CN113024161A - 一种厂拌热再生沥青混合料的配合比设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种厂拌热再生沥青混合料的配合比设计方法，通过三个阶段的配合比设计完成再生混合料的设计，通过该方法可以确定废旧沥青混合料的掺配比例、新材料组成及配比、最佳新油石比、布敦岩沥青的添加量，为热再生沥青混合料配合比设计提供依据。采用本发明所述方法设计得到的布敦岩沥青热再生混合料具有较好的抗剥落性和耐久性，其高温抗车辙性能可达到或超过SBS改性沥青混合料的效果，且本发明提供的配合比设计方法生产工艺流程简单易操作、产品质量稳定、成本低，较其他聚合物改性技术更具优势，能够显著降低工程造价，提高道路使用寿命，具有较好的经济效益和社会效益。

Description

一种厂拌热再生沥青混合料的配合比设计方法

技术领域

本发明涉及道路工程技术领域，尤其涉及一种厂拌热再生沥青混合料的配合比设计方法。

背景技术

根据现行《公路沥青路面再生技术规范》(JTG/T 5521—2019)，沥青路面再生方式分为厂拌热再生法、就地热再生法、厂拌冷再生法、就地冷再生法和全深式冷再生法等5种方法，其中厂拌热再生法由于适用范围广、操作精确灵活、施工质量能够得到保证等优点，是现阶段我国混合料再生技术的主要手段。

厂拌热再生技术是将旧的沥青路面混合料切削回收，集中到再生拌合厂，再根据旧混合料技术性能的变化，掺入不同的添加材料，然后拌合成复合路面技术性能要求的再生混合料，运入施工现场，摊铺并碾压成新的沥青路面。

在我国厂拌热再生配合比设计中，大多使用再生剂对废旧沥青混合料中的老化沥青进行性能恢复。这种配合比设计能够将废旧沥青混合料进行回收利用，但是其回收利用率不高；其次，使用再生剂这种方法是化学改性，不利于二次回收利用，而且会增加生产工序，导致更多能源的消耗；再者，使用再生剂只针对废旧沥青混合料中老化沥青进行性能恢复，并没有对再生沥青混合料性能改善有直接作用。

将布敦岩沥青(BRA)作为再生沥青混合料的外用添加剂使用到配合比设计中，能有效活化还原废旧沥青混合料(RAP)中的老化沥青，显著提升活化还原后的老化沥青及新基质沥青的耐高温、抗老化、粘附性等性能指标，提高废旧沥青混合料的再生利用率，改善再生沥青混合料路用性能。因此，结合废旧沥青混合料和布敦岩沥青的特点，进行布敦岩沥青厂拌热再生沥青混合料配合比设计。与常规的厂拌热再生配合比设计相比，本配合比设计不仅能够优化施工工序，而且减少了能源消耗，并且本配合比设计生产的再生料，其路用性能更加稳定优良。为此，本发明提供了一种厂拌热再生沥青混合料的配合比设计方法，以达到优化施工工序、减少能源消耗，使厂拌热再生沥青混合料的路用性能更加稳定优良的目的。

发明内容

为了在厂拌热再生沥青混合料生产过程中提高回收料的利用率、降低生产成本、且获得较好的路用性能，本发明提供了一种布敦岩沥青厂拌热再生沥青混合料的配合比设计方法，主要包括以下步骤：

(1)确定0％掺量废旧沥青混合料时的矿料级配和最佳油石比：

确定热再生沥青混合料的类型及采用的新沥青类型和标号，根据沥青混合料的类型，设计废旧沥青混合料为0％掺量的设计级配曲线，预估油石比为中值，按0.3％的间隔取5个不同的油石比分别拌和混合料；将拌和均匀的混合料成型标准马歇尔试件，测定其物理指标和力学指标，确定废旧沥青混合料掺量为0％时的矿料级配和基质沥青混合料的最佳油石比；

在实际设计中，一般根据项目所在地的公路等级、气候条件、混合料使用层位、交通量来确定热再生沥青混合料的类型及采用的新沥青类型和标号；

(2)确定热再生混合料的最佳废旧沥青混合料掺量和新油石比：

对废旧沥青混合料各档材料进行抽提筛分获得废旧沥青混合料中集料级配曲线，根据新集料级配、废旧沥青混合料中的各档集料级配，设计热再生沥青混合料的合成级配曲线；

在设计热再生沥青混合料的合成级配曲线的过程中，尽可能使不同废旧沥青混合料掺量的矿料合成级配与第一阶段确定的设计级配曲线非常接近或相差不大，且都在《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)规定的级配范围内，满足级配设计要求；

