CN110221048A - 一种确定沥青混合料中高模量剂最大掺量的方法 - Google Patents

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栗飞
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Abstract

本发明提供一种确定沥青混合料中高模量剂最大掺量的方法。所述方法包括：制备m个高模量剂含量不同的沥青结合料，m≥2；对m个所述沥青结合料进行老化处理，获得m个老化的沥青结合料；取m个集料，在每个所述集料的表面包覆一种所述老化的沥青结合料，获得m个待测样品；测定每个待测样品的所述老化的沥青结合料与所述集料之间的黏附性等级；在所述黏附性等级最高的n个所述待测样品中，将高模量剂含量最高的确定为最大掺量，n≥1，n≤m，且m，n为自然数。本发明的确定沥青混合料中高模量剂最大掺量的方法，可以快速准确的确定高模量剂最大掺量，方便快捷，所需原料易于获取，对实验设备要求较低，且实验流程短，可靠性强。

Description

一种确定沥青混合料中高模量剂最大掺量的方法
技术领域
本发明涉及一种确定沥青混合料中高模量剂最大掺量的方法，属于道路材料性能测试领域。
背景技术
高模量沥青混合料适用于高温、大交通量、重载、超载高等级公路，混合料设计兼顾混合料高模量、抗疲劳性能、抗高温及抗水损性能，符合长寿命沥青路面要求，其技术在国内外已经得到大量成功应用。
目前已有研究认为，实现高模量沥青混合料有三种技术途径：(1)采用硬质沥青(25℃针入度＜25的低标号沥青)；(2)添加高模量改性剂；(3)采用复合改性沥青，如天然沥青改性沥青。根据国内目前现有石化生产工艺水平及市场状况，低标号沥青方面，由于目前需求量有限，国内并没有大规模生产，仅是在小范围尝试性生产和使用；正是在此背景下，高模量沥青混凝土的推广中出现了各种各样的高模量剂产品，其中包括国内自主研发产品和一些进口产品。
对于上述第二种技术途径，高模量剂的掺加剂量的确定成为了此项技术的一个关键性经济指标。掺加剂量过大，造成一定的经济浪费，另外掺量过多，可能会对沥青混合料的性能造成不利影响，掺量过小，达不到高模量沥青混凝土的技术要求。因此，开发一种方便快捷确定高模量剂最大掺量的试验方法至关重要。
在现有技术中，一般是在选定了最佳配合比的基础上，通过实验改变高模量剂的掺配比例，然后分别进行沥青混合料性能试验来做出判断，费时费力。因此，开发一种快速准确的确定高模量剂最大掺量的方法，成为一种亟待解决的技术问题。
引用文献[1]提供了一种高模量剂掺拌方法及掺量的研究，在确定掺量时，需要确定混合料技术性能指标，通过回弹模量、动稳定度、冻融劈裂强度、劈裂强度四个试验项目，确定出5种高模量剂在满足规范要求下的最小剂量。对在0.3、0.5、0.7三种剂量下，都能满足内控指标的试验项目，则去最小剂量，参与对比。对4个最小剂量进行对比，选用最大的一个剂量作为最佳掺量。该方法的目的在于确定最佳掺量而非最大掺量，且在进行实验时需要确定多次，需确定多个技术性能指标，费时费力。
引用文献[2]提供了一种沥青混凝土高模量剂的最佳掺量确定方法探究。其依托某路面HMAC-25高模量沥青混凝土实际工程应用，考虑HMAC路用性能施工和易性，选取合理的路用性能指标，采用灰关联分析方法分析高模量剂掺量的变化与路用性能指标的关系，确定每个指标的关联程度，根据各个指标的敏感程度确定重要指标和非重要指标，提出高模量剂最佳掺量的确定方法。该方法测定方法复杂，实验流程较长，且后期数据处理也需要耗费大量的时间。
引用文献[1]
陈雍春.沥青结合料颗粒改性剂适用性研究[J].建筑材料,2017,17(7):370-372.
