CN106290108B - 确定聚合物改性沥青混合料最佳压实温度的改进方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种确定聚合物改性沥青混合料最佳压实温度的改进方法，包括以下步骤：一、测定沥青在剪切速率25s‑1下的粘‑温曲线；二、根据0.52Pa·s确定初试压实温度；三、在初试压实温度下进行改性沥青混合料配合比设计；四、根据0.38–0.75Pa·s选择三个目标压实温度成型沥青混合料试件，选用二次函数拟合压实能量指数随压实温度变化的凹形趋势，确定拟合曲线极小值对应的最佳压实温度；五、在最佳压实温度下成型沥青混合料试件，以验证初试压实温度下空隙率与最佳压实温度下空隙率差值是否小于等于0.10％。本发明具有理论依据明确、技术指标易于测量、试验结果精确可信等特点。
Description
技术领域
本发明属于道路工程领域，涉及一种确定压实温度的改进方法，特别是涉及一种确定聚合物改性沥青混合料最佳压实温度的改进方法。
背景技术
在沥青混合料压实过程中，集料之间的摩擦力随着压实温度的升高先减小后增大，存在一个最佳压实温度。在此压实温度下，集料之间的摩擦力最小，压实过程中所需的压实功趋于极小值，沥青混合料试件的密度趋于极大值(参见[Sefidmazgi N R,Teymourpour P,Bahia H U.Effect of particle mobility on aggregate structureformation in asphalt mixtures[J].Road Mater Pavement,2013(Sup2):16-34.])。文中将此温度定义为沥青混合料的最佳压实温度。最佳压实温度是确定聚合物改性沥青混合料施工温度的重要参数。
目前，国内外确定聚合物改性沥青混合料压实温度的方法主要有两类，第一类方法选定与粘度标准对应的温度作为压实温度，简称粘度标准法。具有代表性的粘度标准包括：零剪切粘度(剪切速率趋于零)6.0Pa·s(参见[Bahia H U,Hanson D,Zeng M,Zhai H,Khatri M,Anderson R.Characterization of modified asphalt binders in Superpavemix design[R].Transportation research board,2001.])、剪切速率60s-1下的0.28Pa·s(参见[李宁利,李铁虎,陈华鑫,张争奇.改性沥青混合料的拌和与压实温度[J].中国公路学报,2007(2):40-44.])、剪切速率500s-1下的0.55Pa·s(参见[Yildirim Y,Ideker J,Hazlett D.Evaluation of viscosity values for mixing and compactiontemperatures[J].J Mater Civil Eng,2006(4):545-553.]与[Yildirim Y,Kennedy TW.Calculation of shear rate on asphalt binder in the Superpave gyratorycompactor[J].Turkish J Eng Env Sci,2003(6):375-381.])等多种。第一类方法不进行沥青混合料试验，忽略了集料组成对压实温度的影响，得到的压实温度并非最佳压实温度。
