CN111739593A - 温拌大掺量再生沥青混合料配合比设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温拌大掺量再生沥青混合料配合比设计方法，包括：(1)确定工程设计级配范围；(2)确定回收沥青路面材料(RAP)掺配比例；(3)选择新沥青标号和再生剂；(4)估算新沥青用量Pnb及其占总沥青用量的比例；(5)矿料配合比设计；(6)马歇尔试件制备与最佳油石比确定；(7)性能测试。通过提高再生剂再生效果实现大掺量再生，在性能测试中增加新旧沥青混溶度作为性能指标。再生剂包括1‑10wt％氨基丙烯酸酯类和丁二烯的共聚物、1‑10wt％丁二酰亚胺‑丁二酸酯，3‑15wt％纳米羟基磷灰石，0.5‑10wt％脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯和40‑80％S800芳烃溶剂油。该设计方法可以有效降低拌和温度，增加新旧沥青的混溶度，提高RAP沥青混合料的长期高低温稳定性、低温弯曲试验破坏应变能力，可满足一般或高等级公路的路用性能。

Description

温拌大掺量再生沥青混合料配合比设计方法

技术领域

本发明属于道路工程技术领域，具体涉及一种温拌大掺量再生沥青混合料配合比设计方法。

背景技术

沥青路面再生技术既可以合理利用资源，又能有效地降低公路建设的材料成本，同时也能减少资源开采对环境的破坏，是现在行业研究的热门技术。

但受到RAP材料变异性的影响，我国RAP掺配率一般为10～25％，RAP掺配比例过高会导致生产的再生沥青混合料性能无法满足我国现行规范要求。

传统沥青再生技术包括热拌，热拌的拌和温度一般为150℃～180℃，但过高的温度会使石料失去原有的性能，很难提高旧料的掺配率，而且在高温拌和过程中会排放有害气体，污染环境。CN104119032A就公开了一种高RAP掺量的SBS沥青混合料再生方法，拌和温度为175～185℃，RAP在沥青混合料中的掺杂比例为30wt％～60wt％。

绿色环保的温拌再生沥青混合料技术是最近几年提出的新技术。它将温拌技术的降温技术和热再生技术的再生技术二者的特点结合起来，既减少能耗，又能增加旧沥青混合料的掺量，增加RAP的利用率。CN110467825A公开了一种含有再生料的温拌沥青混合料，按重量份数计包括：废旧沥青路面混合料40～50份、集料20～25份、填料4～5份、新基质沥青1～3份和沥青温拌再生剂0.7～0.9份。但所获得的含有再生料的温拌沥青混合料的性能并不很好。

因此，十分有必要对高RAP比例再生沥青混合料的设计方法进行研究，通过合适的设计，使得再生沥青混合料在满足现行规范要求的基础上提高RAP掺配率。

发明内容：

本发明所要解决的问题是：提供一种温拌大掺量再生沥青混合料配合比设计方法，可有效地提高RAP掺配率并且再生沥青混合料性能满足我国现行的《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)要求，陆用性能接近或达到高等级公路的路用性能。

一种温拌大掺量再生沥青混合料配合比设计方法，包括如下方法：

(1)确定工程设计级配范围

(2)确定回收沥青路面材料(RAP)掺配比例

(3)选择新沥青标号和再生剂

(4)估算新沥青用量Pnb及其占总沥青用量的比例

(5)矿料配合比设计

(6)马歇尔试件制备与最佳油石比确定

(7)性能测试

在该配合比设计方法中，明确工程设计级配范围和RAP掺配比例，通过提高再生剂再生效果实现大掺量再生，在性能测试中增加新旧沥青混溶度作为参考技术指标，提高温拌沥青混合料的长期稳定性。

其中，步骤(1)中，可根据公路等级、气候条件、交通特点，确定工程设计级配范围。工程设计级配范围应符合现行《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40)规定的相应热拌沥青混合料级配范围。