引用文献[2]
刘东元,朱云升,柯亚林,王开凤.沥青混凝土高模量剂的最佳掺量确定方法探究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2017,41(5):746-750.
发明内容
发明要解决的问题
鉴于现有技术中存在的技术问题，例如：测定方法复杂，费时费力，实验流程较长，后期数据处理困难等，本发明提供了一种确定沥青混合料中高模量剂最大掺量的方法，该方法可以快速准确的确定高模量剂在沥青混合料中的最大掺量，且方法简单，实验流程短，且可靠性强。
用于解决问题的方案
本发明提供一种确定沥青混合料中高模量剂的最大掺量的方法，其包括：
制备m个高模量剂含量不同的沥青结合料，m≥2；
对m个所述沥青结合料进行老化处理，获得m个老化的沥青结合料；
取m个集料，在每个所述集料的表面包覆一种所述老化的沥青结合料，获得m个待测样品；
测定每个待测样品的所述老化的沥青结合料与所述集料之间的黏附性等级；
在所述黏附性等级最高的n个所述待测样品中，将高模量剂含量最高的确定为最大掺量，n≥1，n≤m，且m，n为自然数。
根据本发明的方法，其中，所述集料的级配为13.2mm～19mm。
根据本发明的方法，其中，所述集料为酸性集料、中性集料或碱性集料。
根据本发明的方法，其中，所述酸性集料包括花岗岩、石英石或麻岩石；和/或，所述中性集料包括玄武岩或辉绿岩；和/或，所述碱性集料包括石灰岩、白云石或钢渣。
根据本发明的方法，其中，老化处理包括对所述沥青结合料进行旋转薄膜加热试验；优选地，
所述旋转薄膜加热试验中，所述加热的温度为160℃～170℃；所述加热的时间为不少于75min，优选为75min～85min。
根据本发明的方法，其中，每种所述沥青结合料的制备方法包括以下步骤：
步骤1)，取基质沥青样品并加热，然后加入所述高模量剂，得到预混合物；
步骤2)，对预混合物进行剪切处理后浇模，得到沥青结合料。
根据本发明的方法，其中，所述步骤1)中，加热的温度为160℃～180℃。
根据本发明的方法，其中，所述步骤2)中，所述剪切处理包括：
预剪切步骤，在4000r/min～5000r/min的转速下，对所述预混合物进行初步剪切处理，得到预剪切物；
剪切发育处理，在800r/min～1500r/min的转速下，对所述预剪切物进行剪切处理，获得剪切产物。
根据本发明的方法，其中，所述预剪切步骤的温度为160℃～180℃；所述预剪切处理的时间为30min以上，优选为30min～120min。
根据本发明的方法，其中，剪切发育处理的温度为160℃～180℃；所述剪切发育处理的时间为0.5h～1.0h。
发明的效果
本发明的确定沥青混合料中高模量剂最大掺量的方法，可以快速准确的确定高模量剂在沥青混合料中的最大掺量，方便快捷，所需原料易于获取，对实验设备要求较低，且实验流程短，可靠性强。
通过本发明的方法，能够快速有效的确定高模量剂产品的最大掺量，在满足使用性能的基础上，体现经济性。
附图说明
图1示出了本发明实施例1的1#高模量剂掺量为0％的待测样品；
图2示出了本发明实施例1的1#高模量剂掺量为6％的待测样品；
图3示出了本发明实施例1的1#高模量剂掺量为7％的待测样品；
图4示出了本发明实施例2的2#高模量剂掺量为0％的待测样品；
图5示出了本发明实施例2的2#高模量剂掺量为6％的待测样品；
图6示出了本发明实施例2的2#高模量剂掺量为7％的待测样品。
具体实施方式
以下将详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好地说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、器材和步骤未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
