一种高模量沥青混合料及其设计方法

技术领域

本发明涉及道路工程领域，具体提供一种高模量沥青混合料及其设计方法。

背景技术

高模量沥青混合料是指20℃动态压缩模量达到13000MPa的沥青混合料，高模量沥青混合料相较于传统的沥青混合料具有模量高、抗车辙等性能，按照沥青路面层状弹性体系设计理论，高模量沥青混合料具有减薄沥青路面的特点，高模量沥青混合料可以大规模减少对石料等资源的开采，降低对自然环境的破坏作用，同时显著提升路面服役水平，社会和经济效益显著。

一、传统高模量沥青混合料制备时，缺乏理论指导，对于关键材料技术指标及设计控制指标科学性不足，致使设计应用时，选材广泛但实际应用效果差、难度大，应用复现性差。

二、采用铣刨料制备高模量沥青混合料

目前，我国已经建成世界上最庞大的道路运输网络，截止2022年度，公路通车里程达到530万公里以上，道路路面中80％以上的路面类型为沥青路面。据统计，每年沥青路面大中修和改扩建工程产生的废旧铣刨料高达数千万吨，并且这一数字还将以10％～15％的速度增长。通过沥青铣刨料再生回收利用，不仅可以使再生路面重新满足路面使用要求、减少工程造价、节约资源，而且还能避免路面废料对自然环境产生的污染、实现行业绿色发展、促进生态文明建设。因此，铣刨料再生回收利用具有显著的社会效益和经济效益。目前，对于沥青路面铣刨料的应用渠道众多，主要为常规热再生、冷再生等方式。实际应用效果来看，上述方式是一种低品质、低价值的应用方式，没有将路面沥青铣刨料的特点发挥到最佳状态。

研究发现，沥青路面在服役期路面荷载及环境等综合作用下，铣刨料老化沥青具有具备显著硬质化特点，与高模量沥青混合料需求的硬质沥青具有共同特点。因此，可以利用沥青路面铣刨料制备高模量沥青混合料，将铣刨料自身特点与高模量混合料相结合，实现沥青铣刨料的高品质、高价值应用。

实际上，采用铣刨料制备高模量沥青混合料，国内外已经有众多科研院校及机构都进行了研究，并产生了一些专利等知识产权。传统研究认为，按照抽提筛分结果，沥青路面铣刨料降级现象明显，即实际级配明显偏细；且认为，大掺量应用时，0.075mm筛分通过率常常偏高，会大幅降低混合料的低温、水稳定等路用性能。因此，对于铣刨料的掺量应严格控制，防止出现0.075mm筛孔通过率过高、粉胶比Fb偏高，导致不利于拌和及路用性能；并且，为防止铣刨料的进一步老化，铣刨料的加热温度实际多为90℃-120℃，借助新集料温度整体提升混合料温度。但是，在实际应用中，仍然存在诸多不足：

1、缺乏理论指导，对与关键控制指标不明确，致使应用复现性差。众多方法强调材料组成比例，但是不同铣刨料差异程度大，按照组成设计方法制备高模量沥青混合料，常不达预期效果；

2、部分方法沥青铣刨料掺量低，掺量多低于60％，严重制约了沥青铣刨料的应用效率与价值；为达到铣刨料的高模量化，新添加沥青多为硬质沥青，致使拌和、碾压难度极大，实际根本不可能实现高掺量应用；或者铣刨料添加比例小，不能高效利用铣刨料；

3、部分方法沥青铣刨料掺量高，但是铣刨料应用程序复杂，需要油石分离技术或多级拌和技术，上述方法对设备要求高，需要新增配套设备，造价昂贵，极大增加了铣刨料的应用成本，不利于实际工程普及；并且，期间产生大量不必要的能耗，不利于环境友好。

发明内容

本发明是针对上述现有技术的不足，提供一种高模量沥青混合料的设计方法。

本发明进一步的技术任务是提供一种高模量沥青混合料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高模量沥青混合料，混合料中沥青胶结料的25℃针入度要求15-30(0.1mm)，60℃动态剪切复数模量G*≥12.0kPa，胶浆膜厚度DA*≥21μm，沥青膜厚度DA为5μm-12μm，所述沥青胶结料为新添加沥青或新老复合沥青，所述新老复合沥青由铣刨料的老化沥青和新添加沥青组成。

