适用于甘肃高海拔和多雨量地区的细粒式橡胶沥青玛蹄脂级配优化研究

张 岩

（甘肃省交通科学研究院集团有限公司，甘肃 兰州 730000）

1 概述

以甘肃的陇南、甘南、祁连山山地、高原大区为代表的多雨量和高海拔地区具有地下水及降水丰富，地标径流发育，且多大部分地区的土质为Q4纪黄土，这样的环境条件下对沥青路面的使用是极为不利的，其路面破坏的最主要形式为沥青混凝土面层的温度开裂，分布广泛且危害严重。目前，我国在沥青路面混合料级配设计中都是按照最大密实原理进行设计，以最大密实原理设计的级配具有适用范围广、宜推广等优点，但是对于一些特殊的气候条件其针对性不强，很难完全发挥沥青路面的优点。由于甘肃省地域广阔且狭长，气候差异较大，路面所用石料情况复杂，岩性参差不齐。因此，应该针对橡胶沥青路面这种高性能路面分别进行混合料级配的设计，以充分利用当地的地材，发挥橡胶沥青路面的功效，服务当地的社会经济发展。

2 AR-SMA-13级配优化设计

为了研究陇南、甘南、祁连山山地、高原大区细粒式橡胶沥青玛蹄脂AR-SMA-13的最佳级配，在结合当地地材和气候条件的基础上，运用正交试验对该地区的细粒式橡胶沥青玛蹄脂混合料级配范围进行优化，具体优化过程如下。

由于橡胶沥青混合料的构成主要包括粗集料、细集料和沥青，因此根据不同的材料设置3个因素a（粗集料）、b（细集料）、c（油石比），根据粗细程度不同，每个因素又包括3个水平，各因素水平汇总见表1。

表1 AR-SMA-13正交试验因素水平表

根据正交试验设计方法，本级配优化共进行9组试验，选用该地域内典型的碎石进行性能测试，其代表性筛分结果见表2。

表2 矿料筛分结果汇总表

从表2筛分得出的结果作为已知条件，进行橡胶沥青玛蹄脂混合料矿料级配合成，具体曲线如图1，2，3 所示。

图1 AR-SMA-13 1#2#3#合成级配曲线

图2 AR-SMA-13 4#5#6#合成级配曲线

图3 AR-SMA-13 7#8#9#合成级配曲线

3 设计级配混合料性能测试

按照上述的9种细粒式橡胶沥青玛蹄脂ARSMA-13的设计级配，以《公路沥青路面施工技术规范》（DB 62/T 3136）规定的标准试验方法成型橡胶沥青混合料试件，测试其稳定度等指标，试验结果见表3。

表3 9种橡胶沥青玛蹄脂AR-SMA-13混合料试验结果

4 结果分析

运用极差分析方法对上表2中的试验结果进行分析，在分析过程中各因子对指标影响程度的大小可从各个因子的极差来看，以各因子极差值的大小来分析因子对各指标造成的影响。

1）空隙率结果。通过分析可知，因素c（油石比）是影响细粒式橡胶沥青混合料AR-SMA-13空隙率的主要因素，其影响大小依次为：油石比>细集料级配>粗集料级配。可知，在设计级配中，空隙率随油石比和细集料的含量增加而减小。粉胶起到填充骨架内空隙的作用，当空隙率为5.0%时对应的油石比约为7%。

2）马歇尔稳定度结果。通过分析可知，因素b（细集料级配）是影响细粒式橡胶沥青混合料ARSMA-13马歇尔稳定度的主要因素，其影响大小依次为：细集料的级配>油石比>粗集料级配。

由于稳定度对设计级配有重要的影响，根据表2的试验结果，将各因素对细粒式橡胶沥青玛蹄脂混合料稳定度的影响绘制成曲线图如图4，5所示。

图4 集料级配对马歇尔稳定度的影响

从图中可以看出粗集料和细集料两个试验因素在上位（0.75 位）至下位（0.25 位）时，AR-SMA-13的稳定度都大于规范要求值（7kN）。当油石比在6.7%～7.7%范围内浮动时，所有级配成型的试件稳定度均大于规定值，且当油石比在7.2%时马歇尔稳定度值达到了极大值。因此，单从力学强度的角度出发，7.2%的油石比最接近细粒式橡胶沥青玛蹄脂混合料AR-SMA-13的最佳油石比。