步骤(2)中，对RAP材料进行破碎筛分，所述破碎筛分使RAP材料保持干燥状态，控制RAP材料中含水量占RAP材料的质量比在1.5以下。

进一步地，将破碎后的RAP旧料进行筛分抽提确定其集配组成。优选，按照筛孔大小分为三档：16-9.5mm(含)，2.35-9.5mm，0-2.25mm(含)，各档旧料进行抽提筛分实验，确定各档旧料级配组成。

根据工程需要、回收沥青路面材料(RAP)特性、合成级配范围要求等，选择回收沥青路面材料(RAP)的掺配比例，预计RAP再生料掺配比例在50％以上，优选在60以上，优选60％-80％更优选65％-80％。

步骤(3)中，厂拌常温再生混合料，再生沥青的种类及标号根据公路等级、混合料使用的层位、工程的气候条件、交通量、设计车速等条件进行选择，用作高速公路、一级公路时，采用SBS改性沥青作为新沥青；其他等级公路，可以采用SBS改性沥青，也可采用重交道路石油沥青A70号和A90号。

温拌大掺量再生沥青混合料中，为提高再生效果选择加入再生剂并确定合适的添加量，再生剂包括1-10wt％氨基丙烯酸酯类和丁二烯的共聚物、1-10wt％丁二酰亚胺-丁二酸酯，3-15wt％纳米羟基磷灰石，0.5-10wt％脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯和40-80％S800芳烃溶剂油。优选地，再生剂包括1-7wt％氨基丙烯酸酯类和丁二烯的共聚物、1-8wt％丁二酰亚胺-丁二酸酯，3-10wt％纳米羟基磷灰石，0.5-8wt％脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯和55-80％S800芳烃溶剂油。再生剂的添加量为RAP废料中旧沥青重量的5-15％，优选6-14％，更优选8-12％。还可在RAP旧料中添加温拌剂，可选择Sasobit温拌剂，SEAM硫磺改性温拌剂、表面活性剂温拌剂等，温拌剂的添加量一般为4-6wt％。再生剂中氨基丙烯酸酯类和丁二烯的共聚物中单体氨基丙烯酸酯类和丁二烯的重量比为30-70:70-30，粒径为3-30微米，25℃时聚合物粘度为50-3000cps，优选80-1000，更优选80-300。氨基丙烯酸酯类包括二甲基氨基乙基丙烯酸酯，二甲基氨基乙基丙基丙烯酸酯，二甲基氨基丙基丙烯酸酯等，丁二烯包括1,3丁二烯，2-甲基-1,3丁二烯，2-乙基-1,3丁二烯。纳米羟基磷灰石的粒径范围为50～200nm。所述共聚物优选嵌段共聚物。

提高再生剂再生效果包括通过测试RAP材料中的老化沥青的性能和再生沥青的性能确定最佳再生剂含量，可通过计算公式如式(1)的理论计算法与试验法结合获得：

1g1gη_mix＝(1一α)1g1gη_old+a1g1g1g1gη_new (1)

式中:η_mix—再生沥青的60℃设计粘度(Pa·s)

η_new—再生剂60℃粘度(Pa·s)

η_old—旧沥青的60℃粘度(Pa·s)

a一再生剂掺量

试验法即根据技术标准，对于不同再生剂生产出来的沥青进行各项性能的检测，看其是否能够达到标准。

步骤(4)中，可按下式(2)结合试验法估计沥青总用量：

Pb＝0.035a+0.045b+Kc+F (2)

式中：

Pb——估计的混合料中的总沥青用量(％)

K——系数；K＝0.18，当0.075mm筛孔通过率为6％～10％的时候

K＝0.20，当0.075mm筛孔通过率等于或小于5％的时候

a——2.36mm筛孔以上集料的比例(％)

b——通过2.36mm筛孔且留在0.075mm筛孔上集料的比例(％)

c——通过0.075mm筛孔矿料的比例(％)

F——0～2.0，取决于集料的吸水率，一般采用0.7。

按照下式(3)计算再生混合料的新沥青用量Pnb：

Pnb＝Pb－Pob×n/100 (3)

