再生瀝青混合料組成設計

1、第四章 再生瀝青混合料組成設計再生瀝青混合料主要由舊瀝青混合料、再生劑、新集料、新瀝青按照一定比例混合而成，需要考慮新瀝青的類型及用量，配合比設計與普通熱拌瀝青混合料有所不同。進行再生混合料組成設計時，根據(jù)再生瀝青混合料的用途，首先確定再生瀝青混合料的類型，其次確定再生劑、新集料、新瀝青的種類和用量。本文再生瀝青混合料配合比設計以ac-16為例進行，同時研究舊料摻配率和級配對再生瀝青混合料性能的影響。4.1再生混合料的設計方法再生瀝青混合料的設計方法目前沒有統(tǒng)一的規(guī)范。目前常用的設計方法有兩種（1）馬歇爾設計方法：馬歇爾設計方法是一種體積設計法，是目前應用最為廣泛的瀝青混合料配合比設計方法。其

2、最大特點是注意到了瀝青混合料的密度、空隙率、穩(wěn)定度和流值的特性，通過分析以獲得瀝青混合料合適的空隙率和飽和度，并求得最佳瀝青用量(油石比)。目前規(guī)范結合我國多年的研究成果和生產實際，綜合考慮了瀝青混合料的水穩(wěn)性、抗車轍能力和低溫抗裂性能，以求得瀝青混合料的最佳瀝青用量和配合比設計。馬歇爾設計方法另一特點是所需設備價格適中且便于攜帶。該方法的缺點是馬歇爾的沖擊壓實不能很好地模擬實際路面壓實的情況，而且馬歇爾穩(wěn)定度不能完全評價瀝青混合料的抗剪強度。其實施過程如下，（1）選擇好原料。（2）確定混合料類型，調整好級配曲線。（3）由經(jīng)驗初選油石比，試打后測試體積指標，然后選擇油石比(或瀝青用量)的范圍，

3、通常以步長為0.3或0.5進行5個油石比的馬歇爾試件制作。（4）測試馬歇爾試件的相關體積指標。測試試件的毛體積相對密度和預估瀝青含量下混合料的最大相對密度或計算理論密度，然后計算試件空隙率vv、礦料間隙率vma和有效瀝青飽和度vfa。(5)測試馬歇爾試件的穩(wěn)定度和流值。 (6)油石比的確定。以馬歇爾試件的密度、空隙率、飽和度、穩(wěn)定度和流值繪制與油石比相關的曲線圖，確定滿足設計要求的最佳瀝青用量oac。(7)配合比設計檢驗。根據(jù)設計要求，在最佳瀝青用量下進行相應的試驗檢測，包括高溫性能(車轍試驗)、水穩(wěn)定性試驗(浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗)、低溫性能試驗(低溫彎曲試驗)等。(8)若使用性能滿足

4、設計要求，則以上述混合料參數(shù)進行配合比設計，否則，調整級配和瀝青用量重新進行設計。利用馬歇爾試驗方法對再生瀝青混合料進行設計時，與普通瀝青混合料設計的差別主要在于瀝青用量的計算和礦料的調配以及密度等指標的計算。（2）superpave設計方法25：superpave設計法是美國為期5年(1987年1992年)，耗資1500萬美元的shrp計劃的研究項目成果。superpave全套技術包含以下5個方面：膠結料與集料規(guī)范；混合料體積設計；混合料施工；混合料性能預測；相關的軟件、試驗方法及設備等。這些體系一起組成完整的superpave技術，孤立地應用其中部分技術很難達到superpave整體應用所

5、應有的效果。superpave體積設計方法的主要特點有以下幾個方面；通過限制空隙率、礦料間隙率和瀝青飽和度來實現(xiàn)瀝青膠結料、集料和空隙三要素間合理的體積比例。以0.45次方冪最大密度線為基礎給出了包含控制點和限制區(qū)在內的級配控制圖，提出了“級配控制點”，“s”形級配曲線新的概念。開發(fā)了瀝青混合料成型的旋轉壓實設備；superpave設計方法是瀝青混合料設計體系的變革，較之馬歇爾設計方法，采用旋轉壓實儀sgc對試件的成型更貼切路面壓實的實際情況。采用superpave混合料體積設計方法來確定再生瀝青混合料的最佳瀝青用量，基本上與普通熱拌瀝青混合料相同。首先預估幾種瀝青用量間隔為0.5%，然后利用