如无特殊声明，本发明所使用的单位均为国际标准单位，并且本发明中出现的数值，数值范围，均应当理解为包含了工业生产中所不可避免的系统性误差。
本发明提供一种确定沥青混合料中高模量剂的最大掺量的方法，所述方法包括：
制备m个高模量剂含量不同的沥青结合料，m≥2；
对m个所述沥青结合料进行老化处理，获得m个老化的沥青结合料；
取m个集料，在每个所述集料的表面包覆一种所述老化的沥青结合料，获得m个待测样品；
测定每个待测样品的所述老化的沥青结合料与所述集料之间的黏附性等级；
在所述黏附性等级最高的n个所述待测样品中，将高模量剂含量最高的确定为最大掺量，n≥1，n≤m，且m，n为自然数。
本发明的确定沥青混合料中高模量剂的最大掺量的方法，可以快速准确的确定高模量剂的最大掺量，方便快捷，所需原料易于获取，对实验设备要求较低，且实验流程短，可靠性强。通过本发明的方法，能够快速有效的确定高模量剂产品的最大掺量，在满足使用性能的基础上，体现经济性。
基质沥青样品
本发明中，在配制沥青结合料时，可以选用合适的基质沥青样品进行配制。本发明不对基质沥青样品作特别限定，只要能够实现本发明的方案和功能即可。
作为优选，所述基质沥青样品包括：道路石油沥青。进一步地，所述道路石油沥青包括低标号道路石油沥青、70#～200#道路石油沥青等中的一种或两种以上的组合。所述低标号道路石油沥青为50#道路石油沥青及小于50#道路石油沥青的道路石油沥青，例如25#道路石油沥青、35#道路石油沥青、及50#道路石油沥青等。
进一步地，本发明优选使用道路石油沥青作为基质沥青样品，优选使用70#～200#的道路石油沥青，例如70#道路石油沥青等。
沥青结合料
本发明的所述沥青结合料是指在基质沥青样品中掺加高模量剂得到的沥青结合料。
进一步，本发明的所述沥青结合料的制备方法包括以下步骤：
步骤1)，取基质沥青样品并加热，然后加入所述高模量剂，得到预混合物；
步骤2)，对预混合物进行剪切处理后浇模，得到沥青结合料。
作为优选，所述步骤1)中，为了使高模量剂更好的溶于基质沥青样品，加热的温度可以为160℃～180℃，例如，165℃、170℃、175℃等。
所述步骤2)中，为了制备得到性能优异稳定的沥青结合料，所述剪切处理包括：预剪切步骤和剪切发育步骤。具体地：
所述预剪切步骤包括：在4000r/min～5000r/min的转速下，对所述预混合物进行初步剪切处理，得到预剪切物；通过初步剪切处理，能够将基质沥青样品和高模量剂进行初步预混。
在本发明的所述预剪切步骤中，当转速在4000r/min～5000r/min时，一方面，高模量剂和基质沥青样品可以充分混合均匀，高模量剂不会团聚，可以形成稳定的体系；另一方面，高模量剂在基质沥青样品中也不会发生溶胀，可以与沥青中的轻质组分和蜡质组分紧密结合，在高模量剂与基质沥青样品的界面上达到吸附溶胀的收缩平衡，形成较为稳定的界面层，使高模量剂与基质沥青样品的相容性得到改善，从而使沥青的性能得到提高。因此，当预剪切步骤的转速在4000r/min～5000r/min时，能够使测定结果更加准确。
作为优选，所述预剪切步骤的温度为160℃～180℃；当预剪切步骤的温度在160℃～180℃之间时，可以改善沥青结合料的性能。所述预剪切处理的时间为30min以上，优选为30min～120min。一般而言，随着时间的延长，沥青结合料的性能均有不同程度的提高，从而使测定结果更加准确可靠。
所述剪切发育处理包括，在800r/min～1500r/min的转速下，对所述预剪切物进行剪切处理，获得剪切产物；通过本发明的剪切发育处理，可以使高模量剂在基质沥青中稳定分散，发育情况良好，一般而言，高模量剂在沥青中的分散程度高，沥青结合料的性能越好，测定结果更加准确可靠。
作为优选，剪切发育处理的温度为160℃～180℃；所述剪切发育处理的时间为0.5h～1.0h。所述剪切发育处理以试样均匀、无明显高模量剂的颗粒为准，具体采用玻璃棒浸蘸试样，在一张洁净试纸上刮抹，目测其混融状态。
