一种基于性能均衡的大比例温拌再生沥青混合料设计方法

技术领域

本发明涉及道路工程新材料技术领域，具体涉及一种基于性能均衡的大比例温拌再生沥青混合料设计方法。

背景技术

沥青路面再生技术1915年起源于美国，上世纪70年代末受到石油危机的影响，在欧美等发达国家得到迅速的推广与应用。截止到目前，美国、欧洲和日本的废旧沥青路面材料(RAP)的再生利用率已经达到90％，每年能够节约30％以上的道路建设成本。根据统计数据显示，我国仅干线公路大中修工程每年就产生约1.6亿吨废旧沥青路面材料，而国省干线公路里程仅占全国公路总里程的11.2％，路面厚度约为其他低等级公路的2倍左右，据此推算，我国整个公路网每年废旧路面材料产生量将是7.9亿吨左右，与美国公路网每年产生的废旧沥青路面材料的数量基本相当。

热拌再生技术由于生产操作简单，是目前我国最常采用的再生技术方案。然而，热拌再生的再生施工温度高，通常高达160℃～180℃，如此高的施工温度很容易导致RAP上原有老化沥青的二次老化，造成施工和易性不佳，极易诱发再生沥青路面出现开裂、水损害等早期病害。为了控制再生沥青路面的性能满足我国现行的《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求，热拌再生技术通常控制RAP掺配比例通常为10％～25％，。显然，热拌再生的低RAP再生利用率很难消耗目前存量巨大的废弃沥青路面材料。为了解决之一问题，温拌再生技术应运而生，其再生施工温度通常为120℃～140℃，因此能够提高RAP掺配比例至60％及以上，从而显著提升废弃沥青路面材料的循环利用效率。

然而，温拌再生技术由于RAP掺配比例、新沥青、再生剂、温拌剂类型的不同，极易造成温拌再生沥青混合料的典型路面性能，即高温车辙性能、低温抗开裂性能以及抗水损害性能变化规律不可控，各项路用性能难以同时满足我国现行规范的要求。中国发明专利CN112456865A公开了一种高抗车辙性能大比例再生沥青混合料及其制备方法，温拌再生后混合料的动稳度大幅增加，然而其水稳定性较差，并且低温抗开裂性能尚不明确；专利CN115536310A公开了一种适用于高温多雨地区的再生沥青混合料路面配合比设计方法，温拌再生后在只有30％RAP掺量下的沥青混合料，其高温抗车辙性能和抗水损害性能达到平衡且同时满足规范要求，但其尚未发挥出温拌再生大比例RAP掺量优势；专利CN111739593A公开了一种温拌大掺量再生沥青混合料配合比设计方法，RAP掺量为75％时，温拌再生沥青混合料的动稳定度、低温弯曲试验破坏应变，可满足一般甚至高等级公路的路用性能，但抗水损害性能尚不明确；专利公开了CN110467825A一种含有再生料的温拌沥青混合料及其制备方法，制备得到的温拌再生沥青能够显著提高混合料的水稳定性和抗裂性能，但高温抗车辙性能不明确。综上所述，现有的大比例再生沥青混合料的各项典型路用性能难以保持同时均衡满足现行规范的要求，此外这些公开专利的温拌再生沥青混合料的施工温度大多依据工程经验，缺乏合理的试验方法确定最佳的施工温度。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供一种基于性能均衡的大比例温拌再生沥青混合料设计方法，根据大比例RAP掺配比例(40％～80％)在不同新沥青、再生剂、温拌剂作用下的典型路用性能测试结果，划分性能区间，能够高效、可靠地筛选出各项性能同时保持最佳的大比例温拌再生沥青混合料。

