橡胶沥青混合料和易性与压实特性的相关性

张　琛　汪海年　尤占平　李　廉

(1长安大学道路结构与材料交通行业重点实验室，西安　710064)(2密歇根理工大学土木与环境工程系，美国霍顿　49931)(3兰州理工大学土木工程学院，兰州730050)



橡胶沥青混合料和易性与压实特性的相关性

张琛1汪海年1尤占平2李廉3

(1长安大学道路结构与材料交通行业重点实验室，西安710064)
(2密歇根理工大学土木与环境工程系，美国霍顿49931)
(3兰州理工大学土木工程学院，兰州730050)

摘要:为了研究橡胶沥青混合料的和易性与压实特性之间的关系，采用Superpave旋转压实仪和自行研制的和易性测试设备，测试了不同温度下的压实特性与和易性，并推荐了不同胶粉掺量所对应的适宜压实温度与胶粉细度．结果表明，当胶粉掺量为25%时，胶粉细度对橡胶沥青混合料压实过程的影响最为显著．当压实温度为190℃时，胶粉掺量对橡胶沥青混合料压实过程的影响最为显著．当胶粉细度为80目时，压实温度对橡胶沥青混合料压实过程的影响最为显著;橡胶沥青混合料的和易性越好，压实性能也越好．当胶粉掺量为5%和15%时，所推荐的适宜压实温度与胶粉细度分别为160℃和40目;当胶粉掺量为25%时，所推荐的适宜压实温度与胶粉细度分别为160℃和20目．

关键词:沥青混合料;橡胶沥青;和易性;压实特性

引用本文:张琛，汪海年，尤占平，等．橡胶沥青混合料和易性与压实特性的相关性［J］．东南大学学报(自然科学版)，2016，46(1) : 202－208．DOI: 10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．033．

沥青混合料的和易性是指在沥青混合料施工过程中的可压实性和密实性［1］．沥青混合料的压实特性是指在施工碾压至密实和路面使用过程中体积参数的变化情况和稳定性，压实特性良好的沥青混合料在路面服务期间体积可以保持稳定，且具有良好的路用性能［2］．沥青混合料的压实性能是和易性的重要组成部分，不同类型沥青混合料的施工和易性不同，其压实特性也必然会有所差异．近年来，道路工作者们针对沥青混合料的和易性与压实特性进行了许多相关研究［3－7］，但大多集中于沥青混合料压实特性或拌和特性的单一研究，而针对2种性能之间的相关性研究则较少，尤其是对于改性沥青混合料的研究更是鲜有报道．

本文将SK90#沥青作为基质沥青，将石灰岩作为集料，采用Superpave旋转压实仪(SGC)和自行研制的和易性测试设备，对橡胶沥青混合料进行不同温度下的压实特性分析与和易性测试，并基于数理统计方法对二者之间的相关性进行分析．以橡胶沥青混合料的压实特性与施工和易性为控制指标，推荐了不同胶粉掺量所对应的适宜压实温度与胶粉细度．

1　试验原理

1. 1压实特性评价指标

文献［8］指出，SGC试件在颗粒主轴方向的分布规律较马歇尔击实试件更接近于路面芯样的分布状态．本文采用室内SGC试验来分析沥青混合料的压实特性．旋转压实仪照片见图1．SGC的主要特征是利用室内成型试件的压实曲线来评价沥青混合料的体积特征．令Nini为初始压实次数，Ndes为设计压实次数; Nini与Ndes之间的曲线采用半对数坐标，使其近似成一条直线，其平均斜率k1表示沥青混合料的可压实速率，k1越大说明沥青混合料压实性能越好．由于本文研究的是沥青混合料施工过程中的压实特性，对于开放交通后路面服务期间的情况不予考虑，因此将Nini～Ndes之间半对数坐标上的曲线平均斜率k1作为压实特性评价指标(见图2)，其计算公式为

图1　旋转压实仪照片

式中，G1，G2分别为初始压实次数和设计压实次数下的压实度．

图2　压实特性评价指标k1的计算示意图

1. 2和易性测试

本课题组自行研制的简易和易性测试设备如图3所示．该设备可以在拌和筒中模拟橡胶沥青混合料在拌锅中的拌和过程，操作时将焊接三叶片的转轴埋入拌和筒里的沥青混合料中，转轴上嵌入扭力扳手，在一定温度下以恒定速率转动转轴，并在扭力扳手上读出相应的扭矩值，依据扭矩的大小来评价沥青混合料的和易性．沥青混合料和易性测定过程如下:将恒定温度的15 kg沥青混合料倒入拌和筒中，以3 s/转的速率转动扭力扳手，记录扭矩值．扭矩值越小，则和易性越好．文献［9－10］指出，转速为3 s/转时的和易性最优．

图3　和易性测试设备

2　试验材料与方案

2. 1原材料

本文所采用的集料级配为美国德州间断级配AR－16，其混合料合成级配如表1所示．沥青采用SK90#基质沥青，集料采用石灰岩，其技术性能分别见表2和表3．沥青混合料的油石比采用规范中推荐的最佳油石比［11］．经检测，原材料的各项性能指标均满足规范要求［11］．

