CN107540274A - 内摩擦角与粘聚力的泡沫沥青冷再生混合料配比设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内摩擦角与粘聚力的泡沫沥青冷再生混合料配比设计方法，包括根据直剪试验或三轴压缩试验测得的内摩擦角确定再生材料最佳级配；确定沥青最佳发泡条件后选取3～4种不同泡沫沥青用量，利用击实试验确定最佳含水量；在最佳含水量下成型并浸水养生试件，利用三轴压缩试验得出的粘聚力确定最佳泡沫沥青用量；根据以上最佳泡沫沥青用量以及再生材料最佳级配确定泡沫沥青冷再生混合料配比设计。此法相比于现行基于干湿劈裂强度的泡沫沥青混合料设计方法，在考虑材料抗拉强度的同时，更加针对地考虑了泡沫沥青混合料使用过程中两种最主要的破坏形式：水损坏以及由于剪切应变不断积累造成的永久变形。

Description

内摩擦角与粘聚力的泡沫沥青冷再生混合料配比设计方法

技术领域

本发明涉及一种基于内摩擦角与粘聚力的泡沫沥青冷再生混合料设计方法，属于道路工程领域。

背景技术

泡沫沥青冷再生是沥青类道路材料冷再生方面常用的技术之一，其能够充分发挥旧路面材料的剩余价值，符合低碳环保的大潮流。目前广泛使用的泡沫沥青冷再生混合料设计方法是基于干湿劈裂强度指标的设计方法，其充分考虑了泡沫沥青混合料的弯拉性能，但此方法也有其局限性：未充分考虑泡沫沥青混合料的抗剪切性能，而由于剪切应变不断积累造成的永久变形正是目前泡沫沥青混合料使用过程中最为主要的破坏形式之一。因此，现存设计方法的局限性导致其不能完全保证泡沫沥青混合料的服务性能。

发明内容

本发明的目的是针对泡沫沥青混合料使用过程中两种最主要的破坏形式：水损坏以及由于剪切应变不断积累造成的永久变形。为了在设计中考虑泡沫沥青混合料抗拉性能的同时，更好地考虑混合料的抗剪切性能以及抗水损性能，发明了基基于内摩擦角与粘聚力的泡沫沥青冷再生混合料配比设计方法。该方法以泡沫沥青混合料内摩擦角与粘聚力为主要指标，同时兼顾了混合料抗剪切，抗弯拉以及抗水损性能。其能够更好地保证设计出的泡沫沥青混合料在使用过程中的服务性能。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明的内摩擦角与粘聚力的泡沫沥青冷再生混合料配比设计方法，包括以下步骤：

步骤a)回收分析沥青路面材料后，基于内摩擦角从中确定一组最佳级配；

步骤b)利用最佳发泡条件下的发泡沥青与步骤a)的最佳级配，在最佳含水量条件下成型三轴压缩试验试件，基于粘聚力选取最佳油量；

步骤c)将步骤a)与步骤b)的最佳级配与最佳泡沫沥青用量组合，进行混合料性能检测，完成混合料最终配合比设计。

优选的：所述步骤a)中基于内摩擦角从中确定一组最佳级配的方法：

首先获取原沥青路面铣刨材料，使用筛分实验对回收材料进行级配分析，筛分前应将回收材料进行烘干至恒重，去除回收材料中的水分；在此基础上，进行材料级配初步设计；选取2-3组不同级配设计；级配设计完成后分别进行烘干至恒重，然后分别测试不同级配设计的内摩擦角值；选取内摩擦角值最大的一组级配作为最佳级配。

