低冰点沥青混合料的配合比优化方法与流程

本发明属于道路工程材料技术领域，具体涉及一种低冰点沥青混合料的配合比优化方法。

背景技术

低冰点沥青混合料是一种新型路面功能性材料，具有主动除冰雪的功能。低冰点沥青混合料是通过不同的加工工艺对冰点下降剂进行处理，并成型成不同粒径的颗粒或粉末，即为低冰点填料；用与矿粉的低冰点填料部分或全部置换混合料中的填料，经沥青裹附后与沥青组成沥青胶结料，并以一定的比例与粗细集料组合成为沥青混合料，经拌合成型后具有降低冰点作用的低冰点填料均匀分散在混合料中，即为低冰点沥青混合料。随着时间的推移，在车轮荷载、毛细管压力等作用下，冰点下降剂析出沥青混合料的表面，从而降低道路表面水的冰点，延迟道路表面积雪结冰，或使得与路表直接粘结的一部分冰雪融化，冰层与路表的黏结力大大降低，在车辆轮胎的带动下，路表冰层直接脱离路面，达到了融冰雪效果。低冰点沥青混合料除冰雪效果明显，避免了反复撒布融雪剂造成的路面附属结构腐蚀和环境污染等次生危害，环境友好，节省人力物力，社会效益显著。

目前，低冰点沥青混合料的应用在我国尚处于起步阶段，在应用过程中遇到了诸多问题。低冰点填料多为酸性物质，与本身呈酸性的沥青交互作用较弱，添加低冰点填料的沥青混合料与添加普通填料的沥青混合料相比耐久性等路用性能明显降低，低冰点沥青混合料除冰效率和耐久性的矛盾很难协调。因此，有必要提供一种新的低冰点沥青混合料材料优化方法，以解决低冰点沥青混合料耐久性差的问题。

技术实现要素：

本发明是要解决现有低冰点沥青混合料耐久性不足、除冰效果与耐久性相矛盾的问题，而提供一种低冰点沥青混合料配合比的优化方法。

本发明低冰点沥青混合料的配合比优化方法按以下步骤实现：

一、准备低冰点沥青混合料和胶结料的原材料：

分别称取沥青、粗集料、细集料、低冰点填料和矿粉作为低冰点沥青混合料的原料；

二、最佳沥青用量的确定：

a、制备马歇尔试件：预设(适宜的)混合料沥青用量，以预设的混合料沥青用量为中值，对混合料沥青用量中值按0.3％～0.5％间隔变化，选取至少4个不同的混合料沥青用量，将不同用量的沥青分别与粗集料、细集料、低冰点填料和矿粉均匀拌合，分别击实得到马歇尔试件，各马歇尔试件的矿料级配相同；

b、测定低冰点沥青混合料的物理指标：

分别测定及计算得出每个马歇尔试件的毛体积密度、空隙率、矿料间隙率和沥青饱和度；

c、测定低冰点沥青混合料的力学指标：

通过马歇尔试验分别测定得出每个马歇尔试件的(马歇尔)稳定度和流值；

d、测定沥青胶结料的复数剪切模量系数△g*：

①沥青胶结料的制备：设定胶结料沥青用量中值，其中胶结料沥青用量是指胶结料中的沥青用量在沥青混合料中所占的质量百分比；对胶结料沥青用量中值按0.3％～0.5％间隔变化，选取至少4个不同的胶结料沥青用量，按照上述所取的胶结料沥青用量分别在145℃～155℃温度下将沥青(只)和矿粉搅拌混合均匀，得到沥青胶结料a，按照上述所取的胶结料沥青用量分别在145℃～155℃温度下将沥青和低冰点填料(部分或全部)置换矿粉后的填料搅拌混合均匀，得到沥青胶结料b；

②测算沥青胶结料的复数剪切模量系数δg*：

分别测出每个沥青胶结料a的复数剪切模量g*胶，分别测出每个沥青胶结料b的复数剪切模量g*胶，测出沥青的复数剪切模量g*，然后根据如下公式：

分别计算每个沥青胶结料a和每个沥青胶结料b的复数剪切模量系数△g*；

e、改进马歇尔试验结果分析：

①绘制沥青用量与各指标的关系图：以沥青用量为横坐标，分别以毛体积密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、稳定度、流值和复数剪切模量系数△g*为纵坐标，分别绘制成关系曲线；

