配合比設計參數對瀝青混合料拌和和易性的影響研究

顏建春，鄒 前，王曉磊，黃宏康

(1.廣西新發展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西交通投資集團有限公司，廣西 南寧 530022；3.廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007；4.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

瀝青混合料是由不同規格的集料和具有粘彈特性的瀝青結合料經攪拌均勻而形成的一種混合物，因其具有良好的路用性能而被廣泛應用于路面工程。瀝青混合料良好的施工和易性是保證瀝青路面施工質量的前提。施工和易性是指瀝青混合料在拌和、攤鋪和碾壓過程中的難易程度，實質上就是材料的流動特性。瀝青混合料的和易性越好，越有利于高質量路面的成型。雖然提高瀝青混合料的和易性既有利于瀝青路面的施工質量，又可以降低施工成本，但目前在工程技術應用中，瀝青混合料施工和易性只是一個抽象的概念，并未將其實際應用于工程施工中。因此，結合實際施工參數開展瀝青混合料和易性研究，具有重要的施工指導價值。

關于瀝青混合料的施工和易性，學者們開展了多方面的研究，但缺乏基于工程實際施工參數進行的研究。郭平和侯曙光等[1-2]在定速條件下測試了瀝青混合料的拌和扭矩，并以拌和扭矩的倒數為和易性指數，研究了拌和速度、拌和溫度、瀝青種類及混合料級配類型對瀝青混合料拌和和易性的影響；李昂和唐真喜等[3-4]通過定義混合料廣義黏度的倒數為拌和和易性指標,研究了瀝青種類及拌和溫度對瀝青混合料和易性的影響規律。何亮和張琛等[5-6]通過旋轉壓實試驗研究了溫度對橡膠瀝青施工和易性的影響；劉國柱和葉群山等[7-8]開展了混合料和瀝青膠漿的拌和流變特性研究。還有一些學者進行了瀝青混合料的粘彈塑性、流變特性及數值模擬等方面的研究[9-11]，延西利等[12]通過混合料的拌和流動直線對拌和速率的面積倒數百分率研究混合料拌和和易性。這些研究多集中于理論研究，無法直接指導工程施工。因此，本文通過自主改裝的室內拌和設備對瀝青混合料拌和過程的功率進行監測，選取工程實際施工參數，研究瀝青種類、瀝青用量、級配類型對瀝青混合料拌和和易性的影響規律，提出基于混合料拌和和易性的優化參數，以期指導工程施工。

1 原材料技術性質

1.1 瀝青

基質瀝青選用殼牌70#瀝青，其主要技術性能指標如表1所示。

表1 基質瀝青技術指標表

橡膠瀝青選用廣西交科新材料有限責任公司生產的新一代高性能橡膠瀝青，其主要技術性能指標如表2所示。

表2 橡膠瀝青技術指標表

1.2 集料

AC-25及ARAC-20使用全石灰巖集料，粗集料規格為20～25 mm、10～20 mm、5～10 mm，細集料規格為0～3 mm；ARAC-13使用輝綠巖粗集料和石灰巖細集料，粗集料規格為10～15 mm、5～10 mm，細集料規格為0～3 mm；填料采用石灰巖礦粉。集料及填料的吸水率及密度試驗結果如表3所示，篩分試驗結果如表4所示。

表3 集料及填料吸水率、密度試驗結果表

表4 集料及礦粉篩分試驗結果表

2 試驗方案

2.1 拌和設備加裝監測系統

對室內瀝青混合料拌和裝置進行改裝，監測瀝青混合料拌和過程電壓、電流及功率的變化情況。在相同拌和速度條件下，拌和電流越大，即拌和功率越大，拌和瀝青混合料所需的功就越大，其拌和和易性就越差。

2.2 混合料級配設計

采用三相電參數監測系對AC-25、ARAC-20、ARAC-13混合料進行拌和功率采集。

為系統研究瀝青混合料拌和功率的影響因素，本研究設計了AC-25、ARAC-20、ARAC-13三種混合料級配，并對三種混合料級配2.36 mm和4.75 mm關鍵篩孔通過率進行了設計，混合料級配各篩孔通過率見表5～7；每一種級配根據實際施工參數進行了油石比設計，具體見下頁表8。

表5 AC-25瀝青混合料級配設計一覽表

表6 ARAC-20瀝青混合料級配設計一覽表

表7 ARAC-13瀝青混合料級配設計一覽表

表8 不同級配混合料油石比設計一覽表(%)

2.3 瀝青混合料拌和和易性測試

瀝青混合料的拌和和易性一般通過混合料的拌和難易程度來表征。相同拌和速度條件下，拌和電流越大，即拌和功率越大，拌和瀝青混合料所需的功就越大，其拌和和易性就越差。本次研究采用三相電參數監測系統對拌和設備的拌和功率進行數據采集，結合工程實際施工參數，研究油石比、關鍵篩孔通過率對150 ℃基質瀝青混合料AC-25及180 ℃橡膠瀝青混合料ARAC-20和ARAC-13拌和和易性的影響規律。

