張　琛　汪海年　尤占平　李　廉

(1長安大學道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點實驗室，西安　710064)(2密歇根理工大學土木與環(huán)境工程系，美國霍頓　49931)(3蘭州理工大學土木工程學院，蘭州730050)

?

橡膠瀝青混合料和易性與壓實特性的相關性

張琛1汪海年1尤占平2李廉3

(1長安大學道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點實驗室，西安710064)
(2密歇根理工大學土木與環(huán)境工程系，美國霍頓49931)
(3蘭州理工大學土木工程學院，蘭州730050)

摘要:為了研究橡膠瀝青混合料的和易性與壓實特性之間的關系，采用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實儀和自行研制的和易性測試設備，測試了不同溫度下的壓實特性與和易性，并推薦了不同膠粉摻量所對應的適宜壓實溫度與膠粉細度．結(jié)果表明，當膠粉摻量為25%時，膠粉細度對橡膠瀝青混合料壓實過程的影響最為顯著．當壓實溫度為190℃時，膠粉摻量對橡膠瀝青混合料壓實過程的影響最為顯著．當膠粉細度為80目時，壓實溫度對橡膠瀝青混合料壓實過程的影響最為顯著;橡膠瀝青混合料的和易性越好，壓實性能也越好．當膠粉摻量為5%和15%時，所推薦的適宜壓實溫度與膠粉細度分別為160℃和40目;當膠粉摻量為25%時，所推薦的適宜壓實溫度與膠粉細度分別為160℃和20目．

關鍵詞:瀝青混合料;橡膠瀝青;和易性;壓實特性

引用本文:張琛，汪海年，尤占平，等．橡膠瀝青混合料和易性與壓實特性的相關性［J］．東南大學學報(自然科學版)，2016，46(1) : 202－208．DOI: 10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．033．

瀝青混合料的和易性是指在瀝青混合料施工過程中的可壓實性和密實性［1］．瀝青混合料的壓實特性是指在施工碾壓至密實和路面使用過程中體積參數(shù)的變化情況和穩(wěn)定性，壓實特性良好的瀝青混合料在路面服務期間體積可以保持穩(wěn)定，且具有良好的路用性能［2］．瀝青混合料的壓實性能是和易性的重要組成部分，不同類型瀝青混合料的施工和易性不同，其壓實特性也必然會有所差異．近年來，道路工作者們針對瀝青混合料的和易性與壓實特性進行了許多相關研究［3－7］，但大多集中于瀝青混合料壓實特性或拌和特性的單一研究，而針對2種性能之間的相關性研究則較少，尤其是對于改性瀝青混合料的研究更是鮮有報道．

本文將SK90#瀝青作為基質(zhì)瀝青，將石灰?guī)r作為集料，采用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實儀(SGC)和自行研制的和易性測試設備，對橡膠瀝青混合料進行不同溫度下的壓實特性分析與和易性測試，并基于數(shù)理統(tǒng)計方法對二者之間的相關性進行分析．以橡膠瀝青混合料的壓實特性與施工和易性為控制指標，推薦了不同膠粉摻量所對應的適宜壓實溫度與膠粉細度．

1　試驗原理

1. 1壓實特性評價指標

文獻［8］指出，SGC試件在顆粒主軸方向的分布規(guī)律較馬歇爾擊實試件更接近于路面芯樣的分布狀態(tài)．本文采用室內(nèi)SGC試驗來分析瀝青混合料的壓實特性．旋轉(zhuǎn)壓實儀照片見圖1．SGC的主要特征是利用室內(nèi)成型試件的壓實曲線來評價瀝青混合料的體積特征．令Nini為初始壓實次數(shù)，Ndes為設計壓實次數(shù); Nini與Ndes之間的曲線采用半對數(shù)坐標，使其近似成一條直線，其平均斜率k1表示瀝青混合料的可壓實速率，k1越大說明瀝青混合料壓實性能越好．由于本文研究的是瀝青混合料施工過程中的壓實特性，對于開放交通后路面服務期間的情況不予考慮，因此將Nini～Ndes之間半對數(shù)坐標上的曲線平均斜率k1作為壓實特性評價指標(見圖2)，其計算公式為