第二类方法采用沥青混合料试验确定最佳压实温度，简称二次函数拟合法。二次函数拟合法主要包括两个步骤：首先，根据经验估计初试压实温度，并在此温度下进行改性沥青混合料配合比设计；然后，根据配合比设计结果在多个目标压实温度下成型混合料试件，用二次函数拟合空隙率随压实温度变化的凹形曲线，以空隙率极小值(密度极大值)对应的压实温度作为最佳压实温度(参见[李宁利,李铁虎,陈华鑫,张争奇.改性沥青混合料的拌和与压实温度[J].中国公路学报,2007(2):40-44.])。二次函数拟合法中的初试压实温度、目标压实温度等核心技术参数源自人为经验，为了尽量在一次试验中获得最佳压实温度，往往需要选取五个及以上的目标压实温度，增加了试验的工作量。此外，在二次函数拟合法中，没有误差控制环节，无法控制初试压实温度与最佳压实温度估计值之间的差值，导致聚合物改性沥青混合料最佳压实温度的确定存在较大的误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种确定聚合物改性沥青混合料最佳压实温度的改进方法，该方法具有理论依据明确、技术指标易于测量、试验结果精确可信等特点。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种确定聚合物改性沥青混合料最佳压实温度的改进方法，其特征在于，所述确定聚合物改性沥青混合料最佳压实温度的改进方法包括以下步骤：
步骤一：测定聚合物改性沥青在剪切速率25s-1下的粘-温曲线；
步骤二：根据0.52Pa·s确定初试压实温度；
步骤三：在初试压实温度下进行改性沥青混合料配合比设计；
步骤四：根据0.38–0.75Pa·s选择三个目标压实温度成型试件，选用二次函数拟合压实能量指数随压实温度变化的凹形趋势，确定拟合曲线极小值对应的最佳压实温度；
步骤五：在最佳压实温度下成型沥青混合料试件，以验证初试压实温度下空隙率与最佳压实温度下空隙率差值是否小于等于0.10％，如果空隙率差值满足要求，则完成最佳压实温度确定；如果空隙率差值大于0.10％，则以此步骤中的最佳压实温度为初试压实温度，重复步骤三、步骤四、步骤五，直至空隙率差值满足要求。
优选地，所述确定聚合物改性沥青混合料最佳压实温度的改进方法得到剪切速率25s-1下的改性沥青粘-温曲线。
优选地，所述确定聚合物改性沥青混合料最佳压实温度的改进方法以粘度值0.52Pa·s在粘-温曲线上的对应温度作为改性沥青混合料的初试压实温度。
优选地，所述确定聚合物改性沥青混合料最佳压实温度的改进方法在初试压实温度下进行改性沥青混合料设计时，采用Superpave旋转压实仪成型沥青混合料试件。
优选地，所述确定聚合物改性沥青混合料最佳压实温度的改进方法根据0.38–0.75Pa·s在粘-温曲线上对应的温度范围，选择三个目标压实温度成型沥青混合料试件。
优选地，所述确定聚合物改性沥青混合料最佳压实温度的改进方法采用二次函数进行拟合压实能量指数-压实温度曲线上呈“凹形”趋势的三个数据点，以二次函数极小值对应的压实温度确定最佳压实温度。
优选地，所述确定聚合物改性沥青混合料最佳压实温度的改进方法在最佳压实温度下成型试件，测定试件的体积参数；以初试压实温度下混合料试件空隙率与最佳压实温度下试件空隙率差值不大于0.10％作为控制标准，判断最佳压实温度确定的过程是否结束。
优选地，所述确定聚合物改性沥青混合料最佳压实温度的改进方法增加了最佳压实温度确定的误差控制环节，若初试压实温度下混合料试件空隙率与最佳压实温度下试件空隙率差值不大于0.10％，完成最佳压实温度的确定；若初试压实温度下混合料试件空隙率与最佳压实温度下试件空隙率差值大于0.10％，则以此步骤中的最佳压实温度为初试压实温度，重复步骤三、步骤四、步骤五，直至空隙率差值满足要求。
为了验证这种方法的可靠性，本发明结合下文的实施例进行了以下论证：
论证一：选用八种改性沥青混合料建立了旋转粘度计剪切速率量程范围内(0.3–25s-1)粘度与压实能量指数的拟合关系，证实剪切速率25s-1下粘度与最佳压实温度下的CEI相关性最好。
论证二：选用九种改性沥青混合料验证了最佳压实温度下改性沥青的粘度样本服从对数正态分布，粘度值0.52Pa·s是对数正态分布概率密度函数的众数，最佳压实温度下的改性沥青粘度样本在0.52Pa·s下出现概率最大、在0.38–0.75Pa·s粘度范围出现的概率为95.0％。证实了采用0.52Pa·s、0.38–0.75Pa·s确定最佳压实温度的合理性。