为实现以上目的，本发明的技术方案通过以下技术方案予以实现：

一种基于性能均衡的大比例温拌再生沥青混合料设计方法，所述设计方法包括以下步骤：

(1)确定工程建设需要的温拌再生沥青混合料级配范围；

(2)确定废旧沥青路面材料掺配比例为40％～80％；

(3)根据公路等级、RAP旧料掺配比例、再生混合料使用层位、工程建设所处气候条件、交通量、设计车速等条件进行选择新沥青的种类和标号，并进一步确定再生剂和温拌剂的种类。

(4)估算新沥青用量Pnb及其占总沥青用量Pb的比例；

(5)将废旧沥青路面材料与再生剂、新沥青、温拌剂、粗集料、细集料、矿粉进行混合制备马歇尔试件，计算不同废旧沥青路面材料掺量下的最佳油石比；

(6)在最佳油石比下分别制作不同施工温度下的马歇尔试件，测试其空隙率，绘制空隙率-施工温度曲线以确定最佳的温拌再生施工温度；

(7)在最佳油石比和温拌再生施工温度下，测试温拌再生沥青混合料典型路用性能；

(8)依据测试结果划分性能区间，筛选出各项性能均衡的混合料组合类型。

优选的，所述步骤(1)中根据公路等级、气候条件、交通特点，确定工程建设需要的级配范围，级配范围是密集配沥青混合料AC型、半开级配沥青混合料AM型、开级配沥青混合料OGFC型、间断级配沥青混合料SMA型中的任意一种，且符合现行《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)规定的相应沥青混合料级配范围。

优选的，所述步骤(2)中对废旧沥青路面材料进行破碎筛分，控制废旧沥青路面材料中含水量占废旧沥青路面材料的质量比小于3.0％，将破碎后的废旧沥青路面材料进行抽提筛分实验确定其级配组成，按照筛孔大小分为三档：10-16mm，5-10mm，0-5mm，各档旧料进行抽提筛分实验，确定各档旧料级配组成，并根据工程建设需要、RAP旧料性能、合成级配范围要求。

优选的，所述步骤(3)中用作高速公路、一级公路中上面层再生时，采用SBS聚合物改性沥青作为新沥青；用作其他等级公路再生时，采用重交道路石油沥青A70号或A90号；再生剂由以下质量百分数的物质组成：1-15wt％甘油醚、1-5wt％羧甲基壳聚糖，7-20wt％芳烃油，1-10wt％桐油和50-90％的杂多酚溶剂油，且甘油醚中乙二醇二缩水甘油醚：丁基缩水甘油醚：三羟甲基丙烷三缩水甘油醚的质量比为10-30:20-50:20-70；所述温拌剂为Sasobit Redux、Evotherm 3G、Redise LQ-1102C、DWMA-S中的任意一种或两种以上的混合物。

优选的，所述废旧沥青路面材料中的沥青含量Pnr通过燃烧法确定，所述新沥青用量Pnb等于总沥青用量Pb减去RAP旧料中沥青含量Pnr，即Pnb＝Pb-Pnr。

优选的，所述马歇尔试件中再生剂的掺量为废旧沥青路面材料中沥青含量Pnr的3％-15％，温拌剂的掺量为总沥青用量Pb的0.5％-6％。

优选的，所述马歇尔试件的制备方法包括以下步骤：

①将加入再生剂并在温度为110℃-130℃的烘箱中预热2小时的废旧沥青路面材料，加入到拌和锅中，拌和30s-60s；

②将粗集料、细集料加热到140℃-180℃后，加入到拌和锅中，拌和20s-30s；

③将新沥青、温拌剂加热到130℃-170℃后，加入到拌和锅中，拌和30s-60s；

④最后加入矿粉，加热拌锅，拌和20s-40s；

⑤在110℃-150℃出锅并成型，冷却24h脱模即可得到马歇尔试件。

优选的，所述马歇尔试件的体积性能指标、马歇尔稳定度和流值并参考规范《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)。

优选的，所述在最佳油石比和温拌再生施工温度下，制备的混合料试件按照规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG F40-2011)进行，分别测试其典型路用性能，即高温抗车辙、低温抗开裂与抗水损害性能。