作为优选，本发明高模量沥青混合料可以由新矿料、新添加沥青为主要原料制备，新添加沥青可选用任意一种可用于高模量沥青混合料的沥青胶结料，如低标号石油沥青、改性沥青、或添加有高模量改性剂的沥青材料，只需满足25℃针入度要求15-30(0.1mm)，60℃动态剪切复数模量G*≥12.0kPa即可。此时，混合料设计方法包括：

S1.预设各个原材料组成比例，所述原材料包括新矿料和新添加沥青，所述新矿料为新集料和/或填料；

S2.对新添加沥青进行25℃针入度试验及60℃动态剪切试验；同时，对混合料的沥青膜厚度及胶浆膜厚度进行计算；

S3.若25℃针入度、60℃复数模量、沥青膜厚度及胶浆膜厚度不满足要求，返回步骤S1，重新进行设计；若满足要求，则按照确定的材料组成进行混合料性能验证；

S4.判断混合料各性能试验参数是否满足要求，若某项性能不满足要求，则返回步骤S1，改变新添加沥青用量后，重新进行试验，或返回步骤S1重新进行级配设计，并进行试验；若混合料各项性能均满足试验要求，则完成混合料设计过程。

作为优选，本发明高模量沥青混合料还可以以新矿料、铣刨料、新添加沥青为主要原料制备，新添加沥青优选为乳化沥青、石油沥青、改性沥青或泡沫沥青。此时，混合料设计方法包括：

S11.对路面沥青铣刨料进行抽提试验，回收老化沥青，获取铣刨料的级配、沥青含量；

S12.预设各个原材料组成比例，所述原材料包括铣刨料、新矿料和新添加沥青，所述新矿料为新集料和/或填料；

S2.根据预设组成比例进行新老复合沥青的配置，对新老复合沥青进行25℃针入度试验及60℃动态剪切试验；同时，对混合料的沥青膜厚度及胶浆膜厚度进行计算；

S3.若25℃针入度、60℃复数模量、沥青膜厚度及胶浆膜厚度不满足要求，返回步骤S12，重新进行设计；若满足要求，则按照确定的材料组成进行混合料性能验证；

S4.判断混合料各性能试验参数是否满足要求，若某项性能不满足要求，则返回步骤S12，改变新添加沥青用量后，重新进行试验，或返回步骤S12重新进行级配设计，并进行试验；若混合料各项性能均满足试验要求，则完成混合料设计过程。

作为优选，沥青胶结料25℃针入度要求20-30(0.1mm)，60℃动态剪切复数模量G*≥12kPa，混合料胶浆膜厚度为21-30μm，沥青膜厚度为6μm-11μm。

作为优选，胶浆膜厚度按照下列公式计算：

SA＝∑(P

式1中：

SA为集料的比表面积，kg/m

P

FA

所述集料包括新集料和/或铣刨料中的集料，0.075mm以下集料不计入；

式2中：

P

P

P

式3中：

γ

γ

γ

式4中：

DA为胶浆膜厚度，μm。

作为优选，采用动态剪切流变仪测试60℃动态剪切模量，测试条件如下：

试验间距1000μm；平行板直径

作为优选，混合料中铣刨料的掺量达到70％以上时，新添加沥青特别优选为乳化沥青，且乳化沥青的基础沥青标号不高于70#。

作为优选，步骤S4中高模量沥青混合料性能试验主要包括高温性能、水稳定性能、低温性能以及动态模量试验。

申请人通过大量的室内研究及工程实践发现，沥青的60℃复数模量与沥青混合料高温性能、模量具有极高的关联性；决定混合料工作性、水稳定性能、低温性能的则是沥青膜厚度、胶浆膜厚度：沥青膜厚度提供必要的拌和工作特性，形成的胶浆膜厚度则决定混合料的低温、水稳定性。基于此，申请人提出了一种由本发明设计方法得到的高模量沥青混合料。

