CN114804723A - 一种基于层位功能的高rap掺量再生沥青混合料的配合比设计方法 - Google Patents

一种基于层位功能的高rap掺量再生沥青混合料的配合比设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于层位功能的高RAP掺量再生沥青混合料的配合比设计方法，该方法从层位功能的角度出发，根据沥青路面不同层位的功能要求不同，进行原材料的选择以及再生沥青混合料的配合比设计，最终确定不同层位再生沥青混合料的RAP最佳掺量。本发明的设计方法针对材料所处的位置不同，充分考虑了各结构层的功能要求，对再生沥青混合料进行配合比设计，确定适用于不同层位的再生沥青混合料的RAP的掺量，为再生沥青混合料的应用提供了新思路。

Description

一种基于层位功能的高RAP掺量再生沥青混合料的配合比设 计方法
技术领域
本发明涉及一种再生沥青混合料的配合比设计方法，尤其涉及一种基于层位功能的高 RAP掺量再生沥青混合料的配合比设计方法，属于再生沥青混合料设计技术领域。
背景技术
随着公路建设逐渐进入建养并重的时期，路面大中修工程不可避免地产生大量沥青混合料回收废料(RAP)。这些废弃的沥青混合料不仅难以处理，而且会污染环境。因此，将沥青混合料回收料(RAP)进行循环利用，对再生沥青混合料的研究受到社会的广泛关注。
沥青路面的各结构层在路面这个整体中分别承担着不同的任务或发挥不同的作用，即具有各自层位功能的侧重点。不同结构层的沥青混合料性能的优劣很大程度上决定了路面性能，但现行规范的新建沥青路面设计方法只是按统一的方法进行各层混合料的配合比设计，并没有考虑不同层位对沥青混合料路用性能要求的差别。其中，再生沥青混合料设计也是按新沥青混合料设计方法进行。
另外，对高RAP掺量再生沥青混合料的研究大多集中在RAP掺量对路用性能的影响，鲜有考虑路面层位功能的需求。综合分析目前高RAP掺量再生沥青混合料的研究，可以发现存在以下局限性：1)研究多数采用厂拌热再生方式或就地冷再生进行再生，热再生能耗高且在再生过程中易导致沥青二次老化，冷再生方式再生效果不佳；2)在进行沥青混合料原材料选择时，满足规范要求即可，没有进行有针对性的选择。这不利于充分发挥材料使用性能，使其达到最佳使用效果；3)各层位沥青混合料都使用常规设计方法统一进行配合比设计，没有考虑不同结构层位的功能侧重点不一样。
中国发明专利(申请号：202010514745.5)公开了一种厂拌热再生沥青混合料的配合比设计方法，该方法考虑了热再生沥青混合料的高低温综合性能，由性能决定热再生沥青混合料的材料组成。实现了通过性能决定热再生沥青混合料的最佳沥青用量，确保了再生沥青混合料的路用性能。但是上述专利存在以下局限性：1)该研究采用厂拌热再生方式对沥青混合料进行再生，热再生能耗高且在再生过程中易导致沥青二次老化；2)在进行沥青混合料原材料选择时，满足规范要求即可，没有进行有针对性的选择，这不利于充分发挥材料使用性能，使其达到最佳使用效果；3)各层位沥青混合料都使用常规设计方法统一进行配合比设计，没有考虑不同结构层位的功能侧重点不一样。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的主要目的是在于提供一种基于层位功能的高RAP 掺量再生沥青混合料的配合比设计方法，该方法是从层位功能的角度出发，根据沥青路面不同层位的功能要求不同，进行原材料的选择以及再生沥青混合料的配合比设计，最终确定不同层位再生沥青混合料的RAP最佳掺量。通过该设计方法所制备出的沥青路面具有力学强度高、对环境友好，成本低廉等优点，对于再生沥青的生产具有重要的指导作用。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于层位功能的高RAP掺量再生沥青混合料的配合比设计方法，包括以下步骤：
1)基于沥青路面各层位的结构功能要求对各层位所需再生沥青混合料原料进行筛选；
2)对RAP进行性能分析，并拟定RAP在再生沥青混合料中的掺量；
3)根据沥青路面各层位的结构功能要求和RAP性能分析结果对各层位所需的掺入RAP的再生沥青混合料进行级配设计和优化，并通过马歇尔试验方法确定最佳油石比；