圖1　旋轉(zhuǎn)壓實儀照片

式中，G1，G2分別為初始壓實次數(shù)和設計壓實次數(shù)下的壓實度．

圖2　壓實特性評價指標k1的計算示意圖

1. 2和易性測試

本課題組自行研制的簡易和易性測試設備如圖3所示．該設備可以在拌和筒中模擬橡膠瀝青混合料在拌鍋中的拌和過程，操作時將焊接三葉片的轉(zhuǎn)軸埋入拌和筒里的瀝青混合料中，轉(zhuǎn)軸上嵌入扭力扳手，在一定溫度下以恒定速率轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)軸，并在扭力扳手上讀出相應的扭矩值，依據(jù)扭矩的大小來評價瀝青混合料的和易性．瀝青混合料和易性測定過程如下:將恒定溫度的15 kg瀝青混合料倒入拌和筒中，以3 s/轉(zhuǎn)的速率轉(zhuǎn)動扭力扳手，記錄扭矩值．扭矩值越小，則和易性越好．文獻［9－10］指出，轉(zhuǎn)速為3 s/轉(zhuǎn)時的和易性最優(yōu)．

圖3　和易性測試設備

2　試驗材料與方案

2. 1原材料

本文所采用的集料級配為美國德州間斷級配AR－16，其混合料合成級配如表1所示．瀝青采用SK90#基質(zhì)瀝青，集料采用石灰?guī)r，其技術(shù)性能分別見表2和表3．瀝青混合料的油石比采用規(guī)范中推薦的最佳油石比［11］．經(jīng)檢測，原材料的各項性能指標均滿足規(guī)范要求［11］．

表1　AR－16瀝青混合料合成級配表

表2　SK90#基質(zhì)瀝青的技術(shù)性能

表3　集料技術(shù)性質(zhì)及指標要求

2. 2試驗方案

本文將SGC試驗與自行研制的和易性測試設備相結(jié)合，對不同試驗溫度(T =135，160，190℃)下具有不同膠粉摻量(v = 5%，15%，25%)和不同膠粉細度(n =20，40，80目)的橡膠瀝青混合料進行多個組合條件下的壓實特性分析與和易性測試，研究2種特性之間的相關性，并對膠粉細度、摻量和壓實溫度的選擇與確定進行推薦．其中，橡膠瀝青采用濕法制備，旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)分別為8，12，16，20，40，60，80，100．為有效控制初始壓實溫度并模擬施工現(xiàn)場壓實情況，成型試件前將拌制好的瀝青混合料置于設置了初始壓實溫度的恒溫烘箱中保溫2 h，然后采取邊裝料邊搗實的方法將瀝青混合料裝入試模中．室內(nèi)成型試件時，初始壓實次數(shù)Nini=8，設計壓實次數(shù)Ndes=100．對于瀝青混合料施工和易性檢測試驗，采用1. 2節(jié)中所描述的方法進行．

3　結(jié)果與分析

3. 1旋轉(zhuǎn)壓實試驗

首先，選擇135℃為試驗控制溫度，研究溫度不變時具有不同細度和摻量的橡膠瀝青混合料的密實過程，結(jié)果見圖4．

圖4　T =135℃時橡膠瀝青混合料的壓實度曲線

為便于下文分析，對圖4中的結(jié)果進行方差分析，得出膠粉細度對具有不同膠粉摻量的橡膠瀝青混合料壓實度的影響情況，結(jié)果見表4．

表4　膠粉細度對橡膠瀝青混合料壓實度的影響分析

然后，選擇20目作為恒定的膠粉細度，研究膠粉細度不變時不同溫度和摻量下橡膠瀝青混合料的壓實過程，結(jié)果見圖5．并將圖5中的結(jié)果進行方差分析，研究不同溫度下膠粉摻量對橡膠瀝青混合料壓實度的影響，結(jié)果見表5．

圖5　n =20時瀝青混合料的壓實度曲線

表5　膠粉摻量對橡膠瀝青混合料壓實度的影響分析

最后，選擇5%摻量作為恒定的膠粉摻量，研究膠粉摻量不變時不同膠粉細度和試驗溫度條件下橡膠瀝青混合料的壓實過程，結(jié)果見圖6．并將圖6中的結(jié)果進行方差分析，研究不同膠粉細度條件下壓實溫度對橡膠瀝青混合料壓實度的影響，結(jié)果見表6．

