再生沥青混合料组成设计.docx

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再生沥青混合料组成设计

第四章再生沥青混合料组成设计

再生沥青混合料主要由旧沥青混合料、再生剂、新集料、新沥青按照一定比例混合而成，需要考虑新沥青的类型及用量，配合比设计与普通热拌沥青混合料有所不同。

进行再生混合料组成设计时，根据再生沥青混合料的用途，首先确定再生沥青混合料的类型，其次确定再生剂、新集料、新沥青的种类和用量。

本文再生沥青混合料配合比设计以AC-16为例进行，同时研究旧料掺配率和级配对再生沥青混合料性能的影响。

4.1再生混合料的设计方法

再生沥青混合料的设计方法目前没有统一的规范。

目前常用的设计方法有两种

（1）马歇尔设计方法：

马歇尔设计方法是一种体积设计法，是目前应用最为广泛的沥青混合料配合比设计方法。

其最大特点是注意到了沥青混合料的密度、空隙率、稳定度和流值的特性，通过分析以获得沥青混合料合适的空隙率和饱和度，并求得最佳沥青用量（油石比）。

目前规范结合我国多年的研究成果和生产实际，综合考虑了沥青混合料的水稳性、抗车辙能力和低温抗裂性能，以求得沥青混合料的最佳沥青用量和配合比设计。

马歇尔设计方法另一特点是所需设备价格适中且便于携带。

该方法的缺点是马歇尔的冲击压实不能很好地模拟实际路面压实的情况，而且马歇尔稳定度不能完全评价沥青混合料的抗剪强度。

其实施过程如下，

（1）选择好原料。

（2）确定混合料类型，调整好级配曲线。

（3）由经验初选油石比，试打后测试体积指标，然后选择油石比（或沥青用量）的范围，通常以步长为0.3或0.5进行5个油石比的马歇尔试件制作。

（4）测试马歇尔试件的相关体积指标。

测试试件的毛体积相对密度和预估沥青含量下混合料的最大相对密度或计算理论密度，然后计算试件空隙率VV、矿料间隙率VMA和有效沥青饱和度VFA。

（5）测试马歇尔试件的稳定度和流值。

（6）油石比的确定。

以马歇尔试件的密度、空隙率、饱和度、稳定度和流值绘制与油石比相关的曲线图，确定满足设计要求的最佳沥青用量OAC。

（7）配合比设计检验。

根据设计要求，在最佳沥青用量下进行相应的试验检测，包括高温性能（车辙试验）、水稳定性试验（浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验）、低温性能试验（低温弯曲试验）等。

（8）若使用性能满足设计要求，则以上述混合料参数进行配合比设计，否则，调整级配和沥青用量重新进行设计。

利用马歇尔试验方法对再生沥青混合料进行设计时，与普通沥青混合料设计的差别主要在于沥青用量的计算和矿料的调配以及密度等指标的计算。

（2）Superpave设计方法[25]：

Superpave设计法是美国为期5年（1987年～1992年），耗资1500万美元的SHRP计划的研究项目成果。

Superpave全套技术包含以下5个方面：

①胶结料与集料规范；②混合料体积设计；③混合料施工；④混合料性能预测；⑤相关的软件、试验方法及设备等。

这些体系一起组成完整的Superpave技术，孤立地应用其中部分技术很难达到Superpave整体应用所应有的效果。

Superpave体积设计方法的主要特点有以下几个方面；①通过限制空隙率、矿料间隙率和沥青饱和度来实现沥青胶结料、集料和空隙三要素间合理的体积比例。

②以0.45次方幂最大密度线为基础给出了包含控制点和限制区在内的级配控制图，提出了“级配控制点”，“S”形级配曲线新的概念。

③开发了沥青混合料成型的旋转压实设备；Superpave设计方法是沥青混合料设计体系的变革，较之马歇尔设计方法，采用旋转压实仪SGC对试件的成型更贴切路面压实的实际情况。

