CN109142694A - 一种基于流变性能平衡设计的沥青再生剂用量确定方法 - Google Patents

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韩森
张亚财
高巍
程贤鹏
李杨
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Abstract

本发明公开了一种基于流变性能平衡设计的沥青再生剂用量确定方法，该方法步骤为：1)从铣刨料RAP中回收旧沥青；2)制备不同再生剂用量的再生沥青试样；3)测试再生沥青试样的复合剪切模量G*、高温不可恢复蠕变柔量Jnr‑3.2、疲劳失效寿命Nf和低温松弛模量G(t)、松弛速率mr(t)；4)确定最佳再生剂用量及类型。通过上述方式，本发明能够从反映再生沥青材料本质的流变性能出发，确定出旧沥青再生时最佳再生剂的用量及类型，使再生沥青混合料的路用性能满足要求。

Description

一种基于流变性能平衡设计的沥青再生剂用量确定方法
技术领域
本发明属于道路工程材料技术领域，特别涉及一种基于流变性能平衡设计的沥青再生剂用量确定方法。
背景技术
沥青路面在长期服役过程中受到水分、温度和荷载反复作用，使得路面中沥青产生老化、集料破碎，从而导致沥青路面出现车辙、裂缝、拥包等病害，服务性能下降。沥青路面热再生技术不仅可以将路面养护维修产生的铣刨料RAP循环利用，有效处置路面病害，缓和资源矛盾，而且适用层位广，经济效益、环保效应凸显。
沥青路面再生过程中，需要向老化的旧沥青中掺加一定量的再生剂，对老化沥青组分和相容性进行调和，使其技术性质恢复至规范要求值或可接受的范围内。对于具体的再生剂用量，则是热再生技术最为关键的部分。
目前，我国主要基于沥青物理指标，采用条件黏度—针入度指标来确定再生剂用量；或者以旧料RAP为研究对象，从混合料性能恢复效果出发确定再生剂最佳用量。但分析发现，对于老化沥青再生时再生剂用量的确定，采用针入度恢复率法虽然操作简单，但主要依靠于经验、较为宏观，所确定的再生剂用量与实际再生混合料中所需用量并不相符，而直接通过混合料性能试验确定再生剂用量较为耗时、耗材。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于流变性能平衡设计的沥青再生剂用量确定方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于流变性能平衡设计的沥青再生剂用量确定方法，包括以下步骤：
步骤一、从铣刨料RAP中抽提回收旧沥青；
步骤二、将A、B和C三种再生剂以旧沥青质量为基数，按照3％、6％、9％的剂量分别与铣刨料RAP中旧沥青进行掺配，制备再生沥青样品；
步骤三、测试旧沥青、再生沥青试样的复合剪切模量G*、高温不可恢复蠕变柔量Jnr-3.2、中温疲劳失效寿命Nf、低温松弛模量Gr，60s和松弛速率|mr，60s|；
步骤四、获取再生剂使旧沥青低温性能恢复至要求值所需的最小剂量Lmin，以及旧沥青不致过度软化、高温性能仍满足要求的最大剂量Hmax。
进一步的，步骤二中将再生剂与旧沥青混合的再生沥青在130℃条件下均匀搅拌30min，并在该温度下保温2h，使再生剂与老化沥青充分融合。
进一步的，步骤三中采用动态剪切流变仪DSR设备，通过温度扫描试验测试试样的复合剪切模量G*，通过多应力蠕变恢复MSCR试验测试试样的高温不可恢复蠕变柔量Jnr-3.2，通过4mmDSR低温频率扫描试验测试试样的低温松弛模量Gr(60s)和松弛速率|mr(60s)|，通过线性振幅扫描测试试样的疲劳失效寿命Nf。