4)对所述掺入RAP的再生沥青混合料进行最佳油石比条件下的基础性能测试，得到其基础性能数据；
5)根据所述基础性能数据确定沥青路面各层位中再生沥青混合料中RAP的最佳掺量。
本发明基于层位分析理论，建立配合比设计标准化流程，根据沥青路面不同层位的功能侧重点不同进行原料选择和配合比优化设计，并最终通过宏观实验进行验证，在大幅提升再生沥青混合料中RAP掺量的同时，还提高了材料的力学强度和使用寿命。
作为一项优选的方案，所述沥青路面各层位的结构功能要求为：中面层承担剪切应力峰值，下面层承担拉应力峰值。
作为一项优选的方案，所述中面层位于路面深度4～10cm处，下面层位于路面深度10～15cm 处。
一般路面面层为三层结构，分别为上面层、中面层和下面层。高RAP温拌再生沥青混合料多用于路面的中面层和下面层。其中，中面层所处的深度范围内为剪应力峰值分布区域，因此中面层是影响路面抗车辙性能的关键层位，其主要层位功能为抗高温车辙；下面层则指从中面层层底到路基之间的部分，路面上的载荷作用引起各面层产生拉应力，而拉应力峰值分布区域一般位于下面层范围内，因此下面层最易因拉应力作用而产生疲劳破坏，其主要层位功能为抗疲劳开裂。
作为一项优选的方案，所述再生沥青混合料的原料包括：RAP、新沥青、新集料、矿粉和温拌再生剂。
作为一项优选的方案，所述再生沥青混合料原料进行筛选的过程包括：对新集料、沥青以及再生剂进行性能测试，并根据沥青路面各层位的结构功能要求进行筛选。测试标准采用《公路工程集料试验规程》(JTGE42-2005)
作为一项优选的方案，所述新集料的性能测试包括压碎值、洛杉矶磨耗损失、磨光值、针片状颗粒含量和棱角性在内的性能测试。
作为一项优选的方案，所述沥青性的能测试包括针入度、延度、粘度、蜡含量、闪点、溶解度和密度在内的测试。
作为一项优选的方案，所述再生剂的性能测试包括密度、闪点、粘度和挥发性有机物含量在内的测试。
由于中面层主要承担抵抗车辙的功能，因此中面层粗集料沥青的粘附性要较好，棱角系数性应大于14.5％，其中细长扁平颗粒含量应较低。而细集料相对表观密度和砂当量应较大、含泥量较低。而下面层主要承担路面疲劳破坏的功能，因此，下面层的粗集料坚固性较小，吸水率较低且对沥青粘附性较好。细集料相对表观密度和砂当量应较大，含泥量较低，矿粉外观无团粒结块。此外，同时各层粗集料应洁净干燥、表面粗糙、形状接近立方体、且无风化、不含杂质具有足够的强度、耐磨耗性等；细集料应洁净、干燥、无风化、无杂质；矿粉应干燥、洁净、能自由地从矿粉仓流出。
作为一项优选的方案，所述对RAP进行性能分析包括RAP的含水量、老化沥青含量和油石比在内的分析。测试标准采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)。
作为一项优选的方案，所述RAP掺量为RAP占高RAP掺量再生沥青混合料的百分比质量分数，范围为0～60％。
进一步的，为便于后续RAP掺量优化实验的进行，本发明将RAP掺量分为0、30％、40％、 50％、60％五组分。其中，0％RAP掺量为普通热拌沥青混合料，用以与高RAP掺量再生沥青混合料进行性能对比，现阶段关于再生沥青混合料研究多将RAP掺量控制在30％以内，30％及以上掺量普遍认为是高RAP掺量，每隔10％确定一个RAP掺量既保证了RAP掺量变化对再生沥青混合料性能有较为显著的影响，又不至性能改变太大影响结果分析。
作为一项优选的方案，所述掺入RAP的再生沥青混合料的级配设计过程为通过级配公式确定粗集料级配。
作为一项优选的方案，所述级配公式为：
P(Di)＝P(Di+1)[(Dx i-Dx min)/(Dx max-Dx min)]×100％；
x＝(lgDmax－lgDi)/lgDi；
式中：P(Di)为筛孔孔径为Di时集料的通过率，量纲为％；D为颗粒的粒径，量纲为mm；Dmax为集料中最大粒径，量纲mm；Dmin为集料中最小粒径，量纲为mm；x为无量纲参数，由粒径确定。
作为一项优选的方案，所述掺入RAP的再生沥青混合料的级配优化过程为通过泰波公式确定细集料级和通过体积法确定粗细集料比例。