优选的，根据温拌再生沥青混合料性能测试结果，划分性能区间，所述性能区间包括以下几类：

性能区间I：抗车辙性能差但抗开裂性能强的区间-柔软而灵活；

性能区间II：抗车辙性能和抗开裂性能均强的区间-坚硬和灵活；

性能区间III：抗车辙性能和抗开裂性能均差的区间-柔软而不稳定；

性能区间IV：抗开裂性能差但抗车辙性能强的区间-坚硬和脆性；

根据性能区间划分，筛选出各项性能均衡的温拌再生沥青混合料，即典型路用性能测试结果落在性能区间II并且水稳定性满足规范要求；当所有混合料都不落在性能区间II时，在混合料中加入抗剥落剂，重新测试其高温抗车辙、低温抗开裂与抗水损害性能，直至温拌再生沥青混合料的典型路用性能测试结果落在性能区间II并且满足水稳定性要求。

本发明提供一种基于性能均衡的大比例温拌再生沥青混合料设计方法，与现有技术相比优点在于：

(1)本发明提出了一种基于性能均衡的大比例温拌再生沥青混合料设计方法，该设计方法能够将RAP的掺配比例提高至60％～80％，通过测试不同RAP掺配比例、新沥青、再生剂、温拌剂类型的温拌再生沥青混合料试件的高温抗车辙，低温抗开裂、冻融循环抗水损害性能结果，划分性能均衡区间，筛选出各项性能同时保持最佳的大比例温拌再生沥青混合料用于工程实际，不仅能够最大限度提高RAP的使用量，而且能够保证再生路面的典型路用性能同时维持最佳。

(2)本发明提出了一种基于性能均衡的大比例温拌再生沥青混合料设计方法，采用的再生剂是一种无毒无害的复合材料，包括了老化SBS聚合物连接剂和老化基质沥青软化剂，不仅能够恢复普通废旧沥青混合料的原有性能，而且还能恢复SBS改性沥青的原有性能，实现废旧SBS混合料在路面全厚度结构层的原位大比例再生利用，提升SBS改性沥青路面的高值化原层位再生利用。

(3)本发明提出了一种基于性能均衡的大比例温拌再生沥青混合料设计方法，在不同施工温度下制备温拌再生沥青混合料马歇尔试件，测试其相应的空隙率，并绘制施工温度-空隙率曲线图，以规范规定的空隙率中值为最佳空隙率，代入温拌再生沥青混合料的施工温度-空隙率拟合方程中，能够精准、高效地确定温拌施工温度，最大限度的发挥温拌再生技术节能减排优势，同时保证温拌再生沥青混合料的压实效果。

(4)本发明提出了一种基于性能均衡的大比例温拌再生沥青混合料设计方法，当所有设计的温拌再生沥青混合料都不处于性能均衡区间时，根据各项性能测试结果，对最靠近性能均衡区间的混合料添加抗剥落剂改善新旧沥青之间的粘附性，确保性能均衡设计最终总能够得到一组或多组各项性能最佳的温拌再生沥青混合料。

附图说明：

图1为采用本发明40％RAP温拌再生沥青混合料配合比设计结果；

图2为采用本发明40％RAP温拌再生沥青混合料合成级配曲线；

图3为采用本发明Sasobit Redux温拌再生沥青混合料拌和温度与空隙率对应关系图；

图4为采用本发明Evotherm 3G温拌再生沥青混合料拌和温度与空隙率对应关系图；

图5为采用本发明大比例温拌再生沥青混合料性能均衡设计结果。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