采用Superpave混合料体积设计方法来确定再生沥青混合料的最佳沥青用量，基本上与普通热拌沥青混合料相同。

首先预估几种沥青用量间隔为0.5%，然后利用SGC进行压实成型得出不同油量下混合料的体积特性，绘制出混合料的体积特性参数与油量的关系曲线，选取空隙率为4%时对应的沥青用量为最佳沥青用量，同时要求该最佳沥青用量下其他体积参数（矿料间隙率、饱和度等）也满足Superpave混合料规范要求。

其中碾压次数与普通热拌混合料也相同。

再生沥青混合料设计与普通沥青混合料设计的不同之处也在于沥青用量及密度等指标的计算上。

鉴于马歇尔试验方法已经比较成熟，因而仍广泛采用马歇尔试验方法来进行再生沥青混合料的设计研究。

考虑到再生沥青混合料使用了一定数量的废旧沥青路面材料，而使得其在混合料的组成设计方法上，有别于普通沥青混合料

4.2再生混合料的设计流程、任务及要求

（1）再生混合料配合比设计流程

再生混合料的配合比设计流程见图4.1所示。

（2）再生混合料配合比设计的主要任务

①确定旧沥青混合料的掺配比例；

②确定新沥青材料及再生剂用量；

③选择砂石集料，确定新旧集料的配合比例；

④确定再生混合料的最佳油石比；

⑤根据路用性能要求，检验再生混合料的物理力学性质。

（3）再生混合料配合比设计的基本要求

再生混合料的配合比设计并不是单纯的技术问题，它涉及诸多因素的考虑。

正确合理地设计再生混合料，必须事先有充分的调查资料，了解有关道路历史和交通发展的前景，依据对再生混合料技术经济要求来进行设计，这些技术经济要求是：

①再生混合料必须具有足够的强度和热稳定性，夏季高温下不出现泛油、推挤、拥包和车辙；

②再生混合料具有良好的低温抗裂性。

为此，要求混合料在低温下表现为较低的线收缩系数，较高的抗弯拉强度和较低的弯拉模量；

③再生沥青路面应具有足够的抗滑性和防渗性；

④再生沥青路面应具有良好的抗老化性能，路面经久耐用；

⑤尽可能多地使用旧路面材料，提高旧料掺配率。

图4.1再生混合料配合比设计流程图

Fig4.1Theflowchartofrecyclingmixturedesign

4.3再生混合料的级配及旧料掺配率

混合料配合比设计是再生沥青路面的难点和重点。

首先是集料级配的确定。

其次是确定旧沥青混合料在再生混合料中所占的比例，即旧料掺配率，旧料掺配率与其性质有关。

针对旧沥青混合料的特点，选用合适的新集料和新沥青。

结合新集料的级配，把旧集料以70%，60%，50%，40%，30%，20%，10%的比例依次加入到新料中，采用单级配来调整再生沥青混合料的级配，实际工程中应分档进行。