圖6　v =5%時瀝青混合料的壓實度曲線

表6　壓實溫度對橡膠瀝青混合料壓實度的影響分析

由圖4～圖6可知，在相同的旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)下，瀝青混合料的壓實度隨膠粉目數(shù)和壓實溫度的增大而增大，隨膠粉摻量的增大而減?。訬des= 100時的壓實度為例，當膠粉摻量從5%增大到25%時，n =20，40，80目的橡膠瀝青混合料的壓實度分別減少了1. 4%，2. 1%，2. 4%，表明橡膠瀝青混合料的膠粉越細，其壓實度受膠粉摻量變化的影響越大．當壓實溫度從135℃增大到190℃時，v =5%，15%，25%的橡膠瀝青混合料的壓實度分別增加了2. 1%，2. 6%，2. 8%，說明橡膠瀝青混合料的膠粉摻量越大，其壓實度受壓實溫度變化的影響越大．當膠粉細度從20目增大到80目時，T =135，160，190℃的橡膠瀝青混合料的壓實度分別增加了4. 5%，4. 2%，3. 9%，說明橡膠瀝青混合料的壓實溫度越低，其壓實度受到膠粉細度變化的影響越大．

由表4～表6可知，就膠粉細度對不同膠粉摻量的橡膠瀝青混合料壓實度的影響而言，v = 25%時影響最顯著，v =15%時次之，v =5%時的影響最小［12］．不同溫度下，膠粉摻量對橡膠瀝青混合料的壓實度均有較為顯著的影響，且當T =190℃時影響最顯著．不同膠粉細度下，壓實溫度對橡膠瀝青混合料的壓實度均有較為顯著的影響，且當n =80目時影響最顯著．

3. 2和易性測試

相同條件下橡膠瀝青混合料的和易性扭矩值測試結(jié)果見表7．由表可知，當膠粉細度和拌和溫度不變時，膠粉摻量越大，橡膠瀝青混合料的和易性越差;當膠粉細度和膠粉摻量不變時，拌和溫度越高，橡膠瀝青混合料的和易性越好;當拌和溫度和膠粉摻量不變時，膠粉越細，橡膠瀝青混合料的和易性越好．

表7　瀝青混合料施工和易性測試結(jié)果

為了進一步研究膠粉細度和膠粉摻量對橡膠瀝青混合料和易性的影響，將表7中的結(jié)果進行方差分析(顯著性水平α= 0. 05)．結(jié)果表明，當T = 135，160，190℃時，膠粉細度的顯著性系數(shù)P = 0. 014＜0. 05，均方比F =21. 9;膠粉摻量的顯著性系數(shù)P = 0. 009＜0. 05，均方比F = 74. 3．由此可知，膠粉細度和膠粉摻量對橡膠瀝青混合料的和易性均有較為顯著的影響，且膠粉摻量對橡膠瀝青混合料和易性的影響大于膠粉細度對橡膠瀝青混合料和易性的影響．

3. 3和易性和壓實特性的關系

為了研究橡膠瀝青混合料的和易性與壓實特性之間的關系，利用瀝青混合料的壓實特性評價指標k1，采用數(shù)理統(tǒng)計方法對和易性試驗結(jié)果與壓實度曲線分析結(jié)果作進一步的探討．參照1. 1節(jié)，計算出不同參數(shù)組合條件下的k1值，結(jié)果見圖7．

圖7　不同參數(shù)組合條件下的k1值

由圖7(a)可知，n =40目時，對于不同膠粉摻量的橡膠瀝青混合料，其k1值均隨壓實溫度的增大而增大;當壓實溫度不變時，k1值隨膠粉摻量的增大而減小，即壓實特性逐漸變差．由圖7(b)可知，v =15%時，對于不同膠粉細度的橡膠瀝青混合料，其k1值均隨壓實溫度的增大而增大;當壓實溫度不變時，k1值隨著膠粉細度的增大而增大，即壓實特性逐漸變好．需要說明的是，當T =190℃時，不同膠粉細度的橡膠瀝青混合料的k1值分別為4. 205，4. 237，4. 264，即三者的壓實性能差別不大;究其原因在于，此時橡膠瀝青混合料正處于較適宜的壓實溫度范圍內(nèi)，瀝青膠結(jié)料流動性良好，在壓實過程中體現(xiàn)為潤滑劑，故受膠粉細度的影響不大［13］．將圖7中壓實特性指標k1的結(jié)果與表7中和易性扭矩試驗結(jié)果進行相關性分析，結(jié)果表明，對于不同膠粉摻量的橡膠瀝青混合料，當T =135，160，190℃時，其和易性扭矩值與壓實特性指標k1顯著負相關(相關系數(shù)為－0. 937)，即和易性扭矩值越大，壓實特性指標k1越?。鴮τ诓煌z粉細度的橡膠瀝青混合料，當T = 135，160，190℃時，其和易性扭矩值與壓實特性指標k1也呈顯著負相關(相關系數(shù)為－0. 846)．因此，當T = 135，160，190℃時，施工和易性越好的橡膠瀝青混合料，其壓實性能也越好，且膠粉摻量對橡膠瀝青施工和易性與壓實特性之間相關性的影響更為顯著．

