CN104499396B

CN104499396B - 沥青路面再生旧料最佳掺配比例的确定及其方法

Info

Publication number: CN104499396B
Application number: CN201410685219.XA
Authority: CN
Inventors: 张直云; 费维水; 刘昆赟; 滕建奎; 吴永军
Original assignee: KUNMING SURVEY & DESIGN INSTITUTE NATIONAL BUREAU OF FORESTRY
Current assignee: KUNMING SURVEY & DESIGN INSTITUTE NATIONAL BUREAU OF FORESTRY
Priority date: 2014-11-25
Filing date: 2014-11-25
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2034-11-25
Also published as: CN104499396A

Abstract

“沥青路面再生旧料最佳掺配比例的确定及其方法”的发明，是基于法国高模量沥青混合料设计方法和试验评价体系，一方面通过掺配大比例旧料（旧料掺量分别为：0%、40%、50%、60%）来实现低标号硬质沥青的目的，另一方面通过掺配硫酸钙晶须（CSW）高模量剂，结合马歇尔设计方法进行配合比设计，通过试验数据归一化处理并采用数学软件Matlab对硫酸钙晶须（CSW）掺配下的各路用性能指标建立数学分析优化模型，最终确定出回收旧料的最佳掺配比例为45%，实际施工中的回收旧料最佳掺配比例范围是40%~50%之间，实现沥青路面的高模量化，从而可以解决公路大中修、资源再生利用、环境保护、长寿命路面的使用与推广等技术领域中的一些实际问题，为社会创造可观的经济效益。

Description

沥青路面再生旧料最佳掺配比例的确定及其方法

技术领域

公路路面大中修、资源再生利用、节能减排、环境保护、长寿命路面的使用与推广等领域。

背景技术

可持续发展战略是当今时代发展的主题，随着人们对资源再生利用的增多和环保意识的加强，一种对路面沥青混合料进行温拌再生利用的新技术应运而生,本发明将法国高模量沥青混合料评价方法和温拌再生技术进行有机结合，通过掺配大比例旧料和外掺剂硫酸钙晶须(CSW)来实现对温拌再生沥青混合料高模量化的目的，从而解决路面旧料回收、节能减排、提高路面使用寿命的目的。

发明内容

本发明基于法国高模量试验评价体系，通过试验数据归一化处理和数学软件Matlab对硫酸钙晶须(CSW)掺配下的各路用性能指标建立数学分析优化模型，最终确定最佳旧料掺配比例为45％，同时确定出便于施工的旧料最佳掺配比例范围为40％～50％之间，为道路大中修、旧料再生、环境保护、长寿命路面的使用个推广等工程实际提供理论支持，结合法国高模量试验评价体系，开展的路用性能试验包括：旋转压实和水敏感性试验、大型轮辙试验、动稳定度试验、劲度模量试验、四点弯曲疲劳试验和低温弯曲试验。

本发明通过下列技术方案实现：一种沥青路面再生旧料最佳掺配比例的确定方法，经过下列步骤：

步骤一，原材料性能评价：对再生旧料、新掺集料、70#A级道路石油沥青、硫酸钙晶须分别进行性能评价，合格后进行再生沥青混合料的配合比设计；

其中，对再生旧料进行性能评价是采用燃烧炉法对再生旧料中的再生集料进行原材料性能评价，采用三氯乙烯抽提法将旧料中的沥青提取出来后进行再生沥青性能评价；其性能评价包括对再生旧料的粗集料和再生旧料的细集料的评价，其中，再生旧料的粗集料的检测项目包括针片状颗粒含量、压碎值、表观密度和吸水率，再生旧料的细集料的检测项目包括棱角性、砂当量、表观密度和吸水率；

对硫酸钙晶须进行性能评价是对硫酸钙晶须的下列性能指标进行评价：密度、熔点、拉伸强度、拉伸模量、水溶性、折光指数和莫氏硬度；

步骤二，配合比设计：

(1)首先确定再生旧料的级配，然后将新掺集料进行分级筛分，其次是确定旧料掺配比例，即以再生旧料占混合料总量的的0％、40％、50％、60％的比例依次加入到新掺集料中，分别定义为级配一、级配二、级配三和级配四，并分别进行AC-20C级配的矿料配合比合成级配曲线，使新掺集料和再生旧料按其掺配比例混合后所形成混合矿料的级配接近再生沥青混合料的设计级配规定的中值；

(2)以最小二乘法计算原理为依据，取级配中值的各级筛孔通过率为自变量，取实际级配中各级筛孔的通过百分率为应变量，在Excel中建立规划求解计算模型并添加约束条件，使实际级配与级配中值通过百分率之间的方差最小，经计算后确定各掺配比例下的目标级配，然后采用马歇尔性能指标测试方法进行沥青混合料的性能试验，最终确定出最佳沥青用量；

(3)采用温拌技术，将确定用量的沥青和硫酸钙晶须加入到步骤(1)所得混合矿料中，得到再生沥青混合料；

步骤三，性能试验：将步骤二(3)所得再生沥青混合料进行下列性能试验：旋转压实试验、水敏感性试验、法国大型轮辙试验、高温抗车辙动稳定度试验、劲度模量试验、四点弯曲疲劳试验和低温弯曲性能试验；

