CN109241661A - 一种掺钢渣再生沥青混合料级配设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种掺钢渣再生沥青混合料级配设计方法，包括以下步骤：S10、基于水筛法得到不同规格钢渣的体积通过百分率；S20、RAP离散级配修正：S21、基于水筛法得到RAP的体积通过百分率；S22、基于燃烧炉法得到RAP的体积通过百分率；S23、用离散程度修正RAP的体积通过百分率；S30、级配的拟合：S31、将不同规格的钢渣和RAP进行级配拟合，得合成级配的通过率，绘制合成级配曲线图；S32、改变不同规格的钢渣和RAP的试配体积百分比，使合成级配接近目标级配的中值。本发明可以提高钢渣再生沥青路面的施工效率和质量，进而提高钢渣和RAP的消纳率。
Description
技术领域
本发明属于道路工程技术领域，具体涉及一种掺钢渣再生沥青混合料级配设计方法。
背景技术
级配设计理论中，将集料视为密度相同的颗粒，则级配设计曲线应为体积通过百分率曲线，然而在实际工程中往往会把级配设计曲线理解为质量通过百分率曲线，对于密度差异性不大的矿料组成的混合料，级配曲线与实际级配情况差异略小。对于钢渣再生沥青混合料，由于钢渣的密度高于天然集料的15％-30％，采用质量通过百分率级配曲线会导致混合料的级配差异增大，级配的差异对工程施工效率及质量产生较大影响，不利于钢渣在沥青混合料中的高效利用。
热再生过程中，RAP(回收废弃沥青混合料)的级配曲线一般采用高温燃烧法后集料筛分曲线，即按旧集料的级配设计处理；然而在实际拌和过程中，RAP往往采用冷加的方式，搅拌的力度通常不能把被沥青裹敷的集料完全打开，这种集料呈“黑石”状态，这样就会导致级配曲线与实验预期设计的不一致，进而影响设计路面的质量。RAP的实际级配曲线应离散于两条曲线之间。确定一条更贴近实际拌和状态情况的RAP级配曲线可以避免 RAP带来的混合料级配变异问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种掺钢渣再生沥青混合料级配设计方法，它可以提高钢渣再生沥青路面的施工效率和质量，进而提高钢渣和RAP的消纳率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种掺钢渣再生沥青混合料级配设计方法，包括以下步骤：
S10、基于水筛法得到不同规格的钢渣每个筛孔的体积通过百分率；
S20、回收废弃沥青混合料RAP离散级配修正：
S21、基于水筛法得到回收废弃沥青混合料RAP每个筛孔的体积通过百分率Oi；
S22、基于燃烧炉法得到回收废弃沥青混合料RAP每个筛孔的体积通过百分率Ri；
S23、用离散程度修正回收废弃沥青混合料RAP每个筛孔的体积通过百分率：
4.75mm及以上筛孔的离散程度用θ1表示，θ1的取值范围为0.5-0.8，4.75mm及以上筛孔修正后的体积通过百分率Si＝Ri-θ1(Ri-Oi)；
4.75mm以下筛孔的离散程度用θ2表示，θ2的取值范围为0.3-0.6，4.75mm以下筛孔修正后的体积通过百分率si＝Ri-θ2(Ri-Oi)；
修正后的体积通过百分率Si和si用于掺钢渣再生沥青混合料的级配合成；
S30、级配的拟合：
S31、将不同规格的钢渣和回收废弃沥青混合料RAP进行级配拟合，合成级配每个筛孔的通过率为该筛孔下所有不同规格的钢渣和回收废弃沥青混合料RAP的体积通过百分率乘以各集料对应的试配体积百分比的总和，所有集料的试配体积百分比之和等于1，以筛孔尺寸为横坐标，合成级配的通过率为纵坐标，绘制合成级配曲线图；
S32、通过在规范所规定的试配体积百分比的上限、下限范围内改变不同规格的钢渣和回收废弃沥青混合料RAP的试配体积百分比，使合成级配接近目标级配的中值，即得到各规格钢渣和回收废弃沥青混合料RAP的试配体积百分比。
优选的，步骤S10具体包括以下步骤：采用标准筛对不同规格的钢渣单独由粗到细进行筛分；
以某规格钢渣为例，将干燥的钢渣从粗到细依次过筛，第一个有筛余的筛的筛上重记为a1，接着依次称取每个筛上的筛上重为a2、a3、…、an，已知钢渣的毛体积密度为γ1，则每个筛上的筛上料体积分别为a1/γ1、a2/γ1、a3/γ1、…、an/γ1，则筛后的总体积为