6、sgc進行壓實成型得出不同油量下混合料的體積特性，繪制出混合料的體積特性參數(shù)與油量的關系曲線，選取空隙率為4%時對應的瀝青用量為最佳瀝青用量，同時要求該最佳瀝青用量下其他體積參數(shù)（礦料間隙率、飽和度等）也滿足superpave混合料規(guī)范要求。其中碾壓次數(shù)與普通熱拌混合料也相同。再生瀝青混合料設計與普通瀝青混合料設計的不同之處也在于瀝青用量及密度等指標的計算上。鑒于馬歇爾試驗方法已經(jīng)比較成熟，因而仍廣泛采用馬歇爾試驗方法來進行再生瀝青混合料的設計研究?？紤]到再生瀝青混合料使用了一定數(shù)量的廢舊瀝青路面材料，而使得其在混合料的組成設計方法上，有別于普通瀝青混合料4.2 再生混合料的設計流程、任務及要

7、求（1）再生混合料配合比設計流程再生混合料的配合比設計流程見圖4.1所示。（2）再生混合料配合比設計的主要任務確定舊瀝青混合料的摻配比例；確定新瀝青材料及再生劑用量；選擇砂石集料，確定新舊集料的配合比例；確定再生混合料的最佳油石比；根據(jù)路用性能要求，檢驗再生混合料的物理力學性質。（3）再生混合料配合比設計的基本要求再生混合料的配合比設計并不是單純的技術問題，它涉及諸多因素的考慮。正確合理地設計再生混合料，必須事先有充分的調查資料，了解有關道路歷史和交通發(fā)展的前景，依據(jù)對再生混合料技術經(jīng)濟要求來進行設計，這些技術經(jīng)濟要求是：再生混合料必須具有足夠的強度和熱穩(wěn)定性，夏季高溫下不出現(xiàn)泛油、推擠、擁包

8、和車轍；再生混合料具有良好的低溫抗裂性。為此，要求混合料在低溫下表現(xiàn)為較低的線收縮系數(shù)，較高的抗彎拉強度和較低的彎拉模量；再生瀝青路面應具有足夠的抗滑性和防滲性；再生瀝青路面應具有良好的抗老化性能，路面經(jīng)久耐用；盡可能多地使用舊路面材料，提高舊料摻配率。選擇rap摻配比例選擇新瀝青標號與再生劑用量材料取樣、試驗估算新瀝青用量及其占總瀝青用量的比例再生混合料礦料級配設計對選擇的設計級配，按估算初選5組瀝青用量測定試件毛體積相對密度測定理論最大相對密度計算體積參數(shù)vv、vma、vfa等進行馬歇爾試驗，確定最佳瀝青用量完成配合比設計，提交材料品種、礦料級配、標準配合比、最佳總瀝青用量和新瀝青用量等瀝

9、青結合料rap粗集料、細集料、礦粉混合料性能室內試驗驗證再生劑、其它材料確定工程設計級配范圍合格合格合格不合格不合格不合格圖4.1 再生混合料配合比設計流程圖fig4.1 the flow chart of recycling mixture design4.3 再生混合料的級配及舊料摻配率混合料配合比設計是再生瀝青路面的難點和重點。首先是集料級配的確定。其次是確定舊瀝青混合料在再生混合料中所占的比例，即舊料摻配率，舊料摻配率與其性質有關。針對舊瀝青混合料的特點，選用合適的新集料和新瀝青。結合新集料的級配，把舊集料以70%，60%，50%，40%，30%，20%，10%的比例依次加入到新料中，

10、采用單級配來調整再生瀝青混合料的級配，實際工程中應分檔進行。通過調整新石料中各檔料的摻配比例使其達到規(guī)范要求。為了考察不同舊料摻配率對混合料性能的影響，各種舊料摻配率的級配均采用偏向規(guī)范中值研究。不同舊料摻配率下再生混合料的合成級配分別見表4.1表4.7，級配曲線圖分別見圖4.2圖4.8。表4.1 70%舊料摻配率的合成級配tab.4.1 gradation of asphalt mixture under 70 percent rap 篩孔（mm）規(guī)范要求級配舊料新料合成級配下限上限中值通過百分率（%）19100.0100.0100.0100.0100.0100.01690.0100.095