步骤四，最佳旧料掺配比例的确定：将步骤三所得性能试验的结果转化成同一数量级，再通过数学软件Matlab对硫酸钙晶须掺配下的各性能指标建立数学分析模型，针对不同的性能采用的权重均取1，自变量设为旧料掺量x，应变量为相应单位化后的性能指标y，则建立数学模型，得到各性能模型拟合曲线，然后将各性能模型拟合曲线的左边和右边相加并合并同类项，自变量均相同，权重均为1，得到整理后的模型公式，对所得整理后的模型公式求一阶导数，求得该式的最大值，即得到最佳旧料掺量比例。

所述步骤一的新掺集料是石灰岩。

所述步骤二(3)硫酸钙晶须的加入量是沥青用量的3％。

本发明的主旨就是：采用温拌技术对旧料进行回收再生利用，一方面通过掺配大比例旧料(旧料掺量分别为：0％、40％、50％、60％)来实现低标号硬质沥青的目的，另一方面通过外掺温拌剂硫酸钙晶须(CSW)高模量剂，从而来实现沥青混合料的高模量化，进而提高路面的抗车辙性能和抗疲劳性能，延长道路的使用年限。

本发明以法国高模量沥青混合料设计理念和方法作指导，采用以体积指标为主的马歇尔设计方法进行配合比设计，并以法国高模量沥青混合料性能评价体系进行路用性能评价，结合国内路面结构体系和路面使用材料等实际情况，最终确定最佳旧料掺配比例，为温拌再生高模量沥青混合料在国内的实际应用作铺垫。

附图说明

图1是旧料掺量为0％、40％、50％、60％时的合成级配代表曲线图；

图2是对于不同旧料掺量下掺CSW时的车辙深度百分比趋势曲线比较图；

图3是不同旧料掺量下动稳定度变化趋势图；

图4是疲劳弯曲小梁试件常温存放示意图；

图5是疲劳弯曲试件安装示意图；

图6是对于不同旧料掺量下的平均抗弯拉强度趋势图；

图7是对于不同旧料掺量下的平均最大弯拉应变和平均弯曲劲度模量趋势图；

图8是掺硫酸钙晶须(CSW)时的模型拟合曲线图。

具体实施方式

1、原材料性能评价：

在开展试验之前，需对再生旧料、新掺集料、70#A级道路石油沥青、硫酸钙晶须(CSW)等原材料进行性能评价，合格后进行再生沥青混合料的配合比设计。

本发明采用的旧料是云南省某高速公路路面大修工程的回收旧料，在对再生旧料性能评价时，采用燃烧炉法对再生集料进行原材料性能评价，采用三氯乙烯抽提法将旧料中的沥青提取出来后进行再生沥青性能评价，评价数据如下表1、表2所示。

表1再生集料性能分析结果汇总表

表2再生沥青性能检测结果分析汇总表

检测项目	单位	检测结果	技术要求	试验方法
					针入度(25℃)	0.1mm	28.1	＞20	T 0604-2011
60℃粘度	Pa.s	185	实测	T 0620-2000
					软化点	℃	63.0	实测	T 0606-2011
15℃延度	cm	6.4	实测	T 0605-2011

为了寻找性能更加优越的高模量添加剂，本发明将无水硫酸钙晶须(CSW)应用于温拌再生沥青混合料的性能评价试验中，以期达到高模量化的理想试验效果。硫酸钙晶须(Calcium Sulfate Whisker，简写为CSW)又叫石膏晶须，其国际商品名称叫ONODA-GPF，硫酸钙晶须是以石膏为原材料，通过人为控制，以单晶形式生长，具有均匀的横截面、完整的外形、完善的内部结构的纤维状(须状)单晶体，其平均直径一般在1～8μm之间，平均长度一般在100～200μm之间，平均长径比一般在10～200之间，其它性能指标如下表3所示。

表3硫酸钙晶须(CSW)性能指标汇总表

性能组成

密度(g/cm³)

熔点(℃)

拉伸强度(GPa)

拉伸模量(GPa)

水溶性/10^-6

折光指数

莫氏硬度

性能指标

2.69

1450

20.50

178

<200

1.585

3～4

硫酸钙晶须有二水(CaSO4·2H2O)、半水(CaSO4·0.5H2O)和无水(CaSO4)之分，其制备方法目前主要有水压热法和常压酸化法两种，硫酸钙晶须具有强度高、高模量、韧性好、绝缘性好、耐磨、耐高低温、耐酸碱性、防腐蚀、红外线反射性好、易于表面处理、易与聚合物复合和无毒等诸多优良的物理和化学性质，此外，它还具有均匀的横截面，完整和健全的内部结构形状和高度，还有一些非金属材料所不具备的特殊性质。正因为其有这么多优良特点和突出的高模量性能，所以本文采用无水硫酸钙对温拌再生沥青混合料进行改性，从而可以提高温拌再生高模量沥青混合料的抗车辙性能和抗疲劳性能。