优选的：所述步骤a)中采用直剪实验或固结三轴压缩试验分别测试不同级配设计的内摩擦角值。

优选的：所述步骤a)中级配设计中对细集料进行补充。

优选的：所述步骤b)中利用最佳发泡条件下的发泡沥青与步骤a)的最佳级配，在最佳含水量条件下成型三轴压缩试验试件，基于粘聚力选取最佳油量的方法：首先利用发泡实验，确定半衰期以及膨胀率最大的泡沫沥青发泡条件，并在该发泡条件下进行泡沫沥青的制备以供使用；利用最佳发泡条件下的发泡沥青与步骤a)获取的最佳级配，选取3-4组不同泡沫沥青用量，利用击实试验确定最佳含水量；在最佳含水量下击实成型三轴压缩试验试件，成型试件时需采用经过改进的马歇尔击实仪，以成型尺寸适合三轴试验的试件；试件经过恒温箱中养生后置于水中养生；成型试件时亦可先采用传统马歇尔击实仪成型，经过恒温箱中养生后采用钻取芯样的方法钻取尺寸适合三轴试验的试件，再将钻取得试件置于水中养生；将经过浸水养生的试件取出后立即进行固结排水三轴压缩试验，分别得出不同油量下试件粘聚力c值；各组试件实验时施荷速率以及试验温度相同；得出实验结果后选取粘聚力c值最大的一组油量作为最佳油量。

优选的：所述步骤b)中所述恒温箱中温度为55-65℃，在恒温箱中养生时间为70-74h；水中养生温度为15-25℃，水中养生时间为20-26h。

优选的：所述步骤c)中将步骤a)与步骤b)的最佳级配与最佳泡沫沥青用量组合，进行混合料性能检测，完成混合料最终配合比设计的方法：泡沫沥青混合料分别选用采用步骤a)中的最佳级配与步骤b)中的最佳油量，组合形成最终的泡沫沥青混合料设计方案；最终设计出的泡沫沥青混合料应满足泡沫沥青冷再生混合料设计指标的要求；若检测出不符合要求，则应退回至步骤a)重新选取级配设计，重新选择的级配设计内摩擦角应大于之前选定的值，重复上述设计过程进行重新设计；直至设计结果满足规范要求。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

本发明提供的内摩擦角与粘聚力的泡沫沥青冷再生混合料设计方法，在级配选择中以内摩擦角为主要参考指标；在泡沫沥青油量选择中以粘聚力为主要参考指标，同时配合以浸水养生，固结排水三轴压缩试验等措施，在针对水损坏以及由于剪切应变不断积累造成的永久变形这两种泡沫沥青混合料使用过程中最主要的破坏形式进行设计的同时，兼顾了混合料的抗弯拉性能。因此此法设计出的泡沫沥青混合料在实际使用过程中能够达到更好的使用性能。

附图说明

图1为本发明的泡沫沥青混合料设计方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

内摩擦角与粘聚力的泡沫沥青冷再生混合料配比设计方法，包括根据直剪试验或三轴压缩试验测得的内摩擦角确定再生材料最佳级配；确定沥青最佳发泡条件后选取3～4种不同泡沫沥青用量，利用击实试验确定最佳含水量；在最佳含水量下成型并浸水养生试件，利用三轴压缩试验得出的粘聚力确定最佳泡沫沥青用量；根据以上最佳泡沫沥青用量以及再生材料最佳级配确定泡沫沥青冷再生混合料配比设计。本设计方法基于内摩擦角以及粘聚力，以混合料的抗剪切性能以及混合料粘聚力为重点，并配合以浸水养生进行混合料的设计。

为了确保设计出的混合料抗剪切性能，利用直剪试验或三轴压缩试验对2～3组不同级配设计进行初步筛选。

为确保泡沫沥青达到最佳使用效果，根据现行《公路沥青路面再生技术规范》(JTGF41-2008)附录E并泡沫沥青发泡实验方法确定泡沫沥青最佳发泡条件。为了确保三轴试件能够达到最佳状态，要求依照现行《公路土工试验规程》(JTG E40)T 0131方法进行击实试验，确定矿料最佳含水率。并在该最佳含水率以及泡沫沥青最佳发泡条件下成型泡沫沥青混合料三轴试验试件。

为了确保泡沫沥青混合料的抗水损性能，在实验前将试件浸于20摄氏度水中养生24h，使用固结排水三轴压缩试验。为考虑泡沫沥青混合料抗剪切性能的同时兼顾混合料的抗弯拉性能，使用固结排水三轴压缩实验时以混合料粘聚力c值为参考指标，选取c值最大的泡沫沥青用量作为最佳泡沫沥青油量。

