CN113178235B - 一种基于性能需求的热再生沥青混合料配合比设计方法 - Google Patents

一种基于性能需求的热再生沥青混合料配合比设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于性能需求的热再生沥青混合料配合比设计方法，包括，测试RAP旧料、新矿料的各项性能指标；进行RAP旧料、新矿料的配合比设计，根据预设的初试合成油石比进行马歇尔试验，确定最佳级配；对确定的最佳级配进行不同油石比下的马歇尔试验，确定最佳油石比；根据所述最佳级配与所述最佳油石比，通过比表面积法计算，确定最佳油石比下的最佳沥青膜厚；根据所述最佳沥青膜厚度，确定热再生沥青砂浆的合成油砂比，并计算需要添加的新加沥青用量，从而得到再生沥青砂浆的配合比。本发明的设计方法可以显著的体现出热再生沥青砂浆、热再生沥青胶浆与热再生沥青混合料之间的关联性。

Description

一种基于性能需求的热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材料技术领域，具体涉及到一种基于性能需求的热再生沥青混合料配合比设计方法。
背景技术
伴随着我国每年道路养护里程的大幅增加，废弃路面材料的数量也同步增长，大量的废旧路面材料给经济和环境造成了极大的负担。当前国家对于路面材料的再生利用有着明确的要求，因此越来越多的RAP旧料被用于路面再生养护工程中，热再生沥青混合料的使用也越来越普及。但是热再生沥青混合料中包含着新旧集料和新旧沥青，与普通沥青混合料相比，其组成成分较为复杂。因此对于热再生沥青混合料，有必要从多个尺度进行分析研究，包括热再生沥青混合料层面、热再生沥青砂浆层面和热再生沥青胶浆层面。
沥青砂浆是将细集料分散在沥青胶浆中形成的，是介于沥青混合料和沥青胶浆之间的中间尺度分散系，为两个尺度的研究搭建“桥梁”。目前已有学者对沥青砂浆展开研究，发现沥青砂浆会显著影响沥青混合料在道路上的实际使用性能。截至当前，仍未发现相关规范对沥青砂浆的组成和性能有明确的要求，也未有相关明确规定关于热再生沥青砂浆的明确的级配设计的方法，这严重影响了对沥青砂浆尺度的研究。由于进行多尺度的研究要求不同尺度的材料之间存在关联性，因此目前急需要一种有效的热再生沥青砂浆和热再生沥青胶浆的配合比设计方法。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。
本发明的目的在于提供一种基于性能需求的热再生沥青混合料配合比设计方法，通过对原热再生沥青混合料级配设计和性能验证，结合最佳沥青膜厚度计算方法，对热再生沥青砂浆的配合比进行设计。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种基于性能需求的热再生沥青混合料配合比设计方法，包括，
测试RAP旧料、新矿料的各项性能指标；
进行RAP旧料、新矿料的配合比设计，根据预设的初试合成油石比进行马歇尔试验，确定最佳级配；
对确定的最佳级配进行不同油石比下的马歇尔试验，确定最佳油石比；
根据所述最佳级配与所述最佳油石比，通过比表面积法计算，确定最佳油石比下的最佳沥青膜厚；
根据所述最佳沥青膜厚度，确定热再生沥青砂浆的合成油砂比，并计算需要添加的新加沥青用量，从而得到再生沥青砂浆的配合比。
作为本发明基于性能需求的热再生沥青混合料配合比设计方法的一种优选方案，其中：所述进行热再生沥青混合料的配合比设计，根据预设的初试沥青用量，对不同比例的RAP旧料、新矿料进行针入度试验，确定热再生沥青混合料中新旧料比例；
对所述新旧料比例进行热再生沥青混合料的配合比设计。
作为本发明基于性能需求的热再生沥青混合料配合比设计方法的一种优选方案，其中：所述通过比表面积法计算，包括，
根据新矿料的毛体积相对密度与有效相对密度，计算集料的吸收沥青质量，采用如下公式：
式中：Pba为集料的吸收沥青质量；γb为沥青在25℃时与水的相对密度；γsb为集料的毛体积相对密度；γse为集料的有效相对密度；Pc为集料总质量；