11、.0100.085.095.513.276.092.084.095.860.085.19.560.080.070.076.360.071.44.7534.062.048.035.360.042.72.3620.048.034.022.660.033.81.1813.036.024.518.640.025.00.69.026.017.512.730.017.90.37.018.012.58.520.012.00.155.014.09.55.517.09.00.0754.08.06.02.315.06.1集料用量70.0%30.0%圖4.2 舊料摻配率為70%的礦料級配曲線fig4.2 grada

12、tion curve of asphalt mixture under 70 percent rap表4.2 舊料摻配率為60%的礦料級配及范圍tab.4.2 gradation of asphalt mixture under 60 percent rap篩孔（mm）規(guī)范要求級配舊料新料合成級配下限上限中值通過百分率（%）19100.0100.0100.0100.0100.0100.01690.0100.095.091.697.594.013.276.092.084.089.376.184.09.560.080.070.068.774.471.04.7534.062.048.037.264.

13、148.02.3620.048.034.024.248.734.01.1813.036.024.518.733.224.50.69.026.017.513.723.217.50.37.018.012.59.916.312.50.155.014.09.57.912.09.50.0754.08.06.05.27.36.0集料用量60.0%40.0%圖4.3 舊料摻配率為60%的礦料級配曲線fig 4.3 gradation curve of asphalt mixture under 60 percent rap表4.3 舊料摻配率為50%的礦料級配及范圍tab.4.3 gradation of

14、asphalt mixture under 50 percent rap篩孔（mm）規(guī)范要求級配舊料新料合成級配下限上限中值通過百分率（%）19100.0100.0100.0100.0100.0100.01690.0100.095.091.898.094.913.276.092.084.089.580.084.89.560.080.070.069.070.069.54.7534.062.048.037.660.048.82.3620.048.034.024.845.034.91.1813.036.024.519.530.024.70.69.026.017.514.722.018.30.37.0

15、18.012.511.015.013.00.155.014.09.58.910.09.50.0754.08.06.06.26.06.1集料用量50.0%50.0%圖4.4 舊料摻配率為50%的礦料級配曲線fig4.4 gradation curve of asphalt mixture under 50 percent rap表4.4 舊料摻配率為40%的礦料級配及范圍tab.4.4 gradation of asphalt mixture under 40 percent rap篩孔（mm）規(guī)范要求級配舊料新料合成級配下限上限中值通過百分率（%）19100.0100.0100.0100.01

16、00.0100.01690.0100.095.099.292.094.913.276.092.084.094.478.084.69.560.080.070.078.666.071.04.7534.062.048.046.450.048.62.3620.048.034.027.440.035.01.1813.036.024.516.430.024.60.69.026.017.512.922.018.40.37.018.012.57.316.012.50.155.014.09.53.916.011.20.0754.08.06.01.88.05.5集料用量40.0%60.0%圖4.5 舊料摻配率為4

17、0%的礦料級配曲線fig4.5 gradation curve of asphalt mixture under 40 percent rap表4.5 舊料摻配率為30%的礦料級配及范圍tab.4.5 gradation of asphalt mixture under 30 percent rap篩孔（mm）規(guī)范要求級配舊料新料合成級配下限上限中值通過百分率（%）19100.0100.0100.0100.0100.0100.01690.0100.095.091.896.094.713.276.092.084.089.580.082.99.560.080.070.069.065.066.24.