根据不同废旧沥青混合料掺量下的旧沥青含量，预估相应掺量下的新油石比，以预估新油石比、预估新油石比±0.2％三组情况分别制取马歇尔试件，测定相应的物理—力学指标，以目标空隙率为主要控制指标，结合不同油石比下的马歇尔试件的稳定度与流值，确定不同废旧沥青混合料掺量下的最佳新油石比；

在各掺量的最佳新油石比条件下成型车辙，以《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40—2004)所对应的沥青混合料的相关规定对成型车辙进行车辙试验和冻融劈裂试验，测试沥青混合料的动稳定度和抗水损害性能；通过车辙试验、冻融劈裂试验结果确定热再生料的最佳废旧沥青混合料掺量和油石比。

(3)确定最佳布敦岩沥青外掺用量：

以再生沥青混合料车辙动稳定度DS≥n次/mm为目标，在已确定的最佳废旧沥青混合料掺量和油石比的再生沥青混合料中分别添加不同比例的布敦岩沥青，然后进行试验，根据布敦岩沥青掺量和车辙动稳定度的相关变化趋势，结合车辙动稳定度目标、布敦岩沥青材料的经济性，选定最佳布敦岩沥青添加量。

进一步地，所述步骤(1)中基质沥青、废旧沥青混合料各档材料、粗细集料和矿粉的相关性能指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的规定。

进一步地，所述步骤(1)中布敦岩沥青的技术指标符合《沥青混合料改性添加剂第五部分：天然沥青》(JT/T 860.5—2014)对布敦岩沥青质量标准的要求。

进一步地，所述步骤(1)中工程设计级配范围根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的级配范围、原材料的级配确定。

进一步地，所述步骤(1)中混合料的拌和温度为155℃-165℃，集料加热温度为170-180℃。

进一步地，所述步骤(2)中新油石比为新沥青与总集料的质量比，总集料为新集料与废旧沥青混合料各档材料的质量和。

进一步地，所述步骤(2)中车辙试验的测试温度为60℃、轮压为0.7MPa。

进一步地，所述步骤(3)中布敦岩沥青的添加量为未加布敦岩沥青前再生沥青混合料总重量的0、2％、4％、6％

本发明通过三个阶段的配合比设计完成再生混合料的设计：第一阶段不添加废旧沥青混合料、布敦岩沥青，分别用不同的的油石比，即新基质沥青与新集料的质量比获得基质沥青混合料的最佳油石比；第二阶段在第一阶段获得基质沥青混合料最佳油石比基础上，根据不同废旧沥青混合料掺量下提供的旧沥青含量，预估相应掺量下的新油石比，及新沥青与总集料的质量比，总集料为新集料与废旧沥青混合料各档材料的质量和。并以预估新油石比为中值，按一定间隔变化取3个不同新油石比进行马歇尔试验，确定不同废旧沥青混合料掺量下的最佳新油石比。通过对各个最佳新油石比下的再生混合料的性能检验，及废旧沥青混合料回收利用率等多方面的考量，确定热再生料的最佳废旧沥青混合料掺量和新油石比；第三阶段以车辙动稳定度为研究目标，在第二阶段获得最佳废旧沥青混合料掺量和新油石比的基础上，分别添加不同比例的布敦岩沥青进行试验，进而确定布敦岩沥青的添加量。通过该方法可以确定废旧沥青混合料的掺配比例、新材料组成及配比、最佳新油石比、布敦岩沥青的添加量，为热再生沥青混合料配合比设计提供依据。

在本发明所述设计方法中向沥青混合料生产中加入一定量的废旧沥青混合料能够提高再生沥青混合料的高温抗车辙性能，同时本发明利用布敦岩沥青长期经受恶劣自然环境的考验，性质极其稳定、耐老化性能优良的特性，配合特定的设计方法，将其作为沥青混合料的添加剂，显著提升了活化还原后的老化沥青及新基质沥青的耐高温、抗老化、粘附性和再生沥青混合料的高温抗车辙性、水稳定性和耐久性。因此，在厂拌热再生沥青混合料产生中加入一定量的布敦岩沥青进行配合比优化设计，使二者能够共同作用提高沥青混合料的路用性能。