通过调整新石料中各档料的掺配比例使其达到规范要求。

为了考察不同旧料掺配率对混合料性能的影响，各种旧料掺配率的级配均采用偏向规范中值研究。

不同旧料掺配率下再生混合料的合成级配分别见表4.1～表4.7，级配曲线图分别见图4.2～图4.8。

表4.170%旧料掺配率的合成级配

Tab.4.1Gradationofasphaltmixtureunder70percentRAP

筛孔（mm）

规范要求级配

旧料

新料

合成级配

下限

上限

中值

通过百分率（%）

19

100.0

100.0

100.0

100.0

100.0

100.0

16

90.0

100.0

95.0

100.0

85.0

95.5

13.2

76.0

92.0

84.0

95.8

60.0

85.1

9.5

60.0

80.0

70.0

76.3

60.0

71.4

4.75

34.0

62.0

48.0

35.3

60.0

42.7

2.36

20.0

48.0

34.0

22.6

60.0

33.8

1.18

13.0

36.0

24.5

18.6

40.0

25.0

0.6

9.0

26.0

17.5

12.7

30.0

17.9

0.3

7.0

18.0

12.5

8.5

20.0

12.0

0.15

5.0

14.0

9.5

5.5

17.0

9.0

0.075

4.0

8.0

6.0

2.3

15.0

6.1

集料用量

70.0%

30.0%

图4.2旧料掺配率为70%的矿料级配曲线

Fig4.2Gradationcurveofasphaltmixtureunder70percentRAP

表4.2旧料掺配率为60%的矿料级配及范围

Tab.4.2Gradationofasphaltmixtureunder60percentRAP

筛孔（mm）

规范要求级配

旧料

新料

合成级配

下限

上限

中值

通过百分率（%）

19

100.0

100.0

100.0

100.0

100.0

100.0

16

90.0

100.0

95.0

91.6

97.5

94.0

13.2

76.0

92.0

84.0

89.3

76.1

84.0

9.5

60.0

80.0

70.0

68.7

74.4

71.0

4.75

34.0

62.0

48.0

37.2

64.1

48.0

2.36

20.0

48.0

34.0

24.2

48.7

34.0

1.18

13.0

36.0

24.5

18.7

33.2

24.5

0.6

9.0

26.0

17.5

13.7

23.2

17.5

0.3

7.0

18.0

12.5

9.9

16.3

12.5

0.15

5.0

14.0

9.5

7.9

12.0

9.5

0.075

4.0

8.0

6.0

5.2

7.3

6.0

集料用量

60.0%

40.0%

图4.3旧料掺配率为60%的矿料级配曲线

Fig4.3Gradationcurveofasphaltmixtureunder60percentRAP

表4.3旧料掺配率为50%的矿料级配及范围

Tab.4.3Gradationofasphaltmixtureunder50percentRAP

筛孔（mm）

规范要求级配

旧料

新料

合成级配

下限

上限

中值

通过百分率（%）

19

100.0

100.0

100.0

100.0

100.0

100.0

16

90.0

100.0

95.0

91.8

98.0

94.9

13.2

76.0

92.0

84.0

89.5

80.0

84.8

9.5

60.0

80.0

70.0

69.0

70.0

69.5

4.75

34.0

62.0

48.0

37.6

60.0

48.8

2.36

20.0

48.0

34.0

24.8

45.0

34.9

1.18

13.0

36.0

24.5

19.5

30.0

24.7

0.6

9.0

26.0

17.5

14.7

22.0

18.3

0.3

7.0

18.0

12.5

11.0

15.0

13.0

0.15

5.0

14.0

9.5

8.9

10.0

9.5

0.075

4.0

8.0

6.0

6.2

6.0

6.1

集料用量

50.0%

50.0%

图4.4旧料掺配率为50%的矿料级配曲线

Fig4.4Gradationcurveofasphaltmixtureunder50percentRAP

表4.4旧料掺配率为40%的矿料级配及范围

Tab.4.4gradationofasphaltmixtureunder40percentRAP

筛孔（mm）

规范要求级配

旧料

新料

合成级配

下限

上限

中值

通过百分率（%）

19

100.0

100.0

100.0

100.0

100.0

100.0

16

90.0

100.0

95.0

99.2

92.0

94.9

13.2

76.0

92.0

84.0

94.4

78.0

84.6

9.5

60.0

80.0

70.0

78.6

66.0

71.0

4.75

34.0

62.0

48.0

46.4

50.0

48.6

2.36

20.0

48.0

34.0

27.4

40.0

35.0

1.18

13.0

36.0

24.5

16.4

30.0

24.6

0.6

9.0

26.0

17.5

12.9

22.0

18.4