18、7534.062.048.037.655.049.82.3620.048.034.024.840.035.41.1813.036.024.519.528.025.40.69.026.017.514.720.018.40.37.018.012.511.015.013.80.155.014.09.58.910.09.70.0754.08.06.06.26.06.1集料用量30.0%70.0%圖4.6 舊料摻配率為30%的礦料級配曲線fig4.6 gradation curve of asphalt mixture under 30 percent rap表4.6 舊料摻配率為20%的礦料級配及范圍

19、tab.4.6 gradation of asphalt mixture under 20 percent rap篩孔（mm）規(guī)范要求級配舊料新料合成級配下限上限中值通過百分率（%）19100100100100.0100.0100.016901009591.896.095.213.276928489.584.085.19.560807069.070.069.84.7534624837.655.051.52.3620483424.840.037.01.18133624.519.528.026.30.692617.514.720.018.90.371812.511.015.014.20.15514

20、9.58.910.09.80.0754866.26.06.0集料用量20.0%80.0%圖4.7 舊料摻配率為20%的礦料級配曲線fig4.7 gradation curve of asphalt mixture under 20 percent rap表4.7 舊料摻配率為10%的礦料級配及范圍tab.4.7 gradation of asphalt mixture under 10 percent rap篩孔（mm）規(guī)范要求級配舊料新料合成級配下限上限中值通過百分率（%）19100100100100.0100.0100.016901009591.896.095.613.276928489.

21、584.084.69.560807069.070.069.94.7534624837.650.048.82.3620483424.835.034.01.18133624.519.528.027.10.692617.514.720.019.50.371812.511.015.014.60.155149.58.910.09.90.0754866.26.06.0集料用量10.0%90.0%圖4.8 舊料摻配率為10%的礦料級配曲線fig 4.8 gradation curve of asphalt mixture under 10 percent rap4.4 再生瀝青混合料的最佳油石比確定4.4.

22、1 確定再生混合料最佳瀝青用量的方法人們普遍認為馬歇爾試驗法不能有效地模擬路面的實際使用情況，馬歇爾試驗數(shù)據(jù)并不能真實地反應混合料的路用品質，許多國家都在積極探索更好的試驗方法。如美國shrp計劃中提出的一套superpave方法，目前在美國有逐步取代馬歇爾試驗方法的趨勢，目前美國己有這方面的研究報告（如auburn大學的kandhal的研究論文）。其它國家也在研究新的方法來確定最佳用油量，這也是國際發(fā)展的趨勢，而馬歇爾試驗法已經(jīng)比較成熟。近十幾年來我國是采用馬歇爾試驗法來確定最佳瀝青用量，但是對再生瀝青混合料，我們能否用馬歇爾試驗法來確定最佳瀝青用量？為此本章做了大量的試驗研究。本章是按普通

23、瀝青混合料的方法來獲得最佳瀝青用量，但試驗結果的處理與普通的瀝青混合料的略有不同。處理數(shù)據(jù)時，再生料瀝青含量是由新加瀝青加上舊料中的瀝青除以混合料總得到的，有一點需要說明的是與普通瀝青混合料中確定最佳用油量的試驗結果相比，再生混合料的試驗結果有時離散性較大，憑試驗結果有時難以確定最佳用量。原因主要是舊料的骨料級配是通過抽提后篩分方法來確定的，而這個結果往與實際試驗時的舊料級配有一定的差別。本文在計算新骨料的級配時是以整個再生料的目標級配和舊料抽提篩分出的級配結果為依據(jù)的，這樣實際配出的再生料的級配可能與目標級配有一定的差別，并有一些波動，為盡可能減少這種因素的影響，試驗時應注意：1）試驗前取舊

24、料時一定要具有代表性，試驗時不同瀝青用量所用的舊料一定要是同一批；2）所有的試件應在相同的試驗條件下，同一批次成型、測試，盡量減少人為的試驗誤差；3）嚴格控制馬歇爾試驗的實驗溫度對最佳油石比的確定是影響很大的。注意了以上幾點，一般情況下是能通過馬歇爾試驗得到再生混合料的最佳瀝青用量的。從再生混合料的馬歇爾試件指標和瀝青油量的關系來看，隨著瀝青用量的變化，各項性能指標的變化規(guī)律與普通瀝青混合料的變化規(guī)律是相吻合的，有了這些變化規(guī)律，按照規(guī)范所述的方法很容易確定此配合比情況下的最佳瀝青用量。本章再生混合料的各項性能試驗中所使用的用油量，都是用此法得到最佳用油量。綜上所述，用馬歇爾試驗來確定再生瀝青