进一步的，以复合剪切模量G*作为再生剂在旧沥青中的渗透、扩散能力的评价指标。
进一步的，失效寿命Nf是线性振幅扫描LAS试验中相位角δ峰值对应的作用次数。
进一步的，步骤四中采用标准交通等级要求64℃Jnr-3.2≤4.0作为高温性能评价指标，获得再生沥青再生剂最大剂量Hmax；采用松弛模量G(60s)≤143MPa、松弛速率|mr(60s)|≥0.28作为低温性能评价指标，获得再生沥青所需的最小剂量Lmin；以失效寿命Nf作为再生沥青疲劳性能的参考指标。
进一步的，步骤一中，从铣刨料RAP中抽提回收旧沥青，试验时采用四分法对铣刨料RAP的进行取样，然后采用离心抽提仪或者回流式抽提仪进行离心抽提，将抽提液使用阿布森法或者旋转蒸发器法进行回收沥青；回收得到的沥青即为旧沥青。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明确定的再生剂用量具有良好的渗透、扩散能力，能有效降低沥青及其混合料的刚度、改善其抗裂性和疲劳特性，而又不会使沥青过度软化、导致混合料高温抗车辙性能下降。
本发明再生剂确定方法，取代了常规的经验方法，再生剂的用量确定更快速准确。
本发明试验过程所需沥青用量较少，能减少抽提、回收沥青的次数。
附图说明
图1为基于流变性能平衡设计的沥青再生剂确定方法分解示意图；
图2为再生剂渗透、扩散性能试验结果图。
图3为流变性能平衡设计与针入度方法确定再生剂用量对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1至图3，一种基于流变性能平衡设计的沥青再生剂用量确定方法，包括以下步骤：
步骤一、从铣刨料RAP中抽提回收旧沥青；
步骤二、将A、B和C三种再生剂以旧沥青质量为基数，按照质量比3％、6％、9％的剂量分别与铣刨料RAP中旧沥青进行掺配，制备再生沥青样品；
步骤三、测试旧沥青、再生沥青试样的复合剪切模量G*、高温不可恢复蠕变柔量Jnr-3.2、中温疲劳失效寿命Nf、低温松弛模量Gr(60s)和松弛速率|mr(60s)|；
步骤四、获取再生剂使旧沥青低温性能恢复至要求值所需的最小剂量Lmin，以及旧沥青不致过度软化、高温性能仍满足要求的最大剂量Hmax。
步骤二中将再生剂与旧沥青混合的再生沥青在130℃条件下均匀搅拌30min，并在该温度下保温2h，使再生剂与老化沥青充分融合。
步骤三中采用动态剪切流变仪DSR设备，通过温度扫描试验测试试样的复合剪切模量G*，通过多应力蠕变恢复MSCR试验测试试样的高温不可恢复蠕变柔量Jnr-3.2，通过4mmDSR低温频率扫描试验测试试样的低温松弛模量Gr(60s)和松弛速率|mr(60s)|，通过线性振幅扫描测试试样的疲劳失效寿命Nf。
以复合剪切模量G*作为再生剂在旧沥青中的渗透、扩散能力的评价指标。
失效寿命Nf是线性振幅扫描LAS试验中相位角δ峰值对应的作用次数。
步骤四中采用标准交通等级要求64℃Jnr-3.2≤4.0作为高温性能评价指标，获得再生沥青再生剂最大剂量Hmax；采用松弛模量G(60s)≤143MPa、松弛速率|mr(60s)|≥0.28作为低温性能评价指标，获得再生沥青所需的最小剂量Lmin；以失效寿命Nf作为再生沥青疲劳性能的参考指标。
步骤一中，从铣刨料RAP中抽提回收旧沥青，试验时采用四分法对铣刨料RAP的进行取样，然后采用离心抽提仪或者回流式抽提仪进行离心抽提，将抽提液使用阿布森法或者旋转蒸发器法进行回收沥青；回收得到的沥青即为旧沥青。
以下各实施例、对比例所用RAP为G6京藏高速白银段旧沥青路面铣刨而来，其RAP中旧沥青技术性质如表1；制备再生沥青混合料时，RAP掺量为40％，级配如表2.