0.3

7.0

18.0

12.5

7.3

16.0

12.5

0.15

5.0

14.0

9.5

3.9

16.0

11.2

0.075

4.0

8.0

6.0

1.8

8.0

5.5

集料用量

40.0%

60.0%

图4.5旧料掺配率为40%的矿料级配曲线

Fig4.5Gradationcurveofasphaltmixtureunder40percentRAP

表4.5旧料掺配率为30%的矿料级配及范围

Tab.4.5Gradationofasphaltmixtureunder30percentRAP

筛孔（mm）

规范要求级配

旧料

新料

合成级配

下限

上限

中值

通过百分率（%）

19

100.0

100.0

100.0

100.0

100.0

100.0

16

90.0

100.0

95.0

91.8

96.0

94.7

13.2

76.0

92.0

84.0

89.5

80.0

82.9

9.5

60.0

80.0

70.0

69.0

65.0

66.2

4.75

34.0

62.0

48.0

37.6

55.0

49.8

2.36

20.0

48.0

34.0

24.8

40.0

35.4

1.18

13.0

36.0

24.5

19.5

28.0

25.4

0.6

9.0

26.0

17.5

14.7

20.0

18.4

0.3

7.0

18.0

12.5

11.0

15.0

13.8

0.15

5.0

14.0

9.5

8.9

10.0

9.7

0.075

4.0

8.0

6.0

6.2

6.0

6.1

集料用量

30.0%

70.0%

图4.6旧料掺配率为30%的矿料级配曲线

Fig4.6Gradationcurveofasphaltmixtureunder30percentRAP

表4.6旧料掺配率为20%的矿料级配及范围

Tab.4.6gradationofasphaltmixtureunder20percentRAP

筛孔（mm）

规范要求级配

旧料

新料

合成级配

下限

上限

中值

通过百分率（%）

19

100

100

100

100.0

100.0

100.0

16

90

100

95

91.8

96.0

95.2

13.2

76

92

84

89.5

84.0

85.1

9.5

60

80

70

69.0

70.0

69.8

4.75

34

62

48

37.6

55.0

51.5

2.36

20

48

34

24.8

40.0

37.0

1.18

13

36

24.5

19.5

28.0

26.3

0.6

9

26

17.5

14.7

20.0

18.9

0.3

7

18

12.5

11.0

15.0

14.2

0.15

5

14

9.5

8.9

10.0

9.8

0.075

4

8

6

6.2

6.0

6.0

集料用量

20.0%

80.0%

图4.7旧料掺配率为20%的矿料级配曲线

Fig4.7Gradationcurveofasphaltmixtureunder20percentRAP

表4.7旧料掺配率为10%的矿料级配及范围

Tab.4.7Gradationofasphaltmixtureunder10percentRAP

筛孔

（mm）

规范要求级配

旧料

新料

合成级配

下限

上限

中值

通过百分率（%）

19

100

100

100

100.0

100.0

100.0

16

90

100

95

91.8

96.0

95.6

13.2

76

92

84

89.5

84.0

84.6

9.5

60

80

70

69.0

70.0

69.9

4.75

34

62

48

37.6

50.0

48.8

2.36

20

48

34

24.8

35.0

34.0

1.18

13

36

24.5

19.5

28.0

27.1

0.6

9

26

17.5

14.7

20.0

19.5

0.3

7

18

12.5

11.0

15.0

14.6

0.15

5

14

9.5

8.9

10.0

9.9

0.075

4

8

6

6.2

6.0

6.0

集料用量

10.0%

90.0%

图4.8旧料掺配率为10%的矿料级配曲线

Fig4.8Gradationcurveofasphaltmixtureunder10percentRAP

4.4再生沥青混合料的最佳油石比确定

4.4.1确定再生混合料最佳沥青用量的方法

人们普遍认为马歇尔试验法不能有效地模拟路面的实际使用情况，马歇尔试验数据并不能真实地反应混合料的路用品质，许多国家都在积极探索更好的试验方法。

如美国SHRP计划中提出的一套Superpave方法，目前在美国有逐步取代马歇尔试验方法的趋势，目前美国己有这方面的研究报告（如Auburn大学的Kandhal的研究论文）。

其它国家也在研究新的方法来确定最佳用油量，这也是国际发展的趋势，而马歇尔试验法已经比较成熟。

近十几年来我国是采用马歇尔试验法来确定最佳沥青用量，但是对再生沥青混合料，我们能否用马歇尔试验法来确定最佳沥青用量？

为此本章做了大量的试验研究。

本章是按普通沥青混合料的方法来获得最佳沥青用量，但试验结果的处理与普通的沥青混合料的略有不同。

处理数据时，再生料沥青含量是由新加沥青加上旧料中的沥青除以混合料总得到的，有一点需要说明的是与普通沥青混合料中确定最佳用油量的试验结果相比，再生混合料的试验结果有时离散性较大，凭试验结果有时难以确定最佳用量。