每个筛的分计筛余体积百分率为
累计筛余体积为该号筛的分计筛余体积百分率与大于该号筛的各号筛的分计筛余体积百分率之和，各筛的累计筛余体积分别记为A1、A2、A3、…、An，则 Ai中的i≥3；
各号筛的体积通过百分率为1-A1、1-A2、1-A3、…、1-An。
优选的，步骤S30中，设不同规格的钢渣和回收废弃沥青混合料RAP的试配体积百分比为Xj，j＝1、2、…、m，m为集料的种类，在实际操作中，将试配体积百分比换算为质量比进行集料的称取，则质量比
本发明具有以下有益效果：本发明提出离散程度来表征拌和过程中RAP(RAP为回收废弃沥青混合料的英文缩写)集料级配变异情况，采用离散系数修正RAP每个筛孔的体积百分率，并根据筛孔的尺寸设计离散系数的范围，给出4.75以上的筛孔离散系数的取值范围和4.75以下筛孔离散系数的取值范围，在此范围内任意取值都可以使修正后的级配曲线更贴近实际情况，让粗集料和细集料使用不同的修正体系进行修正，减小了粗集料离散情况与细集料离散情况差异；再采用不同规格的钢渣和RAP的体积通过百分率合成体积通过百分率级配曲线，解决了密度差异大的混合料级配与实际颗粒组成级配差异大的问题。
本发明应用到钢渣再生混合料的级配设计中，级配设计曲线与达到混合料目标空隙率的相关度会大大提升，可以快速设计得到目标空隙率的路面段，解决了钢渣因密度大于天然集料而导致的混合料实际级配有偏差的问题，以及RAP的集料在拌和过程中产生的级配离散问题，提高了钢渣再生沥青路面的施工效率，提高了钢渣的消纳率，以及RAP的利用率，符合当今可持续发展的全球主题。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种掺钢渣再生沥青混合料级配设计方法，包括以下步骤：
S10、基于水筛法得到不同规格的钢渣每个筛孔的体积通过百分率；
S20、回收废弃沥青混合料RAP离散级配修正：
S21、基于水筛法得到回收废弃沥青混合料RAP每个筛孔的体积通过百分率Oi；
S22、基于燃烧炉法得到回收废弃沥青混合料RAP每个筛孔的体积通过百分率Ri；
S23、用离散程度修正回收废弃沥青混合料RAP每个筛孔的体积通过百分率，回收废弃沥青混合料RAP的离散程度代表回收废弃沥青混合料RAP偏离原始级配的程度：
4.75mm及以上筛孔的离散程度用θ1表示，θ1的取值范围为0.5-0.8，4.75mm及以上筛孔修正后的体积通过百分率Si＝Ri-θ1(Ri-Oi)；
4.75mm以下筛孔的离散程度用θ2表示，θ2的取值范围为0.3-0.6，4.75mm以下筛孔修正后的体积通过百分率si＝Ri-θ2(Ri-Oi)；
在取值范围内的离散程度可用来修正实际应用中回收废弃沥青混合料RAP的级配离散问题，修正后的体积通过百分率Si和si用于掺钢渣再生沥青混合料的级配合成；
S30、级配的拟合：
S31、将不同规格的钢渣和回收废弃沥青混合料RAP进行级配拟合，合成级配每个筛孔的通过率为该筛孔下所有不同规格的钢渣和回收废弃沥青混合料RAP的体积通过百分率乘以各集料对应的试配体积百分比的总和，所有集料的试配体积百分比之和等于1，以筛孔尺寸为横坐标，合成级配的通过率为纵坐标，绘制合成级配曲线图；
S32、通过在规范所规定的试配体积百分比的上限、下限范围内改变不同规格的钢渣和回收废弃沥青混合料RAP的试配体积百分比，使合成级配接近目标级配的中值，即得到各规格钢渣和回收废弃沥青混合料RAP的试配体积百分比。所用目标级配是指公路沥青路面施工技术规范(FTG F40)规定的各种级配范围。
按照S32确定的各规格钢渣和RAP的试配体积百分比称取材料，与沥青、再生剂或其他外加剂混合后，得到掺钢渣再生沥青混合料。
优选的，步骤S10具体包括以下步骤：采用标准筛对不同规格的钢渣单独由粗到细进行筛分；
以某规格钢渣为例，将干燥的钢渣从粗到细依次过筛，第一个有筛余的筛的筛上重记为a1，接着依次称取每个筛上的筛上重为a2、a3、…、an，已知钢渣的毛体积密度为γ1，则每个筛上的筛上料体积分别为a1/γ1、a2/γ1、a3/γ1、…、an/γ1，则筛后的总体积为
每个筛的分计筛余体积百分率为
累计筛余体积为该号筛的分计筛余体积百分率与大于该号筛的各号筛的分计筛余体积百分率之和，各筛的累计筛余体积分别记为A1、A2、A3、…、An，则 Ai中的i≥3；