2、配合比设计：

本配比采用温拌技术，将一定比例的RAP料和再生剂掺入新沥青混合料中，故其配合比设计方法和一般的新沥青混合料的设计之间存在一定的差异，两者最大的区别在于：再生沥青混合料的级配、沥青含量以及旧沥青的性质等均发生了不同程度的变化，因此，可以通过消除再生沥青混合料配合比设计中的一些差异，来实现恢复再生沥青混合料中原有路用性能的目的，也就是说，对于温拌再生高模量沥青混合料设计的关键就是要确定回收旧料的级配、沥青含量及旧沥青的性质。

沥青混合料的设计是温拌再生高模量沥青路面设计和铺筑的难点和重点，首先是确定旧料级配，然后将新料进行分级筛分；其次是确定旧料掺配比例。旧料所占比例与其性质有关，由于旧料中的沥青在长期使用中有所老化，同样其中的集料由于长期受到车辆的反复碾压作用而变得细化，所有这些性质都限制了旧沥青混合料在再生沥青混合料中所占的比例。

针对旧沥青混合料的这些特点，来选用合适的新集料和新沥青种类，本发明新掺集料采用石灰岩，新掺的沥青采用东海70#A级道路石油沥青，结合新集料的级配设计，以回收旧料占混合料总量的0％、40％、50％、60％的比例依次加入到新料中，根据温拌再生高模量沥青混合料的设计级配，对照回收矿料的级配和掺配比例来确定新矿料的比例，通过调整新集料中各档料的掺配比例使其达到规范要求的范围，也即新矿料和回收矿料按其掺配比例混合后所形成混合矿料的级配应尽量接近再生沥青混合料的设计级配规定的中值。

本发明中的配合比设计以最小二乘法计算原理为依据，取级配中值的各级筛孔通过率为自变量，取实际级配中各级筛孔的通过百分率为应变量，在Excel中建立规划求解计算模型并添加约束条件，使实际级配与级配中值通过百分率之间的方差最小，经计算后便确定了各掺配比例下的目标级配，然后依次确定最佳沥青用量，最后依次进行沥青混合料的性能试验研究，本试验外掺剂比例为沥青用量的3％，然后进行最佳沥青用量的确定和性能试验研究，其中旧料燃烧后筛分结果如下表4所示。

表4回收旧料燃烧后筛分结果

以旧料掺配比例0％、40％、50％、60％为例，分别定义为级配一、级配二、级配三和级配四，并分别进行AC-20C级配的矿料配合比合成级配曲线，合成级配各档料的比例如下表5所示，合成级配通过率见下表6所示，由于各级配各筛孔通过百分率均相同，则合成代表级配曲线如附图1所示。

表5不同旧料掺配比例下的合成级配比例(％)

项目	旧料	19	16	13.2	9.5	4.75	2.36	1.18	0.6	0.3	0.15	0.075	筛底
														级配一	0	5.0	7.0	14.0	10.0	24.0	12.0	8.0	5.0	5.0	2.0	3.0	5.0
级配二	40	3.7	6.2	10.5	2.7	13.9	5.5	4.7	2.7	3.2	0.9	2.1	3.7
														级配三	50	3.4	6.0	9.7	0.9	11.4	3.9	3.9	2.1	2.8	0.7	1.9	3.4
级配四	60	3.1	5.8	8.3	0.0	8.4	2.3	3.0	1.5	2.4	0.4	1.7	3.1

表6不同旧料掺配比例下的合成级配通过百分率(％)

当温拌再生沥青混合料中加入了一定比例的旧料后，由于新旧沥青及矿料的综合作用，所以在再生矿料的合成毛体积相对密度及合成表观相对密度进行计算时，必须考虑回收旧矿料的影响。

根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的设计方法，本发明的级配类型为AC-20C型的，并采用3.5％、4.0％、4.5％、5.0％、5.5％的沥青含量，根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中的公式计算出各种成分的掺配比例，然后拌制成沥青混合料，每组6个，共30个件。

成型的标准马歇尔试件采用表干法进行密度试验，计算出试件的毛体积相对密度，然后把试件放在60℃的恒温水槽中浸泡半个小时，在马歇尔试验仪上测定出稳定度和流值；所拌制沥青混合料的最大理论相对密度采用真空法直接测定，根据最大理论相对密度和试件的毛体积相对密度计算出空隙率；由再生矿料的毛体积相对密度、沥青含量及试件的毛体积相对密度计算得到矿料间隙率和有效沥青饱和度，最后绘制密度～沥青含量、空隙率～沥青含量、饱和度～沥青含量、稳定度～沥青含量、流值～沥青含量关系曲线，从而确定出最佳沥青用量OAC，最终将旧料掺量为0％、40％、50％和60％时的最佳沥青用量确定及马歇尔试验指标汇总于表7所示。

表7不同旧料掺量下的最佳沥青用量马歇尔试验结果汇总表

3、旋转压实试验：

在施工现场，一般采用钢轮和胶轮压路机对沥青路面进行多次反复碾压以达到控制沥青路面压实度和孔隙率的目的，为了使室内试验和现场试验的拟合性更高，故采用旋转压实法来成型水敏感性试件。