实施例1：

确定基于性能均衡的大比例温拌再生沥青混合料设计方法：

(1)确定工程建设需要的温拌再生沥青混合料(简称混合料)级配范围；

(2)确定废旧沥青路面材料(RAP)掺配比例；

(3)确定新沥青、再生剂、温拌剂类型；

(4)估算新沥青用量Pnb及其占总沥青用量的比例；

(5)马歇尔配合比设计确定最佳油石比；

(6)测试不同温度下的空隙率确定最佳施工温度；

(7)测试温拌再生沥青混合料典型路用性能；

(8)依据测试结果划分性能区间，筛选出各项性能均衡的混合料组合类型；

在该大比例温拌再生沥青混合料设计方法中，明确工程建设需要的级配范围和RAP掺配比例，通过掺加再生剂、温拌剂实现RAP的大比例原位再生，通过测试不同施工温度下混合料试件的空隙率确定最佳的温拌施工温度，根据混合料典型路用性能测试结果划分性能区间，筛选出各项性能均衡的混合料组合类型。

其中，步骤(1)中，根据公路等级、气候条件、交通特点，确定工程建设需要的级配范围，级配范围是密集配沥青混合料AC型、半开级配沥青混合料AM型、开级配沥青混合料OGFC型、间断级配沥青混合料SMA型中的任意一种，且应符合现行《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)规定的相应沥青混合料级配范围。

步骤(2)中，对RAP旧料进行破碎筛分，控制RAP材料中含水量占RAP材料的质量比小于3.0％，将破碎后的RAP旧料进行抽提筛分实验确定其级配组成，按照筛孔大小分为三档：10-16mm(含)，5-10mm(含)，0-5mm(含)，各档旧料进行抽提筛分实验，确定各档旧料级配组成，并根据工程建设需要、RAP旧料性能、合成级配范围要求等，确定RAP旧料掺配比例为40％-80％。

步骤(3)中，大比例温拌再生沥青混合料中的新沥青的种类和标号根据公路等级、RAP旧料掺配比例、再生混合料使用层位、工程建设所处气候条件、交通量、设计车速等条件进行选择，用作高速公路、一级公路中上面层再生时，采用SBS聚合物改性沥青作为新沥青；用作其他等级公路再生时，采用重交道路石油沥青A70号或A90号。

大比例温拌再生沥青混合料中，为保证再生路面的路用性能和温拌施工效果选择加入再生剂和温拌剂，其中再生剂包括1-15wt％甘油醚、1-5wt％羧甲基壳聚糖，7-20wt％芳烃油，1-10wt％桐油和50-90％的杂多酚溶剂油，其中甘油醚中乙二醇二缩水甘油醚：丁基缩水甘油醚：三羟甲基丙烷三缩水甘油醚的质量比为10-30:20-50:20-70；温拌剂为Sasobit Redux、Evotherm 3G、Redise LQ-1102C、DWMA-S中的任意一种或两种以上的混合物，再生剂的掺量为RAP旧料中沥青含量的3％-15％；所述温拌剂的掺量为总沥青用量Pb的0.5％-6％。

步骤(4)中，根据工程建设选定的级配范围，初拟五组总沥青用量Pb，通常为3.0％-6.0％，RAP旧料中的沥青含量Pnr通过燃烧法确定，新沥青用量Pnb等于初拟总沥青用量Pb减去RAP旧料中沥青含量Pnr，即Pnb＝Pb-Pnr。

步骤(5)中，联合步骤(3)中确定的RAP掺配比例，将粗集料、细集料、矿粉作为温拌再生沥青混合料中的矿料进行矿料配合比设计。

在马歇尔配合比设计中，将加入再生剂并在温度为110℃-130℃的烘箱中预热2小时的RAP旧料，加入到拌和锅中，拌和30s-60s；将粗集料、细集料加热到140℃-180℃后，加入到拌和锅中，拌和20s-30s；将新沥青、温拌剂加热到130℃-170℃后，加入到拌和锅中，拌和30s-60s；最后加入矿粉，加热拌锅，拌和20s-40s；温拌再生沥青混合料马歇尔试件在110℃-150℃出锅并成型；冷却24h脱模即可得到马歇尔试件，通过测试不同总沥青用量Pb下的马歇尔试件的体积性能指标、马歇尔稳定度和流值并参考规范《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)，计算得到不同RAP旧料掺量下的最佳油石比。