具体地，本发明的沥青结合料的制备方法包括以下步骤：
(1)取基质沥青样品试样放于盛样器皿中，在烘箱中加热至160℃～180℃。
(2)取高模量剂，分次缓慢加入加热的基质沥青样品中，得到预混合物。
(3)使用剪切机按4000r/min～5000r/min速率对预混合物剪切不小于30min±1min，优选30～120min，以试样均匀、无明显高模量剂的颗粒为准，剪切过程中温度保持160℃～180℃。
(4)在160℃～180℃的环境下，在800r/min～1500r/min的转速下，密封继续慢速剪切发育0.5h～1.0h。
(5)剪切发育完成后应立即浇模，得到沥青结合料，备用。
老化处理
本发明可以通过对所述沥青结合料进行旋转薄膜加热试验，获得老化的沥青结合料。旋转薄膜加热试验适用于测定道路石油沥青、聚合物改性沥青旋转薄膜烘箱加热(简称RTFOT)后的质量变化。本发明利用旋转薄膜加热试验的目的在于获得老化的沥青结合料。优选使用旋转薄膜烘箱按照JTG E20-2011中的T0610的方法进行旋转薄膜加热实验。
作为优选，所述加热的温度为160℃～170℃，加热的时间为不少于75min，优选为75min～85min。具体地，按照JTG E20-2011中T 0610方法，旋转薄膜烘箱应当在10min回升至160℃～170℃，使试样在此温度条件下受热时间不少于75min，总的持续时间为85min。制备m个高模量剂含量不同的沥青结合料，m≥2，本发明对m个所述沥青结合料进行旋转薄膜加热试验，获得m个老化的沥青结合料。
集料
规格不同的集料按一定比例配合起来，一般是指把几个规格不同的(有大有小)的集料组合起来形成混合料，混合料各筛孔通过率即为级配。在本发明中，所述集料的级配可以为13.2～19mm。本发明通过使用级配为13.2～19mm的单粒级集料，可以使检测结果更加准确。
根据集料的化学成分，集料可以分为酸性集料、碱性集料和中性集料。一般而言，可以用SiO2的含量判断集料的酸碱性。以集料的总质量计，如果SiO2的含量大于65％，则是酸性集料；如果SiO2的含量为52％～65％，则是中性集料；如果SiO2的含量小于52％，则是碱性集料。本发明的集料可以是酸性集料、碱性集料和中性集料中的任意一种，优选为酸性集料或碱性集料。举例而言，所述酸性集料包括花岗岩、石英石或麻岩石；所述碱性集料包括石灰岩或白云石；所述中性集料包括玄武岩或辉绿岩。
本发明使用m个集料的目的在于在每个所述集料的表面包覆一种所述老化的沥青结合料，从而获得m个待测样品，以测定所述待测样品与所述集料之间的黏附性等级，m≥2。
黏附性试验
本发明根据老化的沥青结合料与集料之间的黏附性，测定待测样品的所述老化的沥青结合料与所述集料之间的黏附性等级；然后利用待测样品的老化的沥青结合料与所述集料之间的黏附性等级，选择黏附性等级最高的待测样品，进而确定沥青混合料中高模量剂的最大掺量。
在本发明中，优先选用级配为13.2mm～19mm形状接近立方体的规则集料进行实验，可以采用水煮法进行黏附性实验。具体地，在每个所述集料的表面包覆一种所述老化的沥青结合料，获得m个待测样品后进行黏附性等级测定。作为优选，可以按照JTG E20-2011中的T0616选定一种路面典型石料对待测样品进行黏附性试验。
最后，在所述黏附性等级最高的n个所述待测样品中，将高模量剂含量最高的确定为最大掺量，n≥1，n≤m，m，n为自然数。
本发明的确定沥青混合料中高模量剂最大掺量的方法，可以快速准确的确定沥青混合料中高模量剂的最大掺量，方便快捷，所需原料易于获取，对实验设备要求较低，且实验流程短，可靠性强。
实施例
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
试验仪器
(1)电子天平：感量不大于0.1g
