一种高掺量厂拌热再生混合料配合比设计方法

技术领域

本发明属于公路与城市道路设计技术领域，尤其涉及一种高掺量厂拌热再生混合料配合比设计方法。

背景技术

厂拌热再生技术能够充分利用沥青路面回收料RAP(Reclaimed AsphaltPavement)，具有显著的环境和经济效益，但是目前规范规定的厂拌热再生混合料配合比设计方法是以新拌沥青混合料设计方法为基础进行的，并没有充分考虑RAP特性，随着RAP掺量的增大，尤其是RAP掺量比例大于30％的时候，抗开裂性显著衰退，因此有必要提出针对RAP材料特点的高掺量厂拌热再生混合料配合比设计方法。

目前规范规定的厂拌热再生混合料配合比设计方法是以新拌沥青混合料设计方法为基础进行的，即假设新旧沥青100％融合，这与实际并不相符，并且存在两个问题：一是RAP的变异性和有效沥青含量会影响热再生沥青混合料的稳定性，从而限制RAP掺量的提高；二是针对热再生沥青混合料容易产生开裂的性能特点，导致如何选择新沥青调和RAP中的旧沥青十分困难。因此针对RAP用于厂拌热再生技术存在的变异性大，有效沥青含量未知，以及需要选择合适的新沥青进行调和的特点，开展高掺量厂拌热再生混合料配合比设计方法，具有重要的工程价值。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种高掺量厂拌热再生混合料配合比设计方法。为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：一种高掺量厂拌热再生混合料配合比设计方法，具体包括以下步骤：

步骤1：根据道路等级、工程所在地的气候特点以及工程经验确定工程设计级配范围。

步骤2：通过分析RAP级配和抽提后RAP矿料级配，从影响RAP结团和变异性角度确定分档的关键筛孔，拟定分档方法，以矿料级配和油石比变异性最小为原则，确定最终分档。

2.步骤3：根据工程实际需要和RAP材料特性以及工程设备条件，计算RAP掺量比例大于30％的新旧沥青融合程度，包括以下步骤：

步骤301：计算RAP掺量热再生沥青混合料试件的毛体积相对密度γ

其中，m

步骤302：计算RAP掺量热再生沥青混合料试件的空隙率VV：

其中，γ

步骤303：计算N种矿料合成的毛体积相对密度γ

其中，P

步骤304：通过动态剪切流变仪DSR测定不同旧沥青占比的新旧混溶沥青的复数剪切模量G*，G*与旧沥青占比x的关系式为：

G

其中，a为斜率；b为截距；x的计算公式为：

公式(5)中，Paold为旧沥青油石比；Panew为新沥青油石比；DOB为融合程度；将公式(5)代入公式(4)：

步骤305：利用Hirsch模型计算RAP掺量热再生沥青混合料的矿料间隙率VMA和饱和度VFA，具体如下：

其中，Ps为n种矿料占沥青混合料的质量百分比，Ps的计算公式为：

步骤306：通过AMPT PRO测定的高RAP掺量的热再生沥青混合料的动态模量E*，计算新旧沥青融合程度DOB，表达式如下：

其中，E*为通过AMPT PRO测定的已知动态模量；Pc为中间计算参数，具体计算公式为：

将公式(6)、公式(7)和公式(11)代入公式(10)中进行化简计算，计算结果为新旧沥青融合程度DOB。

步骤4：选取比工程所在地同等条件的道路所使用的沥青标号高一个等级作为初选沥青，根据融合程度DOB计算有效旧沥青含量，采用ΔTc指标调和法则确定新沥青等级和再生剂用量，包括以下步骤：

步骤401：将总的旧沥青含量与新旧沥青融合程度DOB值相乘，计算出有效旧沥青含量；

步骤402：按照有效旧沥青与新沥青的比例制备再生沥青试样，通过BBR试验确定再生沥青试样ΔTc指标，若ΔTc≥-5℃，新沥青满足20hPAv的调和目标；ΔTc的计算公式如下：

ΔTc＝Tc(Low)S-Tc(Low)m(12)