步骤(6)中，联合步骤(5)中确定的最佳油石比，在不同拌和温度(120℃-170℃)和击实温度(110℃-160℃)下成型温拌再生沥青混合料马歇尔试件，测试不同施工温度下马歇尔试件的空隙率，绘制空隙率-拌和温度/击实温度曲线，得到空隙率-拌和温度/击实温度拟合曲线，以JTG F40-2004中规定的对应沥青混合料级配类型的空隙率中值为最佳空隙率，代入至拟合公式求解得到相应最佳的拌和温度/击实温度。

步骤(7)中，在最佳油石比和温拌再生施工温度下，制作相应尺寸的混合料试件，参考规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG F40-2011)，分别测试其典型路用性能，即高温抗车辙、低温抗开裂、冻融循环抗水损害性能，分别得到动稳定度、低温弯曲破坏应变、冻融劈裂拉伸强度三个评价指标。

步骤(8)中，根据温拌再生沥青混合料性能测试结果，划分性能区间，包括：

性能区间I：抗车辙性能差但抗开裂性能强的区间(柔软而灵活)；

性能区间II：抗车辙性能和抗开裂性能均强的区间(坚硬和灵活)；

性能区间III：抗车辙性能和抗开裂性能均差的区间(柔软而不稳定)；

性能区间IV：抗开裂性能差但抗车辙性能强的区间(坚硬和脆性)；

根据性能区间划分，筛选出各项性能均衡的温拌再生沥青混合料，即典型路用性能测试结果落在性能区间II并且水稳定性满足规范要求。当所有混合料都不落在性能区间II时，在混合料中加入抗剥落剂，重新测试其高温抗车辙、低温抗开裂与抗水损害性能，直至温拌再生沥青混合料的典型路用性能测试结果落在性能区间II并且满足水稳定性要求。

实施例2：

基于上述实施例1的大比例温拌再生沥青混合料设计方法进行实际设计：

1、选定级配类型为AC-13，废旧沥青混合料RAP的掺量分别为40％，60％，80％。

对湖北省武汉市某一级公路废旧路面铣刨后进行破碎和筛分后得到RAP旧料，并对RAP旧料的性能进行测试，采用阿布森法抽提出其中的老化沥青并测试其物理性能，如表1-3所示：

表1：RAP旧料性能测试结果

表2：RAP旧料破碎筛分结果

表3：RAP旧沥青性能测试结果

选择新沥青为SBS(I-D)聚合物改性沥青，其性能测试结果如表4所示。

表4：SBS(I-D)聚合物改性沥青性能测试结果

再生剂包括10wt％甘油醚、5wt％羧甲基壳聚糖，20wt％芳烃油，10wt％桐油和55％的杂多酚溶剂油，其中甘油醚中乙二醇二缩水甘油醚：丁基缩水甘油醚：三羟甲基丙烷三缩水甘油醚的质量比为20：40：40，再生剂性能指标测试结果如表5所示；

表5再生剂性能测试结果

将再生剂加入到RAP旧沥青中，通过不断调试掺加比例，使得老化沥青的25℃针入度、软化点以及5℃延度能达到SBS I-D聚合物沥青的标准，最终再生剂在RAP旧沥青中的掺加比例被确定为5％。

温拌剂为Sasobit Redux，Evotherm 3G其掺量分别为总沥青掺量的3％，1.5％。

根据工程经验初选AC-13温拌再生沥青混合料的初拟五组总沥青用量分别为4.0％，4.5％，5.0％，5.5％，6.0％，开展温拌沥青混合料马歇尔配合比设计，以确定不同RAP旧料掺量下的混合料的最佳油石比。

