CN113140264B - 基于正交试验-贝雷法的冷再生沥青混合料配合比设计方法 - Google Patents

基于正交试验-贝雷法的冷再生沥青混合料配合比设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于正交试验—贝雷法的冷再生沥青混合料配合比设计方法，步骤如下：对既有路面采样得到回收沥青路面材料，称为RAP；基于取样得到的RAP，检测RAP含水率；对含水率符合要求的RAP，通过筛分试验将RAP中的集料分档；初步完成级配设计；采用抽提法对RAP进行筛分，确定公称最大粒径及关键筛孔；结合贝雷法对步骤四的级配设计进行优化，根据贝雷法优化后的级配，计算关键筛孔参数CA、Fac、Faf，验证优化后的级配的准确性；采用正交试验法确定最佳乳化沥青用量及外加水量。

Description

基于正交试验-贝雷法的冷再生沥青混合料配合比设计方法
技术领域
本发明属于公路建设工程领域，具体涉及一种基于正交试验-贝雷法的冷再生沥青混合料配合比设计方法。
背景技术
近年来，沥青路面冷再生技术已广泛应用于旧路改造维修工程中。该技术是指通过铣刨既有路面面层回收沥青路面材料(Reclaimed Asphalt Pavement，简称RAP)，并掺入一定数量的新集料、乳化沥青、水泥和适量的水，在自然环境下经混拌、摊铺、碾压等工序，形成新的沥青混合料柔性结构层。本技术不仅能利用路面的废弃材料，节省筑路材料，还解决了废弃材料对空间的占用及对环境的污染，同时现场冷再生还具有简化施工工序、节约工期等优点。因此，冷再生技术可节省投资，获得直接的经济效益，并可保证生态环境获得社会效益，是一项利国利民的是一种低碳环保经济型沥青路面维修方式。众所周知，冷再生沥青混合料配合比对其路用性能影响巨大，如何确定冷再生沥青混合料配合比是当前研究热点之一。
配合比设计对于热再生规定较为完善，且由于热再生混合料性能等与沥青混合料差异相对较小，因此配合比设计结果较为稳定。对于冷再生混合料配合比设计主要参考热再生得到，大多参考热再生配合比规定。
发明内容
本发明旨在提供一种能够准确设计冷再生沥青混合料配合比的冷再生沥青混合料配合比设计方法。为实现该技术目的，本发明的技术方案是：
一种基于正交试验—贝雷法的冷再生沥青混合料配合比设计方法，所述计算流程步骤如下：
步骤一：对既有路面采样得到回收沥青路面材料，称为RAP；
步骤二：基于取样得到的RAP，检测RAP含水率；
步骤三：对含水率符合要求的RAP，通过筛分试验将RAP中的集料分档；
步骤四：初步完成级配设计，方法如下：
(1)根据冷再生沥青混合料目标级配，确定级配范围；
(2)根据RAP中的集料分档结果，与目标级配相比较，确定差异性较大的集料档位为新骨料档位，并确定所需要加入的新骨料的用量；
(3)确定水泥和矿粉的用量。
步骤五：采用抽提法对RAP进行筛分，确定公称最大粒径NMPS及关键筛孔Pcs，方法如下：
(1)使用三氯乙烯对各档RAP集料浸泡，待RAP集料分离后，放置于不同筛孔尺寸的筛子中筛分，通过最大筛孔的RAP集料粒径，即为公称最大粒径NMPS；
(2)将抽提前后各档RAP集料进行对比，观察RAP集料在哪个筛孔尺寸处差别最大，差别最大处筛孔尺寸即为关键筛孔Pcs；
步骤六：根据所确定公称最大粒径NMPS及关键筛孔Pcs，结合贝雷法对步骤四的级配设计进行优化，确定关键筛孔参数CA、Fac、Faf各个参数的合理取值范围；根据贝雷法优化后的级配，计算关键筛孔参数CA、Fac、Faf，验证优化后的级配的准确性，若验证结果不满足，则需返回步骤四重新进行配合比设计；其中，关键筛孔参数CA、Fac、Faf计算方法及参数控制范围如下：
Figure BDA0002963310950000021
式中：Hs为半筛孔尺寸，PHs为通过半筛孔尺寸的质量百分率；Pi1、Pi2、Pi3分别为通过筛孔尺寸为i1、i2、i3质量百分率；
步骤七：采用正交试验法确定最佳乳化沥青用量及外加水量，方法如下：