粗细集料因粒径大小不同，在混合料中所起的主要功能也不相同。本发明采用级配公式确定粗集料级配能使粗集料在混合料较好的形成骨架结构，发挥架构效应，并且适当的对混合料起填充效果。选用泰波公式确定细集料级配则能保证细集料级配有最大的干密度和较大的强度，从而提升混合料性能。采用体积法确定粗细集料比例是为了保证粗细集料具有一个合理的搭配，从而使整个混合料具有良好的性能。
作为一项优选的方案，所述最佳油石比通过马歇尔实验测定。实验测试标准采用参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型马歇尔试件，然后，测得每个试件的毛体积相对密度、稳定度(MS)与流值(FL)，并通过真空实测法测得其最大理论密度，计算得到试件的空隙率(VV)、矿料间隙率(VMA) 和沥青饱和度(VFA)，绘图计算确定最佳油石比。
作为一项优选的方案，所述基础性能数据包括高温、水稳、低温和疲劳性在内的数据。中下面层中均需考虑混合料的高温、水稳、低温和疲劳性能。但根据层位功能的侧重点不同，中面层主要考虑混合料的高温抗车辙性，水稳、低温和疲劳性能作为次要考虑因素；下面层则主要考虑混合料的疲劳性能，高温、水稳、低温性能作为次要考虑因素。确定某个RAP掺量作为中、下面层的最佳掺量则是以该面层主要考虑的混合料性能为主，其余性能为辅共同决定。
与现有技术相比，本发明技术方案具有优势在于：
1)本发明所提供的技术方案基于层位分析理论，针对不同的面层针对性的进行原料选择和配合比优化，在保证再生沥青的性能指标的同时大幅提高RAP的掺量，极大提高了废旧沥青的利用率，降低了生产成本。
2)本发明所提供的技术方案不仅考虑到最佳油石比对于再生沥青性能的影响，还充分考虑到再生沥青各原料组分的协同作用，通过各组分基础性能测试，再基于层位功能要求进行针对性的配合比优化，在特定的配合比下，各组分间起到良好的协同的作用，使得再生沥青的性能得到大幅度的提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的设计流程图；
图2为本发明的沥青混合料的级配设计图；
图3为实施例1中再生沥青混合料油石比与马歇尔指标关系；
图4为RAP掺量为0、30％、40％、50％、60％下再生沥青混合料RAP掺量与高温稳定性关系；
图5为RAP掺量为0、30％、40％、50％、60％下再生沥青混合料RAP掺量与水稳定性关系；
图6为RAP掺量为0、30％、40％、50％、60％下再生沥青混合料RAP掺量与低温抗裂性关系；
图7为RAP掺量为0、30％、40％、50％、60％下再生沥青混合料RAP掺量与抗疲劳性能关系。
具体实施方式
在以下的说明过程中，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下实施例中的具体过程为：
1)基于层位功能的原材料选择，对新集料、沥青以及再生剂进行常规试验检测以评价其路用性能，然后根据层位功能对材料进行筛选；
对新集料的压碎值、洛杉矶磨耗损失、磨光值、针片状颗粒含量、棱角性进行试验检测。中面层粗集料沥青粘附性较好、棱角系数性应大于14.5％、其细长扁平颗粒含量应较低。细集料相对表观密度和砂当量应较大、含泥量较低、采用天然砂较好。矿粉外观无团粒结块。下面层粗集料坚固性较小、吸水率应较低、对沥青粘附性较好。细集料相对表观密度和砂当量应较大、含泥量较低，矿粉外观无团粒结块。同时各层粗集料应洁净干燥、表面粗糙、形状接近立方体、且无风化、不含杂质具有足够的强度、耐磨耗性等；细集料应洁净、干燥、无风化、无杂质；矿粉应干燥、洁净、能自由地从矿粉仓流出。
2)RAP性能分析和掺量确定；
性能分析包括RAP中老化沥青含量、性质；拟定RAP掺量分别为0、30％、40％、50％、60％；再生剂掺量选择厂家推荐的10％。
3)基于层位功能的混合料级配设计，基于沥青路面各结构层的层位功能要求，对高 RAP掺量再生沥青混合料的级配设计进行优化；
拟通过级配公式确定粗集料级配，然后采用泰波公式确定细集料级，最后采用体积法确定粗细集料比例。从而对高RAP掺量再生沥青混合料的级配设计进行优化。
4)马歇尔试验，选定五个油石比，采用马歇尔试验方法获得马歇尔试验指标，确定最佳油石比；
