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

1.本发明属于再生沥青混合料技术领域，特别是涉及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。

背景技术：

2.随着我国已建成的各等级公路相继步入大修或改建期，废旧沥青混合料的再生回收利用已是必然趋势。但rap(回收旧沥青材料)中的老化沥青由于过度氧化而表现出较高的刚度和抗水损害性能。因此，为改善再生沥青混合料的路用性能，一般需要向rap中加入再生剂、新沥青和新集料等。这就导致混合料的组成更加复杂，致使其性能与原样沥青混合料的差异较大，传统基于强度理论或变形理论的评价指标难以准确地评价再生沥青混合料性能。
3.受地球纬度、太阳光照及季节变化等因素的影响，我国南方地区沥青路面的服役处于夏炎多雨的环境。而且事实证明沥青路面在高温下易产生车辙，在多雨环境下易产生水损害。rap掺入后，再生沥青混合料高温性能一般会较好，但是同时也会改变其水稳定性能，因此，对再生沥青混合料的配合比设计非常重要。
4.目前对再生沥青混合料高温、水稳性能的研究大多基于车辙和劈裂冻融试验，再生混合料高温、水稳性能方法还存在以下局限性：1)基于强度理论或变形理论的评价指标难以准确地评价再生沥青混合料性能；2)只考虑不同rap掺量，没有综合考虑rap、再生剂和沥青三种材料掺量的影响；3)一般根据规范分别确定高、水稳性能指标的上下限值，最后在限定范围内选择二者的中值或交点作为平衡值，其平衡设计的可靠性和精度较差。
5.如：中国发明专利201811064240.2公开了一种基于流变性能平衡设计的沥青再生剂用量确定方法，该方法通过加入再生剂进行旧沥青再生，测试再生沥青的复合剪切模量g*、高温不可回复蠕变柔量jnr-3.2、疲劳失效寿命nf、低温松弛模量g(t)和松弛速率mr(t)，并以上述指标最终确定再生剂最佳掺量。但是上述专利存在以下局限性：(1)沥青与沥青混合料的力学特性和流变模型存在明显的差异，仅采用沥青进行再生剂掺量的确定缺乏实际意义；(2)仅通过老化沥青再生确定再生剂掺量，但是rap再生，原样沥青也起到了非常重要的作用；(3)需从大量铣刨料rap中抽提回收旧沥青才能满足代表性要求，过程繁琐且工作量大。

技术实现要素：

6.本发明解决现有技术的不足而提供一种通过水稳定性能、高温性能来确定适宜rap掺量的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。
7.为实现上述目的，本发明首先提出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，包括如下步骤，
8.s1：拟定n组总重量相同的再生沥青混合料，其中再生沥青混合料由rap、ora和油石三者按比例混合而成，rap为回收旧沥青材料，ora为再生剂；
9.s2：拟定每组再生沥青混合料中rap的掺量，从第一组到最后一组再生沥青混合料中的rap掺量依次增加，rap的掺量根据再生沥青混合料总重量的百分比设定；
10.s3：根据拟定的rap掺量，确定每组再生沥青混合料中的ora；
11.s4：根据拟定的rap和ora的掺量，确定每组再生沥青混合料中油石的油石比；
12.s5：根据上述拟定的rap、ora和油石比例制备n组再生沥青混合料；
13.s6：对n组再生沥青混合料进行法国多烈士试验和高温蠕变试验，通过法国多烈士试验试验获得n组再生沥青混合料的抗压强度比itsrj，j＝1、2
…
n，其中，抗压强度itsrj比数值越大，代表再生沥青混合料的水稳性能越好；通过高温蠕变试验，试验获得再生沥青混合料的蠕变指标ε
p
/f
nj
，j＝1、2
…
n；其中，f
nj
为流变次数，ε
p
为永久变形指标，蠕变指标值越大，代表混合料高温性能越差；