根据吸收沥青质量，计算有效沥青用量，采用如下公式：
式中：Pbe为有效沥青质量；Pb为沥青混合料中沥青质量；
根据吸收沥青质量和有效沥青用量计算最佳沥青膜厚，采用如下公式：
Sc＝∑(Pc×FAi)
式中：DA为沥青膜厚度；Sc为集料比表面积；FAi为各粒径对应的集料表面积系数。
作为本发明基于性能需求的热再生沥青混合料配合比设计方法的一种优选方案，其中：所述确定热再生沥青砂浆的合成油砂比，包括，
通过对RAP旧料的抽提试验，得到RAP旧料的筛孔通过率和初始油石比；
通过RAP旧料的初始油石比以及所述新旧料比例，确定RAP细集料、新加细集料的最佳油砂比以及合成的热再生沥青砂浆的合成油砂比。
作为本发明基于性能需求的热再生沥青混合料配合比设计方法的一种优选方案，其中：所述热再生沥青砂浆集料级配的最大公称粒径为0.22倍的热再生沥青混合料集料级配的最大公称粒径。
作为本发明基于性能需求的热再生沥青混合料配合比设计方法的一种优选方案，其中：所述计算添加的新加沥青用量，包括，
根据RAP旧料中抽提的旧沥青，对不同掺量的再生剂进行针入度试验和马歇尔试验，测取对应的体积参数，确定最佳再生剂用量；
根据所述再生剂用量，计算需要添加的新加沥青用量。
作为本发明基于性能需求的热再生沥青混合料配合比设计方法的一种优选方案，其中：还包括，
通过热再生沥青混合料的配合比，提取合成级配中粒径≤0.075mm部分的新矿料与RAP旧料，确定RAP旧料、新矿料中的最佳粉胶比以及合成的热再生沥青胶浆的合成粉胶比；
结合比表面积法，计算有效沥青与吸收沥青的用量，获取热再生沥青胶浆的配合比。
作为本发明基于性能需求的热再生沥青混合料配合比设计方法的一种优选方案，其中：所述计算有效沥青，根据沥青膜厚度计算有效沥青，采用如下公式：
Pbe＝DA×γb×Sc×(Pb+Pc)。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的设计方法可以显著的体现出热再生沥青砂浆、热再生沥青胶浆与热再生沥青混合料之间的关联性。基于热再生沥青混合料的配合比和性能需求开发的最佳沥青膜厚度计算方法，可以有效地用于热再生沥青砂浆与胶浆的配合比设计，该计算方法能够作为热再生沥青砂浆与胶浆配合比设计的理论指导。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为热再生沥青砂浆的应力-位移曲线图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
原材料性能测试
对本实施例中旧路面铣刨得到的RAP旧料进行抽提试验，得到RAP旧料的筛孔通过率和初始油石比，见表1。
表1
对新矿料进行原材料筛分和密度试验，得到1#～4#料和矿粉的筛孔通过率、表观相对密度和毛体积相对密度等基础参数，见表2和表3。
表2矿料筛分结果
表3密度试验结果汇总表
沥青回收及再生剂添加试验
在RAP旧料中抽提的旧沥青中分别掺加旧沥青质量0％、3％、5％和8％的再生剂，分别对其进行三大指标测试，试验见过见表4。
表4
同时对掺加了旧沥青质量0％、3％、5％和8％的再生剂的RAP旧料进行马歇尔试验，测取对应的体积参数，确定再生剂的最佳用量，试验结果见表5。
表5体积性能指标试验结果
根据老化沥青掺加不同掺量的再生剂的性能试验结果的马歇尔试验结果，确定再生剂用量为旧路面沥青混合料中沥青含量的5％。
沥青胶结料试验
选取旧新料比例分别为60：40、70：30和80：20，按初试沥青用量4.9％，把不同旧料、新料比例转化为旧沥青和新沥青的比例，进行沥青胶结料的三大指标试验，试验结果见表6。
表6沥青胶结料试验结果
从表6可看出，软化点、针入度和5℃延度在旧料、新料比例为60：40、70：30时，满足要求。考虑了最大化利用RAP料，确定选用旧料：新料为70：30掺配比例。
热再生沥青混合料配合比设计
(1)配合比确定
AC-16C型沥青混合料工程设计级配范围要求见表7。
表7