本发明高模量沥青混合料能够满足现有道路工程各类规范中规定的路面设计要求，但如果需要进一步提升混合料某些方面的路用性能，还可以添加某些道路工程用助剂，温拌剂、高模量剂等。

和现有技术相比，本发明的高模量沥青混合料及其设计方法具有以下突出的有益效果：

(一)首次提出以胶浆膜厚作为制备高模量沥青混合料的设计的标准，较现有设计方法更为简捷、实用，设计出的混合料路用性能均衡，高、低温、水稳定及抗疲劳等性能优异；

(二)利用本发明设计方法得到的高模量沥青混合料，①对铣刨料掺量没有具体限制，可以实现100％全再生料，有效提高铣刨料利用率；②形成的混合料直接用于路面面层，提高了路面铣刨料的利用效果；③利用现有设备即可实现沥青铣刨料高值化利用，推广应用普及意义大。

附图说明

附图1为实施例混合料设计方法流程框图(含铣刨料)；

附图2为实施例混合料设计方法流程框图(不含铣刨料)；

附图3为实施例混合料制备方法流程框图(含铣刨料)；

附图4为实施例混合料制备方法流程框图(不含铣刨料)。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

实施例

以新矿料(新集料、矿粉)、铣刨料、新添加沥青为主要原料制备高模量沥青混合料。

如附图1、2所示，高模量沥青混合料设计方法包括：

1.确定原材料配比组成

1.1含铣刨料时，对铣刨料进行抽提试验，获取铣刨料老化沥青含量、集料筛分数据；同时，采用旋转蒸发仪对老化沥青回收；回收后的老化沥青中仍然存有大量三滤乙烯，在通风条件，加热三氯乙烯与老化沥青的混合物，加热温度控制在110℃-120℃，直至三氯乙烯挥发完全；

1.2根据工程需求，结合原材料特点，预设铣刨料、新矿料、新添加沥青等材料组成比例(详见表1、表2)；

表1材料组成

表2各实例级配组成

2.指标验证

2.1沥青胶结料配置

沥青胶结料组成如表3所示。

表3按照级配组成预设新老沥青比例

2.2膜厚度计算及验证

按照表1、2、3的原料配比测定沥青膜厚度、胶浆膜厚度。

a.按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40)所述方法计算沥青膜厚度，计算结果见表4。

b.胶浆膜厚度的计算按照以下公式步骤执行，计算结果见表4：

SA＝∑(P

式1中：

SA为集料的比表面积，kg/m

P

FA

所述集料为新集料和/或铣刨料中的集料，0.075mm以下集料不计入；

式2中：

P

P

P

式3中：

γ

γ

γ

式4中：

DA为胶浆膜厚度，μm。

表4计算的沥青膜厚度及胶浆膜厚度

2.3胶结料性能

按照表3进行沥青胶结料配置，并进行性能测试，具体指标包括25℃针入度、60℃沥青复数模量。

25℃针入度按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20)，测试结果见表5。

60℃复数模量测定采用动态剪切流变仪测定，试验夹具25mm圆形平行板，试验平行板间距1000μm，控制应变12％，正弦加载，加载频率10rad/s，扫描时间为10s，试验温度60℃，测试结果见表5。

表5沥青性能指标

3.性能试验

按照表1、2、3的原料配比，按图3或图4步骤制备实例1-实例7的混合料并进行性能试验：

a)将沥青铣刨料加热至140℃-160℃，投入拌和锅预拌和1-1.5min；(不添加铣刨料时，省略该步骤)

b)将新集料加热至180℃-190℃，连同新添加沥青依次投入拌和锅，继续拌和1-1.5min；

c)按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20)规定试验方法压实成型，得到试样。

d)按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20)相关试验方法对制得的沥青混合料进行高温性能、水稳定性能、低温性能以及动态模量试验检测，检测结果见表6。

表6性能验证结果

如表6检测数据可以看到，实例1-7混合料均可满足规范指标要求。