基于流变性能的冷拌沥青混合料用乳化沥青优选方法

技术领域

本发明涉及道路工程领域，特别是一种基于流变性能的冷拌沥青混合料用乳化沥青优选方法。

背景技术

目前乳化沥青型冷拌沥青混合料作为一种常温施工技术，具有节能环保、施工方便等优点，受到人们的广泛关注。乳化沥青的合成涉及到复杂的化学方面，是一种热力学不稳定体系。集料是一种重要的原材料，即使是同类型石料，产地不同其化学组成和表观特性也有较大差别。乳化沥青与集料间的黏附涉及到复杂的化学和物理相互作用，在实际工程中，如果二者不相容，则会造成混合料和易性不佳，以及混合料与集料之间裹附性不佳的问题，严重影响了混合料的施工和路用性能。

目前冷拌料的应用仍然存在局限性，其中一个重要原因是并没有结合使用地集料情况专门开发相应的乳化剂或者乳化沥青。同时也缺乏一种有效的评价方法来优选乳化沥青。除此之外，乳化沥青残留物的获取方式需要慎重对待，因为过高的获取温度会造成改性剂的降解。针对以上问题，本发明采用低温条件下获取乳化沥青残留物样品，并基于流变性能评价不同类型乳化沥青和矿粉间的相互作用。本发明可以为根据集料性质设计乳化沥青或者乳化剂提供试验方法参考。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于流变性能的冷拌沥青混合料用乳化沥青优选方法，用于解决现有技术中缺乏有效的评价方法来优选乳化沥青的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于流变性能的冷拌沥青混合料用乳化沥青优选方法，其步骤包括：选取若干种工程矿料并进行预处理，得到若干组矿粉；选取若干种乳化沥青，根据可拌合时间确定各组矿粉分别相对于各种乳化沥青的掺入量，并将若干组矿粉与若干种乳化沥青按配比分别混合均匀，得到若干组拌合料；将若干组拌合料迅速导入真空振动装置中，真空振动并养生，得到若干组残留物；对若干组残留物进行动态剪切流变试验，获取若干组剪切模量，剪切模量包括乳化沥青玛蹄脂的复数模量和乳化沥青残留物的复数模量；建立乳化沥青与矿粉相互作用的评价指标函数，结合若干组矿粉的掺入量与剪切模量，获得若干组评价指数；绘制若干条关于评价指数与温度之间的关系曲线，根据关系曲线中评价指数的强度确定最优关系曲线，并得到最佳乳化沥青与矿粉的组合方式。

其中，预处理的步骤包括：将每种工程矿料依次进行清洗、烘干、冷却和研磨，过0.075mm筛后得到矿粉。

优选的，可拌合时间大于或等于200s。

优选的，真空振动装置包括底座、转动平台、转动支架、转动组件、真空模具套件和振动组件；转动支架为V字型结构，其V字型顶点处与底座可转动连接，其V字型开口处的两条边均与转动平台的底面固定连接；转动组件设置于转动平台的底面靠近边缘处，用于驱动转动平台摆动；振动组件设置于转动平台的底面中部，用于使转动平台沿垂直方向振动；真空模具套件设置于转动平台的顶面，其内部具有容纳若干组拌合料的空腔。

优选的，转动组件包括第一连接杆、第二连接杆和转动马达；第一连接杆一端与转动平台的底面靠近边缘处可转动连接，第一连接杆另一端与第二连接杆一端可转动连接，第二连接杆远离第一连接杆的一端与转动马达的转轴固定连接，转动马达的外壳固定设置于底座表面。

优选的，真空模具套件包括模具板、真空盖和真空抽气管；模具板设置于真空盖与转动平台的顶面所合围形成的真空内腔中，模具板的底面与转动平台的顶面连接，模具板的顶面设置有若干容纳拌合料的样品槽；真空抽气管贯穿真空盖，并同真空盖与转动平台合围形成的真空内腔相连通。

优选的，养生的条件为：先于25℃下养生12h，再于40℃下养生12h。

其中，对若干组残留物进行动态剪切流变试验的步骤包括：对每一组残留物分别进行应力扫描，确定线性粘弹性范围；基于所确定的线性粘弹性范围，对每一组残留物分别进行温度和频率扫描，得到相应的剪切模量参数。

优选的，评价指标函数的表达式如下：

其中，K-B-G

其中，若干条评价指数与温度之间的关系曲线中评价指数的强度最高者为最优关系曲线，且最优关系曲线所对应乳化沥青与矿粉的组合方式为最佳组合方式。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供了一种基于流变性能的冷拌沥青混合料用乳化沥青优选方法，通过设置真空振动装置并构建评价指标函数，获得基于流变性能来评价不同类型乳化沥青和矿粉间相互作用的评价指数，对比评价指数与温度的关系曲线强度，得到最优的乳化沥青与矿粉的组合方式，利用少量的矿粉集料即可优选出与之配伍最优的乳化沥青，实现了矿粉与乳化沥青组合方式的快速优选。

