橡膠瀝青技術的推廣應用對于解決日益嚴重的廢舊輪胎“黑色污染”問題有十分積極的現實意義。然而，橡膠瀝青具有粘度高、不易壓實、現場施工難度大的特點，制約著橡膠瀝青路面技術的發展與應用［1－3］。分析其原因，一是橡膠瀝青的粘度高，易造成工作性能差;二是膠粉顆粒具有彈性特征。在壓實過程中，膠粉顆粒與集料顆粒協同受力，同時承受壓實荷載的作用。對于普通混合料的細集料是通過排列位置的重布以形成密實結構，而橡膠瀝青結合料中的膠粉顆粒則通過自身變形來響應壓實荷載。

荷載卸載后，這種變形不同程度得到恢復，橡膠顆粒與集料的級配就將發生不可忽略的干涉效應。另外，沒有完全溶入到瀝青中的膠粉顆粒在混合料中所起的作用很復雜，由于橡膠瀝青混合料模量低，回彈變形較大，即使碾壓成型后，膠粉顆粒在混合料中仍然會發生溶脹，如果混合料的空隙不足以容納其溶脹，這種作用將對混合料的級配有干涉作用，影響橡膠瀝青混合料的壓實效果，從而影響其路用性能［4－8］。

為此，本文基于上述膠粉顆粒的粒子干涉效應，通過設計正交試驗，研究不同的膠粉目數對橡膠瀝青混合料體積參數的影響，即研究膠粉目數對橡膠瀝青混合料的粒子干涉作用，并通過分析干涉作用產生的條件，提出橡膠瀝青混合料級配設計的關鍵控制要點，為橡膠瀝青混合料配合比設計提供優化方法。

粒子干涉理論提出者C．A．G．Weymouth研究認為，為達到最大密實度，前一級顆粒之間孔隙，應由下一級顆粒所填充并以此規律迭代，其填充原則為填隙的顆粒粒徑(d)小于等于其上級顆粒間隙距離(t)，否則大小粒子之間則會發生干涉，［11］如圖1所示。

已往研究通常將橡膠瀝青考慮成一個整體，或單純將其視為結合料進行研究，忽略了膠粉顆粒的客觀存在及屬性特點。事實上，橡膠瀝青混合料是一種三相體系:膠粉顆粒－瀝青－集料。雖然目前多采用“濕法”將基質瀝青與膠粉顆粒提前進行融合，但是膠粉顆粒仍對集料的級配有干涉作用，從而對壓實產生較大的影響［9－12］。橡膠瀝青中膠粉顆粒的比例通常大于15%，以油石比7%進行估算，則在質量上有約1.0%的比例為膠粉顆粒。膠粉相對密度取值1.2，礦料相對密度取均值2.7，因此橡膠顆粒體積比例約為3%。如此大的體積比例若被忽略或沒有與級配進行協同考慮，極易造成顆粒難以填充，宏觀層面則表現為混合料的壓實難度增大。

因此，在級配設計時，應充分將膠粉所占體積比例納入整體級配曲線設計。干涉作用是指次級粒子對上級粒子形成密實結構的影響作用。具體分析時，可將膠粉顆粒視為次級粒子，并根據膠粉顆粒的體積確定同級與上級粒子，當膠粉顆粒的直徑小于上級粒子的間隙時，則干涉作用微弱，易于成型。為此，應首先確定與橡膠瀝青膠粉顆粒發生干涉作用明顯的同級粒子，而對濕法工藝的橡膠瀝青技術而言，膠粉含量是不得隨意更改的。因此，為了最大程度減小干涉作用，在級配設計時應嚴格控制該范圍內集料的用量比例。

由橡膠顆粒與瀝青的反應機理可知［13］，橡膠顆粒與瀝青主要進行3種相互作用:溶脹－裂解－脫硫，在這3種作用中，溶脹效果最為顯著。橡膠粉在加入基質瀝青后，體積發生較大膨脹，其溶脹后體積可達原體積的1.5～3倍。因此，在應用粒子干涉理論進行分析時，應將橡膠顆粒的溶脹作用考慮在內，即控制橡膠顆粒溶脹后粒徑所對應的同級粒子用量比例。20目、40目與80目膠粉干涉區間與細集料分檔如表1所示。其中80目膠粉的顆粒肉眼幾乎不可見，可以忽略膠粒的干涉作用，后續的研究也驗證了該結論。