原因主要是旧料的骨料级配是通过抽提后筛分方法来确定的，而这个结果往与实际试验时的旧料级配有一定的差别。

本文在计算新骨料的级配时是以整个再生料的目标级配和旧料抽提筛分出的级配结果为依据的，这样实际配出的再生料的级配可能与目标级配有一定的差别，并有一些波动，为尽可能減少这种因素的影响，试验时应注意：

1）试验前取旧料时一定要具有代表性，试验时不同沥青用量所用的旧料一定要是同一批；

2）所有的试件应在相同的试验条件下，同一批次成型、测试，尽量减少人为的试验误差；

3）严格控制马歇尔试验的实验温度对最佳油石比的确定是影响很大的。

注意了以上几点，一般情况下是能通过马歇尔试验得到再生混合料的最佳沥青用量的。

从再生混合料的马歇尔试件指标和沥青油量的关系来看，随着沥青用量的变化，各项性能指标的变化规律与普通沥青混合料的变化规律是相吻合的，有了这些变化规律，按照规范所述的方法很容易确定此配合比情况下的最佳沥青用量。

本章再生混合料的各项性能试验中所使用的用油量，都是用此法得到最佳用油量。

综上所述，用马歇尔试验来确定再生沥青混合料的最佳沥青用量是可行的。

且马歇尔试验法已经比较成熟，所以再生沥青混合料的最佳油石比的确定还是使用马歇尔试验法为宜。

4.4.2马歇尔试验确定最佳油石比

再生沥青混合料的制取和一般沥青混合料的制取基本上是相同的。

在不同旧料掺配率下分别取3%～6%之间的油石比，然后拌制成沥青混合料，在马歇尔击实仪上制备马歇尔试件，每个油石比制备4个，根据配合比计算出各个物理量。

所拌制的沥青混合料的理论密度的测定是一个难点，旧的沥青混合料毕竟不同于纯粹的石料，旧沥青混合料的成分非常复杂，而且离析较为严重。

所以，一般的用来计算沥青混合料的最大理论密度的公式已经不再适用于再生混合料，而采用真空法测定再生混合料的理论度更为符合实际情况，见图4.9所示。

图4.9真空法测定最大理论密度

Fig4.9Thedeterminationoftheoreticalmaximumdensityusingvacuummethod

根据真空法所测的最大理论密度计算出空隙率和饱和度。

绘制混合料毛体积密度-油石比、空隙率-油石比、饱和度-油石比、稳定度-油石比、流值-油石比关系曲线，取与马歇尔稳定度和密度最大值对应的沥青用量

和

，以及与设计要求空隙率范围中值对应的沥青用量

，由公式（4.1）计算三者的平均值作为最佳沥青用量的初始值

式（4.1）

求出各项指标均符合技术标准的沥青用量范围

～

，由公式（4.2）计算沥青最佳用量的初始值

式（4.2）

根据

和

综合确定最佳沥青用量

在旧料掺配率分别为70%、60%、50%、30%、20%和10%条件下，在不同油石比下分别成型马歇尔试件，测定试件各个参数，见表4.8～表4.14，并绘制各参数与油石比的关系曲线，分别见图4.10～表4.16。

表4.870%旧料掺配率下的沥青混合料的马歇尔试验结果

Tab.4.8TheMarshalltestresultsofasphaltmixtureunder70percentRAP

试验

编号

油石比（%）

毛体积密度

（g/cm3）

空隙率VV

（%）

饱和度VFA

（%）

稳定度

（kN）

流值

（mm）

1

4.2

2.366

7.16

55.5

15.11

2.94

2

4.7

2.382

5.75

63.9

13.34

3.04

3

5.3

2.414

3.71

75.7

14.50

3.75

4

5.8

2.405

3.39

78.8

12.21

3.92

5

6.3

2.355

2.5

81.1

10.53

4.05

技术标准（GB50092-96）

3～6

65～75

≥8.0

2～4

最佳油石比

5.0%

图4.1070%旧料掺配率下马歇尔各参数与油石比的关系曲线

Fig4.10Relationcurvesofbitumen-aggregateratio

表4.960%旧料掺配率下的沥青混合料的马歇尔试验结果

Tab.4.9TheMarshalltestresultsofasphaltmixtureunder60percentRAP

试验

编号

油石比

（%）

毛体积密度

（g/cm3）

空隙率VV

（%）