论证三：选用九种改性沥青混合料验证压实温度对试件空隙率的影响，得到与最佳压实温度偏差10℃条件下成型试件的空隙率与最佳压实温度下成型试件的空隙率偏差均值为0.10％。采用初试压实温度下试件空隙率与最佳压实温度下试件空隙率偏差均值0.10％作为标准，可保证初试压实温度与最佳压实温度的偏差均值不高于10℃。
论证四：选用九种改性沥青混合料，分别采用二次函数拟合法和改进的二次函数拟合法确定最佳压实温度，改进的二次函数拟合法和二次函数拟合法确定的最佳压实温度差异绝对值的平均数为2.6℃，接近压实温度可控波动幅度的下限，采用改进的二次函数拟合法进行改性沥青混合料最佳压实温度的确定是准确的。
综上所述，本发明提供的确定改性沥青混合料最佳压实温度的改进方法，与第一类方法(粘度标准法)、第二类方法(二次函数拟合法)相比，具有以下优点：
(1)若使用剪切速率量程范围外的粘度指标(零剪切粘度、剪切速率60s-1下的粘度、剪切速率500s-1下的粘度)确定最佳压实温度，则需至少测定三个剪切速率下的粘度，并采用粘度-剪切速率关系模型，预估剪切速率量程外的粘度值以确定最佳压实温度。试验采取的剪切速率在常用的第一代旋转粘度计剪切速率量程范围内(0.3–25s-1)，可以在剪切速率25s-1直接测量沥青粘度，粘度测试环节工作量减少约67％，而且可以有效减小由预估模型预估剪切速率量程范围外粘度、并用其确定最佳压实温度增加的系统误差。
(2)试验方法采用最佳压实温度下粘度概率密度函数的众数，即剪切速率25s-1下的0.52Pa·s确定初试压实温度，最佳压实温度下的改性沥青粘度样本在此粘度下出现概率最大。以粘度概率分布众数确定初试压实温度的理论意义明确，使得初试压实温度确定更加准确，避免了人为经验估计带来的较大误差。
(3)试验方法选用最佳压实温度出现概率95.0％条件下的粘度范围，即剪切速率25s-1下的0.38–0.75Pa·s确定三个目标压实温度，与选取五个及以上目标压实温度的第二类方法(二次函数拟合法)相比，有效地缩减了目标压实温度的范围，沥青混合料试件成型环节工作量减小了40％以上。
(4)增加了误差控制环节，要求初试压实温度下成型试件的空隙率与最佳压实温度下成型试件的空隙率差值不超过0.10％，保证初试压实温度与最佳压实温度的平均差异不超过10℃。
(5)由改进的二次函数拟合法确定的最佳压实温度精确度较高。改进的二次函数拟合法和二次函数拟合法确定的最佳压实温度差异绝对值的平均数为2.6℃，接近压实温度可控波动幅度的下限。
附图说明
图1为本发明最佳压实温度对应粘度的对数正态分布形式图。
图2为本发明压实能量指数CEI(Compaction energy index)与压实温度T的二次函数拟合结果示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
利用现有第二类方法(二次函数拟合法)确定改性沥青混合料的最佳压实温度，对本发明选取剪切速率25s-1下的粘度指标进行最佳压实温度确定的可靠性进行验证，具体过程包括以下步骤：
步骤S1：以生产商推荐的压实温度为目标压实温度的中值，以10℃为间隔选取五个目标压实温度；
步骤S2：成型沥青混合料试件。在每个压实温度下用设计压实次数成型至少三个有效的平行试件。测定沥青混合料装模后、压实前的温度。当实测压实温度与目标压实温度差值超过5℃时，舍弃该试件；
步骤S3：测量试件空隙率，计算压实能量指数CEI(Compaction energy index)。CEI计算方法参照文献：张争奇,袁迎捷,王秉纲.沥青混合料旋转压实密实曲线信息及其应用[J].中国公路学报,2005,18(3):1-6.和Bahia H U,Friemel T P,Peterson P A,Russell J S,Poehnelt B.Optimization of constructibility and resistance totraffic:a new design approach for HMA using the Superpave compactor[J].JAssoc Asph Technol,1998:189-232；