在級配設計試驗過程中，對應具體目數膠粉的橡膠瀝青，必須考慮其干涉區間。對干涉區間進行高比例、中比例與低比例設計，除干涉區間之外，對9.5mm檔、4.75mm檔通過率也應進行不同程度的限制。為了簡化試驗過程，減少試驗次數，特設計正交試驗。

（1）橡膠瀝青

過高目數的膠粉雖然物理穩定性較好，但是化學穩定性較差，容易發生裂解，且生產成本高、彈性較差［14］。根據橡膠瀝青混合料對于結合料的要求，一般選取粘度較高且容易施工的橡膠瀝青，目數通常為20目～80目。本文所使用的橡膠瀝青，其膠粉種類采用斜交胎，目數為20目、40目、80目，基質瀝青為道路A級70號基質瀝青，膠粉與基質瀝青摻加比例為18∶82。其中20目與40目橡膠瀝青實驗室制備工藝為180℃下低速攪拌1h，80目橡膠瀝青為成品瀝青，其工業制備工藝為175℃下高速剪切35min+低速攪拌45min，并添加橡膠瀝青穩定劑，具體的性能指標如表2所示。

（2）集料及填料

玄武巖質地堅硬，與橡膠瀝青配伍性較好。本文選取優質玄武巖作為粗集料，其壓碎值為12. 9%，洛杉磯磨耗損失為13. 1%，針片狀顆粒含量為4. 2%?？紤]混合料的水穩定性，細集料選用石灰巖軋制的機制砂。填料為石灰巖礦粉。粗細集料與礦粉的相對密度如表3 所示。

對于橡膠瀝青的級配而言，有諸多關鍵的篩孔通過率需要控制。在進行配合比設計時，面臨多影響因素、多水平(各檔骨料用量比例)，本研究考慮引用正交試驗方法，通過“正交表”進行試驗設計，如表4所示。

本文涉及的配合比正交試驗的影響因素簡化為:橡膠瀝青種類(膠粉目數)，0.6mm～2.36mm、2.   36mm～4.75mm比例，9.5mm通過率。

表4中設計了12種級配，20目橡膠瀝青對應7種級配，40目對應3種，80目對應2種。每種級配的設計特點如下:

1)級配A、B、C

20目膠粉顆粒溶脹后主要與集料中的2.36mm～4.75mm發生干涉作用，該檔用量的比例會直接影響混合料的各項體積指標。A、B、C三種級配分別對應高、中、低比例(5%、8%、10%)。該級配為SMA13型，傳統SMA混合料以礦粉與瀝青形成瀝青瑪蹄脂，而橡膠瀝青SMA則在骨料之間形成橡膠瑪蹄脂。在AＲ－SMA中不使用纖維，礦粉含量與傳統SMA相比含量較低。

2)級配D、E、F

此3種級配為SMA16型，設計初衷在于驗證9.5mm以上粗集料的骨架作用。其余檔通過率與A、B、C三種相同。

3)級配G、H

40目膠粉顆粒溶脹后主要與集料中的0.6mm～2.36mm檔發生干涉作用，該檔用量的比例會直接影響混合料的各項體積參數。G、H兩種級配分別對應高、低比例(12%、7%)。

4)級配I、J

此2種級配為礦粉含量為0的斷級配橡膠瀝青級配，相比前幾種級配，I與J有2點明顯不同:(1)不添加礦粉，單純依靠橡膠瀝青進行填隙達到密實;(2)并未對關鍵檔(2.36mm～4.75mm)含量比例加以限制。

5)級配K、L

此2種級配為常規連續密集配，針對80目顆粒橡膠瀝青設計，一種偏粗一種偏細。由于80目膠粉的溶脹程度有限，其成品橡膠瀝青中的顆粒微不可見，干涉作用十分微弱，且從表2橡膠瀝青性能參數中分析可見，該瀝青的性能更加貼近于SBS瀝青而并非橡膠瀝青，因此考慮采用連續級配。

通過對上述各級配的說明可知，本文設計12種級配的思路與以往級配研究略有差異。以往研究多以通過率作為約束條件，通過更改通過率水平加以橫向研究，而本文以某一檔含量為約束條件，通過調節某檔含量比例進行分析。轉換研究視角的原因為橡膠顆粒不僅是構成橡膠瀝青的主要成分，更是直接參與構成瀝青混合料，形成三相體系;膠粉顆粒的干涉作用范圍并非廣譜，而十分具有針對性，僅對某一粒徑范圍(干涉區間)的集料具有干涉作用，因此將“通過率”轉換為“含量比例”有一定必要性。