拟定乳化沥青用量范围和外加水量范围，采用旋转压实成型不同取值范围的系列试件并测量各个试样的劈裂强度；根据劈裂强度检测结果建立乳化沥青用量、外加水量与冷再生沥青混合料劈裂强度的关系曲线，将曲线峰值所对应的冷再生沥青混合料中乳化沥青用量和外加水量确定为最佳用量；
步骤八：进行最佳外加水量下的不同掺量乳化沥青干湿劈裂强度验证配合比。
进一步地，
当公称最大粒径NMPS为19mm或26.5mm，关键筛孔Pcs为4.75mm时，i1＝4.75mm、i2＝1.18mm、i3＝0.3mm；
当公称最大粒径NMPS为12.5mm或9.5mm时，关键筛孔Pcs为2.36mm时，i1＝2.36mm、i2＝0.6mm、i3＝0.15mm；
所述关键筛孔参数CA、Fac、Faf的参数控制范围如下表所示：
应用贝雷法参数取值范围
NMPS/mm 26.5 19 12.5 9.5
CA 0.70～0.85 0.60～0.75 0.50～0.65 0.40～0.55
F<sub>ac</sub> 0.35～0.50 0.35～0.50 0.35～0.50 0.35～0.50
F<sub>af</sub> 0.35～0.50 0.35～0.50 0.35～0.50 0.35～0.50
若不满足表中范围，则需返回步骤四重新进行配合比设计。
进一步地，步骤二中，若RAP含水量≤1％，直接使用；若RAP含水量＞1％，则对RAP进行晾晒，直至含水量＜1％。
进一步地，步骤四的(3)中，水泥用量为1.5～1.8％，矿粉用量根据目标级配确定。
进一步地，步骤五的(1)中，不同筛孔尺寸的筛子的筛孔尺寸包括0.075、0.15、0.3、0.6、1.18、2.36、4.75、9.5、13.2、16、19、26.5、31.5和37.5mm。
进一步地，步骤七中，拟定乳化沥青用量范围为3.0％～5.0％，外加水量范围为2.0％～3.5％。
进一步地，步骤八中，制备系列试件时，乳化沥青用量分别为3.0％、3.5％、4.0％、4.5％、5.0％时，对应的外加水量分别为2.0％、2.5％、2.8％、3.0％、3.5％。
进一步地，，步骤八中，为验证确定的最佳用量是否准确，根据步骤七所确定的最佳外用水量，以乳化沥青用量为可变因素，分别选取不同的乳化沥青用量，采用旋转压实成型系列试件，测定各个试样干湿劈裂强度比，根据干湿劈裂强度检测结果建立乳化沥青用量与冷再生沥青混合料干湿劈裂强度的关系曲线，检验曲线峰值所对应的冷再生沥青混合料中乳化沥青用量是否与步骤七确定的最佳乳化沥青用量一致，否则，返回步骤四重新进行配合比设计。乳化沥青用量可以分别选取3.0％、3.5％、4.0％、4.5％，5.0％，采用旋转压实成型系列试件。
本发明的优点和有益效果为：
1.旧路面材料可能本身含有一定的水分，加上铣刨后降雨、空气潮湿、存放不当等因素，导致其含水量较大。因此，在本发明中提出对RAP的含水量进行测试，确保其满足规范要求，避免其对外用水量的影响，提高了配合比的准确性。
2.RAP混合料经破碎后成分较复杂，包括原路面上中下面层的粗细集料，沥青胶结形成的集料团等，为了得到RAP中集料的具体级配，本发明采用抽提法对RAP级配进行分析，不会破坏RAP中集料，也不会改变RAP中集料的原有级配。
3.常规配合比设计中一般固定乳化沥青含量，进行试验确定最佳外加水量，然后根据确定的最佳含水量成型不同乳化沥青用量的试件，确定其最佳乳化沥青用量。但是这样存在一定的局限性，因为乳化沥青混合料中的水主要由三部分组成：外加水、乳化沥青中含有的水和集料及RAP中的水。常规设计方法并不能保证确定的乳化沥青用量及含水量下性能最佳，当乳化沥青用量改变时，外加水量也应该随之改变，因此采用常规设计方法确定的最佳沥青用量及含水量存在缺陷。本发明采用正交试验方法，可以保证乳化沥青用量外加水量均为最佳。
4.本发明充分考虑到工程实际，简便易行，操作简单，通过本发明的设计方法能够在冷再生沥青混合料的配合比阶段得到目标配合比，且选用最佳乳化沥青用量和外用水量，能够保证冷再生沥青混合料路用性能，大大降低了后期路面病害的风险，是一种具有较高创新性的冷再生沥青混合料配合比设计方法。