25、混合料的最佳瀝青用量是可行的。且馬歇爾試驗法已經(jīng)比較成熟，所以再生瀝青混合料的最佳油石比的確定還是使用馬歇爾試驗法為宜。4.4.2 馬歇爾試驗確定最佳油石比再生瀝青混合料的制取和一般瀝青混合料的制取基本上是相同的。在不同舊料摻配率下分別取3%6%之間的油石比，然后拌制成瀝青混合料，在馬歇爾擊實儀上制備馬歇爾試件，每個油石比制備4個，根據(jù)配合比計算出各個物理量。所拌制的瀝青混合料的理論密度的測定是一個難點，舊的瀝青混合料畢竟不同于純粹的石料，舊瀝青混合料的成分非常復雜，而且離析較為嚴重。所以，一般的用來計算瀝青混合料的最大理論密度的公式已經(jīng)不再適用于再生混合料，而采用真空法測定再生混合料的理論度

26、更為符合實際情況，見圖4.9所示。 圖4.9真空法測定最大理論密度fig 4.9 the determination of theoretical maximum density using vacuum method根據(jù)真空法所測的最大理論密度計算出空隙率和飽和度。繪制混合料毛體積密度-油石比、空隙率-油石比、飽和度-油石比、穩(wěn)定度-油石比、流值-油石比關系曲線，取與馬歇爾穩(wěn)定度和密度最大值對應的瀝青用量和，以及與設計要求空隙率范圍中值對應的瀝青用量，由公式(4.1)計算三者的平均值作為最佳瀝青用量的初始值 式 (4.1)求出各項指標均符合技術標準的瀝青用量范圍，由公式(4.2)計算瀝青最佳

27、用量的初始值 式 (4.2)根據(jù)和綜合確定最佳瀝青用量在舊料摻配率分別為70%、60%、50%、30%、20%和10%條件下，在不同油石比下分別成型馬歇爾試件，測定試件各個參數(shù)，見表4.8表4.14，并繪制各參數(shù)與油石比的關系曲線，分別見圖4.10表4.16。表4.8 70%舊料摻配率下的瀝青混合料的馬歇爾試驗結果tab.4.8 the marshall test results of asphalt mixture under 70 percent rap試驗編號油石比（%）毛體積密度（g/ cm3 ）空隙率vv（%）飽和度vfa（%）穩(wěn)定度（kn）流值（mm）14.22.3667.1655

28、.515.112.9424.72.3825.7563.913.343.0435.32.4143.7175.714.503.7545.82.4053.3978.812.213.9256.32.3552.581.110.534.05技術標準（gb 50092-96）3665758.024最佳油石比5.0%圖4.10 70%舊料摻配率下馬歇爾各參數(shù)與油石比的關系曲線fig4.10 relation curves of bitumen-aggregate ratio表4.9 60%舊料摻配率下的瀝青混合料的馬歇爾試驗結果tab.4.9 the marshall test results of asph

29、alt mixture under 60 percent rap試驗編號油石比（%）毛體積密度（g/ cm3 ）空隙率vv（%）飽和度vfa（%）穩(wěn)定度（kn）流值（mm）3.52.3457.0057.116.652.354.02.4034.3080.918.402.834.52.4272.7089.220.183.105.02.4281.5090.316.893.685.52.3551.0095.110.534.05技術標準（gb 50092-96）3665758.024最佳油石比4.0%圖4.11 60%舊料摻配率下馬歇爾各參數(shù)與油石比的關系曲線fig4.11 relation curve

30、s of bitumen-aggregate ratio表4.10 50%舊料摻配率下的瀝青混合料的馬歇爾試驗結果tab.4.10 the marshall test results of asphalt mixture under 50 percent rap試驗編號油石比（%）毛體積密度（g/ cm3 ）空隙率vv（%）飽和度vfa（%）穩(wěn)定度（kn）流值（mm）4.02.3346.8060.7016.063.194.52.3585.5067.4016.302.905.02.3385.2069.0014.293.115.52.3772.4085.7012.904.046.02.3551.2