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》和根据AC-20C型沥青混合料的设计经验，分别取3.5％、4.0％、4.5％、5.0％、5.5％。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型马歇尔试件，然后，测得每个试件的毛体积相对密度、稳定度(MS)与流值(FL)，并通过真空实测法测得其最大理论密度，计算得到试件的空隙率(VV)、矿料间隙率(VMA) 和沥青饱和度(VFA)，绘图计算确定最佳油石比。
5)最佳油石比下的高RAP掺量再生沥青混合料高温性能试验；
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型最佳油石比下的车辙板试件，通过车辙试验机进行车辙试验，试验温度60℃，压强为0.7MPa。计算出0、30％、40％、50％、60％掺量再生沥青混合料的动稳定度。
6)最佳油石比下的高RAP掺量再生沥青混合料水稳定性试验；
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型最佳油石比下的马歇尔试件，通过浸水马歇尔稳定度试验和冻融劈裂试验，得到0、30％、40％、50％、60％掺量再生沥青混合料稳定度、流值和冻融劈裂强度。
7)最佳油石比下的高RAP掺量再生沥青混合料低温性能试验；
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型最佳油石比下的车辙板试件，通过切割制得低温弯曲所需的小梁试件，进行低温弯曲试验，试验温度-10℃，加载速率为50mm/min。求得计算出0、30％、40％、50％、60％掺量再生沥青混合料的破坏弯拉应变。
8)最佳油石比下的高RAP掺量再生沥青混合料疲劳性能试验；
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型最佳油石比下的车辙板试件，通过切割制得小梁弯曲疲劳所需的250mm×50mm×50mm小梁试件进行试验，试验温度15℃，加载频率为10Hz，选择0.4、0.6、0.8三个应力比来进行疲劳试验。得到0、30％、40％、 50％、60％掺量再生沥青混合料的疲劳寿命。
9)基于层位功能确定适用于不同层位的再生沥青混合料的RAP掺量，根据《公路沥青路面施工技术规范》要求，除低温性能、水稳定性外，重点对材料的高温性能、疲劳性能进行分析，从而确定各层位的再生沥青混合料的最佳RAP掺量。
步骤9)所述的基于层位功能确定适用于不同层位的再生沥青混合料的RAP掺量。其中中面层重点考虑再生沥青混合料的高温抗车辙性能，下面层重点考虑再生沥青混合料其疲劳性能。以5)～8)的试验结果为分析依据确定适用于不同层位的再生沥青混合料的RAP 掺量。在其他性能满足设计规范要求的前提下，中面层选择高温抗车辙性能最好的材料，下面层选择抗疲劳性能最佳的材料。
下面将结合具体实施例对本发明进一步说明。
实施例1
第一步：层位功能分析，确定各层位在路面中承担的主要结构功能；
参考相关研究分析，确定中面层应具有良好的高温抗车辙性能，下面层应具有良好的抗疲劳性。
第二步：基于层位功能的原材料选择，对新集料、沥青以及再生剂进行常规试验检测以评价其路用性能，然后根据层位功能对材料进行筛选；
基于层位功能对原材料进行试验检测、筛选。结果如表1、表2和表3所示
第三步：RAP性能分析和掺量确定；
RAP中老化沥青含量、性质如表4所示，拟定RAP掺量分别为0％，再生剂掺量选择厂家推荐的10％。
第四步：基于层位功能的混合料级配设计；
拟通过级配公式确定粗集料级配，然后采用泰波公式确定细集料级，最后采用体积法确定粗细集料比例，最终级配设计图如图2所示
第五步：马歇尔试验确定最佳油石比；
《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》和根据AC-20C型沥青混合料的设计经验，初始油石比分别取3.5％、4.0％、4.5％、5.0％、5.5％。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型马歇尔试件，然后，测得每个试件的毛体积相对密度、稳定度(MS)与流值(FL)，并通过真空实测法测得其最大理论密度，计算得到试件的空隙率(VV)、矿料间隙率(VMA)和沥青饱和度(VFA)。0％掺量沥青混合料马歇尔试验结果如图3所示，计算得出最佳油石比为4.67％。