为了确保最终设计出的泡沫沥青混合料符合现行《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2008)对泡沫沥青混合料的性能要求，仍需对最终设计出的混合料按照规范中5.5.3泡沫沥青混合料设计指标规定进行检测，若不符合其规定，则重新选择不同级配设计，重新选择的级配设计内摩擦角应大于之前选定的值。重复该设计方法中的步骤进行设计，直至设计结果符合规范中5.5.3泡沫沥青混合料设计指标的规定。

结合图1，说明基于内摩擦角与粘聚力的泡沫沥青冷再生混合料设计方法的设计过程。

步骤一：回收分析沥青路面材料后，基于内摩擦角从中确定一组最佳级配

首先获取原沥青路面铣刨材料，使用筛分实验对回收材料进行级配分析，筛分前应将回收材料进行烘干至恒重，去除回收材料中的水分。在此基础上，进行材料级配初步设计。选取2～3组不同级配设计，选取的级配设计应满足《公路沥青路面再生技术规范》(JTGF41-2008)中5.5.2泡沫沥青冷再生混合料设计级配范围的要求。应注意再生材料一般缺乏细集料，级配设计中对细集料需要进行适当补充。级配设计完成后分别进行烘干至恒重，然后使用直剪实验或固结(排水或不排水)三轴压缩试验分别测试不同级配设计的内摩擦角值。试验时施荷速率可自行选择，其对结果无影响。但应保证各组试件实验时施荷速率以及试验温度应相同。选取内摩擦角值最大的一组级配作为最佳级配。

步骤二：基于粘聚力选取最佳油量

首先利用发泡实验，确定半衰期以及膨胀率最大的泡沫沥青发泡条件，并在该发泡条件下进行泡沫沥青的制备以供使用。按照经验选取3～4组不同泡沫沥青用量，利用击实试验确定最佳含水量。在最佳含水量下击实成型三轴压缩试验试件，成型试件时需采用经过改进的马歇尔击实仪，以成型尺寸适合三轴试验的试件。试件经过60℃恒温箱中养生72h后置于20℃水中养生24h。成型试件时亦可先采用传统马歇尔击实仪成型，经过60℃恒温箱中养生72h后采用钻取芯样的方法钻取尺寸适合三轴试验的试件，再将钻取得试件置于20℃水中养生24h。试件尺寸可以参考表1中数值，亦可自行选取适合三轴试验仪的试件尺寸。将经过24h浸水养生的试件取出后立即进行固结排水三轴压缩试验，分别得出不同油量下试件粘聚力c值。三轴实验时施荷速率可自行选择，其对结果无影响，同时试验温度宜在20℃室温下进行。对于南方等气候温热地区亦可在50℃高温环境下进行实验，但应注意保证各组试件实验时施荷速率以及试验温度需相同。得出实验结果后选取粘聚力c值最大的一组油量作为最佳油量。

表1三轴试件参考尺寸

名称	直径(mm)	高(mm)
			三轴试验仪试件	100	200

步骤三：将前两步获取的最佳级配与最佳泡沫沥青用量组合形成最后混合料设计

泡沫沥青混合料分别选用步骤一中的最佳级配与步骤二中的最佳油量，组合形成最终的泡沫沥青混合料设计方案。最终设计出的泡沫沥青混合料应满足现行《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2008)中5.5.3对泡沫沥青冷再生混合料设计指标的要求。若检测出不符合规范要求，则应退回至步骤一重新选取级配设计，重新选择的级配设计内摩擦角应大于之前选定的值，重复上述设计过程进行重新设计。直至设计结果满足规范要求。

本设计方法基于内摩擦角以及粘聚力，以混合料的抗剪切性能以及混合料粘聚力为重点，并配合以浸水养生进行混合料的设计。此法相比于现行基于干湿劈裂强度的泡沫沥青混合料设计方法，在考虑材料抗拉强度的同时，更加针对地考虑了泡沫沥青混合料使用过程中两种最主要的破坏形式：水损坏以及由于剪切应变不断积累造成的永久变形。因此此法的设计结果能够达到更好的使用性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种内摩擦角与粘聚力的泡沫沥青冷再生混合料配比设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a)回收分析沥青路面材料后，基于内摩擦角从中确定一组最佳级配；