各号筛的体积通过百分率为1-A1、1-A2、1-A3、…、1-An。
优选的，步骤S30中，设不同规格的钢渣和回收废弃沥青混合料RAP的试配体积百分比为Xj，j＝1、2、…、m，m为集料的种类，在实际操作中，将试配体积百分比换算为质量比进行集料的称取，则质量比
钢渣属于工业废渣，我们在筛分的过程中，需要用水对其清洗，再筛分，这样筛分结果更为准确，特别是0.075mm筛孔的通过率更准确，所以用水筛法。
回收废弃沥青混合料，英文简称RAP，是使用多年的沥青混合料从路面铣刨得到的，也是一种废渣。不难理解RAP的特点为，包裹着沥青的石头，并且这些石头之间有些部分是粘连在一起的。因此在筛分的过程中，将RAP的沥青去除或者不去除，得到的结果肯定不一样。去除沥青后，原本被沥青粘连的石头就会完全分开。目前，未去除沥青的RAP筛分结果和去除了沥青的RAP筛分结果，两种方法用于RAP的配合比设计，均有人在使用，但是申请人认为这两种方法均不准确，所以采用了离散程度这一限制，目的是让我们RAP 级配设计中的原材料级配更接近实际。基于此，对于未去除沥青的RAP，采用水筛法；对于去除沥青的RAP，除去RAP中沥青的方法目前主要是采用高温炉将沥青燃烧掉，所以采用燃烧炉法。
步骤S21具体为：采用水筛法对RAP进行筛分，按钢渣的筛分处理方法得到各个筛孔的体积通过率Oi。
步骤S21具体为：将RAP置于燃烧炉中，加热烘干8-12h使其包覆的沥青全部脱落，得到无沥青包覆的RAP的矿料，再进行筛分，按照钢渣的筛分处理方法得到各个筛孔的体积通过率Ri。
实施例1：用钢渣和RAP为矿料进行SMA-16的级配设计。
(1)钢渣有四档规格分别为10-16(标记为1#)、5-10(标记为2#)、0-5(标记为3#)、填料(标记为4#)，用0.075-16的标准筛对每一种规格的钢渣进行筛分，1#矿料筛分结果如表1-1所示。
表1-1 1#矿料的体积通过百分率
同样方法得到2#、3#和4#矿料的体积通过百分率如表1-2所示。
表1-2 2#、3#和4#矿料的体积通过百分率
| 筛孔 | 16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.015 | 0.075 |
| 2# | 100 | 100 | 99.1 | 7.0 | 0.7 | 0.7 | 0.7 | 0.0 | 0.0 | 0.0 |
| 3# | 100 | 100 | 99.8 | 98.6 | 58.5 | 45.4 | 31.9 | 22.2 | 13.0 | 4 |
| 4# | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
(2)回收废弃沥青混合料RAP按燃烧炉法和水筛法得到的体积通过率如表1-3所示，修正系数取θ1为0.7和θ2为0.4。
表1-3 回收废弃沥青混合料RAP的体积通过百分率修正结果
| 筛孔 | 16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.015 | 0.075 |
| 燃烧炉法 | 100 | 97.3 | 84 | 57.5 | 34.4 | 20.7 | 10.6 | 5.8 | 3 | 1.5 |
| 水筛法 | 100 | 95.2 | 86.8 | 62.4 | 32.6 | 21.5 | 9.0 | 3.0 | 1.3 | 0.6 |
| 回收废弃沥青混合料RAP修正后 | 100 | 96.0 | 85.7 | 60.4 | 33.8 | 20.9 | 10.1 | 5.0 | 2.5 | 1.2 |
1#：2#：3#：4#：回收废弃沥青混合料RAP的试配体积百分比为47：21：17：10：5，计算合成级配每个筛孔的通过率，如表1-4所示。
表1-4 矿料合成级配的计算
试配体积百分比1#：2#：3#：4#：回收废弃沥青混合料RAP为47：21：17：10：5 换算为质量比进行称料，并进行马歇尔试件制作测定其空隙率，及马歇尔稳定度。
实施例2：用钢渣和回收废弃沥青混合料RAP为矿料进行AC-13的级配设计。