步骤S4：采用二次曲线拟合CEI随压实温度变化的凹形曲线，最佳压实温度为CEI极小值对应的温度。
本发明选用八种国内外典型改性沥青混合料，采用第二类方法(二次函数拟合法)确定最佳压实温度、最佳压实温度对应的压实能量指数极小值(CEImin)，比较最佳压实温度下旋转粘度仪量程(0.3-25s-1)范围内0.3、5、10、15、20、25s-1对应的粘度η0.3、η5、η10、η15、η20、η25与CEImin相关性，结果见表1。
表1不同剪切速率下粘度与压实能量指数极小值拟合结果表
| 剪切速率(s<sup>-1</sup>) | 拟合方程 | R<sup>2</sup> | p |
| 0.3 | CEI<sub>min</sub>＝41.754ln(η<sub>0.3</sub>)+96.051 | 0.65 | 0.0163 |
| 5 | CEI<sub>min</sub>＝49.927ln(η<sub>5.0</sub>)+104.29 | 0.74 | 0.0058 |
| 10 | CEI<sub>min</sub>＝51.946ln(η<sub>10</sub>)+106.76 | 0.77 | 0.0043 |
| 15 | CEI<sub>min</sub>＝53.102ln(η<sub>15</sub>)+108.28 | 0.78 | 0.0036 |
| 20 | CEI<sub>min</sub>＝53.907ln(η<sub>20</sub>)+109.39 | 0.79 | 0.0032 |
| 25 | CEI<sub>min</sub>＝54.454ln(η<sub>25</sub>)+110.19 | 0.80 | 0.0028 |
由表1中数据可知：相关系数平方(R2)随着剪切速率增加逐渐增加，增加幅度逐渐减小；显著性水平(p)随着剪切速率增加逐渐减小，减小幅度逐渐减小。当剪切速率达到旋转粘度仪剪切速率量程上限25s-1时，相关系数平方最大，为0.80，显著水平(p)最小，为0.0028。继续增加剪切速率，对提升拟合相关性影响较小，剪切速率每增加5s-1，相关系数平方提升不超过0.1。试验结果说明：在剪切速率量程范围内，剪切速率25s-1下的改性沥青粘度与最佳压实温度下沥青混合料的CEImin具有最优的拟合关系，以剪切速率25s-1下的粘度指标确定最佳压实温度是可靠的。
实施例2
利用实施例1中的二次函数拟合法确定改性沥青混合料的最佳压实温度，对本发明选取剪切速率25s-1下0.52Pa·s确定初试压实温度、选取0.38–0.75Pa·s确定目标压实温度范围的可靠性进行验证，具体过程为：
采用实施例1中的二次函数拟合法确定了改性沥青混合料的最佳压实温度、最佳压实温度对应的粘度，见表2。根据Shapiro-Wilk检验确定最佳压实温度对应粘度的对数值服从正态分布，即最佳压实温度对应粘度符合对数正态分布(Shapiro-Wilk检验相关方法请参见：梁小筠.正态性检验[M].中国统计出版社,1997.)。最佳压实温度对应粘度对数自然分布的概率密度函数见图1。
图1中，实线1为最佳压实温度对应粘度的概率密度函数，虚线2对应的纵坐标是概率密度函数的极大值，虚线3对应的横坐标是概率密度函数的众数0.52Pa·s，虚线4对应的是95.0％概率下的粘度范围0.38–0.75Pa·s。
表2最佳压实温度及其对应的粘度结果表