表1实施例RAP中旧沥青技术性质
表2实施例、对比例沥青混合料级配
实施例1：
本实施例的基于流变性能平衡设计的再生剂用量确定方法及其混合料路用性能验证步骤如下：
(1)选用A再生剂按照3％、6％、9％的剂量分别与RAP中旧沥青进行掺配，在130℃条件下均匀搅拌30min，并在该温度下保温2h，使再生剂与老化沥青充分融合，制备得到再生沥青；
(2)对再生沥青进行温度扫描、MSCR、LAS和4mm-DSR低温频率扫描试验，测试再生沥青试样的复合剪切模量G*、高温不可恢复蠕变柔量Jnr-3.2、中温疲劳失效寿命Nf、低温松弛模量Gr(60s)和松弛速率|mr(60s)|指标，结果见表3；
表3 A再生剂再生沥青技术指标试验结果
(3)根据再生沥青64℃Jnr-3.2≤4.0作为高温性能评价指标和松弛模量G(60s)≤143MPa、松弛速率|mr(60s)|≥0.28作为低温性能评价指标，获得再生沥青性能满足要求所需的最大剂量Hmax和最小剂量Lmin，即可得到再生剂用量范围为9.5％～9.9％。
(4)将步骤(3)确定的再生剂用量(9.5％)制备再生沥青混合料，并进行高温车辙试验、低温小梁弯曲试验和小梁弯曲疲劳试验，对所确定的再生剂用量进行验证。
实施例2：
本实施例的基于流变性能平衡设计的再生剂用量确定方法及其混合料路用性能验证步骤如下：
(1)选用B再生剂按照3％、6％、9％的剂量分别与RAP中旧沥青进行掺配，在130℃条件下均匀搅拌30min，并在该温度下保温2h，使再生剂与老化沥青充分融合，制备得到再生沥青；
(2)对再生沥青进行温度扫描、MSCR、LAS和4mm-DSR低温频率扫描试验，测试再生沥青试样的复合剪切模量G*、高温不可恢复蠕变柔量Jnr-3.2、中温疲劳失效寿命Nf、低温松弛模量Gr(60s)和松弛速率|mr(60s)|指标，结果见表4；
表4 B再生剂再生沥青技术指标试验结果
(3)根据再生沥青64℃Jnr-3.2≤4.0作为高温性能评价指标和松弛模量G(60s)≤143MPa、松弛速率|mr(60s)|≥0.28作为低温性能评价指标，获得再生沥青性能满足要求所需的最大剂量Hmax和最小剂量Lmin，即可得到再生剂用量范围为7.6％～8.1％。
(4)将步骤(3)确定的再生剂用量(7.6％)制备再生沥青混合料，并进行高温车辙试验、低温小梁弯曲试验和小梁弯曲疲劳试验，对所确定的再生剂用量进行验证。
实施例3：
本实施例的基于流变性能平衡设计的再生剂用量确定方法及其混合料路用性能验证步骤如下：
(1)选用C再生剂按照3％、6％、9％的剂量分别与RAP中旧沥青进行掺配，在130℃条件下均匀搅拌30min，并在该温度下保温2h，使再生剂与老化沥青充分融合，制备得到再生沥青；
(2)对再生沥青进行温度扫描、MSCR、LAS和4mm-DSR低温频率扫描试验，测试再生沥青试样的复合剪切模量G*、高温不可恢复蠕变柔量Jnr-3.2、中温疲劳失效寿命Nf、低温松弛模量Gr(60s)和松弛速率|mr(60s)|指标，结果见表5；
表5 C再生剂再生沥青技术指标试验结果
(3)根据再生沥青64℃Jnr-3.2≤4.0作为高温性能评价指标和松弛模量G(60s)≤143MPa、松弛速率|mr(60s)|≥0.28作为低温性能评价指标，获得再生沥青性能满足要求所需的最大剂量Hmax和最小剂量Lmin，即可得到再生剂用量范围为5.8％～8.7％。
(4)将步骤(3)确定的再生剂用量(5.8％)制备再生沥青混合料，并进行高温车辙试验、低温小梁弯曲试验和小梁弯曲疲劳试验，对所确定的再生剂用量进行验证。
对比例1：