(1)钢渣有五档规格分别为10-16(1#)、5-10(2#)、3-5(3#)、0-3(4#)、填料(5#)，用0.075-16的标准筛对每一种规格的钢渣进行筛分，1#矿料的筛分结果如表2-1所示。
表2-1 1#矿料的体积通过百分率
同样方法得到2#和3#、4#、5#矿料的体积通过百分率如表2-2所示。
表2-2 2#、3#、4#和5#矿料的体积通过百分率
(2)回收废弃沥青混合料RAP按燃烧炉法和直接筛分法得到的体积通过率如表2-3所示，修正系数取θ1为0.7和θ2为0.4。
表2-3 回收废弃沥青混合料RAP的体积通过百分率修正结果
| 筛孔 | 16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.015 | 0.075 |
| 燃烧炉法 | 100 | 97.3 | 84 | 57.5 | 34.4 | 20.7 | 10.6 | 5.8 | 3 | 1.5 |
| 水筛法 | 100 | 95.2 | 86.8 | 62.4 | 32.6 | 21.5 | 9.0 | 3.0 | 1.3 | 0.6 |
| 回收废弃沥青混合料RAP修正后 | 100 | 96.0 | 85.7 | 60.4 | 33.8 | 20.9 | 10.1 | 5.0 | 2.5 | 1.2 |
1#：2#：3#：4#：5#：回收废弃沥青混合料RAP的试配体积百分比为28：20：2.5： 15：4.5：30，计算合成级配每个筛孔的通过率，如表2-4所示。
表2-4矿料合成级配计算
试配体积百分比1#：2#：3#：4#：5#：回收废弃沥青混合料RAP为28：20：2.5：15：4.5：30，换算为质量比进行称料，并进行马歇尔试件制作测定其空隙率，及马歇尔稳定度。
实施例3：用钢渣和回收废弃沥青混合料RAP为矿料进行SMA-13的级配设计。
(1)钢渣有五档规格分别为10-16(1#)、5-10(2#)、3-5(3#)、0-3(4#)、填料(5#)，用0.075-16的标准筛对每一种规格的钢渣进行筛分，1#矿料的筛分结果如表3-1所示。
表3-1 1#矿料的体积通过百分率
同样方法得到2#、3#、4#、5#矿料的体积通过百分率如表3-2所示。
表3-2 2#、3#和4#、5#矿料的体积通过百分率
| 筛孔 | 16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.015 | 0.075 |
| 2# | 100 | 100.0 | 99.5 | 14.4 | 0.8 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 |
| 3# | 100 | 100.0 | 99.8 | 99.7 | 20.1 | 1.2 | 0.7 | 0.5 | 0.4 | 0.2 |
| 4# | 100 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 99.7 | 87.0 | 54.3 | 29.7 | 18.0 | 9.5 |
| 5# | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
(2)回收废弃沥青混合料RAP按燃烧炉法和直接筛分法得到的体积通过率如表2-3所示，修正系数取θ1为0.7和θ2为0.4。
表3-3 回收废弃沥青混合料RAP的体积通过百分率修正结果
| 筛孔 | 16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.015 | 0.075 |
| 燃烧炉法 | 100 | 97.3 | 84 | 57.5 | 34.4 | 20.7 | 10.6 | 5.8 | 3 | 1.5 |
| 水筛法 | 100 | 95.2 | 86.8 | 62.4 | 32.6 | 21.5 | 9.0 | 3.0 | 1.3 | 0.6 |
| 回收废弃沥青混合料RAP修正后 | 100 | 96.0 | 85.7 | 60.4 | 33.8 | 20.9 | 10.1 | 5.0 | 2.5 | 1.2 |