本发明中的旋转压实试件成型采用英国Cooper技术公司生产的法国沥青混合料设计压实性能测试仪－气动型旋转压实机(CRT-GYR EH-0606)来对水敏感性试件进行旋转压实成型试件，旋转压实仪的压实原理是揉搓法，这样更接近沥青混合料的摊铺压实现场，与现场沥青混合料压实特性的相关性更好，这样就可以根据室内旋转压实试验来预估施工摊铺现场的实际孔隙率和压实度。

本发明采用温拌技术和再生技术来拌合沥青混合料，混合料拌合温度控制在120～140℃之间；所需的试件尺寸为直径100mm，高度63.5mm；根据马歇尔法确定的毛体积密度来计算沥青混合料制件所需的质量，然后将沥青混合料装入内径为100mm的圆柱试模中进行旋转压实；旋转压实中，在试样顶面施加0.6MPa的垂直压力，30rev/min的旋转速度，同时试件有一个倾角0.82°(内角)进行圆周运动，这种压实变化的作用称为搓揉，随着压实过程的进行，我们可以在电脑程序上看到，随着旋转压实次数的增加，试件的压实度也增加，密度增大，孔隙率变小，当达到设定高度63.5mm时，程序自动停止并退出，经气动式脱模后，试件成型完毕。

新型温拌再生高模量混合料必须满足旋转压实试验要求的所有空隙率要求，除了非交通荷载地区，对于沥青混合料性能的所有试验方法来说，这个水平是最基本的，是其他性能试验的基础和前提。

根据欧标EN12697-31的空隙率要求，对高模量沥青混合料AC20-EME的空隙率要求是旋转压实120次所对应的空隙率应不大于6％，本发明采用的温拌高模量剂为硫酸钙晶须(CSW)，旧料掺量分别是0％、40％、50％和60％，在温拌剂掺量为3％的情况下进行制件，对试件分别进行旋转压实评价，经数据处理后分别列于下表8中(以旧料掺量比例40％时为例)。

表8旧料掺量40％时旋转压实评价表

根据试验结果得出以下结论：对于不同的旧料掺量，当旋转压实120次后，其空隙率均小于6％，这完全符合欧标EN12697-31(沥青混合料-热拌沥青混合料试验方法-第31部分：旋转压实机制作试件)的空隙率要求，也就是说符合高模量沥青混合料AC20-EME的空隙率要求，后续试验可以接着往下开展。

4、水敏感性试验：

水敏感性分析是法国高模量沥青混合料试验性能体系的第一项水平分析，也是后续几个水平评价的基础，水敏感性试验是检验沥青混合料耐久性的基础，也是检验沥青混合料水稳定性能的重要指标，国内通常采用浸水马歇尔方法和冻融劈裂试验来评价沥青混合料的水稳定性能；欧洲则采用间接拉伸试验和从多列士(Duriez)试验衍生的直接压缩试验来评价沥青混合料的水敏感性能；而法国采用的则是多列士(Duriez)试验来评价沥青混合料的水敏感性。

鉴于实际情况，本发明采用美国PTI-Instrotek公司生产的水损坏敏性测试仪(MIST)进行冲刷试验(水靠压力进入沥青混合料内部空隙并借助外界的压力从混合料内部将水排出的一个过程)后在25℃水中保温2h后进行劈裂试验，冲刷完成后10min内取出试件并在25℃水中保温2h，使试件内外温度一致，进行劈裂强度试验，通过和传统的冻融劈裂法试验，以劈裂强度来对比分析温拌再生高模量沥青混合料的水敏感性，本次试验计算公式如下式1所示：

R_{T} = 0.006287 \frac{P_{T}}{h} - - - (1)

RT—劈裂抗拉强度(MPa)；PT—试验荷载的最大值(N)；h—试件高度(mm)。

根据本次试验混合料本身的性能特点，本次试验对不同混合料采用相同的试验条件：温度60℃，循环次数3500次，压力40PSI(约等于0.276MPa)，沥青混合料必须满足水敏感性试验的所有要求，根据欧标EN12697-12对于高模量沥青混合料AC20-EME的水敏感性要求是ITSR(r/R)70，而马歇尔法的水敏感性要求是不小于80％，本发明对外掺剂为硫酸钙晶须(CSW)所制的旋转压实试件进行水敏感性能评价，数据经处理后列于下表9中(以旧料掺量为40％时为例)，现将其他旧料掺配比例下的数据处理后汇总于下表10中所示。

表9旧料掺量40％时的水敏感性评价表

表10不同旧料掺量下的强度比分析表(CSW)

旧料比例(％)	0	40	50	60
					水敏仪法强度比(％)	82.8	84.1	80.7	86.7
冻融法强度比(％)	82.0	92.9	83.4	88.4