将加入再生剂并在温度为115℃的烘箱中预热2小时的RAP旧料，加入到拌和锅中，拌和30s；将粗集料(辉绿岩)、细集料(石灰岩)加热到170℃后，加入到拌和锅中，拌和30s；将SBS I-D聚合物改性沥青、Sasobit Redux、Evotherm 3G加热到165℃后，加入到拌和锅中，拌和60s；最后加入矿粉(石灰石矿粉)，加热拌锅，拌和40s；温拌再生沥青混合料马歇尔试件在145℃出锅，135℃击实成型；冷却24h脱模即可得到马歇尔试件，通过测试不同总沥青用量下的马歇尔试件的体积性能指标、马歇尔稳定度和流值并参考规范《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)，计算得到不同RAP旧料掺量下的最佳油石比。粗集料、细集料、矿粉的筛分参数如表6所示。

表6：粗集料、细集料、矿粉的筛分参数

以RAP掺量为40％，再生剂掺量为5％，Sasobit Redux掺量为3％的温拌再生沥青混合料为例，阐述其混合料级配类型、最佳油石比的确定过程。参考规范《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)，不同沥青用量下的马歇尔试件的体积性能指标、马歇尔稳定度和流值的测试结果如图1所示，最佳油石比被计算确定为4.84％，此时混合料的矿料间隙率≥13％，满足JTG F40-2004规定的要求，具体如图1所示。

为进一步验证最佳油石比的合理性，测试油石比为4.84％的40％RAP温拌再生沥青混合料的高温抗车辙动稳定度、冻融循环劈裂拉伸强度以及低温弯曲破坏应变，相应的测试结果如下表7所示。

表7：40％RAP温拌再生沥青混合料的路用性能测试结果

表7证明油石比为4.84％时所有的路用测试结果均满足JTG F40-2004规定的要求。因此，40％RAP温拌再生沥青混合料的最佳油石比即为4.84％，其相应的合成级配曲线如图2所示。

同理，本实例中其余温拌再生沥青混合料的最佳油石比的计算结果如表8所示。

表8：温拌再生沥青混合料的最佳油石比计算结果

根据已经确定的最佳油石比，在不同拌和温度(120℃-170℃)和击实温度(110℃-160℃)下成型温拌再生沥青混合料马歇尔试件，击实温度相较于成型温度低10℃，测试不同施工温度下马歇尔试件的空隙率，绘制空隙率-拌和温度/击实温度曲线，得到空隙率-拌和温度/击实温度拟合曲线，如图3和图4所示。

以JTG F40-2004中规定的AC-13沥青混合料级配类型的空隙率中值4.5％为最佳空隙率，代入至拟合公式求解得到相应最佳的拌和温度/击实温度，如表9所示。

表9：温拌再生沥青混合料的最佳施工温度计算结果

在最佳油石比和温拌再生施工温度下，制作相应尺寸的混合料试件，参考规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG F40-2011)，分别测试其典型路用性能，即高温抗车辙、低温抗开裂、抗水损害性能，分别得到动稳定度、低温弯曲破坏应变、冻融劈裂拉伸强度三个评价指标，并根据温拌再生沥青混合料性能测试结果，划分性能区间，如图5所示；

性能区间I:抗车辙性能差但抗开裂性能强的区间(柔软而灵活)

性能区间II:抗车辙性能和抗开裂性能均强的区间(坚硬和灵活)

性能区间III:抗车辙性能和抗开裂性能均差的区间(柔软而不稳定)

性能区间IV:抗开裂性能差但抗车辙性能强的区间(坚硬和脆性)

根据性能均衡设计结果，Sasobit Redux温拌剂，40％RAP，60％RAP，Evotherm 3G温拌剂，60％RAP温拌再生沥青混合料能够同时满足高温抗车辙，低温抗开裂、冻融循环抗水损害性能的要求。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。