14.s7：对n组再生沥青混合料的抗压强度比和蠕变指标的变化趋势进行比较分析；
15.s8：根据再生沥青混合料的抗压强度比、蠕变指标随rap掺量变化，确定最终的rap掺量。
16.本实施方式中，步骤s3中，依据公路沥青路面再生技术规范，将每组再生沥青混合料分成多份，每份中加入不同掺量的ora，通过针入度试验、软化点试验和延度分析确定满足要求的ora掺量，然后选择满足所有指标且用掺量为最少的ora作为最佳ora掺量。
17.本实施方式中，步骤s4中，每组再生沥青混合料中最佳油石比通过马歇尔试验确定。
18.本实施方式中，在步骤s1之后，对每组中的rap性能和ora性能进行检验，使得每组中的rap和ora的性能满足掺入标准。
19.本实施方式中，步骤s2中，n组再生沥青混合料中的rap掺量从0％开始、以再生沥青混合料总重量的5％～20％依次递增。
20.本实施方式中，步骤s7中，对n组再生沥青混合料的抗压强度比和蠕变指标的变化趋势进行比较分析，分析具体的结果如下：
21.情况一，随着rap掺量的增加，itsrj＜itsr
j+1
且ε
p
/f
nj
＜ε
p
/f
n(j+1)
，说明抗压强度比itsrj与蠕变指标值ε
p
/f
nj
均增加，即再生沥青混合料的水稳定性能得到改善，而高温性能随rap掺量的增加而变得越差；
22.情况二，随着rap掺量的增加，itsrj＞itsr
j+1
且ε
p
/f
nj
＞ε
p
/f
n(j+1)
，说明抗压强度比itsrj与蠕变指标值ε
p
/f
nj
均减小，即再生沥青混合料的水稳定性能变差，高温性能随rap掺量的增加而得到改善；
23.情况三，随着rap掺量的增加，itsrj＜itsr
j+1
且ε
p
/f
nj
＞ε
p
/f
n(j+1)
，说明抗压强度比itsrj增加而蠕变指标值ε
p
/f
nj
减小，即再生沥青混合料的水稳定、高温性能随rap掺量的增加而得到改善；
24.情况四，随着rap掺量的增加，itsrj＞itsr
j+1
且ε
p
/f
nj
＜ε
p
/f
n(j+1)
，说明抗压强度比itsrj减小而蠕变指标值ε
p
/f
nj
变大，即再生沥青混合料的水稳定、高温性能随rap掺量的增加而变得越差。
25.本实施方式中，步骤s8中，确定最终的rap最优掺量的具体方法如下：
26.在情况一或情况二时，按照每组再生沥青混合料中rap掺量从小到大的顺序,将每组再生沥青混合料中的抗压强度比itsrj、蠕变指标值ε
p
/f
nj
与满足标准的抗压强度比
itsr
标准
和满足标准的蠕变指标值ε
p
/f
n标准
进行比较(这里满足标准的抗压强度比itsr
标准
表示满足公路沥青路面施工技术规范要求的最低抗压强度,而满足标准的蠕变指标值ε
p
/f
n标准
表示再生沥青混合料中rap掺量为0时的蠕变指标值)，直到一组中再生沥青混合料中抗压强度比itsrj或蠕变指标值ε
p
/f
nj
性能变差，设此rap掺量的再生沥青混合料组为拐点组，此拐点组之前的所有再生沥青混合料均为满足要求的再生沥青混合料，其中rap掺量最大值为最佳rap掺量；因为rap是回收旧沥青材料，如果rap不加入到沥青混合料中，就会作为废物堆放在室外，对环境还会产生破坏，因此从经济上来讲，rap掺量越大越好，所以将满足条件的rap掺量最大值作为最佳rap掺量；
27.在情况三时，重复步骤s2～s8，并且步骤s2中rap最小掺量高于前次试验中rap的最大掺量；
28.在情况四时，说明此种rap的掺入对沥青混合料的高温、水稳性能有不利影响，不建议在沥青混合料中掺入rap。
29.与现有技术相比，本发明具有优势在于：
30.1、本发明利用沥青混合料属于典型的黏弹塑性材料，在荷载作用、温度以及水作用下会出现蠕变与剥落的特性，采用高温蠕变试验和法国多烈士试验能够较好地表征沥青路面在使用环境中的实际力学状态，进而可用来评价再生沥青混合料的高温和水稳性能。