附图说明

图1是本发明中基于流变性能的冷拌沥青混合料用乳化沥青优选方法一实施方式的流程图；

图2是本发明中真空振动装置一实施方式的结构示意图；

图3是本发明中真空振动装置一实施方式的运动示意图；

图4是本发明实施例1中评价指数与温度之间的关系曲线图；

图中：1-底座，2-转动平台，3-转动支架，4-转动组件，41-第一连接杆，42-第二连接杆，43-转动马达，5-真空模具套件，51-模具板，52-真空盖，53-真空抽气管，6-振动组件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明中基于流变性能的冷拌沥青混合料用乳化沥青优选方法，具体步骤如下。

S1：选取若干种工程矿料并进行预处理，得到若干组矿粉。本步骤中，根据级配称取一定质量的多种工程矿料，并作为测试集料，将每种工程矿料依次进行清洗、烘干、冷却和研磨，过0.075mm筛后得到矿粉；烘干温度优选为100～110℃，烘干处理时间不低于6h。

S2：选取若干种乳化沥青，根据可拌合时间确定各组矿粉分别相对于各种乳化沥青的掺入量，并将若干组矿粉与若干种乳化沥青按配比分别混合均匀，得到若干组拌合料。本步骤中，所选取的乳化沥青可以由普通的基质沥青与皂液混合制得，也可以由经过改性的基质沥青与皂液混合制得，其中皂液可包含乳化剂、酸液以及添加剂等；关于乳化沥青选择，可根据乳化沥青与所选择的矿粉之间的相互作用来初步确定乳化沥青的种类，这样可以初步确定多种乳化沥青与多种矿粉的组合范围，有利于提高后续选择出最佳乳化沥青与矿粉组合方式的精确度；对乳化沥青的种类初步选择完成后，根据可拌合时间确定各组矿粉分别相对于各种乳化沥青的掺入量，若干组矿粉以所确定的掺入量与相应的乳化沥青混合均匀，得到若干组同步组合方式的拌合料。其中，可拌合时间大于或等于200s，矿粉相对于乳化沥青的掺入量为混合前矿粉的体积比百分数。

S3：将若干组拌合料迅速导入真空振动装置中，真空振动并养生，得到若干组残留物。请参阅图2～3，本步骤中，真空振动装置包括底座1、转动平台2、转动支架3、转动组件4、真空模具套件5和振动组件6；转动支架3为V字型结构，其V字型顶点处与底座3可转动连接，其V字型开口处的两条边均与转动平台2的底面固定连接；转动组件4设置于转动平台2的底面靠近边缘处，用于驱动转动平台摆动；振动组件6设置于转动平台2的底面中部，用于使转动平台2沿垂直方向振动，优选偏心振动马达作为转动组件，通过控制偏心振动马达的转速来调控振动的频率；真空模具套件5设置于转动平台2的顶面，其内部具有容纳若干组拌合料的空腔。

具体地，转动组件4包括第一连接杆41、第二连接杆42和转动马达43；第一连接杆41一端与转动平台2的底面靠近边缘处可转动连接，第一连接杆41另一端与第二连接杆42一端可转动连接，第二连接杆42远离第一连接杆41的一端与转动马达43的转轴固定连接，转动马达43的外壳固定设置于底座1表面。转动组件通过转动马达驱动第二连接杆，进而带动第一连接杆，使转动平台以及真空模具套件做左右摆动运动，具体可通过转动马达的转速来控制摆动的速率，通过控制第一连接杆与第二连接杆的长度来调整摆动过程中的最大转角θ，这些都可根据实际需求进行适应性调整，在此不做限定。

具体地，真空模具套件5包括模具板51、真空盖52和真空抽气管53；模具板51设置于真空盖52与转动平台2的顶面所合围形成的真空内腔中，模具板51的底面与转动平台2的顶面连接，模具板51的材料可优选为聚四氟乙烯或者硅胶，模具板51的顶面设置有若干容纳拌合料的样品槽，样品槽的直径可根据动态剪切流变实验中动态流变仪平行板的直径进行适应设置，样品槽的数目可根据实际需求进行适应性设置，在此不作限定；真空抽气管53贯穿真空盖52，并同真空盖52与转动平台2合围形成的真空内腔相连通，用于对内腔进行抽真空，使处于空腔内的拌合料能够在养生过程中保持真空环境。

养生的条件优选为：先于25℃下养生12h，再于40℃下养生12h，相比于现有的养生条件来说，在满足工程测试需求的基础上缩短了养生工艺时长。通过设置上述真空振动装置，并合理控制振动频率和摆动频率，使拌合料能够在真空环境下很好地进行养生，有效防止了养生后残留物中会产生气泡而影响后续测试结果的问题，且所获取得到的残留物能够直接用于后续动态剪切流变实验，而无需进行二次加热处理，使过程更加简捷。