本对比例的采用条件黏度—针入度指标来确定再生剂用量的方法及其混合料路用性能验证步骤如下：
(1)选用A再生剂按照3％、6％、9％的剂量分别与RAP中旧沥青进行掺配，在130℃条件下均匀搅拌30min，并在该温度下保温2h，使再生剂与老化沥青充分融合，制备得到再生沥青；
(2)测试再生沥青针入度，结果见表6；
表6 A再生剂再生沥青针入度试验结果
再生剂剂量/％ 3 6 9
针入度/0.1mm 46 71 96
(3)将三种再生沥青在不同再生剂掺量下的针入度值按公式(1)拟合，以70#沥青(针入度为60～80)作为再生目标，采用公式(1)进行计算后初步确定A再生剂的用量范围为5.0～7.3％。
式中：P—表示沥青针入度；a—表示再生剂剂量为0时的针入度，即旧沥青针入度；b—表示通过最小二乘拟合的指数函数的常数。
(4)将步骤(3)确定的再生剂用量(5.0％)制备再生沥青混合料，并进行高温车辙试验、低温小梁弯曲试验和小梁弯曲疲劳试验，对所确定的再生剂用量进行验证。
对比例2：
本对比例的采用条件黏度—针入度指标来确定再生剂用量的方法及其混合料路用性能验证步骤如下：
(1)选用B再生剂按照3％、6％、9％的剂量分别与RAP中旧沥青进行掺配，在130℃条件下均匀搅拌30min，并在该温度下保温2h，使再生剂与老化沥青充分融合，制备得到再生沥青；
(2)测试再生沥青针入度，结果见表7；
表7 B再生剂再生沥青针入度试验结果
再生剂剂量/％ 3 6 9
针入度/0.1mm 37 52 67
(3)将三种再生沥青在不同再生剂掺量下的针入度值按公式(1)拟合，以70#沥青(针入度为60～80)作为再生目标，进行计算后初步确定B再生剂的用量范围为7.9～11.2％。
(4)将步骤(3)确定的再生剂用量(7.9％)制备再生沥青混合料，并进行高温车辙试验、低温小梁弯曲试验和小梁弯曲疲劳试验，对所确定的再生剂用量进行验证。
对比例3：
本对比例的采用条件黏度—针入度指标来确定再生剂用量的方法及其混合料路用性能验证步骤如下：
(1)选用C再生剂按照3％、6％、9％的剂量分别与RAP中旧沥青进行掺配，在130℃条件下均匀搅拌30min，并在该温度下保温2h，使再生剂与老化沥青充分融合，制备得到再生沥青；
(2)测试再生沥青针入度，结果见表8；
表8 C再生剂再生沥青针入度试验结果
再生剂剂量/％ 3 6 9
针入度/0.1mm 39 64 76
(3)将三种再生沥青在不同再生剂掺量下的针入度值按公式(1)拟合，以70#沥青(针入度为60～80)作为再生目标，采用公式(1)进行计算后初步确定C再生剂的用量范围为6.3～9.1％。
(4)将步骤(3)确定的再生剂用量(6.3％)制备再生沥青混合料，并进行高温车辙试验、低温小梁弯曲试验和小梁弯曲疲劳试验，对所确定的再生剂用量进行验证。
通过以上实施例得到不同类型再生剂在不同再生剂掺量下温度扫描试验结果，即再生剂渗透、扩散性能试验结果如图2。可见，旧沥青复合剪切模量G*随着再生剂掺量增加而显著降低，对比三种再生剂G*恢复速率，A再生剂最佳，B、C次之，但总体相差不大，表明A再生剂具有较好的扩撒、渗透性能。
通过以上实施例和对比例得到两种方法确定的再生剂用量对比如图3，可以发现：采用针入度指标确定的再生剂，A再生剂效果最佳，仅5.0％便可使再生沥青性能恢复至要求值；但从流变性能平衡设计角度，综合考虑再生效果、经济性，C再生剂效果最佳。
通过以上实施例和对比例所得再生沥青混合料的路用性能见表9。
表9再生沥青混合料路用性能