步骤b)利用最佳发泡条件下的发泡沥青与步骤a)的最佳级配，在最佳含水量条件下成型三轴压缩试验试件，基于粘聚力选取最佳油量；

步骤c)将步骤a)与步骤b)的最佳级配与最佳泡沫沥青用量组合，进行混合料性能检测，完成混合料最终配合比设计。

2.根据权利要求1所述内摩擦角与粘聚力的泡沫沥青冷再生混合料配比设计方法，其特征在于：所述步骤a)中基于内摩擦角从中确定一组最佳级配的方法：

首先获取原沥青路面铣刨材料，使用筛分实验对回收材料进行级配分析，筛分前应将回收材料进行烘干至恒重，去除回收材料中的水分；在此基础上，进行材料级配初步设计；选取2-3组不同级配设计；级配设计完成后分别进行烘干至恒重，然后分别测试不同级配设计的内摩擦角值；选取内摩擦角值最大的一组级配作为最佳级配。

3.根据权利要求2所述内摩擦角与粘聚力的泡沫沥青冷再生混合料配比设计方法，其特征在于：所述步骤a)中采用直剪实验或固结三轴压缩试验分别测试不同级配设计的内摩擦角值。

4.根据权利要求2所述内摩擦角与粘聚力的泡沫沥青冷再生混合料配比设计方法，其特征在于：所述步骤a)中级配设计中对细集料进行补充。

5.根据权利要求1所述内摩擦角与粘聚力的泡沫沥青冷再生混合料配比设计方法，其特征在于：所述步骤b)中利用最佳发泡条件下的发泡沥青与步骤a)的最佳级配，在最佳含水量条件下成型三轴压缩试验试件，基于粘聚力选取最佳油量的方法：首先利用发泡实验，确定半衰期以及膨胀率最大的泡沫沥青发泡条件，并在该发泡条件下进行泡沫沥青的制备以供使用；利用最佳发泡条件下的发泡沥青与步骤a)获取的最佳级配，选取3-4组不同泡沫沥青用量，利用击实试验确定最佳含水量；在最佳含水量下击实成型三轴压缩试验试件，成型试件时需采用经过改进的马歇尔击实仪，以成型尺寸适合三轴试验的试件；试件经过恒温箱中养生后置于水中养生；成型试件时亦可先采用传统马歇尔击实仪成型，经过恒温箱中养生后采用钻取芯样的方法钻取尺寸适合三轴试验的试件，再将钻取得试件置于水中养生；将经过浸水养生的试件取出后立即进行固结排水三轴压缩试验，分别得出不同油量下试件粘聚力c值；各组试件实验时施荷速率以及试验温度相同；得出实验结果后选取粘聚力c值最大的一组油量作为最佳油量。

6.根据权利要求5所述内摩擦角与粘聚力的泡沫沥青冷再生混合料配比设计方法，其特征在于：所述步骤b)中所述恒温箱中温度为55-65℃，在恒温箱中养生时间为70-74h；水中养生温度为15-25℃，水中养生时间为20-26h。

7.根据权利要求1所述内摩擦角与粘聚力的泡沫沥青冷再生混合料配比设计方法，其特征在于：所述步骤c)中将步骤a)与步骤b)的最佳级配与最佳泡沫沥青用量组合，进行混合料性能检测，完成混合料最终配合比设计的方法：泡沫沥青混合料分别选用采用步骤a)中的最佳级配与步骤b)中的最佳油量，组合形成最终的泡沫沥青混合料设计方案；最终设计出的泡沫沥青混合料应满足泡沫沥青冷再生混合料设计指标的要求；若检测出不符合要求，则应退回至步骤a)重新选取级配设计，重新选择的级配设计内摩擦角应大于之前选定的值，重复上述设计过程进行重新设计；直至设计结果满足规范要求。