式中：

Pb——等于再生沥青混合料的总沥青用量(％)；

Pob——RAP中的沥青含量(％)；

n——RAP掺配比例(％)。

步骤(5)中，根据回收沥青路面材料(RAP)的老化程度、含水量、回收沥青路面材料(RAP)矿料的级配变异情况以及工程的实际情况、沥青混合料类型、拌和设备的类型与加热干燥能力、新集料的性质等，确定新集料与回收沥青路面材料(RAP)的掺配比。

将粗集料、细集料、矿粉作为再生沥青混合料中的矿料进行矿料配合比设计。

步骤(6)中，制备马歇尔试件时，选取合适的再生条件，并确定最佳油石比。最佳油石比通常为4-6。具体而言，将60-80％RAP废料加热到110-140℃，加入到拌和锅内，将再生剂加热到110-130℃加入拌和锅内，拌和30-60S；将粗集料、细集料加热到130-150℃，加入拌和锅内拌和40-80S；将新沥青加热到120-150℃，加入拌和锅内拌和40-80S；最后将矿粉加热到130-150℃，加热拌和锅内拌和40-80S。混合料在100-140℃出锅并成型。

优选采用正交实验法确定合适的拌和温度和拌和时间，从而确定合适的再生条件。

步骤(7)中，以矿料间隙率最小时对应的油石比为最佳油石比，如果该油石比对应的空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度满足技术指标，则对其进行性能验证，主要包括高温稳定性、水稳定性、渗水性和新旧沥青混溶度等；如果该性能验证的技术指标符合技术要求，则应重新调整矿料配合比，进行马歇尔击实试验和最佳油石比的确定。

本发明将新旧沥青混溶度作为衡量沥青混合料稳定性的性能指标，为沥青混合料的长期稳定性提供了更为全面的技术保障。其相对于仅考量再生剂与旧沥青的混溶情况，更真实全面反映沥青混合料中沥青的混溶情况。现有技术中虽有测量新旧沥青混溶度的技术方法，但并未将其作为成型沥青混合料的最终测试指标。具体测试方法包括将前述成型马歇尔试件冷却存放48小时以上，采用阿布森法从沥青混合料中回收沥青，沥青含量记为Ph，测试沥青的25℃针入度，记为Pmix。通过式(4)所述的方法进行计算：

lglgP_mix＝(1-α)lglgP_old+αlglgP_new (4)

β＝(1-α)/((Pob×n/100)÷Pb)

式中：

η_mix—混合后新旧沥青的60℃黏度(Pa·s)；

η_old—混合前旧沥青的60℃黏度(Pa·s)；

η_new—混合前新沥青60℃黏度(Pa·s)；

α—沥青混合料中新沥青用量占新旧沥青用量的比例；

Pb—混合料中的新旧沥青用量(％)；

P_ob—RAP中的沥青含量(％)；

N—RAP的掺配比例(g)。

本发明中新旧沥青混溶度为70以上，优选70％—90％。

本申请的配合比设计方法能产生如下技术效果：

(1)在配合比设计方法中，首先确定工程设计级配范围和RAP掺配比例，简化设计方法，将设计重点集中在提高大比例掺配再生效果方面。

(2)本申请使用的再生剂，其中纳米羟基磷灰石作为无机结合料，不仅具有较强吸附性，增大了再生沥青与石料的结合力，还具有较强的抗老化性能，提高RAP材料的延展性和高温稳定性。丁二酰亚胺-丁二酸酯和氨基丙烯酸酯类物质和丁二烯共聚物复配性和分散性好，与老化沥青充分混融，强化混合料形成的网状结构，使沥青混合料的硬度和韧性大大提高，能大大提高混合料的稳定性。脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯能提高沥青与石料的粘附性和粘附强度。本申请的再生剂能降低拌和温度20-30℃，使RAP掺量达到60％以上的同时，还能使沥青混合料的马歇尔稳定度和动稳定度达到较高水平，当使用SBS改性沥青作为新沥青时，马歇尔稳定度能达到15以上，且动稳定度能达到3900以上，能够很好满足高等级公路的路用性能。