3. 4設計參數(shù)推薦

根據(jù)3. 1節(jié)中的分析，從保證瀝青混合料的性能穩(wěn)定及減少施工變異性的角度出發(fā)，在進行橡膠瀝青混合料設計時應盡量減少設計參數(shù)之間的相互干擾．因此，本文建議在工程應用中應參照“膠粉不宜太細，摻量不宜太大，壓實溫度不宜過高”的原則來進行橡膠瀝青混合料設計．由3. 3節(jié)可知，當壓實溫度為190℃時，不同膠粉細度的橡膠瀝青混合料的壓實性能差別不大;綜合考慮環(huán)保因素，本文推薦壓實溫度為160℃．由3. 2節(jié)和3. 3節(jié)可知，膠粉摻量對橡膠瀝青施工和易性與壓實特性的影響更顯著．因此，本文對不同膠粉摻量所對應的適宜壓實溫度與膠粉細度分別進行推薦，以滿足工程應用中不同設計需求，減少施工變異性．結(jié)合表7中的施工和易性測試結(jié)果，得到如表8所示的設計參數(shù)推薦．由表可知，當膠粉摻量為5%和15%時，所推薦的適宜壓實溫度為160℃，膠粉細度為40目;當膠粉摻量為25%時，所推薦的適宜壓實溫度為160℃，膠粉細度為20目．

表8　橡膠瀝青混合料設計參數(shù)的推薦

4　結(jié)論

1)在相同的旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)下，瀝青混合料的壓實度隨膠粉細度和壓實溫度的增大而增大，隨膠粉摻量的增大而減小．由方差分析可知，當v = 25%時，膠粉細度對橡膠瀝青混合料壓實過程的影響最顯著;當T = 190℃時，膠粉摻量對橡膠瀝青混合料壓實過程的影響最顯著;當n = 80目時，壓實溫度對橡膠瀝青混合料壓實過程的影響最顯著．

2)當膠粉細度和拌和溫度不變時，膠粉摻量越大，橡膠瀝青混合料的和易性越差;當膠粉細度和膠粉摻量不變時，拌和溫度越高，橡膠瀝青混合料的和易性越好;當拌和溫度和膠粉摻量不變時，膠粉細度越大，橡膠瀝青混合料的和易性越好．方差分析結(jié)果表明，膠粉摻量對橡膠瀝青混合料和易性的影響大于膠粉細度的影響．

3)當T =135，160，190℃時，施工和易性越好的橡膠瀝青混合料，其壓實性能亦越好，且膠粉摻量對橡膠瀝青混合料施工和易性與壓實特性之間相關性的影響更為顯著．

4)以橡膠瀝青混合料的壓實特性與施工和易性為控制指標，從保證混合料的性能穩(wěn)定及減少施工變異性的角度出發(fā)，對不同膠粉摻量所對應的適宜壓實溫度與膠粉細度進行了推薦．在未來的研究中還可結(jié)合橡膠瀝青混合料的路用性能指標對參數(shù)設計做進一步優(yōu)化．

參考文獻(References)

［1］Khalil S M，Arshad A K，Rahman M Y A．The development of workability measurement for asphalt mixture using transducer by torque［J］．International Journal of Pavement Research and Technology，2012，5(3) : 203 －208．

［2］李漢光，高英，余文斌．瀝青混合料壓實特性及瀝青路面碾壓遍數(shù)確定［J］．東南大學學報(自然科學版)，2011，41(1) : 186－189．DOI: 10. 3969/j．issn．1001－0505. 2011. 01. 036．Li Hanguang，Gao Ying，Yu Wenbin．Compaction characteristics of hot mixed asphalt and number of roller passes［J］．Journal of Southeast University(Natural Science Edition )，2011，41 (1 ) : 186－189．DOI: 10. 3969/j．issn．1001－0505. 2011. 01. 036．(in Chinese)

［3］張爭奇，吳瑞環(huán)，季社鵬．改性瀝青混合料拌和及壓實溫度的確定方法［J］．公路交通科技，2013，30 (8) : 6－11．DOI: 10．3969/j．issn．1002－0268．2013．08．002．Zhang Zhengqi，Wu Ruihuan，Ji Shepeng．An approach to determine mixing and compaction temperatures for modified asphalt mixture［J］．Journal of Highway and Transportation Research and Development，2013，30 (8) : 6－11．DOI: 10．3969/j．issn．1002－0268．2013．08．002．(in Chinese)