表1　AR－16沥青混合料合成级配表

表2　SK90#基质沥青的技术性能

表3　集料技术性质及指标要求

2. 2试验方案

本文将SGC试验与自行研制的和易性测试设备相结合，对不同试验温度(T =135，160，190℃)下具有不同胶粉掺量(v = 5%，15%，25%)和不同胶粉细度(n =20，40，80目)的橡胶沥青混合料进行多个组合条件下的压实特性分析与和易性测试，研究2种特性之间的相关性，并对胶粉细度、掺量和压实温度的选择与确定进行推荐．其中，橡胶沥青采用湿法制备，旋转压实次数分别为8，12，16，20，40，60，80，100．为有效控制初始压实温度并模拟施工现场压实情况，成型试件前将拌制好的沥青混合料置于设置了初始压实温度的恒温烘箱中保温2 h，然后采取边装料边捣实的方法将沥青混合料装入试模中．室内成型试件时，初始压实次数Nini=8，设计压实次数Ndes=100．对于沥青混合料施工和易性检测试验，采用1. 2节中所描述的方法进行．

3　结果与分析

3. 1旋转压实试验

首先，选择135℃为试验控制温度，研究温度不变时具有不同细度和掺量的橡胶沥青混合料的密实过程，结果见图4．

图4　T =135℃时橡胶沥青混合料的压实度曲线

为便于下文分析，对图4中的结果进行方差分析，得出胶粉细度对具有不同胶粉掺量的橡胶沥青混合料压实度的影响情况，结果见表4．

表4　胶粉细度对橡胶沥青混合料压实度的影响分析

然后，选择20目作为恒定的胶粉细度，研究胶粉细度不变时不同温度和掺量下橡胶沥青混合料的压实过程，结果见图5．并将图5中的结果进行方差分析，研究不同温度下胶粉掺量对橡胶沥青混合料压实度的影响，结果见表5．

图5　n =20时沥青混合料的压实度曲线

表5　胶粉掺量对橡胶沥青混合料压实度的影响分析

最后，选择5%掺量作为恒定的胶粉掺量，研究胶粉掺量不变时不同胶粉细度和试验温度条件下橡胶沥青混合料的压实过程，结果见图6．并将图6中的结果进行方差分析，研究不同胶粉细度条件下压实温度对橡胶沥青混合料压实度的影响，结果见表6．

图6　v =5%时沥青混合料的压实度曲线

表6　压实温度对橡胶沥青混合料压实度的影响分析

由图4～图6可知，在相同的旋转压实次数下，沥青混合料的压实度随胶粉目数和压实温度的增大而增大，随胶粉掺量的增大而减小．以Ndes= 100时的压实度为例，当胶粉掺量从5%增大到25%时，n =20，40，80目的橡胶沥青混合料的压实度分别减少了1. 4%，2. 1%，2. 4%，表明橡胶沥青混合料的胶粉越细，其压实度受胶粉掺量变化的影响越大．当压实温度从135℃增大到190℃时，v =5%，15%，25%的橡胶沥青混合料的压实度分别增加了2. 1%，2. 6%，2. 8%，说明橡胶沥青混合料的胶粉掺量越大，其压实度受压实温度变化的影响越大．当胶粉细度从20目增大到80目时，T =135，160，190℃的橡胶沥青混合料的压实度分别增加了4. 5%，4. 2%，3. 9%，说明橡胶沥青混合料的压实温度越低，其压实度受到胶粉细度变化的影响越大．

由表4～表6可知，就胶粉细度对不同胶粉掺量的橡胶沥青混合料压实度的影响而言，v = 25%时影响最显著，v =15%时次之，v =5%时的影响最小［12］．不同温度下，胶粉掺量对橡胶沥青混合料的压实度均有较为显著的影响，且当T =190℃时影响最显著．不同胶粉细度下，压实温度对橡胶沥青混合料的压实度均有较为显著的影响，且当n =80目时影响最显著．

3. 2和易性测试

相同条件下橡胶沥青混合料的和易性扭矩值测试结果见表7．由表可知，当胶粉细度和拌和温度不变时，胶粉掺量越大，橡胶沥青混合料的和易性越差;当胶粉细度和胶粉掺量不变时，拌和温度越高，橡胶沥青混合料的和易性越好;当拌和温度和胶粉掺量不变时，胶粉越细，橡胶沥青混合料的和易性越好．

表7　沥青混合料施工和易性测试结果

为了进一步研究胶粉细度和胶粉掺量对橡胶沥青混合料和易性的影响，将表7中的结果进行方差分析(显著性水平α= 0. 05)．结果表明，当T = 135，160，190℃时，胶粉细度的显著性系数P = 0. 014＜0. 05，均方比F =21. 9;胶粉掺量的显著性系数P = 0. 009＜0. 05，均方比F = 74. 3．由此可知，胶粉细度和胶粉掺量对橡胶沥青混合料的和易性均有较为显著的影响，且胶粉掺量对橡胶沥青混合料和易性的影响大于胶粉细度对橡胶沥青混合料和易性的影响．