在旧料掺量分别为0％、40％、50％和60％时，无论是用水损坏敏性测试仪(MIST)进行冲刷试验，还是用传统的马歇尔冻融劈裂试验，可以得出以下结论：

其数据变化趋势有一个峰值和一个低谷值，即当旧料掺量为40％时，其水敏感性强度比值为最大值，即抗水损坏能力最好；当旧料掺量为50％时，其水敏感性强度比值为最小值，即抗水损坏能力最差，但均符合欧标EN12697-12对于高模量沥青混合料AC20-EME的水敏感性要求，可以继续下一步试验工作。

5、法国大型轮辙试验：

本试验采用温拌技术来拌合大型轮辙沥青混合料，混合料拌合温度控制在120～140℃之间，根据马歇尔法确定的毛体积密度来计算沥青混合料的制件质量，然后将沥青混合料装入大型轮辙试模中进行压实。

大型轮辙试验属于法国高模量评价体系中的水平2，这个过程包括2个方面，分别是试件的制备和性能的测试两个过程，本文采用英国Cooper技术公司生产的法国沥青混合料设计大型轮碾压实机－充气轮胎碾压装置(CRT－RCENLD－ⅢEH－0607)成型试件，并采用英国Cooper技术公司生产的法国沥青混合料设计车辙测试－大型车辙仪(CRT－WTENLD EH－0059)来评价温拌再生高模量沥青混合料在仿真交通条件下的抗车辙能力，同时采用传统的抗车辙试验方法测定温拌再生高模量沥青混合料成型试件的动稳定度DS，与大型车辙试验形成一个对比分析，并确定高模量沥青混合料的动稳定度指标和最佳旧料掺配比例。

本试验采用英国Cooper技术公司生产的法国沥青混合料设计大型轮碾压实机－充气轮胎碾压装置(CRT－RCENLD－ⅢEH－0607)成型试件，该设备的最大轮荷载为5kN(单轮)和10kN(双轮)，模具尺寸长500mm，宽180mm，高分50mm和100mm两种，为了使传统的抗车辙试验方法测定温拌再生高模量沥青混合料成型试件的动稳定度DS与大型车辙试验形成一个对比分析，从而确定高模量沥青混合料的动稳定度指标，所以本文采用的轮辙试件的尺寸长、宽、高分别为500mm×180mm×50mm，压缩方式为单轮，试件成型压强为0.3MPa，轮速为200～500mm/s，压实程序如下表4.19所示，其附属配件还包括模具(500mm×180mm×100mm)、垫块(500mm×180mm×50mm)、轻型钢轮、模具搬运车和充气轮胎备件等。

本试验的温拌剂为CSW，旧料掺量为0％、40％、50％和60％四种，每次测量需要2块大型轮碾车辙板，那总共需制8块大型轮碾车辙板，用大型车轮碾压后产生的变形深度和大型车轮碾压次数来测量混合料的抗车辙能力，根据欧标EN 12697-22(沥青混合料-热拌沥青混合料试验方法-第22部分：车辙试验)，法国高模量试验体系规范规定了给定轮碾次数时的车辙百分率，该百分率取决于材料类型和它的等级，其规范列于下表4.20所示，温拌再生高模量沥青混合料属于AC20-EME系列，故车辙百分比不得大于7.5％才符合高模量沥青混合料的技术要求，现将不同旧料掺量下的大型车辙测试数据汇总于下表11所示，其对应的车辙深度变化曲线如附图2所示，对应30000次时的车辙深度百分比汇总于下表12中所示。

表11不同旧料掺量下掺CSW时的大型车辙测试数据汇总表

表12不同旧料掺量下的车辙深度百分比汇总表

旧料比例(％)	0	40	50	60
					CSW车辙百分比(％)	8.99	5.58	4.32	5.64
EC120车辙百分比(％)	11.21	7.27	9.54	6.82

在旧料掺量分别为0％、40％、50％和60％时，根据试验数据可以得出以下结论：

其车辙深度百分比曲线在旧料掺量50％处有一个波谷，即车辙深度百分比为最小，也就是说其抗车辙性能最好，同时各旧料掺量下的车辙深度百分比均符合高模量沥青混合料的技术要求，可继续下一步试验工作。

6、高温抗车辙动稳定度(DS)试验：

众多研究表明，对于沥青混合料的高温稳定性，可以通过测试其动稳定度的大小来实现，对于旧料掺量分别为0％、40％、50％、60％下的车辙板分别进行动稳定度试验，在符合规范的变异系数情况下对动稳定度取平均值后列于下表13中，并绘出趋势图如附图3所示。

表13不同旧料掺量下的动稳定度数据汇总表

旧料掺量(％)	0	40	50	60
					动稳定度(次/mm)	2281.304	4846.149	5570.851	4532.376

根据实际测试数据可以得出以下结论：

(1)掺CSW后可以显著提高沥青混合料的动稳定度，即可以提高沥青混合料的模量，有望达到高模量的要求。

(2)掺大比例旧料可以显著提高沥青混合料的动稳定度，也就是说掺配大比例旧料可以到达低标号沥青的效果，符合法国高模量沥青混合料的实现方法，而且当旧料掺量为50％的时候，动稳定度(DS)达到峰值。