第六步：最佳油石比下的高RAP掺量再生沥青混合料高温性能试验；
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型最佳油石比下的车辙板试件，通过车辙试验机进行车辙试验，试验温度60℃，压强为0.7MPa。计算出0％掺量沥青混合料的动稳定度，结果如图4所示。
第七步：最佳油石比下的高RAP掺量再生沥青混合料低温性能试验；
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型最佳油石比下的车辙板试件，通过切割制得低温弯曲所需的小梁试件，进行低温弯曲试验，试验温度-10℃，加载速率为50mm/min。求得计算出0％掺量沥青混合料的破坏弯拉应变，结果如图5所示。
第八步：最佳油石比下的高RAP掺量再生沥青混合料水稳定性试验；
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型最佳油石比下的马歇尔试件，通过浸水马歇尔稳定度试验和冻融劈裂试验，得到0％掺量沥青混合料稳定度、流值和冻融劈裂强度，结果如图6所示。
第九步：最佳油石比下的高RAP掺量再生沥青混合料疲劳性能试验；
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型最佳油石比下的车辙板试件，通过切割制得小梁弯曲疲劳所需的250mm×50mm×50mm小梁试件进行试验，试验温度15℃，加载频率为10Hz，选择0.4、0.6、0.8三个应力比来进行疲劳试验。得到0％掺量沥青混合料的疲劳寿命，结果如图7所示。
实施例2
第一步和第二步同实施例1；
第三步：RAP性能分析和掺量确定；
RAP中老化沥青含量、性质如表4所示，拟定RAP掺量分别为30％，再生剂掺量选择厂家推荐的10％。
第四步：基于层位功能的混合料级配设计；
拟通过级配公式确定粗集料级配，然后采用泰波公式确定细集料级，最后采用体积法确定粗细集料比例。最终级配设计图如图2所示
第五步：马歇尔试验确定最佳油石比；
《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》和根据AC-20C型沥青混合料的设计经验，初始油石比分别取3.5％、4.0％、4.5％、5.0％、5.5％。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型马歇尔试件，然后，测得每个试件的毛体积相对密度、稳定度(MS)与流值(FL)，并通过真空实测法测得其最大理论密度，计算得到试件的空隙率(VV)、矿料间隙率(VMA)和沥青饱和度(VFA)。计算得出最佳油石比，结果见表5。
第六步：最佳油石比下的高RAP掺量再生沥青混合料高温性能试验；
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型最佳油石比下的车辙板试件，通过车辙试验机进行车辙试验，试验温度60℃，压强为0.7MPa。计算出30％掺量再生沥青混合料的动稳定度，结果如图4所示。
第七步：最佳油石比下的高RAP掺量再生沥青混合料低温性能试验；
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型最佳油石比下的车辙板试件，通过切割制得低温弯曲所需的小梁试件，进行低温弯曲试验，试验温度-10℃，加载速率为50mm/min。求得计算出30％掺量再生沥青混合料的破坏弯拉应变。结果如图5所示。
第八步：最佳油石比下的高RAP掺量再生沥青混合料水稳定性试验；
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型最佳油石比下的马歇尔试件，通过浸水马歇尔稳定度试验和冻融劈裂试验，得到30％掺量再生沥青混合料稳定度、流值和冻融劈裂强度。结果如图6所示。
第九步：最佳油石比下的高RAP掺量再生沥青混合料疲劳性能试验；
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型最佳油石比下的车辙板试件，通过切割制得小梁弯曲疲劳所需的250mm×50mm×50mm小梁试件进行试验，试验温度15℃，加载频率为10Hz，选择0.4、0.6、0.8三个应力比来进行疲劳试验。得到30％掺量再生沥青混合料的疲劳寿命。结果如图7所示。