1#：2#：3#：4#：5#：回收废弃沥青混合料RAP的试配体积百分比为53：20：1：6： 10：10，计算合成级配每个筛孔的通过率，如表3-4所示。
表3-4矿料合成级配计算表
试配体积百分比1#：2#：3#：4#：5#：回收废弃沥青混合料RAP为53：20：1：6： 10：10，换算为质量比进行称料，并进行马歇尔试件制作测定其空隙率，及马歇尔稳定度。
将实施例1与对照组所测得的马歇尔稳定度和空隙率进行比较，其对比结果见表4。
表4钢渣再生沥青混凝土不同级配设计方法实施例马歇尔验证结果
| 空隙率 | 马歇尔稳定度 | |
| 实施例1 | 3.8 | 18.03 |
| 对照组1 | 3.2 | 12.47 |
| 对照组2 | 4.9 | 14.78 |
(1)其中对照组1采用质量通过率百分曲线，回收废弃沥青混合料RAP曲线采用水筛法得到的质量通过率百分曲线，调整配合比使其与实施例1的4.75、2.36、0.075这几个关键筛孔的体积通过百分率接近，制作马歇尔试件，进行空隙率与马歇尔稳定度测定。
(2)对照组2采用体积通过率百分曲线，回收废弃沥青混合料RAP曲线采用燃烧炉法得到的体积通过率百分曲线，调整配合比使其与实施例1的4.75、2.36、0.075这几个关键筛孔的体积通过百分率接近，制作马歇尔试件，进行空隙率与马歇尔稳定度测定。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (3)
1.一种掺钢渣再生沥青混合料级配设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、基于水筛法得到不同规格的钢渣每个筛孔的体积通过百分率；
S20、回收废弃沥青混合料RAP离散级配修正：
S21、基于水筛法得到回收废弃沥青混合料RAP每个筛孔的体积通过百分率Oi；
S22、基于燃烧炉法得到回收废弃沥青混合料RAP每个筛孔的体积通过百分率Ri；
S23、用离散程度修正回收废弃沥青混合料RAP每个筛孔的体积通过百分率：
4.75mm及以上筛孔的离散程度用θ1表示，θ1的取值范围为0.5-0.8，4.75mm及以上筛孔修正后的体积通过百分率Si＝Ri-θ1(Ri-Oi)；
4.75mm以下筛孔的离散程度用θ2表示，θ2的取值范围为0.3-0.6，4.75mm以下筛孔修正后的体积通过百分率si＝Ri-θ2(Ri-Oi)；
修正后的体积通过百分率Si和si用于掺钢渣再生沥青混合料的级配合成；
S30、级配的拟合：
S31、将不同规格的钢渣和回收废弃沥青混合料RAP进行级配拟合，合成级配每个筛孔的通过率为该筛孔下所有不同规格的钢渣和回收废弃沥青混合料RAP的体积通过百分率乘以各集料对应的试配体积百分比的总和，所有集料的试配体积百分比之和等于1，以筛孔尺寸为横坐标，合成级配的通过率为纵坐标，绘制合成级配曲线图；
S32、通过在规范所规定的试配体积百分比的上限、下限范围内改变不同规格的钢渣和回收废弃沥青混合料RAP的试配体积百分比，使合成级配接近目标级配的中值，即得到各规格钢渣和回收废弃沥青混合料RAP的试配体积百分比。
2.根据权利要求1所述的掺钢渣再生沥青混合料级配设计方法，其特征在于，步骤S10具体包括以下步骤：采用标准筛对不同规格的钢渣单独由粗到细进行筛分；
以某规格钢渣为例，将干燥的钢渣从粗到细依次过筛，第一个有筛余的筛的筛上重记为a1，接着依次称取每个筛上的筛上重为a2、a3、…、an，已知钢渣的毛体积密度为γ1，则每个筛上的筛上料体积分别为a1/γ1、a2/γ1、a3/γ1、…、an/γ1，则筛后的总体积为
每个筛的分计筛余体积百分率为
累计筛余体积为该号筛的分计筛余体积百分率与大于该号筛的各号筛的分计筛余体积百分率之和，各筛的累计筛余体积分别记为A1、A2、A3、…、An，则 Ai中的i≥3；
各号筛的体积通过百分率为1-A1、1-A2、1-A3、…、1-An。
3.根据权利要求1所述的掺钢渣再生沥青混合料级配设计方法，其特征在于，步骤S30中，设不同规格的钢渣和回收废弃沥青混合料RAP的试配体积百分比为Xj，j＝1、2、…、m，m为集料的种类，在实际操作中，将试配体积百分比换算为质量比进行集料的称取，则质量比
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