31.2、相比现有方法，本发明更简单、易于操作、可行性强；且沥青混合料属于典型的黏弹塑性材料，因此基于蠕变试验和法国多烈士试验的评价方法比基于强度和变形理论的评价方法更准确。
32.综上所述，本发明从水稳定性能、高温性能出发，对再生沥青混合料进行配合比设计，确定适宜rap掺量，达到最佳利用rap的目的，为高温多雨地区再生沥青混合料的设计提供了新思路。
附图说明
33.图1为本发明不同rap掺量再生沥青混合料的itsr；
34.图2为本发明不同rap掺量再生沥青混合料的ε
p
/fn；
35.图3为本发明的流程图。
具体实施方式
36.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的一部分实施例，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。
37.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
38.参见图3，一种再生沥青混合料高温蠕变和低温松弛性能平衡设计方法，包括如下步骤：
39.s1：拟定n组总重量相同的再生沥青混合料，其中再生沥青混合料由rap、ora和油
石三者按比例混合而成，rap为回收旧沥青材料，ora为再生剂，油石包括沥青和新集料，油石比指的就是沥青和新集料的比值；
40.s2：对每组中的rap性能和ora性能进行检验，使得每组中的rap和ora的性能满足掺入标准；其中，包括rap材料的性能检测、沥青、新集料以及再生剂的技术指标，通过对再生沥青混合料中各个材料的性能检测，确保不会因为材料的不合格造成后续的试验结果的变化；拟定每组再生沥青混合料中rap的掺量，从第一组到最后一组再生沥青混合料中的rap掺量依次增加，rap的掺量根据再生沥青混合料总重量的百分比设定；
41.s3：根据拟定的rap掺量，确定ora掺量，具体而言，先将每组再生沥青混合料分成多份，每份中加入不同掺量的ora，通过针入度试验、软化点试验和延度分析确定满足要求的ora掺量，然后选择满足所有指标且用掺量为最少的ora作为最佳ora掺量。
42.s4：根据拟定的rap和ora的掺量，确定每组中油石的比例，并且进行马歇尔试验，确定油石比。
43.s5：根据上述拟定的rap、ora和油石比例制备n组再生沥青混合料；
44.s6：对n组再生沥青混合料进行法国多烈士试验和高温蠕变试验，通过法国多烈士试验试验获得n组再生沥青混合料的抗压强度比itsrj，j＝1、2
…
n，其中，抗压强度itsrj比数值越大，代表再生沥青混合料的水稳性能越好；通过高温蠕变试验，试验获得再生沥青混合料的蠕变指标ε
p
/f
nj
，j＝1、2
…
n；其中，f
nj
为流变次数，ε
p
为永久变形指标，蠕变指标值越大，代表混合料高温性能越差
45.s7：对n组再生沥青混合料的抗压强度比和蠕变指标的变化趋势进行比较分析。分析具体的结果如下：
46.情况一，随着rap掺量的增加，itsrj＜itsr
j+1
且ε
p
/f
nj
＜ε
p
/f
n(j+1)
，说明抗压强度比itsrj与蠕变指标值ε
p
/f
nj
均增加，即再生沥青混合料的水稳定性能得到改善，而高温性能随rap掺量的增加而变得越差；
47.情况二，随着rap掺量的增加，itsrj＞itsr
j+1
且ε
p
/f
nj
＞ε
p
/f
n(j+1)
，说明抗压强度比itsrj与蠕变指标值ε
p
/f
nj
均减小，即再生沥青混合料的水稳定性能变差，高温性能随rap掺量的增加而得到改善；
48.情况三，随着rap掺量的增加，itsrj＜itsr
j+1
且ε
p
/f
nj
＞ε
p
/f
n(j+1)
，说明抗压强度比itsrj增加而蠕变指标值ε
p
/f
nj
减小，即再生沥青混合料的水稳定、高温性能随rap掺量的增加而得到改善；