实施例3
第一步和第二步同实施例1；
第三步：RAP性能分析和掺量确定；
RAP中老化沥青含量、性质如表4所示，拟定RAP掺量分别为40％，再生剂掺量选择厂家推荐的10％。
第四步：基于层位功能的混合料级配设计；
拟通过级配公式确定粗集料级配，然后采用泰波公式确定细集料级，最后采用体积法确定粗细集料比例。最终级配设计图如图2所示
第五步：马歇尔试验确定最佳油石比；
《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》和根据AC-20C型沥青混合料的设计经验，初始油石比分别取3.5％、4.0％、4.5％、5.0％、5.5％。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型马歇尔试件，然后，测得每个试件的毛体积相对密度、稳定度(MS)与流值(FL)，并通过真空实测法测得其最大理论密度，计算得到试件的空隙率(VV)、矿料间隙率(VMA)和沥青饱和度(VFA)，计算得出最佳油石比，结果见表5。
第六步：最佳油石比下的高RAP掺量再生沥青混合料高温性能试验；
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型最佳油石比下的车辙板试件，通过车辙试验机进行车辙试验，试验温度60℃，压强为0.7MPa。计算出40％掺量再生沥青混合料的动稳定度，结果如图4所示。
第七步：最佳油石比下的高RAP掺量再生沥青混合料低温性能试验；
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型最佳油石比下的车辙板试件，通过切割制得低温弯曲所需的小梁试件，进行低温弯曲试验，试验温度-10℃，加载速率为50mm/min。求得计算出40％掺量再生沥青混合料的破坏弯拉应变，结果如图5所示。
第八步：最佳油石比下的高RAP掺量再生沥青混合料水稳定性试验；
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型最佳油石比下的马歇尔试件，通过浸水马歇尔稳定度试验和冻融劈裂试验，得到40％％掺量再生沥青混合料稳定度、流值和冻融劈裂强度，结果如图6所示。
第九步：最佳油石比下的高RAP掺量再生沥青混合料疲劳性能试验；
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型最佳油石比下的车辙板试件，通过切割制得小梁弯曲疲劳所需的250mm×50mm×50mm小梁试件进行试验，试验温度15℃，加载频率为10Hz，选择0.4、0.6、0.8三个应力比来进行疲劳试验。得到40％掺量再生沥青混合料的疲劳寿命，结果如图7所示。
实施例4
第一步和第二步同实施例1；
第三步：RAP性能分析和掺量确定；
RAP中老化沥青含量、性质如表4所示，拟定RAP掺量分别为50％，再生剂掺量选择厂家推荐的10％。
第四步：基于层位功能的混合料级配设计；
拟通过级配公式确定粗集料级配，然后采用泰波公式确定细集料级，最后采用体积法确定粗细集料比例。最终级配设计图如图2所示
第五步：马歇尔试验确定最佳油石比；
《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》和根据AC-20C型沥青混合料的设计经验，初始油石比分别取3.5％、4.0％、4.5％、5.0％、5.5％。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型马歇尔试件，然后，测得每个试件的毛体积相对密度、稳定度(MS)与流值(FL)，并通过真空实测法测得其最大理论密度，计算得到试件的空隙率(VV)、矿料间隙率(VMA)和沥青饱和度(VFA)，计算得出最佳油石比，结果见表5。
第六步：最佳油石比下的高RAP掺量再生沥青混合料高温性能试验；
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型最佳油石比下的车辙板试件，通过车辙试验机进行车辙试验，试验温度60℃，压强为0.7MPa。计算出50％掺量再生沥青混合料的动稳定度，结果如图4所示。