分别对以普通的SBS改性沥青作为混合料，以废旧沥青混合料中占旧沥青质量百分数5-10％的再生剂、25％的废旧沥青混合料热再生沥青混合料、2％的布敦岩沥青和40％的废旧沥青混合料热再生混合料三种沥青混合料设计方案在采用相同的矿料级配和集料，进行沥青混合料的条件下进行成本分析，结果表明，在考虑机械成本、人工成本相同的条件下，采用2％布敦岩沥青+40％废旧沥青混合料热再生混合料，其材料成本与其它两种类型相比，成本降低约100-120元/吨，经济效益可观。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

采用本发明所述设计方法制备的布敦岩沥青热再生混合料具有较好的抗剥落性、耐久性，高温抗车辙性能可达或超过SBS改性沥青混合料的效果，且本发明提供的配合比设计方法生产工艺流程简单易操作、产品质量稳定、成本低，较其他聚合物改性技术更具优势，能够显著降低工程造价，提高道路使用寿命，具有较好的经济效益和社会效益。

附图说明

下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

图1为20％废旧沥青混合料掺量的AC-20C沥青混合料的级配曲线；

图2为30％废旧沥青混合料掺量的AC-20C沥青混合料的级配曲线；

图3为40％废旧沥青混合料掺量的AC-20C沥青混合料的级配曲线；

图4为50％废旧沥青混合料掺量的AC-20C沥青混合料的级配曲线；

图5为本发明所述厂拌热再生沥青混合料的配合比设计方法的设计工艺流程图。

具体实施方式

本实例项目位于江西省赣州市的某高速公路养护的布敦岩沥青厂拌热再生沥青混合料配合比设计方法，具体步骤如下：

(1)根据项目的位置，所在的区域为高温多雨地区，确定再生沥青混合料类型为AC-20C，用于高速公路的下面层，根据当地的气候条件等情况选择新沥青为70号A级道路石油沥青，该沥青的各项指标符合JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中表4.2.1-2及施工设计图纸的技术要求；

(2)测试新沥青、废旧沥青混合料、新集料、矿粉的性能，以确定选用上述材料的种类。

70号基质沥青试验结果如表1所示。

表1沥青性能指标

废旧沥青混合料材料：

本次实验用废旧沥青混合料材料为某高速公路的普通沥青混合料面层，采用三层铣刨并对其进行破碎筛分，筛分标准为0-4.75mm、4.75-9.5mm和9.5mm以上三档，废旧沥青混合料性能指标见表2。

表2废旧沥青混合料三档料的通过百分率

新集料：

产地为龙南县大吉山，粗集料规格为5-10mm(碎石1)和10-20mm(碎石2)，对其各项指标进行测定，试验结果表明粗集料各项指标符合JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中的技术要求，试验结果如表3所示。

表3粗集料性能指标

细集料：

产地为龙南县大吉山，石屑规格为0-5mm，试验结果表明石屑各项指标符合JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中的技术要求，结果如表4和表5所示。

表4细集料性能指标

表5细集料筛分结果

矿粉：

产地为龙南县，石灰岩矿粉，试验结果表明矿粉各项指标符合JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中的技术要求，试验结果如表6所示。

表6矿粉性能指标

(3)测试布敦岩沥青布敦岩沥青性能指标。

布敦岩沥青技术要求主要是依据相关试验测试结果，如表7所示和实体工程检测数据，并参考JT/T 860.5-2014印尼布敦岩沥青的技术要求、相关地方标准、研究报告等技术资料的相关规定，同时考虑了各批次布敦岩沥青原材料性能存在一定的波动性。

表7布敦岩沥青技术指标

(4)未掺废旧沥青混合料旧料的矿料级配及最佳油石比的确定。

①矿料级配确定：

采用上述确定的材料，根据本地区工程经验，通过对各种集料多次筛分确定其级配组成。经过反复调整、计算，确定未掺废旧沥青混合料料的AC-20C混合料的合成级配，其中矿粉、石屑(0-5mm)、碎石1(5-10mm)、碎石1(10-15mm):碎石2(10-20mm)的配比如下：4：37：19：20：20。

②最佳油石比确定：

按预估的沥青用量范围，中粒式沥青混合料(AC-20C型)按0.5％间隔变化取值区间为3.0％-5.0％的不同油石比，与前面的矿料配比一起制备5组标准马歇尔试件，按JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中要求上下两面各击75次的方法成型，击实温度为150℃。

按上述方法成型的试件，经12小时后测定其毛体积密度、孔隙率、矿料间隙率、沥青饱和度等物理指标。测定物理指标后的试件，在60℃温度下测定其马歇尔稳定度和流值，试验结果如表8所示。