49.情况四，随着rap掺量的增加，itsrj＞itsr
j+1
且ε
p
/f
nj
＜ε
p
/f
n(j+1)
，说明抗压强度比itsrj减小而蠕变指标值ε
p
/f
nj
变大，即再生沥青混合料的水稳定、高温性能随rap掺量的增加而变得越差。
50.s8：根据再生沥青混合料的抗压强度比、蠕变指标随rap掺量变化，确定最终的rap掺量，具体方法如下：
51.在情况一或情况二时，按照每组再生沥青混合料中rap掺量从小到大的顺序,将每组再生沥青混合料中的抗压强度比itsrj、蠕变指标值ε
p
/f
nj
与满足标准的抗压强度比itsr
标准
和满足标准的蠕变指标值ε
p
/f
n标准
进行比较，直到一组中再生沥青混合料中抗压强度比itsrj或蠕变指标值ε
p
/f
nj
性能变差，设此rap掺量的再生沥青混合料组为拐点组，此拐点组之前的所有再生沥青混合料均为满足要求的再生沥青混合料，其中rap掺量最大值为最
佳rap掺量；
52.在情况三时，重复步骤s2～s8，并且步骤s2中rap最小掺量高于前次试验中rap的最大掺量；
53.在情况四时，说明此种rap的掺入对沥青混合料的高温、水稳性能有不利影响，不建议在沥青混合料中掺入rap。
54.下面将结合具体实施例对本发明进一步说明。
55.实施例：
56.一种再生沥青混合料高温蠕变和低温松弛性能平衡设计方法，包括以下步骤：
57.第一步：拟定三组总重量相同的再生沥青混合料，本实施列中三组再生沥青混合料中rap掺量依次为再生沥青混合料总重量的20％、30％、50％。
58.第二步：原材料性能的检验。rap材料的性能检测、再生剂、沥青、新集料的技术指标结果分别如表1、表2、表3、表4所示：
59.表1 rap检测项目与质量要求
[0060][0061]
表2再生剂evoflex 8182检测及技术要求
[0062]
[0063]
表3恩利特sbs改性沥青的基本性能指标
[0064][0065]
表4集料与填料的基本性能指标
[0066][0067]
第三步：根据配合比设计，确定最佳ora掺量：选取ora掺量为rap掺量的3％、4％和5％。通过针入度试验、软化点试验和延度分析确定满足要求的ora掺量。再生前后沥青的三大指标如表5所示。
[0068]
表5旧沥青再生前后的三大指标
[0069][0070]
由表5可以看出，随再生剂掺量的增加，再生沥青的针入度和延度呈明显上升趋势，而软化点逐渐减小。例如，当再生剂掺量为4％时，相比于旧沥青，再生沥青的针入度和延度分别增加了83.2％和100％，而软化点则降低了12.8％。这主要是由于再生剂中的芳香分溶解并分散了旧沥青中的沥青质，调节了其黏度并改变了其流变性质。综合经济性和老化沥青的再生效果，确定再生剂的最佳掺量为旧沥青质量的4％。
[0071]
第四步：s4：进行马歇尔试验，确定最佳油石比。选定五个油石比，参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》和根据ac-13c型沥青混合料的设计经验，分别取4.5％、4.8％、5.1％、5.4％和5.7％五个油石比，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)。然后，将上述各指标绘制成曲线图，结合《公路沥青路面施工技术规范》中对各指标的技术要求，确定20％rap掺量的再生沥青混合料的最佳油石比为5.13％；30％rap掺量的再生沥青混合料的最佳油石比为5.15％；50％rap掺量的再生沥青混合料的最佳油石比为5.20％。同时获得rap掺量为0％时的原样沥青混合料的最佳油石比为5.06％。
[0072]
第五步：对最佳油石比下的不同rap掺量再生沥青混合料进行法国多烈士试验，试验获得再生沥青混合料的水稳定性指标抗压强度比(itsr)；
[0073]