進行配合比設計時，試件的拌和時間為180s+90s，拌和溫度為180℃。為在集料表面形成均勻的橡膠瀝青膠漿，拌和時加入礦粉。在拌和結束后，為模擬瀝青攤鋪過程中的老化現象，將混合料置于盛料盤中，均勻攤鋪，平均厚度小于5cm，并將盛料盤置于環境溫度為175℃的烘箱中靜置2h，然后再進行擊實成型。成型好的試件靜置24h后脫模，按照JTGE20—2011《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規程》［15］相關規定測定體積參數?；旌狭献畲罄碚撁芏炔捎糜嬎惴y定，毛體積密度采用網籃法測定。通過瀝青混合料體積參數方法確定各級配的最佳油石比。

各級配最佳油石比下的混合料體積參數試驗結果如表5所示。

針對表5中的試驗數據進行如下分析:

1) 對于20目橡膠瀝青，2.36mm～4.75mm檔含量比例對體積參數與最佳油石比影響顯著，如圖2 所示。由圖2可知，在保持固定油石質量比為6.8%條件下，橡膠瀝青混合料的空隙率隨著該檔含量的增加而顯著增加，證明該檔集料與20目膠粉體積溶脹后干涉作用明顯。當2.36mm～4.75mm檔含量比例超過12%時，最佳瀝青含量接近8%，空隙率為4.5%且出現“油石比－空隙率”平臺，即油石比的進一步增大并不能導致空隙率的下降。因此，對于20目膠粉橡膠瀝青，應該嚴格控制2.36mm～4.75mm檔含量，用量不宜過高。

2)對于40目橡膠瀝青，0.6mm～2.36mm檔含量比例對體積參數與最佳油石比影響顯著，如圖2 所示。由圖3可知，在保持固定油石質量比為6.3%條件下，橡膠瀝青混合料的空隙率隨著該檔含量的增加而增加，證明該檔集料與40目膠粉體積溶脹后干涉作用顯著。

3)對比圖2與圖3，不同目數的橡膠瀝青，膠粉顆粒的干涉區間有較大區別，對混合料體積參數影響的粒徑范圍也不同。因此，在進行混合料級配設計時，一定要將膠粉目數與橡膠瀝青中膠粉體積比例作為重要考慮因素，將膠粉的含量作為集料級配的組成部分考慮，而僅非瀝青成分，要將干涉作用由集料范圍擴展至結合料范圍，以“膠粉目數”為核心進行橡膠瀝青設計。

4)結合表2可知，在相同制備條件與摻量的情況下，40目膠粉的布氏粘度明顯高于20目膠粉。但表5中的數據顯示，40目橡膠瀝青混合料的壓實難度低于20目膠粉。由此可見，橡膠瀝青的難以壓實并非由宏觀粘度高單一因素所致，更大程度上是由于膠粉顆粒的客觀存在與膠粉的高彈性綜合效應的結果。

5)D、E、F三類混合料的設計結果表明，在增加9.5mm～13.2mm與13.2mm以上集料比例后，混合料在較低的油石比條件下便可形成較低的空隙率，同時礦料間隙率增大，由此可證明其級配的骨架作用。

6)SMA級配混合料比AR-AC混合料油量更少，且空隙率低。礦粉的使用并未對細集料產生過多干涉作用，相反，礦粉使結合料的粘結性增強，并起到一定的填充作用，促進空隙率降低，最終達到“減油”的目的。礦粉對混合料的作用如圖4所示。由圖4可知，礦粉對于普通橡膠瀝青混合料主要有2大作用:1)粘結作用，參與瀝青膠漿形成，使礦料表面覆蓋結構瀝青比例增加，油膜增厚，宏觀上體現為瀝青用量的增加;2)填充作用，作為集料的一部分參與填充混合料空隙，致使空隙率降低，最終使瀝青用量減少。以上2種作用所致的結果相互矛盾但均客觀存在，最終瀝青用量的確定是2種作用平衡的結果。對于橡膠瀝青混合料，諸多學者認為膠粉顆粒與礦粉存在干涉作用，會導致空隙率的增加，然而通過I、J兩組級配的試驗結果分析表明，這種干涉作用并不明顯。

7)分析80目橡膠瀝青混合料的體積參數可知，最佳油石比和體積技術參數與SBS改性瀝青的性能較為相似。因此，對于高目數橡膠瀝青，膠粉顆粒對混合料體積指標的影響較小，說明高目數的膠粉顆粒與集料的干涉作用非常小，可忽略不計。