7、劲度模量试验：

沥青混合料的劲度模量是表征沥青路面结构中沥青混合料力学响应方式的基本特点之一，同时也是法国高模量沥青混合料性能评价体系中的水平3，是本发明对沥青混合料性能指标进行评价的核心指标，也是最能体现沥青混合料路面抗车辙性能的评价方法。

根据现有试验设备条件，本试验采用英国Cooper技术公司生产的法国沥青混合料设计直接拉伸模量测试－液压伺服通用材料试验机(CRT－UTM－HYD EL－0652)来对温拌再生高模量沥青混合料在高度仿真移动和停泊的车辆荷载状况下的模量进行测试，并对其进行评价。

对于高模量沥青混合料，法国规范规定了15℃和10Hz频率加载下测得的模量要大于14000MPa，本次试验采用正弦波轴向加载方式，加载频率分别为25Hz、10Hz、5Hz、1Hz、0.5Hz、0.1Hz，随着加载的进行，计算机系统就会自动记录下不同频率加载下的应力大小和轴向应变值。

本次试验采用英国Cooper技术公司生产的法国沥青混合料设计直接拉伸模量测试－液压伺服通用材料试验机(CRT－UTM－HYD EL－0652)来对温拌再生高模量沥青混合料在高度仿真移动和停泊的车辆荷载状况下的模量进行测试，系统会自动记录下各试件条件下最后5次加载循环中荷载的平均幅值p_i和可恢复轴向变形平均幅值Δ_i及同一加载循环条件下的变形峰值与荷载峰值的平均滞后时间t_i，接着其动态模量及相位角也可计算，但是系统会自动记录试验结果，现将试验结果列于下表14所示。

表14 15℃条件下不同旧料掺量下的劲度模量数据汇总表

旧料掺量比例(％)	0	40	50	60
					劲度模量(MPa)	14111	26557	32754	25143

从上表14可知，劲度模量随旧料掺量的变化而变化，而且当旧料掺量为50％时有一个峰值，即当旧料掺量为50％时，劲度模量有最大值；对于旧料掺量为40％、50％和60％时其劲度模量均大于14000MPa，符合高模量的要求，可继续下一步试验。

7、四点弯曲疲劳试验：

沥青混合料的抗疲劳性能是法国高模量沥青混合料性能评价体系中的水平4，其疲劳试验也是沥青混合料性能评价试验中最复杂的试验之一，也是最能体现沥青混合料路面实际使用耐久性的评价方法之一，法国高模量沥青混合料性能评价体系采用两点梯形梁弯曲疲劳试验来评价沥青混合料的抗疲劳性能，该试验通常采用正弦波加载模式，加载频率为25Hz，温度为10℃，并根据试件劲度模量降低为初始模量的50％时来定义疲劳破坏，规范中抗疲劳开裂能力的控制指标对应于加荷载106周期后的最小应变，通常只有下面层沥青混凝土承受拉应变，但有时联结层和磨耗层中的混合料也会承受拉应变。

鉴于国内实际情况和现行试验条件，本试验采用英国Cooper技术公司生产的法国沥青混合料设计模量和疲劳试验－BFA独立气动式四点弯曲小梁疲劳试验机(CRT－SA4PT－BB DL－010)对温拌再生高模量沥青混合料的弯曲劲度模量和抗疲劳性能进行评价，根据国内对四点弯曲疲劳没有现成规范的实际情况，提出具备高模量沥青混合料性能的四点弯曲疲劳指标，为将来国内高模量沥青混合料四点弯曲疲劳指标的确定提供参考。

为了与法国高模量沥青混合料评价体系中的疲劳测试形成比较，本试验采用应变控制模式；根据沥青路面中、下面层受层底拉应力的实际情况，通过总结国内大量的四点弯曲疲劳试验成果之后，本试验应变水平采用300με，这更加符合路面现场的实际受力状况和试验室的检测条件；根据法国高模量体系试验温度的要求，结合国内疲劳试验的常用当量试验温度15℃和考虑到试件夹头处的蠕变变形情况，本试验温度采用10℃；根据国内高速公路路面和城市主干道一级路面汽车通行频率，本试验加载频率采用10Hz，加载波形为偏正弦波，确定好试验方案后，即按预定试验步骤顺序开展疲劳试验和数据的采集工作。

疲劳试件的制备是开展疲劳试验的前提，疲劳试件质量的好坏决定着疲劳性能评价的准确性，本发明采用温拌技术来拌合大型轮辙试件沥青混合料，混合料拌合温度控制在120～140℃之间，根据马歇尔法确定的毛体积密度来计算沥青混合料的制件质量，然后将沥青混合料装入大型轮辙试模中进行压实成型大型车辙板试件，大型车辙板试件成型后在平整的试验台上常温存放养生至少两周，以防止胶结料蠕变引起对疲劳性能的影响。

常温养生后将大型轮辙试件利用高精度单面锯进行切割，切割疲劳试件的尺寸为长380mm±5mm、厚50mm±5mm、宽63.5mm±5mm的小梁试件，为了减少由于小梁蠕变引起对疲劳试验的影响，需将小梁放在平整的试验台上备用，如附图4所示，试件养生完毕便可开展试验测试和数据采集，将采集的数据汇总于下表15所示，试件安装如附图5所示。