31、089.6012.454.23技術標準（gb 50092-96）3665758.024最佳油石比4.3%圖4.12 50%舊料摻配率下馬歇爾各參數(shù)與油石比的關系曲線fig4.12 relation curves of bitumen-aggregate ratio表4.11 40%舊料摻配率下的最佳油石比計算tab.4.11 the marshall test results of asphalt mixture under 40 percent rap試驗編號油石比（%）毛體積密度（g/ cm3 ）空隙率vv（%）飽和度vfa（%）穩(wěn)定度（kn）流值（mm）3.52.345 7.0 57.1

32、 16.65 2.35 4.02.403 4.3 80.9 18.40 2.83 4.52.427 2.7 89.2 20.18 3.10 5.02.428 1.5 90.3 16.89 3.68 5.52.355 1.0 93.3 10.89 3.92 技術標準（gb 50092-96）3665758.024最佳油石比4.2%圖4.13 40%舊料摻配率下馬歇爾各參數(shù)與油石比的關系曲線fig4.13 relation curves of bitumen-aggregate ratio表4.12 30%舊料摻配率下的最佳油石比計算tab.4.12 the marshall test resul

33、ts of asphalt mixture under 30 percent rap試驗編號油石比（%）毛體積密度（g/ cm3 ）空隙率vv（%）飽和度vfa（%）穩(wěn)定度（kn）流值（mm）3.32.3746.0055.6011.062.663.62.4034.3064.5011.962.913.92.4163.8070.5010.273.024.22.4103.7072.909.853.284.52.4312.4080.8010.853.53技術標準（gb 50092-96）3665758.024最佳油石比4.1%圖4.14 30%舊料摻配率下馬歇爾各參數(shù)與油石比的關系曲線fig4.13

34、relation curves of bitumen-aggregate ratio表4.13 20%舊料摻配率下的最佳油石比計算tab4.13 the marshall test results of asphalt mixture under 20 percent rap試驗編號油石比（%）毛體積密度（g/ cm3 ）空隙率vv（%）飽和度vfa（%）穩(wěn)定度（kn）流值（mm）3.62.398 5.5059.9 11.29 2.74 3.92.416 4.30 67.3 10.37 3.04 4.22.411 4.1070.0 10.52 3.16 4.52.428 3.10 77.8 1

35、2.53 3.69 4.82.415 3.00 78.2 10.63 3.92 技術標準（gb 50092-96）3665758.024最佳油石比4.16%圖4.15 20%舊料摻配率下馬歇爾各參數(shù)與油石比的關系曲線fig4.15 relation curves of bitumen-aggregate ratio表4.14 10%舊料摻配率下的最佳油石比計算tab4.14 the marshall test results of asphalt mixture under 10 percent rap試驗編號油石比（%）毛體積密度（g/ cm3 ）空隙率vv（%）飽和度vfa（%）穩(wěn)定度（k

36、n）流值（mm）2.410 5.5 61.0 10.82 2.85 2.421 4.3 67.5 11.35 3.04 2.411 4.3 68.9 11.62 3.08 2.417 3.8 73.4 12.25 3.69 2.415 3.3 77.6 10.85 3.88 技術標準（gb 50092-96）3665758.024最佳油石比4.19圖4.16 10%舊料摻配率下馬歇爾各參數(shù)與油石比的關系曲線fig4.16 relation curves of bitumen-aggregate ratio在做不同舊料摻配率下再生混合料最佳油石比試驗時，由圖4.104.16可以看出，有些舊料摻配

37、率下混合料的毛體積密度和馬歇爾穩(wěn)定度并沒有隨油石比的變化按一個很強的規(guī)律性出現(xiàn)一個峰值，而是中間有起伏，說明舊料離析較為嚴重，但總體上還是有一個較為明顯的趨勢，可以求出最佳油石比。造成舊料離析的原因有很多，從原路面的拌和、運輸?shù)綌備?，舊料的銑刨、運輸?shù)蕉逊?，其中任一環(huán)節(jié)控制不當，都有可能造成舊料的離析。在不同的舊料的摻量下，用最佳瀝青油石比的最佳瀝青用量下成型的馬歇爾試件。對其技術指標檢驗，同時檢驗其高，低性能和水穩(wěn)定性能否滿足規(guī)范要求見第五章表4.15 不同舊料摻配率下混合料在最佳油石比下的馬歇爾試驗結果tab 4.15 the marshall test results of different percentage of rap in recycled mixture on the best oil stone rati