3）饱和度结果。根据正交试验结果因素c（油石比）是影响细粒式橡胶沥青混合料AR-SMA-13饱和度的主要因素。a、b、c3个因素在上位（0.75位）至下位（0.25位）时，设计级配的AR-SMA-13饱和度均在规范约束的范围内。并且当集料在上中位时，AR-SMA-13的饱和度接近限制区间 （70%～85%）的中值，而当油石比为7.7%时AR-SMA-13的饱和度接近限制区间的顶端。

4）动稳定度结果。通过分析可知，因素a（粗集料的级配）是影响细粒式橡胶沥青玛蹄脂混合料AR-SMA-13动稳定度的主要因素。a、b、c3个因素在上位（0.75位）至下位（0.25位）时，其动稳定度值均在最低要求（3000次/mm）以上。

图5 油石比对马歇尔稳定度的影响

5）冻融劈裂结果。同样可知，因素b（细集料的级配）是影响细粒式橡胶沥青玛蹄脂混合料ARSMA-13水稳定性的主要因素。三a、b、c3个因素在上位（0.75位）至下位（0.25位）时，其冻融劈裂强度比均在限制点（80%）以上。

6）低温弯曲结果。可知因素C（油石比）是影响细粒式橡胶沥青玛蹄脂混合料AR-SMA-13低温抗裂性的主要因素，其次为细集料的级配。a、b、c3个因素在上位（0.75位）至下位（0.25位）时，ARSMA-13的低温弯拉应变值均在最低要求值（2800με）以上。

5 级配优化

结合上面4的试验结果分析并考虑寒冷、多雨等不利气候条件的影响下，综合得到各指标的主要影响因素、最小影响因素的最优组合与因素水平取值范围，分析结果见表3。

表3 AR-SMA-13配合比结果优化分析

影响因素a对 VV、稳定度、VFA、弯拉应变的影响最小，在AR-SMA-13配合比设计时可适当放宽；因素b和c对细粒式橡胶沥青玛蹄脂混合料AR-SMA-13的VV、VFA、低温弯拉应变值影响显著，表明配合比设计时需重点考虑。同时从表2可以看出，各设计级配混合料的稳定度、饱和度、动稳定度、冻融劈裂强度比均明显超过规定的技术要求，另外该地区海拔高、气候寒冷、降雨丰富所以在选取级配时应重点考虑橡胶沥青混合料的低温性能和渗水性能，因此，空隙率、冻融劈裂强度比和低温弯拉应变值是控制配合比合理范围的主要试验指标。介于以上考虑，计算满足隙率、冻融劈裂以及低温弯拉应变的级配的组合，得到最终的因素组合级配的取值范围见表4。

表4 陇南、甘南、祁连山山地、高原大区AR-SMA-13级配参考级配范围

可知推荐的细粒式橡胶沥青玛蹄脂混合料AR-SMA-13级配的上下限均成平坦的曲线，呈S型分布，这种S形分布的AR-SMA-13级配能够让沥青玛蹄脂混合料以4.75mm为间断点构成骨架—密实结构，并且着重考虑了混合料的低温性能，该级配具有适宜的空隙率保证耐久性，且水稳定性好、表面构造深度大，适宜于高海拔和多雨量地区使用。

6 结语

本文利用正交试验设计方法，选择了9种有代表性的级配进行马歇尔稳定度等路用性能的测试，然后根据设计级配的试验结果进行了级配优化，通过优化设计的基本思路给出甘肃省陇南、甘南、祁连山山地、高原大区地区高等级公路细粒式橡胶沥青玛蹄脂混合料AR-SMA-13的合理级配范围，从而达到对级配优化的目的。文章研究成果对于推进绿色低碳高等级公路在高海拔和多雨量地区的发展具有重要意义。