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型试件，并进行沥青混合料水损害敏感性试验(多烈士法)获得再生沥青混合料的水稳定性指标抗压强度比(itsr)，试验结果如图1所示。
[0074]
第六步：对最佳油石比下的不同rap掺量再生沥青混合料进行高温蠕变试验，试验获得再生沥青混合料的高温性能指标ε
p
/fn，试验结果如图2所示。
[0075]
第七步：对最佳油石比下的不同rap掺量再生沥青混合料的抗压强度比、蠕变指标进行观察，并对变化规律进行分析。由图1可知，随着rap掺量的增加，再生沥青混合料的抗压强度比itsr不断的降低。由此可知，再生沥青混合料的水稳定性能随rap掺量的增加而逐渐变差。由图2可知，随着rap掺量的增加，再生沥青混合料的高温蠕变指标ε
p
/fn不断的降低。可知，随着rap掺量的增加，即再生沥青混合料的水稳定性能变差，高温性能随rap掺量的增加而得到改善。当rap掺量为50％时，再生沥青混合料的抗压强度比为84.62％(规范要求85％以上)，可见对于多雨地区而言，50％rap掺量的再生沥青混合料的水稳定性能低于规范要求。分析可知，30％ rap掺量的再生沥青混合料为最佳平衡点，在此掺量下，再生沥青混合料的水稳和高温性能均能满足规范要求。
[0076]
上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法
穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
[0077]
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：

1.一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，其特征在于：包括如下步骤，s1：拟定n组总重量相同的再生沥青混合料，其中再生沥青混合料由rap、ora和油石三者按比例混合而成，rap为回收旧沥青材料，ora为再生剂；s2：拟定每组再生沥青混合料中rap的掺量，从第一组到最后一组再生沥青混合料中的rap掺量依次增加，rap的掺量根据再生沥青混合料总重量的百分比设定；s3：根据拟定的rap掺量，确定每组再生沥青混合料中的ora；s4：根据拟定的rap和ora的掺量，确定每组再生沥青混合料中油石的油石比；s5：根据上述拟定的rap、ora和油石比例制备n组再生沥青混合料；s6：对n组再生沥青混合料进行法国多烈士试验和高温蠕变试验，通过法国多烈士试验试验获得n组再生沥青混合料的抗压强度比itsr
j
，j＝1、2
…
n，其中，抗压强度itsr
j
比数值越大，代表再生沥青混合料的水稳性能越好；通过高温蠕变试验，试验获得再生沥青混合料的蠕变指标ε
p
/f
nj
，j＝1、2
…
n；其中，f
nj
为流变次数，ε
p
为永久变形指标，蠕变指标值越大，代表混合料高温性能越差；s7：对n组再生沥青混合料的抗压强度比和蠕变指标的变化趋势进行比较分析；s8：根据再生沥青混合料的抗压强度比、蠕变指标随rap掺量变化，确定最终的rap掺量。2.如权利要求1所述的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，其特征在于：步骤s3中，依据公路沥青路面再生技术规范，将每组再生沥青混合料分成多份，每份中加入不同掺量的ora，通过针入度试验、软化点试验和延度分析确定满足要求的ora掺量，然后选择满足所有指标且用掺量为最少的ora作为最佳ora掺量。3.如权利要求1所述的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，其特征在于：步骤s4中，每组再生沥青混合料中最佳油石比通过马歇尔试验确定。4.