从表8可知，实施例中所确定的A、B、C三种再生剂的用量均能使再生混合料的动稳定度、破坏应变和冻融劈裂强度比满足规范要求，表明利用本发明方法确定的再生剂用量与混合料路用性能具有较好的相关性，本方法合理、与实际再生情况较为贴切。而对比例中，对比例1所确定的再生剂用量虽能使再生混合料动稳定度提高，但是其破坏应变则不能满足规范要求；对比例2、3所确定的再生剂用量虽能使再生混合料路用性能满足要求，但是在其低温性能提高的同时，其动稳定度已经较实施例2、3显著下降，由此表明采用我国常用的针入度指标确定再生剂用量并不能兼顾混合料的高温与低温性能，该方法存在缺陷。从三种再生剂再生混合料路用性能看，C再生剂对混合料路用性能恢复效果最佳。综上所述，采用本发明提供的基于再生沥青流变性能平衡设计确定再生剂用量的方法与再生混合料路用性能验证结果一致，表明较为合理，而且实用。
最后说明的是，以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于流变性能平衡设计的沥青再生剂用量确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、从铣刨料RAP中抽提回收旧沥青；
步骤二、将A、B和C三种再生剂以旧沥青质量为基数，按照质量比3％、6％、9％的剂量分别与铣刨料RAP中旧沥青进行掺配，制备再生沥青样品；
步骤三、测试旧沥青、再生沥青试样的复合剪切模量G*、高温不可恢复蠕变柔量Jnr-3.2、中温疲劳失效寿命Nf、低温松弛模量Gr，60s和松弛速率|mr，60s|；
步骤四、获取再生剂使旧沥青低温性能恢复至要求值所需的最小剂量Lmin，以及旧沥青不致过度软化、高温性能仍满足要求的最大剂量Hmax。
2.根据权利要求1所述的一种基于流变性能平衡设计的沥青再生剂用量确定方法，其特征在于，步骤二中将再生剂与旧沥青混合的再生沥青在130℃条件下均匀搅拌30min，并在该温度下保温2h，使再生剂与老化沥青充分融合。
3.根据权利要求1所述的一种基于流变性能平衡设计的沥青再生剂用量确定方法，其特征在于，步骤三中采用动态剪切流变仪DSR设备，通过温度扫描试验测试试样的复合剪切模量G*，通过多应力蠕变恢复MSCR试验测试试样的高温不可恢复蠕变柔量Jnr-3.2，通过4mmDSR低温频率扫描试验测试试样的低温松弛模量Gr(60s)和松弛速率|mr(60s)|，通过线性振幅扫描测试试样的疲劳失效寿命Nf。
4.根据权利要求3所述的一种基于流变性能平衡设计的沥青再生剂用量确定方法，其特征在于，以复合剪切模量G*作为再生剂在旧沥青中的渗透、扩散能力的评价指标。
5.根据权利要求3所述的一种基于流变性能平衡设计的沥青再生剂用量确定方法，其特征在于，失效寿命Nf是线性振幅扫描LAS试验中相位角δ峰值对应的作用次数。
6.根据权利要求1所述的一种基于流变性能平衡设计的沥青再生剂用量确定方法，其特征在于，步骤四中采用标准交通等级要求64℃Jnr-3.2≤4.0作为高温性能评价指标，获得再生沥青再生剂最大剂量Hmax；采用松弛模量G(60s)≤143MPa、松弛速率|mr(60s)|≥0.28作为低温性能评价指标，获得再生沥青所需的最小剂量Lmin；以失效寿命Nf作为再生沥青疲劳性能的参考指标。
7.根据权利要求1所述的一种基于流变性能平衡设计的沥青再生剂用量确定方法，其特征在于，步骤一中，从铣刨料RAP中抽提回收旧沥青，试验时采用四分法对铣刨料RAP的进行取样，然后采用离心抽提仪或者回流式抽提仪进行离心抽提，将抽提液使用阿布森法或者旋转蒸发器法进行回收沥青；回收得到的沥青即为旧沥青。
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