(2)烘箱：50℃-200℃可调节，温度控制精度为0.5℃；
(3)金属锅等沥青盛样器皿；
(4)高速剪切机：3000r/min～5000r/min转速可调；
(5)旋转薄膜烘箱；
(6)电炉；
(7)其它，例如：玻璃棒等。
试验样品：基质沥青样品：70#道路石油沥青；
酸性单粒级集料：片麻岩(非洲料)；
碱性单粒级集料：石灰岩；
1#高模量剂；
2#高模量剂；
其中，以70#道路石油沥青样品的总质量计，1#高模量剂和2#高模量剂的工程掺量均为5％～9％。
实施例1
试样准备
1)选用13.2mm～19mm规格的酸性片麻岩(非洲料)颗粒若干(约30颗左右(满足试验用量，一组4颗，粒形接近立方体)，清洗干净放入金属浅盘中，将金属浅盘与试样一同放入105℃烘箱中，恒温4小时备用。
2)将检验合格的70#道路石油沥青样品放入175℃恒温烘箱中加热备用。
沥青结合料的制备
(1)用电子天平称重约500g的70#道路石油沥青样品放于盛样器皿中，在烘箱中加热至175℃。
(2)称取1#高模量剂，分次缓慢加入加热的70#道路石油沥青样品中。
(3)使用剪切机按5000r/min的速率对加入1#高模量剂的70#道路石油沥青样品进行预剪切，预剪切的时间为不小于30min，以试样均匀、无明显1#高模量剂的颗粒为准，剪切过程中温度保持175℃。
(4)在175℃环境下，在1200r/min的转速下密封慢速剪切发育0.5h。
(5)剪切完成后立即进行相关试验。
按照上述方法，制备7组1#高模量剂含量不同的沥青结合料，以70#道路石油沥青样品的总质量计，1#高模量剂的掺量如下表1所示。
旋转薄膜加热试验
将7组不同掺量的掺加1#高模量剂的沥青结合料按照JTG E20-2011中T0610的试样方法进行旋转薄膜加热试验，获得老化的沥青结合料。
黏附性实验
将所备片麻岩(非洲料)集料分为七组，每组4颗，编号为1～4；对每个所备的片麻岩(非洲料)分别包裹进行旋转薄膜加热试验之后的不同掺量的掺加1#高模量剂的老化的沥青结合料，获得七组待测样品，其中，每一组中包覆的老化的沥青结合料相同。然后按照JTG E20-2011中的T0616的方法进行黏附性试验，测定每个所述老化的待测样品与所述集料之间的黏附性等级；其中，黏附性等级如下表1所示。
表1
由表1可以看出，1#高模量剂为6％掺量时，黏附性达到4级，均高于0％、5％以及5.5％掺量的沥青结合料；掺量为6.5％的沥青结合料黏附性等级为3+级，掺量为7％的沥青结合料黏附性等级为3级，掺量为8％的沥青结合料黏附性等级为3+级，均小于掺量为6％的沥青结合料黏附性等级。因此，对于1#高模量剂的最大掺量为6％(以70#道路石油沥青样品的质量计)。
实施例2
在实施例2中，除了将1#高模量剂替换为2#高模量剂，将酸性单粒级集料片麻岩(非洲料)替换为碱性单粒级集料石灰岩以外，以与实施例1相同的方式进行测定，测定结果如表2所示。
表2
由表2可以看出，2#高模量剂的掺量为6％时，黏附性可以达到5级，均高于0％、5％以及5.5％掺量的沥青结合料；掺量为6.5％的沥青结合料黏附性等级为4+级，掺量为7％的沥青结合料的黏附性等级为接近4级，掺量为8％的沥青结合料黏附性等级为3+级，均小于掺量为6％的沥青结合料黏附性等级。因此，对于2#高模量剂的最大掺量为6％(以70#道路石油沥青样品的质量计)。
检测方法验证
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T 0738的方法进行20℃，10Hz条件下进行单轴压缩动态模量试验；以及T 0739方法进行15℃，10Hz条件下的四点弯曲疲劳寿命试验，试验室根据3个应变水平确定疲劳方程，计算106次对应的疲劳破坏应变值ε10^6。