筛孔 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
上限 100.0 100.0 92.0 80.0 62.0 48.0 36.0 26.0 18.0 14.0 8.0
下限 100.0 90.0 76.0 60.0 34.0 20.0 13.0 9.0 7.0 5.0 4.0
根据旧新料比例为70：30，结合旧料和新料的筛孔通过率。确定AC-16C型热再生沥青混合料的三种级配A、B、C，三种试验级配配合比组成见表8，三种级配的筛孔通过率见表9。
表8
矿料 级配A 级配B 级配C
1#料 16.0 14.0 12.0
2#料 11.5 10.5 9.5
3#料 1.0 2.0 3.0
4#料 1.0 3.0 5.0
铣刨料 70.0 70.0 70.0
矿粉 0.5 0.5 0.5
表9
按初试合成油石比4.7％(新料油石比5.4％)制作马歇尔试件，测定空隙率等体积指标，结果见表10。
表10
表10为三种级配初试合成油石比试验结果，级配A、B符合要求，在初定级配时，体积参数最主要的是空隙率VV、矿料间隙率VMA和沥青饱和度VFA，取这三项的规范要求中值为最佳，确定级配B为此次计算级配。
(2)最佳油石比确定
按照级配B的配合比采用五种油石比，进行马歇尔试验来测级配B的最佳油石比，试验结果见表11。
表11
据马歇尔稳定度试验结果，分别绘制稳定度、流值、空隙率、VMA、饱和度与油石比的关系曲线，从曲线上找出相应与最大密度、最大稳定度、设计空隙率、饱和度范围中值对应的四个油石比，求出四者的平均值作为最佳油石比初始值OAC1，作图求出能满足沥青混凝土各项指标要求的油石比范围(OACmax，OACmin)，此范围中值为OAC2，可取OAC1与OAC2的中值作为目标配合比的最佳油石比OAC。
由作图法可知与最大密度、最大稳定度、设计空隙率、饱和度范围中值对应的四个油石比分别为5.20％，4.20％，4.70％和4.83％，四者的平均值为4.73％，此即为最佳油石比的初始值OAC1。同时由各项指标与油石比的关系图可得符合各指标要求的油石比范围为4.52％～4.92％，其中值为4.72％，此即为OAC2；OAC1与OAC2的平均值为4.73％，所以取最佳油石比为4.7％。
路用性能试验检测
对确定的级配B，进行最佳油石比4.7％下的浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和车辙试验，来检验热再生沥青混合料的水稳定性能和高温稳定性能试验结果见表12～14。
表12
表13
表14
试验结果表明，根据级配B成型的热再生沥青混合料的水稳定性能、低温抗裂性和高温稳定性能均满足规范要求。
热再生沥青砂浆配合比设计
根据沥青膜厚度计算公式：
根据新矿料的毛体积相对密度与有效相对密度，计算集料的吸收沥青质量，采用如下公式：
式中：Pba为集料的吸收沥青质量；γb为沥青在25℃时与水的相对密度；γsb为集料的毛体积相对密度；γse为集料的有效相对密度；Pc为集料总质量；
根据吸收沥青质量，计算有效沥青用量，采用如下公式：
式中：Pbe为有效沥青质量；Pb为沥青混合料中沥青质量；
根据吸收沥青质量和有效沥青用量计算最佳沥青膜厚，采用如下公式：
Sc＝∑(Pc×FAi)
式中：DA为沥青膜厚度；Sc为集料比表面积；FAi为各粒径对应的集料表面积系数；
根据沥青膜厚度计算有效沥青，采用如下公式：
Pbe＝DA×γb×Sc×(Pb+Pc)。
根据AC-16C型再生沥青混合料的筛孔通过率与密度指标，可计算其最佳沥青膜厚度DA＝6.461μm，每100kg该再生沥青混合料集料中≤1.18mm部分的细集料质量m1+m2＝35.4kg，根据集料合成理论，70kg的RAP旧料中≤1.18mm部分的细集料质量m1＝31.64kg，新加细集料m2＝3.76kg。通过最佳沥青膜厚度DA＝6.461μm进行计算35.4kg再生沥青砂浆对应的沥青用量为3.4kg，因此再生沥青砂浆的合成油砂比a＝9.60％。