表15掺CSW时不同旧料掺量下的疲劳指标测试数据汇总表

由上表15可以得出以下结论：

该新型温拌再生高模量沥青混合料的疲劳次数均随着旧料掺量的变化而变化，而且当旧料掺量为43％时其抗疲劳性能最好，且其疲劳趋势曲线有一个峰值；当旧料掺量高于43％时，其抗疲劳性能随着旧料掺量的增加而降低，这是由于随着旧料掺量的增大，沥青老化程度增加，沥青标号等级降低，沥青混合料硬度增大，故抗疲劳性能降低。

8、低温弯曲性能试验：

法国高模量沥青混合料设计评价体系中并没有对沥青混合料的低温弯曲性能进行评价，本发明根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)对温拌再生高模量沥青混合料进行低温弯曲试验，用来评价其在低温条件下弯曲破坏的力学性能。

本试验采用温拌技术来拌合沥青混合料，外掺剂只选硫酸钙晶须(CSW)，混合料拌合温度控制在120～140℃之间，根据马歇尔法确定的毛体积密度来计算沥青混合料的制件质量，然后将沥青混合料装入长、宽、高分别为300mm×300mm×50mm的钢轮碾压车辙板试模中进行压实成型，车辙板试件成型后在平整的试验台上常温存放养生至少1周，以防止胶结料蠕变引起对低温性能的影响，常温养生后将车辙板试件利用高精度单面锯进行切割，切割低温弯曲小梁试件的尺寸为长250mm±2mm、宽30mm±2mm、高35mm±2mm的小梁试件，经测定，小梁的各项指标均符合规范的要求，为了减少由于小梁蠕变引起对低温弯曲试验的影响，需将小梁放在平整的试验台上备用。

在对沥青混合料进行低温拉伸性能试验时，先将小梁试件放在事先调好温度的环境保温箱中进行保温，控制温度为－10℃±0.5℃，保温时间至少3小时以上，确保小梁弯曲试件内部也达到试验温度为止。

本试验采用的测试力学设备为万能液压伺服试验机，数据采集设备为高精度电液伺服试验机压头，其上包括位移传感器，以用来测定小梁弯曲时的挠度，为了正确采集小梁跨中的挠度曲线，本次测试采用的加载速度为50mm/min。

试验参数设定完之后，将事先保温好的小梁试件放置在梁式试件支座之上，使加载头和小梁试件安放方向相互垂直，并使小梁弯曲试件两侧距离相等，试件安装完毕之后即开动压力机以规定的速率在小梁跨径中央施以集中荷载，当试件破坏时压力机便自动停止加载，加载头会自动采集数据并在电脑数据采集界面实时显示。

经数据采集和计算后，将不合格的试件剔除，并将不同旧料掺量下的试验参数经计算后取平均值列于下表16中，其对应的平均抗弯拉强度趋势图、平均最大弯拉应变趋势图和平均弯曲劲度模量趋势图如下附图6、7所示。

表16不同旧料掺量下的参数计算汇总表

旧料掺量比例(％)	0	40	50	60
					平均抗弯拉强度(MPa)	7.2	7.7	8.0	8.5
平均最大弯拉应变(με)	2348.5	2285.9	2251.3	3008.9
					平均弯曲劲度模量(MPa)	3048.7	3397.3	3572.4	2810.7

由上表16和附图6、7可以得出以下结论：

对于温拌再生高模量沥青混合料的低温弯曲性能，其最佳旧料掺配比例为50％，这时其抗弯拉强度达到了8.0MPa，平均最大弯拉应变达到了2251.3με，但是按照规范要求大于2000με还是合格的；平均弯曲劲度模量达到了峰值3572.4MPa，因此，根据外掺CSW下的温拌再生高模量沥青混合料的低温弯曲试验研究，本发明认为：当最佳旧料掺量为50％时其低温弯曲性能最佳。

9、最佳旧料掺配比例的确定：

为了确定最佳旧料掺配比例及其旧料最佳施工掺配比例范围，现将试验结果分别汇总于下表17中。

表17不同旧料掺量下的各项试验数据汇总表

旧料掺量比例(％)	0	40	50	60
					水敏仪法强度比(％)	82.8	84.1	80.7	86.7
车辙深度百分比(％)	8.99	5.58	4.32	5.64
					DS(次/mm)	2281.304	4846.149	5570.851	4532.376
劲度模量(MPa)	14111	26557	32754	25143
					疲劳次数(次)	8810	234166	119007	67298
平均最大弯拉应变(με)	2348.5	2285.9	2251.3	3008.9

由于各试验数据数量级不同，因此在进行数据优化时需将其转化成同一数量级。具体算法就是：由于水敏感性强度比、动稳定度、劲度模量、疲劳次数、平均最大弯拉应变以最大值为最优，故将其最大值定义为1，其他数据按相应线性比例关系进行换算；由于车辙深度百分比以最小为优，故先将车辙深度百分比转换成倒数，然后以倒数中的最大值为最优，将其定义为1，其他数据按相应比例进行换算，单位化换算后的数据列于下表18中。