(3)将新旧沥青的混溶度与马歇尔稳定度、动稳定度、浸水马歇尔试验残留稳定度和破坏应变一起作为马歇尔试件的性能指标，为大比例掺杂RAP材料提供了更为稳定的技术保障。

具体实施方式

通过下面的实施例可以详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切技术改进。

【实施例1】

选定级配类型为AC-13,RAP掺量为65％。

将某宁夏破旧路面跣刨后进行破碎和筛分，用阿布森法抽提出其中的老化沥青，测试RAP抽提后的级配、性能以及老化沥青的含量和性能，参见表1-3。

表1 RAP检测性能

材料	含水率，％	油石比，％	砂当量，％
				RAP	1.52	5.1	57.3

表2 沥青性能

材料	针入度，25℃	软化点，℃	15℃延度，cm	60℃粘度，Pa·s
					旧沥青	31	62	1.3	280.3
A-70沥青	73.5	56	110	189.2
					废旧混合沥青	70	58	108	230.8

表3 RAP级配表

筛孔尺寸	16	13.2	9.5	4.75	2.36	1.18	0.6	0.3	0.15	0.075
											通过，％	100	97.6	77.4	55.1	42.1	31.2	23.3	16.6	7.6	4.3

取新沥青为A-70，性能见表2。

再生剂包括3wt％二甲基氨基乙基丙烯酸酯和丁二烯的嵌段共聚物、6.4％wt％丁二酰亚胺-丁二酸酯，5wt％纳米羟基磷灰石，6wt％脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯和79.6wt％S800芳烃溶剂油。其中二甲基氨基乙基丙烯酸酯和丁二烯嵌断共聚物的单体比为49:50，25℃时聚合物粘度为120cps。再生剂性能指标如表4所示。

表4 再生剂性能

性能指标	60℃粘度，Pa·s	饱和分，％	15℃密度，g/cm<sup>3</sup>
				再生剂	2.1	18％	1.003

初步取η_mix为A-70沥青的动力粘度数据，按式(1)计算再生剂掺加比例为5.3％。根据实验法，按初算再生剂掺加比例，将再生剂加入旧沥青中，不断调试改变，当所得沥青的25℃针入度、软化点以及15延度能达到A-70沥青的标准后，再生剂在旧沥青的掺加比例可以定为8.5％。

选择矿粉、细集料、粗集料，其各自初选级配如表5所示。

表5 矿粉、细集料、粗集料级配

根据式(2)和式(3)以及实际工程经验选取新沥青用量为4％，经计算旧沥青量约为3.3％。

以油石比4.4为中值，以0.4％为间隔，按照粗集料、细集料以及矿粉的预定设计，以RAP旧料加热温度130℃、再生剂拌和温度取110℃、拌和时间取40S，无机矿料加热温度140℃，拌和时间60S，再生沥青加热温度120℃、拌和时间40S制备沥青混合料，按击实温度为130℃，击实次数为100制作马歇尔试件。将马歇尔试件冷却放置50h以上，用阿布森法从中回收沥青，测定沥青的性能参数，具体见表2。同时对试件的毛体积相对密度和吸水率，测定方法和计算方法按照JTG E20和JTG F40的规定执行，用真空法测定沥青混合料的最大相对理论密度。计算和/或测试马歇尔试件的空隙率、矿料间隙率和沥青饱和度。以矿料间隙率最小的试件的油石比为最佳油石比。确定最佳油石比为4.8，当该试件的空隙率为3-5％、矿料间隙率不小于15％、沥青饱和度为68-78％以上时，进一步测定其稳定度、动稳定度、水稳定性、低温性能以及新旧沥青混和溶度。如果该性能指标不满足二级、三级公路技术要求且按式(4)计算的新旧沥青混和溶度>70％，则应重新调整矿料配合比，进行马歇尔击实试验和最佳油石比的确定。计算机软件最终调整后的各项性能如表6。