如图1所示，概率密度函数的众数为剪切速率25s-1下0.52Pa·s，此粘度对应的温度为最佳压实温度的概率最大，选用此粘度进行初试压实温度的确定，理论依据明确，可以准确、简便的估计改性沥青混合料的最佳压实温度，保证初试压实温度趋于最佳压实温度的可能性最大。在95.0％的概率下，最佳压实温度对应的粘度出现在剪切速率25s-1下的0.38–0.75Pa·s范围内。选用此粘度范围进行目标压实温度的确定，可以保证一次性确定最佳压实温度的概率不低于95.0％。同时，文中九种改性沥青混合料由剪切速率25s-1下的0.38–0.75Pa·s确定的目标压实温度范围在14–21℃范围内，可以通过选择温度间隔约为10℃的三个目标压实温度予以覆盖，与选取五个及以上目标压实温度第二类方法(二次函数拟合法)相比，沥青混合料试件成型环节试验工作量可以减少40％以上。
实施例3
利用实施例1中的二次函数拟合法确定改性沥青混合料的最佳压实温度，证实本发明选取空隙率差值0.10％进行体积参数验证的可靠性，具体过程为：
采用实施例1的二次函数拟合法建立空隙率(VA)与压实温度(T)的二次函数拟合方程，计算最佳压实温度±10℃对应的空隙率与最佳压实温度对应的最小空隙率(VAmin)的差值(ΔVA)，计算结果见表3。
如表3中数据所示，空隙率增加值ΔVA在0.06％–0.17％范围内，九种改性沥青混合料ΔVA的平均值为0.10％。试验结果说明：本发明以初试压实温度与最佳压实温度下试件的空隙率差值不大于0.10％为标准，可以保证初试压实温度与最佳压实温度的平均差值在10℃以内。
表3在最佳压实温度基础上增、减10℃对空隙率的影响表
实施例4
为了明确本发明提出的确定聚合物改性沥青混合料最佳压实温度的改进方法，现结合一个SBS改性沥青混合料确定最佳压实温度的实例加以说明。
步骤S1：测定SBS改性沥青在剪切速率25s-1下的粘-温曲线。
参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的“沥青布氏旋转粘度试验”测定改性沥青的粘度。测定温度为135、160、185℃。在21号、27号、29号转子中选择一种转子型号进行粘度测定。为了得到剪切速率25s-1下的沥青粘度，21号、27号、29号转子对应的转速分别为27、74、100转/min。得到剪切速率25s-1下的沥青粘度分别为1454、500、208mPa·s。
步骤S2：根据0.52Pa·s确定初试压实温度。
根据剪切速率25s-1下的粘度测试结果，采用公式(1)表征的方程进行粘-温曲线回归，得到粘-温曲线参数：m为7.518、n为2.688。计算粘度值0.52Pa·s(520mPa·s)在粘-温曲线上的对应温度为159℃，以此温度作为改性沥青混合料的初试压实温度T0。
log10(log10(η25))＝m-n·log10(273.15+T) (1)
式中：η25为剪切速率25s-1对应的沥青粘度，mPa·s；T为压实温度，℃；m为粘-温曲线截距，n为粘-温曲线斜率。
步骤S3：在初试压实温度下进行改性沥青混合料设计。
参照Superpave沥青混合料配合比设计方法进行沥青混合料的配合比设计，采用Superpave旋转压实仪成型沥青混合料试件(请参照：Harman T,D'Angelo J,BukowskiJ.Superpave asphalt mixture design workshop workbook[M].US Department ofTransportation,Federal Highway Administration,2002.)，配合比设计中的压实温度取为改性沥青混合料的初试压实温度T0。本实施例中，初试压实温度T0为159℃，试件在初试压实温度下的空隙率为4.0％。
步骤S4：根据0.38–0.75Pa·s选择三个目标压实温度成型试件，选用二次函数拟合压实能量指数CEI随压实温度变化的凹形趋势，确定拟合曲线极小值对应的最佳压实温度。