按照100kg初始RAP旧料计算可得，此时的吸收沥青Pba＝0.452kg，有效沥青用量Pbe＝3.968kg，此时RAP旧料的初始沥青膜厚度DA0＝5.025μm。
分析RAP旧料的筛孔通过率可知，每100kg的RAP旧料中≤1.18mm部分的细集料质量为45.2kg，即RAP细集料m1＝45.2kg。通过沥青膜厚度计算可知RAP细集料m1部分在沥青膜厚度为DA0＝5.025μm时的有效沥青为3.111kg，m1部分的吸收沥青为0.204kg，此时RAP旧料的初始油砂比a0＝7.34％。当沥青膜厚度为DA＝6.461μm时进行计算可知，RAP细集料m1此时的有效沥青为4.000kg，m1部分的吸收沥青为0.204kg，此时RAP旧料的合成油砂比a1＝9.30％。
已知再生沥青砂浆中m1和m2的比例，因此假设100kg再生沥青砂浆集料，其中m1＝89.38kg、m2＝10.62kg。根据RAP旧料的初始油砂比a0＝7.34％、再生剂用量为旧沥青质量的5％可知，再生剂质量Mb＝0.33kg，而RAP旧料的最佳油砂比a1＝9.30％，所以需要补充的RAP沥青M1＝1.42kg。而100kg再生沥青砂浆集料在DA＝6.461μm时需要的沥青为9.6kg，则新加细集料沥青用量M2＝9.6-1.42-0.33-6.56＝1.29kg，新加沥青用量M＝9.6-1.42＝3.04kg，所以新加细集料m2部分的最佳油砂比a2＝12.1％，热再生沥青砂浆的砂浆新料油砂比a3＝28.63％。热再生沥青砂浆配合比见下表15。
表15
三点小梁弯曲试验检测
根据最终确定的热再生沥青砂浆配合比，成型热再生沥青砂浆三点小梁弯曲试件，其尺寸为250mm*30mm*35mm，进行热再生沥青砂浆的三点小梁弯曲试验。试验采用位移加载方式，控制速率50mm/min，试验中控制温度为10℃。所得的应力-位移曲线如图1所示。由图1可知，试样的最大应力为1.12kN。
热再生沥青胶浆配合比设计
根据热再生沥青混合料的配合比设计可知，旧新料比例为7：3，最佳油石比为4.7％，其中≤0.075mm部分的矿粉与集料占比为集料总质量的5.7％。即每100kg热再生沥青混合料，总共所需沥青用量为4.7kg，其中包含再生剂用量70×4.42％×5％＝0.15kg。每100kg热再生沥青混合料中≤0.075mm部分的矿粉与集料质量为5.7kg，其中4.8kg为旧料和0.9kg为新料。根据比表面积法计算可知，4.7kg沥青总用量可分为4.22kg有效沥青与0.48kg吸收沥青。0.48kg吸收沥青中被≤0.075mm部分的矿粉与集料吸收的沥青质量为0.03kg，因此每100kg热再生沥青混合料对应的热再生沥青胶浆中沥青质量为4.22+0.03＝4.25kg，对应合成粉胶比为1.34。
由于每100kg热再生沥青混合料中有70kg的RAP旧料，且RAP旧料的初始油石比4.42％，因此初始旧沥青为3.094kg，该部分旧沥青中有效沥青质量为2.78kg，被≤0.075mm部分的矿粉与集料吸收的沥青质量为0.02kg。由上计算可知，热再生沥青胶浆中总计旧沥青质量为2.78kg+0.02kg＝2.8kg，对应的再生剂用量为0.14kg。热再生沥青胶浆配合比见下表16。
表16
剪切流变(DSR)试验检测
对热再生沥青胶浆进行DSR温度扫描，温度范围选定为52～76℃，按6℃的间距设置4个温度梯度，得出不同温度下热再生沥青胶浆对应的复数剪切模量、相位角和车辙因子，见表17。
表17
复数剪切模量G*是最大剪应力和最大剪应变的比率，表征材料受重复应力作用时抵抗变形的能力。相位角δ是峰值剪应力与峰值剪应变的时间滞后，表征材料弹性与粘性成分比例的指标。由表17中的数据可知，随着温度的升高，复数剪切模量G*迅速降低，相位角δ则缓慢增加。
车辙因子G*/sinδ用于评价沥青胶结料的高温抗车辙性能。由表17中的数据可知，随着温度的升高，车辙因子G*/sinδ迅速降低。