［4］李曉燕，平路，汪海年，等．基于國內(nèi)外試驗方法的橡膠瀝青性能測試［J］．交通運輸工程學報，2015，15 (1) : 10－17．Li Xiaoyan，Ping Lu，Wang Hainian，et al．Perform-ance test of rubber asphalt based on domestic and abroad test methods［J］．Journal of Traffic and Transportation Engineering，2015，15(1) : 10－17．(in Chinese)

［5］紀小平，許輝，侯月琴，等．溫拌再生瀝青混合料的壓實特性研究［J］．建筑材料學報，2014，17(2) : 349 －354．DOI: 10．3969/j．issn．1007－9629．2014．02．031．Ji Xiaoping，Xu Hui，Hou Yueqin，et al．Study on compaction characteristics of warm mixed reclaimed mixture［J］．Journal of Building Materials，2014，17 (2) : 349－354．DOI: 10．3969/j．issn．1007－9629．2014．02．031．(in Chinese)

［6］Zhang Jiupeng，Pei Jianzhong，Xu Li，et al．Gyratory compaction characteristic of SBS warm mixed asphalt mixture［J］．Journal of Traffic and Transportation Engineering，2011，11(1) : 1－6．

［7］Beainy F，Singh D，Commuri S，et al．Laboratory and field study on compaction quality of an asphalt pavement ［J］．International Journal of Pavement Research and Technology，2014，7(5) : 317－323．

［8］Xiao F P，Amirkhanian S N，Putman B J，et al．Feasibility of Superpave gyratory compaction of rubberized asphalt concrete mixtures containing reclaimed asphalt pavement［J］．Construction and Building Materials，2012，27(1) : 432－438．DOI: 10．1016/j．conbuildmat．2011．07．024．

［9］劉紅瑛，阮妨，王春，等．一種瀝青混合料和易性指數(shù)測試儀及測試方法:中國，201310269585．2［P］．2015-08-05．

［10］Wang C，Hao P，Ruan F，et al．Determination of the production temperature of warm mix asphalt by workability test［J］．Construction and Building Materials，2013，48: 1165－1170．DOI: 10．1016/j．conbuildmat．2013．07．097．

［11］中華人民共和國交通部．JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程［S］．北京:人民交通出版社，2011．

［12］胡濤．瀝青混合料壓實特性分析［D］．西安:長安大學公路學院，2012．

［13］Delgadillo R，Bahia H U．Effects of temperature and pressure on hot mixed asphalt compaction: field and laboratory study［J］．Journal of Materials in Civil Engineering，2008，20(6) : 440－448．

Correlation between workability and compaction property of rubber asphalt mixture

Zhang Chen1Wang Hainian1You Zhanping2Li Lian3
(1Key Laboratory of Road Structure and Material of Ministry of Transport，Chang'an University，Xi'an 710064，China)
(2Department of Civil and Environmental Engineering，Michigan Technological University，Houghton 49931，USA)
(3School of Civil Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China)

Abstract:To study the relationship between workability and compaction property of rubber asphalt mixture，the Superpave gyratory compactor (SGC) and the self-developed workability test equipment were used to test the workability and compaction property of rubber asphalt mixture at different temperatures．The appropriate compaction temperatures and the powder fineness corresponding to different powder dosages were recommended．The results show that，when the powder dosage is 25%，the powder fineness has the greatest influence on the compaction process．When the compaction temperature is 190℃，the powder dosage has the greatest influence on the compaction process．When the fineness is 80 mesh，the compaction temperature has the greatest influence on the compaction process．The better the workability of rubber asphalt mixture，the better the compaction property．When the powder contents are 5% and 15%，the recommended compaction temperature is 160 ℃and the powder fineness is 40 mesh．When the powder content is 25%，the recommended compaction temperature is 160℃and the powder fineness is 20 mesh．

Key words:asphalt mixture; rubber asphalt; workability;compaction property

基金項目:國家自然科學基金資助項目(51378074)、交通運輸部應用基礎研究計劃資助項目(2014319812180)、長安大學優(yōu)秀博士學位論文培育計劃資助項目(310821150010)．

收稿日期:2015-06-30．

作者簡介:張琛(1986—)，男，博士生;汪海年(聯(lián)系人)，男，博士，教授，wanghainian@ aliyun．com．

DOI:10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．033

中圖分類號:U414

文獻標志碼:A

文章編號:1001－0505(2016) 01-0202-07