表8马歇尔试验结果汇总表

根据马歇尔试验结果汇总表，可以得知油石比与毛体积密度、空隙率、矿料间隙率、稳定度、流值、有效沥青饱和度的关系，最后综合考虑确定最佳油石比为4.3％。未掺废旧沥青混合料沥青混合料最佳油石比马歇尔试验结果如表9所示。

表9最佳油石比马歇尔试验结果

试验项目	试验结果	试验项目	试验结果
				试件毛体积相对密度	2.401	试件矿料间隙率，％	13.6
试件毛体积密度，g/cm<sup>3</sup>	2.394	沥青饱和度，％	66.9
				理论最大相对密度	2.526	稳定度值，KN	9.45
试件空隙率，％	5.2	流值，mm	2.85

(5)不同废旧沥青混合料掺量的AC-20C沥青混合料的级配曲线：

废旧沥青混合料旧料掺量20％、30％、40％、50％的级配曲线如图1-4所示。

(6)不同废旧沥青混合料掺量的AC-20C沥青混合料最佳油石比确定：

在确定0％废旧沥青混合料掺量的最佳油石比之后，由于其他掺量的级配与0％掺量接近，如果随意选取初始油石比制作马歇尔试件，会增加试验量，造成极大的浪费。因此需要对不同掺量的混合料最佳油石比进行预测，预测结果如表10所示。

表10不同废旧沥青混合料掺量沥青混合料最佳油石比预测

以预估油石比为中心，取±0.2％为范围，分别制取马歇尔试件，取五个试件的毛体积密度、稳定度、流值，作出马歇尔实验指标曲线确定最佳油石比。不同掺量的最佳油石比如表11所示。

表11不同掺量最佳油石比

以5.0％空隙率为主要控制指标，结合不同油石比下的马歇尔试件的稳定度与流值，确定20％、30％、40％、50％旧料掺量下的新集料油石比分别为3.5％、2.9％、2.5％、2.0％。

(7)确定废旧沥青混合料最佳掺量：

不同废旧沥青混合料掺量的沥青混合料高温稳定性性能研究：

目前，对沥青混合料的高温稳定性研究方法有多种，各种测试方法和不同的力学指标予以沥青混合料高温稳定性表征和评价。其中车辙试验由于设备简单，试验方便，原理直观，易于被人们理解和接受，同时轮辙试验的结果与实际沥青路面的车辙之间有良好的相关性，因而国内外应用广泛。本实验不同废旧沥青混合料掺量的沥青混合料车辙试验结果如表12所示。

表12车辙试验结果

由表12可知，不同废旧沥青混合料掺量的动稳定度都符合规范，旧料加入后，沥青混合料的高温稳定性能明显得到改善，再生沥青混合料的动稳定度随着旧料掺量的增加而增加。旧料掺量为40％以下时，同一掺量的车辙动稳定度变异性不大，而50％废旧沥青混合料掺量的变异性较大，最大差值达2500次/mm以上，超过了规范中的20％变异的规定。由于大掺量废旧沥青混合料再生混合料的高温稳定性变异较大，但其总体动稳定度任然呈现增长的趋势，工程应用时应确定废旧沥青混合料合适掺量。

不同废旧沥青混合料掺量的沥青混合料低温抗裂性能研究：

沥青性能对再生沥青混合料低温稳定性的影响甚大，而集料对其影响有限。研究发现，沥青路面的低温抗裂性能主要取决于沥青结合料的低温拉伸变形性能，其贡献率达到90％，而混合料的矿料级配对抵抗低温变形导致的开裂作用较小。所以，旧料沥青的老化，针入度、流值减小，变硬变脆，导致再生沥青低温抗裂性能比不加旧料的混合料低。

当废旧沥青混合料掺量较小的时候，废旧沥青混合料的加入，再生混合料模量增加，从而使其水稳性增大。当旧料掺量较大时，再生料抗水损害能力会有明显的降低，由于旧料的加入增多，混合料受老化沥青影响比模量的增加带来的影响要大，其水稳性呈现下降趋势。主要原因是沥青混合料的水损害机理，即水进入骨料和间的界面，形成界面破坏。