本发明公开的热再生沥青混合料多尺度配合比设计方法包括热再生沥青混合料、热再生沥青砂浆、热再生沥青胶浆三个尺度。热再生沥青混合料级配由RAP旧料与新集料组成，根据新旧集料的通过率和分计筛余，计算热再生沥青砂浆中RAP细料和新加细料的组成比例。通过马歇尔设计方法和多种路用性能需求，确定热再生沥青混合料的最佳油石比，计算平均最佳沥青膜厚度。结合RAP旧料的油石比，分别计算RAP细料、新加细料的最佳油砂比以及合成的热再生沥青砂浆的合成油砂比。再根据确定的再生剂用量，计算再生沥青砂浆拌合过程中需要添加的新加沥青用量，最终得到再生沥青砂浆合成配合比。根据热再生沥青混合料中的有效沥青用量和吸收沥青用量，确定热再生沥青胶浆的合成粉胶比。
本发明提供一种基于性能需求的热再生沥青混合料配合比设计方法，通过对原热再生沥青混合料级配设计和性能验证，结合最佳沥青膜厚度计算方法，对热再生沥青砂浆的配合比进行设计。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于性能需求的热再生沥青混合料配合比设计方法，其特征在于：包括，
测试RAP旧料、新矿料的各项性能指标；
进行RAP旧料、新矿料的配合比设计，根据预设的初试合成油石比进行马歇尔试验，确定最佳级配；
对确定的最佳级配进行不同油石比下的马歇尔试验，确定最佳油石比；
根据所述最佳级配与所述最佳油石比，通过比表面积法计算，确定最佳油石比下的最佳沥青膜厚度；
根据所述最佳沥青膜厚度，确定热再生沥青砂浆的合成油砂比，并计算需要添加的新加沥青用量，从而得到再生沥青砂浆的配合比；
所述通过比表面积法计算，包括，
根据新矿料的毛体积相对密度与有效相对密度，计算集料的吸收沥青质量，采用如下公式：
式中：为集料的吸收沥青质量；/>为沥青在25℃时与水的相对密度；/>为集料的毛体积相对密度；/>为集料的有效相对密度；/>为集料总质量；
根据吸收沥青质量，计算有效沥青用量，采用如下公式：
式中：为有效沥青质量；/>为沥青混合料中沥青质量；
根据吸收沥青质量和有效沥青用量计算最佳沥青膜厚度，采用如下公式：
式中：为沥青膜厚度；/>为集料比表面积；/>为各粒径对应的集料表面积系数。
2.如权利要求1所述的基于性能需求的热再生沥青混合料配合比设计方法，其特征在于：进行热再生沥青混合料的配合比设计，根据预设的初试沥青用量，对不同比例的RAP旧料、新矿料进行针入度试验，确定热再生沥青混合料中新旧料比例；
对所述新旧料比例进行热再生沥青混合料的配合比设计。
3.如权利要求1或2所述的基于性能需求的热再生沥青混合料配合比设计方法，其特征在于：所述确定热再生沥青砂浆的合成油砂比，包括，
通过对RAP旧料的抽提试验，得到RAP旧料的筛孔通过率和初始油石比；
通过RAP旧料的初始油石比以及新旧料比例，确定RAP细集料、新加细集料的最佳油砂比以及合成的热再生沥青砂浆的合成油砂比。
4.如权利要求3所述的基于性能需求的热再生沥青混合料配合比设计方法，其特征在于：所述热再生沥青砂浆集料级配的最大公称粒径为0.22倍的热再生沥青混合料集料级配的最大公称粒径。
5.如权利要求1、2、4中任一所述的基于性能需求的热再生沥青混合料配合比设计方法，其特征在于：所述计算需要添加的新加沥青用量，包括，
根据RAP旧料中抽提的旧沥青，对不同掺量的再生剂进行针入度试验和马歇尔试验，测取对应的体积参数，确定最佳再生剂用量；
根据所述再生剂用量，计算需要添加的新加沥青用量。
6.如权利要求5所述的基于性能需求的热再生沥青混合料配合比设计方法，其特征在于：还包括，
通过热再生沥青混合料的配合比，提取合成级配中粒径≤0.075mm部分的新矿料与RAP旧料，确定RAP旧料、新矿料中的最佳粉胶比以及合成的热再生沥青胶浆的合成粉胶比；
结合比表面积法，计算有效沥青与吸收沥青的用量，获取热再生沥青胶浆的配合比。
7.如权利要求6所述的基于性能需求的热再生沥青混合料配合比设计方法，其特征在于：所述计算有效沥青，根据沥青膜厚度计算有效沥青，采用如下公式：
。
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