其中，Tc(Low)S代表S指标决定的PG分级的临界低温值，S为沥青的蠕变劲度，Tc(Low)m代表m指标决定的PG分级的临界低温值，m为劲度与时间双对数曲线的斜率绝对值，Tc(Low)S与Tc(Low)m的计算公式如下：

其中，a

若ΔTc＜-5℃，则采取添加再生剂的方法或换一种新沥青，直至满足ΔTc≥-5℃，选取低再生剂掺量的一个代表值和高再生剂掺量的一个代表值分别调和再生沥青，所述低再生剂掺量的取值范围为2％～5％，所述高再生剂掺量的取值范围为8％～10％，对调和后的再生沥青测定ΔTc指标，根据线性插值的方法确定满足ΔTc≥-5℃的再生剂掺量。

步骤5：根据《公路沥青路面再生技术规范)》，按照马歇尔法进行配合比设计，进行最佳油石比确定和性能指标检验。

与现有的技术相比，本发明一种高掺量厂拌热再生混合料配合比设计方法的优点在于：

1、本发明基于RAP的材料特性，考虑了新旧沥青融合程度，基于设计级配，根据规范预估混合料的最佳油石比，通过AMPT试验测定按照设计级配和预估的油石比制备的再生混合料的动态模量，通过DSR试验建立融合程度与再生沥青复数模量的关系式，将混合料的动态模量以及融合程度与再生沥青复数模量的关系式代入Hirsch模型中计算新旧沥青融合程度，使配合比设计更加准确合理.

2、本发明基于RAP的材料特性，针对热再生沥青混合料容易产生开裂的特点，采用ΔTc调和法则确定调和目标为20hPAV后再生沥青不小于-5℃，保障了热再生沥青混合料的路用性能，提高耐久性。

附图说明

图1是本发明提供的一种高掺量厂拌热再生混合料配合比设计方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，一种高掺量厂拌热再生混合料配合比设计方法，具体包括以下步骤：

步骤1：根据道路等级、工程所在地的气候特点以及工程经验确定工程设计级配范围。本发明中RAP掺量大于30％。

本实施例中，RAP选取掺量为30％、40％、50％，三种RAP掺量混合料级配结果如表1所示。

表1：

三种RAP掺量配比比例结果如表2所示。

表2：

三种RAP掺量的最佳油石比及最佳油石比下的新旧沥青石油占比如表3所示。

表3：

步骤2：通过分析RAP级配和抽提后RAP矿料级配，从影响RAP结团和变异性角度确定分档的关键筛孔，拟定分档方法，以矿料级配和油石比变异性最小为原则，确定最终分档。

本实施例中，通过分析RAP级配和抽提后RAP矿料级配，从影响RAP结团和变异性角度确定分档的关键筛孔为4.75mm和9.5mm，以矿料级配和油石比变异性最小为原则，最终确定将RAP分为0mm-4.75mm、4.75mm-13.2mm和大于13.2mm三档。

步骤3：根据工程实际需要和RAP材料特性以及工程设备条件，计算RAP掺量比例大于30％的新旧沥青融合程度，包括以下步骤：

步骤301：计算RAP掺量热再生沥青混合料试件的毛体积相对密度γ

其中，m

步骤302：计算RAP掺量热再生沥青混合料试件的空隙率VV：

其中，γ

步骤303：计算N种矿料合成的毛体积相对密度γ

其中，P

本实施例中，三种RAP掺量热再生沥青混合料的γ

表4：

步骤304：通过动态剪切流变仪DSR测定不同旧沥青占比的新旧混溶沥青的复数剪切模量G*，G*与旧沥青占比x的关系式为：

G

其中，a为斜率；b为截距；x的计算公式为：

公式(5)中，Paold为旧沥青油石比；Panew为新沥青油石比；DOB为融合程度；将公式(5)代入公式(4)：

本实施例中，通过动态剪切流变仪DSR测定不同旧沥青占比的新旧混溶沥青的复数剪切模量G*，根据表3计算各RAP掺量下热再生沥青混合料中的旧沥青与新沥青的比例在(0.4∶1)～(1∶1)之间，按照旧沥青：新沥青的比例0.4∶1；0.6∶1；0.8：1；1∶1四个比例在160℃下混溶新旧沥青，对应的旧沥青占比分别为0.29、0.38、0.44和0.5，四个旧沥青占比的新旧混溶沥青的G*试验结果如表5所示。

