡胶沥青路面技术[M].北京：人民交通出版社，2011:41-42

[4孙祖望,陈舜明,张广春,等.橡胶沥青路面技术应用手册[M].北京：人民交通出版社，2014:79-81

[5]许光宇,李志刚.小浪底专线改造工程CTOR干法橡胶沥青混合料性能研究[J].交通科技，2013(6):90-92

[6]周炳清.干法橡胶沥青混合料应用技术研究[J].交通标准化，2014，1(2):30-36

[7]李 聪,李志刚,张建孔.干法橡胶沥青混合料性能参数研究[J].国防交通工程与技术，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

中图分类号：U414

文献标识码：A

文章编号：1672-3953(2016)02-0033-04

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.02.009

作者简介：张建孔(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为干法橡胶沥青混合料工艺研究yanyudichen@163.com

收稿日期：2015-11-27