取4份AC-20高模量沥青混合料，在其中3份AC-20高模量沥青混合料中分别掺加三种不同掺量(5％，6％，7％，按AC-20高模量沥青混合料的总质量计)的1#高模量剂，进行以上两种试验，以检验试验确定的最佳高模量剂掺量的合理性。结果如下表3所示：
表3
从上表可知，在相同的级配条件下，对不同掺量的高模量剂沥青混合料进行动态模量与疲劳性能试验。从试验结果可知，随着1#高模量剂的掺量增大，动态模量越来越大，而疲劳破坏应变是先增大后减小，其中在6％掺量时达到最大值。因此，我们可以得出6％的高模量剂掺量为沥青混合料的最佳掺量，它既保证了适宜的模量，又提高了沥青混合料的耐疲劳性能，与本申请的检测方法相符。因此，本申请的方法能够有效快速确定高模量剂的最大掺量，并且可靠性强，检测结果准确。
对2#高模量剂与1#高模量剂进行同样的测试，可以得出，随着1#高模量剂的掺量增大，动态模量越来越大，而疲劳破坏应变是先增大后减小，在6％掺量时达到最大值。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种确定沥青混合料中高模量剂的最大掺量的方法，其特征在于，包括：
制备m个高模量剂含量不同的沥青结合料，m≥2；
对m个所述沥青结合料进行老化处理，获得m个老化的沥青结合料；
取m个集料，在每个所述集料的表面包覆一种所述老化的沥青结合料，获得m个待测样品；
测定每个待测样品的所述老化的沥青结合料与所述集料之间的黏附性等级；
在所述黏附性等级最高的n个所述待测样品中，将高模量剂含量最高的确定为最大掺量，n≥1，n≤m，且m，n为自然数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述集料的级配为13.2mm～19mm。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述集料为酸性集料、中性集料或碱性集料。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述酸性集料包括花岗岩、石英石或麻岩石；和/或，所述中性集料包括玄武岩或辉绿岩；和/或，所述碱性集料包括石灰岩、白云石或钢渣。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述老化处理包括对所述沥青结合料进行旋转薄膜加热试验；优选地，
所述旋转薄膜加热试验中，所述加热的温度为160℃～170℃；所述加热的时间为不少于75min，优选为75min～85min。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，每种所述沥青结合料的制备方法包括以下步骤：
步骤1)，取基质沥青样品并加热，然后加入所述高模量剂，得到预混合物；
步骤2)，对预混合物进行剪切处理后浇模，得到沥青结合料。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中，加热的温度为160℃～180℃。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述剪切处理包括：
预剪切步骤，在4000r/min～5000r/min的转速下，对所述预混合物进行初步剪切处理，得到预剪切物；
剪切发育处理，在800r/min～1500r/min的转速下，对所述预剪切物进行剪切处理，获得剪切产物。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预剪切步骤的温度为160℃～180℃；所述预剪切处理的时间为30min以上，优选为30min～120min。
10.根据权利要求8或9所述的所述的方法，其特征在于，剪切发育处理的温度为160℃～180℃；所述剪切发育处理的时间为0.5h～1.0h。
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