附图说明
图1本发明实施例中冷再生混合料初步级配设计结果及级配曲线
图2为本发明实施例中抽提前后三档集料通过率对比图；(a)为图2中10～30mmRAP抽提前后通过率对比图；(b)为图2中5～10mmRAP抽提前后通过率对比图；(c)为图2中0～5mmRAP抽提前后通过率对比图；
图3为本发明实施例中基于贝雷法合成级配设计优化图；
图4为本发明实施例中正交试验结果图；
图5为本发明实施例中不同乳化沥青用量试验结果图；
图6为本发明实施例中基于正交试验—贝雷法配合比设计的冷再生沥青混合料切面图；
图7为本发明设计方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明所述的具体实施例为一种基于正交试验—贝雷法的冷再生沥青混合料配合比设计方法，所述设计流程步骤如下：
(1)RAP含水率检测
本实施例在既有路面随机选取4个不同位置进行取样，测试RAP含水量，试验结果如下所示。
表1 RAP料含水量检测结果
RAP料 1 2 3 4 平均值
含水量，％ 0.84 0.67 0.81 0.74 0.77
通过实验确定含水量在0.67％～0.84％之间，平均含水0.77％，小于1％，可直接使用。
(2)通过筛分试验将RAP中的集料分档
表2 RAP级配结果
筛孔(mm) 直接筛分
26.5 100.0
19 99.6
16 94.8
13.2 86.1
9.5 65.1
4.75 39.6
2.36 28.5
1.18 22.1
0.6 19.0
0.3 13.7
0.15 9.4
0.075 3.1
根据筛分试验结果，将RAP分为0～5mm，5～10mm和10～30mm三档。
(3)根据冷再生沥青混合料目标级配，加入新骨料、水泥和矿粉，初步完成级配设计
本实施例目标级配为骨架密实结构，级配范围要求如下：
表3骨架密实结构要求级配范围
Figure BDA0002963310950000041
Figure BDA0002963310950000051
根据分档结果及级配范围要求，对于冷再生混合料加入10～20mm碎石，以达到骨架密实结构。
水泥用量为1.5％，矿粉用量为3％。
级配设计如表4和图1所示。
表4冷再生混合料初步级配设计结果及级配曲线
Figure BDA0002963310950000052
(4)采用抽提法对RAP进行筛分，确定公称最大粒径(NMPS)及关键筛孔(Pcs)。
将三档集料分别经三氯乙烯浸泡抽提后进行筛分，结果如表5。
表5抽提后各档集料通过率
Figure BDA0002963310950000053
由表5可知，公称最大粒径为19mm。
将抽提前后三档RAP集料级配进行对比如图2。
从图2可知，抽提后影响较大的是4.75mm筛孔通过率，10～30mm、5～10mmRAP抽提后4.75mm筛孔通过率均增大较多，4.75mm筛孔通过率“失真，确定关键筛孔为4.75mm。
(5)根据所述关键筛孔(Pcs)，结合贝雷法对步骤(3)的级配设计进行优化。
级配设计优化结果如表6和图3所示。
表6基于贝雷法合成级配设计优化
Figure BDA0002963310950000061
(6)结合贝雷法设计筛孔通过率，计算关键筛孔参数CA、Fac、Faf
关键筛孔为4.75mm，公称最大粒径为19mm，参照贝雷法计算关键筛孔参数CA、Fac、Faf计算方法及参数控制范围如下所示：
公称最大粒径(NMPS)≥19mm，关键筛孔(Pcs)为4.75mm时：
Figure BDA0002963310950000062
Hs为半筛孔尺寸，PHs为通过半筛孔尺寸的质量百分率，％；P4.75为通过筛孔尺寸为4.75mm的质量百分率，％；P1.18为通过筛孔尺寸为1.18mm的质量百分率，％；P0.3为通过筛孔尺寸为0.3mm的质量百分率，％。
当公称最大粒径(NMPS)＜19mm，关键筛孔(Pcs)为2.36mm时：
Figure BDA0002963310950000063