3 試驗結果與分析

3.1 油石比對拌和和易性的影響

圖1 油石比對AC-25瀝青混合料拌和功率的影響趨勢曲線圖

圖1是油石比對AC-25瀝青混合料粗、中、細級配拌和功率的影響趨勢圖。由圖1可知，粗、中、細三種級配AC-25瀝青混合料均隨著油石比的增加出現先降低后增加的趨勢，這說明瀝青添加量較少時，油石比的增加可改善混合料的拌和和易性，當瀝青達到一定量時，隨著油石比的增加，混合料的拌和和易性有所下降。這主要是因為混合料集料之間因嵌擠作用會產生內摩擦力，拌和混合料需要克服摩擦力做功，在集料中添加瀝青之后，經過攪拌，瀝青會與礦粉結合形成瀝青膠漿，填充于集料間，消除一部分集料間的內摩擦力，從而表現出拌和功率降低的現象；隨著瀝青用量的不斷增加，過量的瀝青發揮出自身的粘結性，增大了瀝青膠漿對集料的粘聚力，又出現拌和功率逐漸上升的趨勢。

圖2 油石比對ARAC-20瀝青混合料拌和功率的影響趨勢曲線圖

圖2是油石比對橡膠瀝青混合料ARAC-20拌和功率的影響趨勢圖。由圖2可知，三種級配對應的拌和功率隨著油石比的增加出現先平緩下降后大幅度提升的趨勢，且隨著級配的變粗，各自的拌和功率最小值出現左移現象。這主要是因為橡膠瀝青具有較大的黏度，橡膠瀝青對于集料的“潤滑”作用相比基質瀝青而言較弱，故拌和功率下降趨勢較為平緩；隨著混合料中細集料的增加，達到拌和最佳狀態所需的瀝青越多，故混合料級配越細，拌和功率最小值對應的油石比越大。

圖3 油石比對ARAC-13瀝青混合料拌和功率的影響趨勢曲線圖

圖3是油石比對橡膠瀝青混合料ARAC-13拌和功率的影響趨勢圖。由圖3可知，在給定的油石比條件下，拌和功率隨著油石比的增加出現先減小后增大的趨勢。這主要是因為在集料中添加瀝青之后，經過攪拌，瀝青會與礦粉結合形成瀝青膠漿，少量的膠漿粘附于集料表面起到了“潤滑”作用，抵消了一部分集料間的摩擦力，從而表現出拌和功率減小的趨勢；當瀝青用量增加到一定量時，此時形成的瀝青膠漿較多，瀝青的黏性表現得更加突出，集料間的粘聚力逐漸增加，從而表現出拌和功率逐漸增大的趨勢。

3.2 關鍵篩孔通過率對拌和和易性的影響

圖4是不同級配類型的AC-25瀝青混合料對拌和功率的影響趨勢圖。由圖4可知，當油石比較低時，在級配由細型向粗型變換的過程中，拌和功率出現先升高后平緩的趨勢。這主要是因為，在較低油石比條件下，隨著關鍵篩孔通過率的減小，瀝青的“潤滑”程度逐漸增強，粗集料間的嵌擠、摩擦作用也逐漸增強，并且集料間摩擦力增加的程度遠大于瀝青所起到的“潤滑”作用，故表現為混合料拌和功率逐漸增大；粗集料達到一定量之后，粗集料的繼續增加引起的內摩擦力增長幅度減小，表現出拌和功率趨于平緩的狀態；當油石比為4.0%時，此時中間級配對應的拌和功率最小，這是因為此時油石比正好為級配二的最佳油石比，瀝青的潤滑作用發揮到最大狀態，表現出相同拌和速度對應的拌和功率最小；當油石比進一步增大時，此時油石比偏高，過多的瀝青表現出更多的黏性，故此時拌和功率出現小幅度的提升，且關鍵篩孔通過率變化對其拌和功率影響不大。

圖4 AC-25不同級配對拌和功率的影響趨勢曲線圖

圖5是不同級配類型的ARAC-20瀝青混合料對拌和功率的影響趨勢圖。由圖5可知，不同油石比混合料拌和功率隨關鍵篩孔通過率的減小整體呈現出上升趨勢，且增長幅度較為平緩，這主要是因為橡膠瀝青本身具有較大的黏性，橡膠瀝青對集料的粘聚力相比基質瀝青而言更強，橡膠瀝青對粗集料的粘聚力影響幅度不大，故拌和功率表現出隨粗集料的增加而平緩上升的趨勢。

圖5 ARAC-20不同級配對拌和功率的影響趨勢曲線圖

圖6 ARAC-13不同級配對拌和功率的影響趨勢曲線圖

圖6是不同級配類型的ARAC-13瀝青混合料對拌和功率的影響趨勢圖。由圖6可知，拌和功率呈現出緩慢增長的趨勢，橡膠瀝青黏度較大的特性，使得集料間的“潤滑”和粘聚作用相對穩定，關鍵篩孔通過率的調整對于橡膠瀝青混合料的拌和和易性影響幅度不大。

4 結語

(1)瀝青用量低于最佳瀝青用量時，基質瀝青油石比變化對混合料拌和和易性影響較大；瀝青用量高于最佳瀝青用量時，橡膠瀝青油石比變化對混合料拌和和易性影響較大；瀝青用量處于最佳瀝青用量附近時，瀝青混合料拌和和易性較好。

(2)同一結構類型瀝青混合料，可以通過增加關鍵篩孔通過率改善混合料拌和和易性，但對于橡膠瀝青混合料影響幅度相對較小。