表5：

步骤305：利用Hirsch模型计算RAP掺量热再生沥青混合料的矿料间隙率VMA和饱和度VFA，具体如下：

其中，Ps为n种矿料占沥青混合料的质量百分比，Ps的计算公式为：

步骤306：通过AMPT PRO测定的高RAP掺量的热再生沥青混合料的动态模量E*，计算新旧沥青融合程度DOB，表达式如下：

其中，E*为通过AMPT PRO测定的已知动态模量；Pc为中间计算参数，具体计算公式为：

将公式(6)、公式(7)和公式(11)代入公式(10)中进行化简计算，计算结果为新旧沥青融合程度DOB。

本实施例中，通过AMPT PRO测定高RAP掺量的热再生沥青混合料的动态模量E*的测量结果如表6所示。

表6：

三种RAP掺量热再生沥青混合料的融合程度计算结果如表7所示。

表7：

步骤4：选取比工程所在地同等条件的道路所使用的沥青标号高一个等级作为初选沥青，根据融合程度DOB计算有效旧沥青含量，采用ΔTc指标调和法则确定新沥青等级和再生剂用量，具体为：

步骤401：将总的旧沥青含量与新旧沥青融合程度DOB值相乘，计算出有效旧沥青含量；

本实施例中，选取克拉玛依90号沥青作为初选沥青，根据融合程度DOB计算三种混合料的实际新旧沥青比例。三种RAP掺量混合料的新旧沥青比例如表8所示。

表8：

步骤402：按照有效旧沥青与新沥青的比例制备再生沥青试样，通过BBR试验确定再生沥青试样ΔTc指标，若ΔTc≥-5℃，新沥青满足20hPAV的调和目标；ΔTc的计算公式如下：

ΔTc＝Tc(Low)S-Tc(Low)m(12)

其中，Tc(Low)S代表S指标决定的PG分级的临界低温值，S为沥青的蠕变劲度，Tc(Low)m代表m指标决定的PG分级的临界低温值，m为劲度与时间双对数曲线的斜率绝对值，Tc(Low)S与Tc(Low)m的计算公式如下：

其中，a

若ΔTc＜-5℃，则采取添加再生剂的方法或换一种新沥青，直至满足ΔTc≥-5℃，选取低再生剂掺量(2％～5％)的一个代表值和高再生剂掺量(8％～10％)的一个代表值分别调和再生沥青，对调和后的再生沥青测定ΔTc指标，根据线性插值的方法确定满足ΔTc≥-5℃的再生剂掺量。

本实施例中，ΔTc指标的计算结果如表9所示：

表9

由表9可知，RAP掺量为30％、40％和50％时，ΔTc不能满足要求。根据线性插值的方法确定再生剂介入的RAP掺量为26.3％。单纯采用克拉玛依90号沥青已经不能满足新沥青调和的需求，因此在此基础上需要添加再生剂。

本实施例中，使用的再生剂为XT-1型新型沥青再生剂，采用ΔTc调和法则确定50％RAP掺量下的再生剂用量，通过调和两种不同再生剂用量的再生沥青确定最终再生剂用量，选取低再生剂掺量(2％～5％)的代表2％和高再生剂掺量(8％～10％)的代表10％分别调和再生沥青，针对两种再生剂用量的再生沥青进行BBR试验，可知根据m值确定的临界温度算出再生剂用量区间为3.73％-6.69％，且ΔTc≥-5℃时对应的再生剂用量区间不小于4.62％。

步骤5：本实施例中，综合RAP变异性控制、新旧沥青融合度和ΔTc调和法则确定新沥青标号和再生剂用量，根据《公路沥青路面再生技术规范》，按照马歇尔法进行配合比设计，进行最佳油石比确定和性能指标检验。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。