3. 3和易性和压实特性的关系

为了研究橡胶沥青混合料的和易性与压实特性之间的关系，利用沥青混合料的压实特性评价指标k1，采用数理统计方法对和易性试验结果与压实度曲线分析结果作进一步的探讨．参照1. 1节，计算出不同参数组合条件下的k1值，结果见图7．

图7　不同参数组合条件下的k1值

由图7(a)可知，n =40目时，对于不同胶粉掺量的橡胶沥青混合料，其k1值均随压实温度的增大而增大;当压实温度不变时，k1值随胶粉掺量的增大而减小，即压实特性逐渐变差．由图7(b)可知，v =15%时，对于不同胶粉细度的橡胶沥青混合料，其k1值均随压实温度的增大而增大;当压实温度不变时，k1值随着胶粉细度的增大而增大，即压实特性逐渐变好．需要说明的是，当T =190℃时，不同胶粉细度的橡胶沥青混合料的k1值分别为4. 205，4. 237，4. 264，即三者的压实性能差别不大;究其原因在于，此时橡胶沥青混合料正处于较适宜的压实温度范围内，沥青胶结料流动性良好，在压实过程中体现为润滑剂，故受胶粉细度的影响不大［13］．将图7中压实特性指标k1的结果与表7中和易性扭矩试验结果进行相关性分析，结果表明，对于不同胶粉掺量的橡胶沥青混合料，当T =135，160，190℃时，其和易性扭矩值与压实特性指标k1显著负相关(相关系数为－0. 937)，即和易性扭矩值越大，压实特性指标k1越小．而对于不同胶粉细度的橡胶沥青混合料，当T = 135，160，190℃时，其和易性扭矩值与压实特性指标k1也呈显著负相关(相关系数为－0. 846)．因此，当T = 135，160，190℃时，施工和易性越好的橡胶沥青混合料，其压实性能也越好，且胶粉掺量对橡胶沥青施工和易性与压实特性之间相关性的影响更为显著．

3. 4设计参数推荐

根据3. 1节中的分析，从保证沥青混合料的性能稳定及减少施工变异性的角度出发，在进行橡胶沥青混合料设计时应尽量减少设计参数之间的相互干扰．因此，本文建议在工程应用中应参照“胶粉不宜太细，掺量不宜太大，压实温度不宜过高”的原则来进行橡胶沥青混合料设计．由3. 3节可知，当压实温度为190℃时，不同胶粉细度的橡胶沥青混合料的压实性能差别不大;综合考虑环保因素，本文推荐压实温度为160℃．由3. 2节和3. 3节可知，胶粉掺量对橡胶沥青施工和易性与压实特性的影响更显著．因此，本文对不同胶粉掺量所对应的适宜压实温度与胶粉细度分别进行推荐，以满足工程应用中不同设计需求，减少施工变异性．结合表7中的施工和易性测试结果，得到如表8所示的设计参数推荐．由表可知，当胶粉掺量为5%和15%时，所推荐的适宜压实温度为160℃，胶粉细度为40目;当胶粉掺量为25%时，所推荐的适宜压实温度为160℃，胶粉细度为20目．

表8　橡胶沥青混合料设计参数的推荐

4　结论

1)在相同的旋转压实次数下，沥青混合料的压实度随胶粉细度和压实温度的增大而增大，随胶粉掺量的增大而减小．由方差分析可知，当v = 25%时，胶粉细度对橡胶沥青混合料压实过程的影响最显著;当T = 190℃时，胶粉掺量对橡胶沥青混合料压实过程的影响最显著;当n = 80目时，压实温度对橡胶沥青混合料压实过程的影响最显著．

2)当胶粉细度和拌和温度不变时，胶粉掺量越大，橡胶沥青混合料的和易性越差;当胶粉细度和胶粉掺量不变时，拌和温度越高，橡胶沥青混合料的和易性越好;当拌和温度和胶粉掺量不变时，胶粉细度越大，橡胶沥青混合料的和易性越好．方差分析结果表明，胶粉掺量对橡胶沥青混合料和易性的影响大于胶粉细度的影响．

3)当T =135，160，190℃时，施工和易性越好的橡胶沥青混合料，其压实性能亦越好，且胶粉掺量对橡胶沥青混合料施工和易性与压实特性之间相关性的影响更为显著．

4)以橡胶沥青混合料的压实特性与施工和易性为控制指标，从保证混合料的性能稳定及减少施工变异性的角度出发，对不同胶粉掺量所对应的适宜压实温度与胶粉细度进行了推荐．在未来的研究中还可结合橡胶沥青混合料的路用性能指标对参数设计做进一步优化．

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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

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51378074)、交通运输部应用基础研究计划资助项目(2014319812180)、长安大学优秀博士学位论文培育计划资助项目(310821150010)．

收稿日期:2015-06-30．

作者简介:张琛(1986—)，男，博士生;汪海年(联系人)，男，博士，教授，wanghainian@ aliyun．com．

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

中图分类号:U414

文献标志码:A

文章编号:1001－0505(2016) 01-0202-07