根据公式(1)，计算与沥青粘度范围0.38–0.75Pa·s对应的压实温度范围为150–167℃。选取150、159、168℃为目标压实温度，以覆盖此目标压实温度范围。选用与配合比设计相同的压实次数、目标高度、级配比例、油石比等参数，在确定的目标压实温度下成型混合料试件。
采用插入式温度计测量沥青混合料装模后、压实前的压实温度，当压实温度实测值与目标压实温度的偏差超过温度间隔的50％时则舍弃该试件。
沥青混合料压实过程中的压实能量指数CEI计算结果见表4，CEI与压实温度(T)二次函数拟合关系见图2。在图2中，实曲线1为CEI-T二次函数曲线(CEI＝0.1835T2-59.118T+4837.5)，虚线2对应的纵坐标为二次函数拟合曲线极小值，虚线3所对应的横坐标为最佳压实温度。
根据图2的二次函数拟合结果，以二次函数极小值(76.0)对应的压实温度(161℃)作为SBS改性沥青混合料的最佳压实温度。
表4不同实测压实温度下压实能量指数CEI结果表
| 目标压实温度(℃) | 实测压实温度(℃) | CEI |
| 150 | 154.4 | 84.0 |
| 159 | 160.0 | 76.0 |
| 168 | 170.2 | 91.0 |
步骤S5：在最佳压实温度下成型试件，以验证初试压实温度下试件空隙率与最佳压实温度下试件空隙率差值是否小于等于0.10％。如果空隙率差值满足要求，则完成最佳压实温度确定；如果空隙率差值大于0.10％，则以此步骤中的最佳压实温度为初试压实温度，重复步骤三、步骤四、步骤五，直至空隙率差值满足要求。
在161℃下成型SBS改性沥青混合料试件，测定试件的空隙率为4.0％，与初试压实温度下成型的混合料试件的空隙率偏差为零，不超过0.10％，且各项体积参数满足规范要求，则确定最佳压实温度为161℃。
实施例5
选用国内外典型的九种改性沥青混合料，采用实施例1中的二次函数拟合法、实施例4中改进的二次函数拟合法确定了改性沥青混合料的最佳压实温度，以验证改进的二次函数拟合法确定的最佳压实温度的准确程度。由二次函数拟合法与改进的二次函数拟合法确定的最佳压实温度见表5。
由表5中数据可知，对于国内外典型的九种改性沥青混合料，改进的二次函数拟合法和二次函数拟合法确定的最佳压实温度差异均在5℃以内，差异绝对值的平均数为2.6℃。在沥青混合料成型过程中，实测压实温度存在较大的变异性，2.6℃已经接近压实温度可控波动幅度的下限。因此采用改进的二次函数拟合法进行改性沥青混合料最佳压实温度的确定是准确的。
表5二次函数拟合法与改进的二次函数拟合法确定的最佳压实温度比较表
还需指出的是，以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种确定聚合物改性沥青混合料最佳压实温度的改进方法，其特征在于，所述确定聚合物改性沥青混合料最佳压实温度的改进方法包括以下步骤：
步骤一：测定聚合物改性沥青在剪切速率25 s-1下的粘-温曲线；
步骤二：根据0.52 Pa·s确定初试压实温度；
步骤三：在初试压实温度下进行改性沥青混合料配合比设计；
步骤四：根据0.38–0.75 Pa·s选择三个目标压实温度成型试件，选用二次函数拟合压实能量指数随压实温度变化的凹形趋势，确定拟合曲线极小值对应的最佳压实温度；
步骤五：在最佳压实温度下成型沥青混合料试件，以验证初试压实温度下空隙率与最佳压实温度下空隙率差值是否小于等于0.10%，如果空隙率差值满足要求，则完成最佳压实温度确定；如果空隙率差值大于0.10%，则以此步骤中的最佳压实温度为初试压实温度，重复步骤三、步骤四、步骤五，直至空隙率差值满足要求。
2.如权利要求1所述的确定聚合物改性沥青混合料最佳压实温度的改进方法，其特征在于，所述确定聚合物改性沥青混合料最佳压实温度的改进方法在初试压实温度下进行改性沥青混合料设计时采用Superpave旋转压实仪成型沥青混合料试件。
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