Hs为半筛孔尺寸，PHs为通过半筛孔尺寸的质量百分率，％；P2.36为通过筛孔尺寸为2.36mm的质量百分率，％；P0.6为通过筛孔尺寸为0.6mm的质量百分率，％；P0.15为通过筛孔尺寸为0.15mm的质量百分率，％。
若公称最大粒径(NMPS)为26.5mm，关键筛孔(Pcs)为4.75mm时，CA值大小为0.70～0.85，Fac大小为0.35～0.50，Fac大小为0.35～0.50。
若公称最大粒径(NMPS)为19mm，关键筛孔(Pcs)为4.75mm时，CA值大小为0.60～0.75，Fac大小为0.35～0.50，Fac大小为0.35～0.50。
若公称最大粒径(NMPS)为12.5mm，关键筛孔(Pcs)为2.36mm时，CA值大小为0.50～0.65，Fac大小为0.35～0.50，Fac大小为0.35～0.50。
若公称最大粒径(NMPS)为9.5mm，关键筛孔(Pcs)为2.365mm时，CA值大小为0.40～0.55，Fac大小为0.35～0.50，Fac大小为0.35～0.50。
控制筛孔相关参数结果为：CA＝0.69，Faf＝0.45，Fac＝0.36。设计参数均在贝雷法提出的推荐参数范围内，符合设计要求。
(7)采用正交试验法确定最佳乳化沥青用量及外加水量
假设乳化沥青用量为3.0％～5.0％；水用量为2.0％～3.5％，旋转压实成型试件并测其劈裂强度。结果如表7。
表7正交试验劈裂强度结果
Figure BDA0002963310950000071
通过正交试验发现，当乳化沥青用量为4.5％，外加水量为3.0％时，劈裂强度达到最大值。故确定乳化沥青用量为4.5％，外加水量为3.0％。
为验证确定的最佳用量是否准确，成型外加水量为3.0％，乳化沥青用量分别取3.0％、3.5％、4.0％、4.5％，5.0％的试件，测定其干湿劈裂强度比，如表8所示。
表8不同乳化沥青用试验结果
沥青用量(％) 干劈强度 湿劈强度 干湿劈裂比
3.0 0.61 0.59 96.72％
3.5 0.66 0.64 96.97％
4.0 0.70 0.67 95.71％
4.5 0.74 0.71 95.95％
5.0 0.73 0.69 94.52％
通过图5可得：乳化沥青用量在4.5％时试件为最大劈裂强度，与最佳用量一致，验证了最佳乳化沥青用量为4.5％。
表9乳化沥青冷再生配合比
Figure BDA0002963310950000072
Figure BDA0002963310950000081
确定乳化沥青冷再生配合比如表9所示，试件切面如图6，从图中可以看出，粗集料基本形成骨架密实结构。

Claims (9)

1.一种基于正交试验—贝雷法的冷再生沥青混合料配合比设计方法，包括如下步骤：
步骤一：对既有路面采样得到回收沥青路面材料，称为RAP；
步骤二：基于取样得到的RAP，检测RAP含水率；
步骤三：对含水率符合要求的RAP，通过筛分试验将RAP中的集料分档；
步骤四：初步完成级配设计，方法如下：
(1)根据冷再生沥青混合料目标级配，确定级配范围；
(2)根据RAP中的集料分档结果，与目标级配相比较，确定差异性较大的集料档位为新骨料档位，并确定所需要加入的新骨料的用量；
(3)确定水泥和矿粉的用量。
步骤五：采用抽提法对RAP进行筛分，确定公称最大粒径NMPS及关键筛孔Pcs，方法如下：
(1)使用三氯乙烯对各档RAP集料浸泡，待RAP集料分离后，放置于不同筛孔尺寸的筛子中筛分，通过最大筛孔的RAP集料粒径，即为公称最大粒径NMPS；
(2)将抽提前后各档RAP集料进行对比，观察RAP集料在哪个筛孔尺寸处差别最大，差别最大处筛孔尺寸即为关键筛孔Pcs；
步骤六：根据所确定公称最大粒径NMPS及关键筛孔Pcs，结合贝雷法对步骤四的级配设计进行优化，确定关键筛孔参数CA、Fac、Faf各个参数的合理取值范围；根据贝雷法优化后的级配，计算关键筛孔参数CA、Fac、Faf，验证优化后的级配的准确性，若验证结果不满足，则需返回步骤四重新进行配合比设计；其中，关键筛孔参数CA、Fac、Faf计算方法及参数控制范围如下：