S4：对若干组残留物进行动态剪切流变试验，获取若干组剪切模量，剪切模量包括乳化沥青玛蹄脂的复数模量和乳化沥青残留物的复数模量。本步骤中，对每一组残留物分别进行应力扫描，确定线性粘弹性范围；基于所确定的线性粘弹性范围，对每一组残留物分别进行温度和频率扫描，得到相应的剪切模量参数。上述动态剪切流变试验采用本领域技术人员所知晓的试验工艺来获取相应的剪切模量参数，具体的工艺过程在此不做赘述。

S5：建立乳化沥青与矿粉相互作用的评价指标函数，结合若干组矿粉的掺入量与剪切模量，获得若干组评价指数。具体地，评价指标函数的表达式如下：

其中，K-B-G

S6：绘制若干条关于评价指数与温度之间的关系曲线，根据关系曲线中评价指数的强度确定最优关系曲线，并得到最佳乳化沥青与矿粉的组合方式。本步骤中，建立评价指数与温度之间的关系曲线并对关系曲线中评价指数的强度进行对比，评价指数的强度越强则表示该曲线所对应乳化沥青与矿粉的组合方式相互作用越强，配伍性更优，故关系曲线中评价指数的强度最高者为最优关系曲线，且最优关系曲线所对应乳化沥青与矿粉的组合方式为最佳组合方式，从而得到了最优的乳化沥青与矿粉的组合方式。

进一步地，还可以根据不同工程项目需求，基于不同配方或工艺下获取的乳化沥青，以及不同物理化学性质的矿粉集料，重复执行上述S1～S6步骤，随着不同乳化沥青和矿粉的组合方式的试验次数的累积，试验数据总量会逐渐增多，从而形成训练样本集；基于累积获取的训练样本集，应用深度学习建立模型，从而对乳化沥青和矿粉的组合方式进行预测，能够减少试验工作量，实现快速优化配方。对于训练样本集的获取以及深度学习模型的构建，可采用本领域技术人员所知晓的方式执行，故对此不做赘述。

下面结合具体实施例对上述基于流变性能的冷拌沥青混合料用乳化沥青优选方法的应用过程及效果进行阐述。

实施例1

本实施例中具体优选步骤如下：

(1)根据级配称取一定质量工程矿料，包括石灰岩、辉绿岩和花岗岩三种，分别洗净，于105℃烘箱中烘干6h，然后冷却，研磨后过0.075mm筛，得到矿粉备用。

(2)测试矿粉集料基本物理性质和化合物组成，根据乳化沥青和矿粉之间的相互作用机理，初步选择2种阳离子乳化沥青，分别记为3#和4#；基于可拌合时间≥200s，确定矿粉相对乳化沥青的掺入量，具体的体积比百分数为0.33，然后通过机械搅拌混合均匀后得到不同组合的拌合料。

(3)将所得的拌合料迅速注入真空振动装置的模具板样品槽中，模具板为聚四氟乙烯材料，根据动态剪切流变仪平行板直径25mm，设置圆形的样品槽直径也为25mm，每种样品制备4组试样，进行3次平行试验；将含有拌合料样品的模具板放置于转动平台上，设置振动和左右摆动频率和幅度，以及适宜的真空度，然后一起放入烘箱中养生，养生条件设置为25℃下12h，得到多组残留物样品。

(4)对残留物样品进行动态剪切流变试验，首先进行应力扫描，确定线性粘弹性范围，本实施例中设置控制应变为3％，然后进行温度扫描试验，从而获取剪切模量G

(5)建立乳化沥青与矿粉相互作用的评价指标函数，函数表达式如前述所示，结合掺入量与剪切模量数据，获得若干组评价指数K-B-G

(6)绘制若干条关于评价指数与温度之间的关系曲线，如图4所示，根据关系曲线中评价指数的强度确定最优关系曲线，并得到最佳乳化沥青与矿粉的组合方式。由图4可知，以乳化沥青的类别为变量来分析，相比于3#乳化沥青与矿粉之间的相互作用强度来说，4#乳化沥青与矿粉之间的相互作用最强；以矿粉的类别为变量来分析，4#与黄岗岩矿粉之间的相互作用最强，因此综合可以优选出4#乳化沥青与花岗岩为最佳的组合，实施案例表明本发明提出的方法能够针对不同集料优选出合适的乳化沥青。

区别于现有技术的情况，本发明提供了一种基于流变性能的冷拌沥青混合料用乳化沥青优选方法，通过设置真空振动装置并构建评价指标函数，获得基于流变性能来评价不同类型乳化沥青和矿粉间相互作用的评价指数，对比评价指数与温度的关系曲线强度，得到最优的乳化沥青与矿粉的组合方式，利用少量的矿粉集料即可优选出与之配伍最优的乳化沥青，实现了矿粉与乳化沥青组合方式的快速优选。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。