第七步：最佳油石比下的高RAP掺量再生沥青混合料低温性能试验；
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型最佳油石比下的车辙板试件，通过切割制得低温弯曲所需的小梁试件，进行低温弯曲试验，试验温度-10℃，加载速率为50mm/min。求得计算出50％掺量再生沥青混合料的破坏弯拉应变，结果如图5所示。
第八步：最佳油石比下的高RAP掺量再生沥青混合料水稳定性试验；
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型最佳油石比下的马歇尔试件，通过浸水马歇尔稳定度试验和冻融劈裂试验，得到50％掺量再生沥青混合料稳定度、流值和冻融劈裂强度，结果如图6所示。
第九步：最佳油石比下的高RAP掺量再生沥青混合料疲劳性能试验；
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型最佳油石比下的车辙板试件，通过切割制得小梁弯曲疲劳所需的250mm×50mm×50mm小梁试件进行试验，试验温度15℃，加载频率为10Hz，选择0.4、0.6、0.8三个应力比来进行疲劳试验。得到50％掺量再生沥青混合料的疲劳寿命，结果如图7所示。
实施例5
第一步和第二步同实施例1；
第三步：RAP性能分析和掺量确定；
RAP中老化沥青含量、性质如表4所示，拟定RAP掺量分别为60％，再生剂掺量选择厂家推荐的10％。
第四步：基于层位功能的混合料级配设计；
拟通过级配公式确定粗集料级配，然后采用泰波公式确定细集料级，最后采用体积法确定粗细集料比例。最终级配设计图如图2所示
第五步：马歇尔试验确定最佳油石比；
《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》和根据AC-20C型沥青混合料的设计经验，初始油石比分别取3.5％、4.0％、4.5％、5.0％、5.5％。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型马歇尔试件，然后，测得每个试件的毛体积相对密度、稳定度(MS)与流值(FL)，并通过真空实测法测得其最大理论密度，计算得到试件的空隙率(VV)、矿料间隙率(VMA)和沥青饱和度(VFA)，计算得出最佳油石比，结果见表5。
第六步：最佳油石比下的高RAP掺量再生沥青混合料高温性能试验；
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型最佳油石比下的车辙板试件，通过车辙试验机进行车辙试验，试验温度60℃，压强为0.7MPa。计算出60％掺量再生沥青混合料的动稳定度，结果如图4所示。
第七步：最佳油石比下的高RAP掺量再生沥青混合料低温性能试验；
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型最佳油石比下的车辙板试件，通过切割制得低温弯曲所需的小梁试件，进行低温弯曲试验，试验温度-10℃，加载速率为50mm/min。求得计算60％掺量再生沥青混合料的破坏弯拉应变，结果如图5所示。
第八步：最佳油石比下的高RAP掺量再生沥青混合料水稳定性试验；
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型最佳油石比下的马歇尔试件，通过浸水马歇尔稳定度试验和冻融劈裂试验，得到60％掺量再生沥青混合料稳定度、流值和冻融劈裂强度，结果如图6所示。
第九步：最佳油石比下的高RAP掺量再生沥青混合料疲劳性能试验；
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型最佳油石比下的车辙板试件，通过切割制得小梁弯曲疲劳所需的250mm×50mm×50mm小梁试件进行试验，试验温度15℃，加载频率为10Hz，选择0.4、0.6、0.8三个应力比来进行疲劳试验。得到60％掺量再生沥青混合料的疲劳寿命，结果如图7所示。