结合此前的相关研究成果，再进一步试验结果验证，确定经济环保型抗车辙沥青混合料中废旧沥青混合料的掺量为40％，油石比，即新沥青：总集料为pa＝2.5％。

(8)布敦岩沥青布敦岩沥青掺量的确定：

以沥青混合料车辙动稳定度≥5000次/mm为研究目标，在废旧沥青混合料掺量40％的再生沥青混合料中分别添加不同比例的布敦岩沥青，添加量分别为沥青混合料的0％、2％、4％、6％四种。根据对布敦岩沥青的研究分析，添加布敦岩沥青后相应地新沥青：总集料即新油石比减少0.2％，故本实验中新油石比分别为2.5％、2.3％、2.1％、1.9％，然后通过马歇尔击实试验确定沥青混合料的标准密度、空隙率等指标。根据马歇尔击实试验确定沥青混合料的标准密度，按98％压实度成型车辙试件，按现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20-2011中规定的试验方法进行试验，实验结果如表13所示。

表13不同布敦岩沥青掺量的车辙试验结果

由表13可知，添加不同比例的布敦岩沥青布敦岩沥青，车辙动稳定度显著提高，且车辙动稳定度随着布敦岩沥青比例的增加也逐渐提高。根据设定的车辙动稳定度≥5000次/mm为目标值，布敦岩沥青的添加量达到2％时已经实现研究目标。考虑施工的经济性，选定布敦岩沥青的添加量为2％。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种厂拌热再生沥青混合料的配合比设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定0％掺量废旧沥青混合料时的矿料级配和最佳油石比：

确定热再生沥青混合料的类型及采用的新沥青类型和标号，根据沥青混合料的类型，设计废旧沥青混合料为0％掺量的设计级配曲线；

以预估油石比为中值，按0.3％的间隔取5个不同的油石比分别拌和混合料，然后将拌和均匀的混合料成型标准马歇尔试件，测定其物理指标和力学指标，确定废旧沥青混合料掺量为0％时的矿料级配和基质沥青混合料的最佳油石比；

(2)确定热再生混合料的最佳废旧沥青混合料掺量和新油石比：

对废旧沥青混合料各档材料进行抽提筛分获得废旧沥青混合料中集料级配曲线，根据新集料级配、废旧沥青混合料中的各档集料级配，设计热再生沥青混合料的合成级配曲线；

根据不同废旧沥青混合料掺量下的旧沥青含量，预估相应掺量下的新油石比，以预估新油石比、预估新油石比±0.2％三组情况分别制取马歇尔试件，测定相应的物理—力学指标；

以目标空隙率为主要控制指标，结合不同油石比下的马歇尔试件的稳定度与流值，确定不同废旧沥青混合料掺量下的最佳新油石比；

在各掺量的最佳新油石比条件下成型车辙试件，对成型车辙试件进行车辙试验和冻融劈裂试验，测试沥青混合料的动稳定度和抗水损害性能，通过试验结果确定热再生料的最佳废旧沥青混合料掺量和油石比；

(3)确定最佳布敦岩沥青外掺用量：

以再生沥青混合料车辙动稳定度DS≥n次/mm为目标，在已确定的最佳废旧沥青混合料掺量和油石比的再生沥青混合料中分别添加不同比例的布敦岩沥青，然后进行试验，根据布敦岩沥青掺量和车辙动稳定度的相关变化趋势，结合车辙动稳定度目标、布敦岩沥青材料的经济性，选定最佳布敦岩沥青添加量。

2.根据权利要求1所述的厂拌热再生沥青混合料的配合比设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中基质沥青、废旧沥青混合料各档材料、粗细集料和矿粉的相关性能指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的规定。

3.根据权利要求1所述的厂拌热再生沥青混合料的配合比设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中布敦岩沥青的技术指标符合《沥青混合料改性添加剂第五部分：天然沥青》(JT/T860.5—2014)对布敦岩沥青质量标准的要求。

4.根据权利要求1所述的厂拌热再生沥青混合料的配合比设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中工程设计级配范围根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的级配范围、原材料的级配确定。

5.根据权利要求1所述的厂拌热再生沥青混合料的配合比设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中混合料的拌和温度为155℃-165℃，集料加热温度为170-180℃。

6.根据权利要求1所述的厂拌热再生沥青混合料的配合比设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中新油石比为新沥青与总集料的质量比，总集料为新集料与废旧沥青混合料各档材料的质量和。

7.根据权利要求1所述的厂拌热再生沥青混合料的配合比设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中车辙试验的测试温度为60℃、轮压为0.7MPa。

8.根据权利要求1所述的厂拌热再生沥青混合料的配合比设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中布敦岩沥青的添加量为未加布敦岩沥青前再生沥青混合料总重量的0、2％、4％、6％。

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