Figure FDA0003860606180000011
式中：Hs为半筛孔尺寸，PHs为通过半筛孔尺寸的质量百分率；Pi1、Pi2、Pi3分别为通过筛孔尺寸为i1、i2、i3质量百分率；
步骤七：采用正交试验法确定最佳乳化沥青用量及外加水量，方法如下：
拟定乳化沥青用量范围和外加水量范围，采用旋转压实成型不同取值范围的系列试件并测量各个试样的劈裂强度；根据劈裂强度检测结果建立乳化沥青用量、外加水量与冷再生沥青混合料劈裂强度的关系曲线，将曲线峰值所对应的冷再生沥青混合料中乳化沥青用量和外加水量确定为最佳用量；
步骤八：进行最佳外加水量下的不同掺量乳化沥青干湿劈裂强度验证配合比。
2.根据权利要求1所述的冷再生沥青混合料配合比设计方法，其特征在于，
当公称最大粒径NMPS为26.5mm，关键筛孔Pcs为4.75mm时，i1＝4.75mm、i2＝1.18mm、i3＝0.3mm，CA范围为0.70～0.85，Fac范围为0.35～0.50，Faf范围为0.35～0.50，若不满足，则需返回步骤四重新进行配合比设计。
当公称最大粒径NMPS为19mm，关键筛孔Pcs为4.75mm时，i1＝4.75mm、i2＝1.18mm、i3＝0.3mm；，CA范围为0.60～0.75，Fac范围为0.35～0.50，Faf范围为0.35～0.50，若不满足，则需返回步骤四重新进行配合比设计。
当公称最大粒径NMPS为12.5mm，关键筛孔Pcs为2.36mm时，i1＝2.36mm、i2＝0.6mm、i3＝0.15mm；，CA范围为0.50～0.65，Fac范围为0.35～0.50，Faf范围为0.35～0.50，若不满足，则需返回步骤四重新进行配合比设计。
当公称最大粒径NMPS为9.5mm，关键筛孔Pcs为2.36mm时，i1＝2.36mm、i2＝0.6mm、i3＝0.15mm；，CA范围为0.40～0.55，Fac范围为0.35～0.50，Faf范围为0.35～0.50，若不满足，则需返回步骤四重新进行配合比设计。
3.根据权利要求1所述的冷再生沥青混合料配合比设计方法，其特征在于，步骤二中，若RAP含水量≤1％，直接使用；若RAP含水量＞1％，则对RAP进行晾晒，直至含水量＜1％。
4.根据权利要求1所述的冷再生沥青混合料配合比设计方法，其特征在于，步骤四的(3)中，水泥用量为1.5～1.8％，矿粉用量根据目标级配确定。
5.根据权利要求1所述的冷再生沥青混合料配合比设计方法，其特征在于，步骤五的(1)中，不同筛孔尺寸的筛子的筛孔尺寸包括0.075、0.15、0.3、0.6、1.18、2.36、4.75、9.5、13.2、16、19、26.5、31.5和37.5mm。
6.根据权利要求1所述的冷再生沥青混合料配合比设计方法，其特征在于，步骤七中，拟定乳化沥青用量范围为3.0％～5.0％，外加水量范围为2.0％～3.5％。
7.根据权利要求1所述的冷再生沥青混合料配合比设计方法，其特征在于，步骤七中，制备系列试件时，乳化沥青用量分别为3.0％、3.5％、4.0％、4.5％、5.0％时，对应的外加水量分别为2.0％、2.5％、2.8％、3.0％、3.5％。
8.根据权利要求1所述的冷再生沥青混合料配合比设计方法，其特征在于，步骤八中，为验证确定的最佳用量是否准确，根据步骤七所确定的最佳外用水量，以乳化沥青用量为可变因素，分别选取不同的乳化沥青用量，采用旋转压实成型系列试件，测定各个试样干湿劈裂强度比，根据干湿劈裂强度检测结果建立乳化沥青用量与冷再生沥青混合料干湿劈裂强度的关系曲线，检验曲线峰值所对应的冷再生沥青混合料中乳化沥青用量是否与步骤七确定的最佳乳化沥青用量一致，否则，返回步骤四重新进行配合比设计。
9.根据权利要求8所述的冷再生沥青混合料配合比设计方法，其特征在于，步骤八中，乳化沥青用量分别选取3.0％、3.5％、4.0％、4.5％，5.0％，采用旋转压实成型系列试件。
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