在其他性能满足设计规范要求的前提下，中面层选择高温抗车辙性能最好的材料，下面层选择抗疲劳性能最佳的材料。根据实施例1到实施例5中第六步到第九步的试验结果分析，确定适用于不同层位的再生沥青混合料的RAP掺量。
表1集料与填料的基本性质
Figure BDA0003623769630000131
表2 70#基质沥青的基本性能指标
Figure BDA0003623769630000132
Figure BDA0003623769630000141
表3温拌再生剂基本性能
Figure BDA0003623769630000142
表4RAP性能检测结果
Figure BDA0003623769630000143
Figure BDA0003623769630000151
表5不同RAP掺量的再生沥青混合料最佳油石比试验结果
Figure BDA0003623769630000152

Claims (10)

1.一种基于层位功能的高RAP掺量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)基于沥青路面各层位的结构功能要求对各层位所需再生沥青混合料原料进行筛选；
2)对RAP进行性能分析，并拟定RAP在再生沥青混合料中的掺量；
3)根据沥青路面各层位的结构功能要求和RAP性能分析结果对各层位所需的掺入RAP的再生沥青混合料进行级配设计和优化，并通过马歇尔试验方法确定最佳油石比；
4)对所述掺入RAP的再生沥青混合料进行最佳油石比条件下的基础性能测试，得到其基础性能数据；
5)根据所述基础性能数据确定沥青路面各层位中再生沥青混合料中RAP的最佳掺量。
2.根据权利要求1所述的一种基于层位功能的高RAP掺量再生沥青混合料的配合比设计方法，其特征在于：所述沥青路面各层位的结构功能要求为：中面层承担剪切应力峰值，下面层承担拉应力峰值；所述中面层位于路面深度4～10cm处，下面层位于路面深度10～15cm处。
3.根据权利要求1所述的一种基于层位功能的高RAP掺量再生沥青混合料的配合比设计方法，其特征在于：所述再生沥青混合料原料进行筛选的过程包括：对新集料、沥青以及再生剂进行性能测试，并根据沥青路面各层位的结构功能要求进行筛选。
4.根据权利要求3所述的一种基于层位功能的高RAP掺量再生沥青混合料的配合比设计方法，其特征在于：所述新集料的性能测试包括压碎值、洛杉矶磨耗损失、磨光值、针片状颗粒含量和棱角性在内的性能测试。
5.根据权利要求3所述的一种基于层位功能的高RAP掺量再生沥青混合料的配合比设计方法，其特征在于：所述沥青的性能测试包括针入度、延度、粘度、蜡含量、闪点、溶解度和密度在内的测试。
6.根据权利要求3所述的一种基于层位功能的高RAP掺量再生沥青混合料的配合比设计方法，其特征在于：所述再生剂的性能测试包括密度、闪点、粘度和挥发性有机物含量在内的测试。
7.根据权利要求1所述的一种基于层位功能的高RAP掺量再生沥青混合料的配合比设计方法，其特征在于：所述对RAP进行性能分析包括RAP的含水量、老化沥青含量和油石比在内的分析；
所述RAP掺量为RAP占掺入RAP的再生沥青混合料的百分比质量分数，范围为0～60％。
8.根据权利要求1所述的一种基于层位功能的高RAP掺量再生沥青混合料的配合比设计方法，其特征在于：
所述掺入RAP的再生沥青混合料的级配设计过程为通过级配公式确定粗集料级配；
所述级配公式为：
P(Di)＝P(Di+1)[(Dx i-Dx min)/(Dx max-Dx min)]×100％；
x＝(lgDmax－lgDi)/lgDi；
式中：P(Di)为筛孔孔径为Di时集料的通过率，量纲为％；D为颗粒的粒径，量纲为mm；Dmax为集料中最大粒径，量纲mm；Dmin为集料中最小粒径，量纲为mm；x为无量纲参数，由粒径确定。
9.根据权利要求1所述的一种基于层位功能的高RAP掺量再生沥青混合料的配合比设计方法，其特征在于：所述掺入RAP的再生沥青混合料的级配优化过程为通过泰波公式确定细集料级和通过体积法确定粗细集料比例。
10.根据权利要求1所述的一种基于层位功能的高RAP掺量再生沥青混合料的配合比设计方法，其特征在于：所述基础性能数据包括高温、水稳、低温和疲劳性在内的数据。
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