表18不同旧料掺量下的各项试验结果单位化后数据汇总表

旧料掺量比例(％)	0	40	50	60
					水敏仪法强度比	0.96	0.97	0.93	1.0
车辙深度百分比	0.481	0.774	1.0	0.766
					DS(单位化)	0.41	0.87	1.0	0.81
劲度模量	0.43	0.81	1.0	0.77
					疲劳次数	0.038	1.0	0.508	0.287
平均最大弯拉应变	0.78	0.76	0.75	1.0

针对上表18的数据，通过数学软件Matlab对硫酸钙晶须(CSW)掺配下的各性能指标建立数学分析模型，由于旧料掺量为0％和40％之间的几组试验都没有做，而且经试验证明掺了旧料后的各项性能和新料相比性价比更高，故在建立模型时只考虑旧料掺量为40％、50％、60％这三种掺量下的情形，针对不同的性能，由于不同的地区对性能的需求也不同，本文针对不同的性能采用的权重均取1，自变量设为旧料掺量x，应变量为相应单位化后的性能指标y，则可建立数学模型如下：

(1)、水敏感性能模型拟合曲线：

y_{1} = 0.00055 x_{1}^{2} - 0.0535 x_{1} + 2.23 - - - (1)

(2)、车辙深度百分比模型拟合曲线：

y_{2} = - 0.0023 x_{2}^{2} + 0.2296 x_{2} - 4.73 - - - (2)

(3)、动稳定度(DS)模型拟合曲线：

y_{3} = - 0.0016 x_{3}^{2} + 0.157 x_{3} - 2.85 - - - (3)

(4)、劲度模量模型拟合曲线：

y_{4} = - 0.0021 x_{4}^{2} + 0.208 x_{4} - 4.15 - - - (4)

(5)、疲劳性能模型拟合曲线：

y_{5} = 0.001355 x_{5}^{2} - 0.1712 x_{5} + 5.678 - - - (5)

(6)、低温弯曲性能模型拟合曲线：

y_{6} = 0.0013 x_{6}^{2} - 0.118 x_{6} + 3.4 - - - (6)

将上式1～6左边和右边相加并合并同类项，自变量均相同，权重均为1，故整理后的模型公式如下式7所示，其对应的图形如附图8所示：

f(x)＝-0.0028x²+0.2519x-0.422 (7)

对于外掺剂为硫酸钙晶须(CSW)，结合上图1，对上式(7)求一阶导数，求得该式的最大值，即当旧料掺量为44.98％时，对于新型温拌再生高模量沥青混合料的综合性能为最好。

综上所述，结合沥青混合料的劲度模量和疲劳性能这两项主要性能，要想获得温拌再生高模量沥青混合料，最终确定最佳旧料掺量比例为45％，同时，可以确定出实际施工中的最佳旧料掺配范围是40％～50％之间。

在实际施工中，在拌合站拌料控制时，根据回收旧料的品质，可以将回收旧料的掺配比例控制在混合料总重的40％～50％之间，但最佳旧料掺配比例建议控制在45％左右。

Claims

1.一种沥青路面再生旧料最佳掺配比例的确定方法，其特征在于经过下列步骤：

步骤二，配合比设计：

（1）首先确定再生旧料的级配，然后将新掺集料进行分级筛分，其次是确定旧料掺配比例，即以再生旧料占混合料总量的的0%、40%、50%、60%的比例依次加入到新掺集料中，分别定义为级配一、级配二、级配三和级配四，并分别进行AC-20C级配的矿料配合比合成级配曲线，使新掺集料和再生旧料按其掺配比例混合后所形成混合矿料的级配接近再生沥青混合料的设计级配规定的中值；

（2）以最小二乘法计算原理为依据，取级配中值的各级筛孔通过率为自变量，取实际级配中各级筛孔的通过百分率为应变量，在Excel中建立规划求解计算模型并添加约束条件，使实际级配与级配中值通过百分率之间的方差最小，经计算后确定各掺配比例下的目标级配，然后采用马歇尔性能指标测试方法进行沥青混合料的性能试验，最终确定出最佳沥青用量；

（3）采用温拌技术，将确定用量的沥青和硫酸钙晶须加入到步骤（1）所得混合矿料中，得到再生沥青混合料；

步骤三，性能试验：将步骤二（3）所得再生沥青混合料进行下列性能试验：旋转压实试验、水敏感性试验、法国大型轮辙试验、高温抗车辙动稳定度试验、劲度模量试验、四点弯曲疲劳试验和低温弯曲性能试验；

2.根据权利要求1所述的沥青路面再生旧料最佳掺配比例的确定方法，其特征在于：所述步骤一的新掺集料是石灰岩。

3.根据权利要求1所述的沥青路面再生旧料最佳掺配比例的确定方法，其特征在于：所述步骤二（3）硫酸钙晶须的加入量是沥青用量的3%。