如权利要求1所述的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，其特征在于：在步骤s1之后，对每组中的rap性能和ora性能进行检验，使得每组中的rap和ora的性能满足掺入标准。5.如权利要求1所述的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，其特征在于：步骤s2中，n组再生沥青混合料中的rap掺量从0％开始、以再生沥青混合料总重量的5％～20％依次递增。6.如权利要求1至5任意一项所述的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，其特征在于：步骤s7中，对n组再生沥青混合料的抗压强度比和蠕变指标的变化趋势进行比较分析，分析具体的结果如下：情况一，随着rap掺量的增加，itsr
j
＜itsr
j+1
且ε
p
/f
nj
＜ε
p
/f
n(j+1)
，说明抗压强度比itsr
j
与蠕变指标值ε
p
/f
nj
均增加，即再生沥青混合料的水稳定性能得到改善，而高温性能随rap掺量的增加而变得越差；情况二，随着rap掺量的增加，itsr
j
＞itsr
j+1
且ε
p
/f
nj
＞ε
p
/f
n(j+1)
，说明抗压强度比itsr
j
与蠕变指标值ε
p
/f
nj
均减小，即再生沥青混合料的水稳定性能变差，高温性能随rap掺量的增加而得到改善；情况三，随着rap掺量的增加，itsr
j
＜itsr
j+1
且ε
p
/f
nj
＞ε
p
/f
n(j+1)
，说明抗压强度比
itsr
j
增加而蠕变指标值ε
p
/f
nj
减小，即再生沥青混合料的水稳定、高温性能随rap掺量的增加而得到改善；情况四，随着rap掺量的增加，itsr
j
＞itsr
j+1
且ε
p
/f
nj
＜ε
p
/f
n(j+1)
，说明抗压强度比itsr
j
减小而蠕变指标值ε
p
/f
nj
变大，即再生沥青混合料的水稳定、高温性能随rap掺量的增加而变得越差。7.如权利要求6所述的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，其特征在于：步骤s8中，确定最终的rap最优掺量的具体方法如下：在情况一或情况二时，按照每组再生沥青混合料中rap掺量从小到大的顺序,将每组再生沥青混合料中的抗压强度比itsr
j
、蠕变指标值ε
p
/f
nj
与满足标准的抗压强度比itsr
标准
和满足标准的蠕变指标值ε
p
/f
n标准
进行比较，直到一组中再生沥青混合料中抗压强度比itsr
j
或蠕变指标值ε
p
/f
nj
性能变差，设此rap掺量的再生沥青混合料组为拐点组，此拐点组之前的所有再生沥青混合料均为满足要求的再生沥青混合料，其中rap掺量最大值为最佳rap掺量；在情况三时，重复步骤s2～s8，并且步骤s2中rap最小掺量高于前次试验中rap的最大掺量；在情况四时，说明此种rap的掺入对沥青混合料的高温、水稳性能有不利影响，不建议在沥青混合料中掺入rap。

技术总结

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，具体包括以下步骤：拟定RAP掺量；确定初始油石比与再生剂掺量；原材料性能的检验；采用马歇尔试验确定不同RAP掺量再生沥青混合料的最佳油石比；对再生沥青混合料进行法国多烈士试验获得水稳定性能指标抗压强度比；对最佳油石比下的不同RAP掺量再生沥青混合料进行高温蠕变试验获得高温性能指标；根据再生沥青混合料的抗压强度比、蠕变指标随RAP掺量变化而确定最终的RAP掺量；本发明从水稳定性能、高温性能出发，对再生沥青混合料进行配合比设计，确定最佳油石比、最佳再生剂掺量以及适宜RAP掺量，达到最佳利用RAP的目的，为高温多雨地区再生沥青混合料的设计提供了新思路。供了新思路。供了新思路。