【实施例2】

选定级配类型为AC-13,RAP掺量为75％。初步确定再生剂在旧沥青的掺加比例为10％。新沥青为SBS改性沥青I-C，其性能见表5。根据式(2)和式(3)以及实际工程经验选取新沥青用量为5％，经计算旧沥青量约为3.8％。以油石比4.4为中值，以0.4％为间隔，按照粗集料、细集料以及矿粉的预定设计，以RAP旧料加热温度120℃、再生剂加入拌和温度120℃，拌和时间60S、粗集料、细集料以及矿粉加入温度130℃、拌合时间50S，新沥青加入温度130℃、拌合时间60S制备沥青混合料，并按击实温度为130℃，击实次数为100制作马歇尔试件。将马歇尔试件冷却放置50h，用阿布森法回收沥青，测定该沥青的性能参数，具体见表5。其它条件同实施例1。

表5 实施例2中各种沥青性能

材料	针入度，25℃	软化点，℃	15℃延度，cm	60℃粘度，Pa·s
					旧沥青	31	62	1.3	280.3
SBS改性沥青I-C	73.5	60	130	483
					混合沥青	70	61	127	340

进行马歇尔测试和最佳油石比的确定。以高速公路或一级公路技术要求作为衡量标准，经计算机模拟最终调整后的各项性能如表6。

表6 性能参数测试结果

由表6可见，高RAP掺配率时，使用本申请的温拌再生设计方法及再生剂，可以有效降低拌和温度，增加新旧沥青的混溶度，提高RAP沥青混合料的长期高低温稳定性、低温弯曲试验破坏应变能力，可满足一般或高等级公路的路用性能。

Claims (9)

1.一种温拌大掺量再生沥青混合料配合比设计方法，包括如下方法：

(1)确定工程设计级配范围

(2)确定回收沥青路面材料(RAP)掺配比例

(3)选择新沥青标号和再生剂

(4)估算新沥青用量Pnb及其占总沥青用量的比例

(5)矿料配合比设计

(6)马歇尔试件制备与最佳油石比确定

(7)性能测试

其特征在于：在该配合比设计方法中，明确工程设计级配范围和RAP掺配比例，通过提高再生剂再生效果实现大掺量再生，在性能测试中增加新旧沥青混溶度作为性能指标，提高温拌沥青混合料的长期稳定性。

2.根据权利要求1所述的配合比设计方法，其特征在于：所述再生剂包括1-10wt％氨基丙烯酸酯类和丁二烯的共聚物、1-10wt％丁二酰亚胺-丁二酸酯，3-15wt％纳米羟基磷灰石，0.5-10wt％脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯和40-80％S800芳烃溶剂油。

3.根据权利要求2所述的配合比设计方法，还可以加入温拌剂。

4.根据权利要求2所述的配合比设计方法，所述氨基丙烯酸酯类和丁二烯的共聚物中单体氨基丙烯酸酯类和丁二烯的重量比为30-70:70-30，粒径为3-30微米，25℃时聚合物粘度为50-3000cps。

5.根据权利要求1所述的配合比设计方法，所述大掺量为掺入60％-80％的RAP。

6.根据权利要求1所述的配合比设计方法，所述新旧沥青混溶度为70％以上。

7.根据权利要求2所述的配合比设计方法，再生剂的添加量一般为RAP废料中旧沥青量的4％-15％，优选5％-10％。

8.根据权利要求2所述的配合比设计方法，所述马歇尔试件制备中，将60-80％RAP废料加热到110-140℃，加入到拌和锅内，将再生剂加热到110-130℃加入拌和锅内，拌和30-60S；将粗集料、细集料加热到130-150℃，加入拌和锅内拌和40-80S；将新沥青加热到120-150℃，加入拌和锅内拌和40-80S；最后将矿粉加热到130-150℃，加热拌和锅内拌和40-80S；混合料在100-140℃出锅并成型。

9.根据权利要求8所述的配合比设计方法，将成型马歇尔试件冷却放置48h以上，利用阿布森法回收沥青含量，并测定沥青的25℃针入度。