②根据上述得到的稳定度、毛体积密度、空隙率和复数剪切模量系数△g*确定沥青用量初始值oac1，所述的oac1是指取最大密度、最大稳定度、空隙率中值、沥青饱和度范围中值、最大复数剪切模量系数△g*所对应的沥青用量的平均值，即为oac1；

③根据符合各项技术指标的沥青用量范围确定沥青最佳用量初始值oac2，所述的各项技术指标是根据《公路沥青路面施工技术规范》(jtgf40-2004)规定求出满足稳定度、流值、空隙率、饱和度要求的沥青用量范围，以及复数剪切模量系数△g*比值不小于80％所对应的沥青用量范围；取各沥青用量范围交集oacmin～oacmax，以其中值作为oac2；

④根据oac1和oac2确定最佳沥青用量oac＝(oac1+oac2)/2；

三、以确定的最佳沥青用量合成低冰点沥青混合料，然后通过路用性能试验进行验证评价。

本发明所述的一种低冰点沥青混合料的配合比优化方法在步骤二确定最佳沥青用量中，在除常规的沥青混合料物理力学指标外，提出了一个新的优化指标复数剪切模量系数△g*来控制低冰点沥青混合料的耐久性，新指标的引入能够解决低冰点沥青混合料耐久性不足的问题，后续基于优化指标复数剪切模量系数△g*优化了沥青混合料配合比优化流程，兼顾了低冰点沥青混合料的功能特性与路用性能。

本发明提供的一种低冰点沥青混合料优化方法包含以下有益效果：

本发明提出了一种低冰点沥青混合料优化方法，在除常规的沥青混合料物理力学指标外，提出了一个新的设计指标以控制混合料的耐久性，解决了低冰点沥青混合料耐久性不足、除冰效果与耐久性相矛盾的问题。

与普通沥青混合料相比较，本发明的低冰点沥青混合料中添加了低冰点填料，可应用于环境友好型的主动除冰雪路面，除冰雪效果明显，避免了反复撒布融雪剂造成的路面附属结构腐蚀和环境污染等次生危害，和机械人工除冰雪对路面的损害，环境友好，节省人力物力，社会效益显著，推进了环境友好型路面的发展。

本发明的广泛应用将显著改善冬季沥青路面除冰雪状况，提升沥青路面的使用寿命，对提高道路服役水平具有重要的工程实践价值。

附图说明

图1为实施例中沥青用量和毛体积密度关系曲线图；

图2为实施例中沥青用量和空隙率关系曲线图；

图3为实施例中沥青用量和矿料间隙率关系曲线图；

图4为实施例中沥青用量和沥青饱和度关系曲线图；

图5为实施例中沥青用量和稳定度关系曲线图；

图6为实施例中沥青用量和流值曲线图；

图7为实施例中沥青用量和复数剪切模量系数△g*曲线图，其中■代表zfsyh，●代表矿粉；

图8为实施例中步骤e中步骤③获取沥青用量范围交集oacmin～oacmax的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式低冰点沥青混合料的配合比优化方法按以下步骤实施：

一、准备低冰点沥青混合料和胶结料的原材料：

分别称取沥青、粗集料、细集料、低冰点填料和矿粉作为低冰点沥青混合料的原料；

二、最佳沥青用量的确定：

a、制备马歇尔试件：预设(适宜的)混合料沥青用量，以预设的混合料沥青用量为中值，对混合料沥青用量中值按0.3％～0.5％间隔变化，选取至少4个不同的混合料沥青用量，将不同用量的沥青分别与粗集料、细集料、低冰点填料和矿粉均匀拌合，分别击实得到马歇尔试件，各马歇尔试件的矿料级配相同；

b、测定低冰点沥青混合料的物理指标：

分别测定及计算得出每个马歇尔试件的毛体积密度、空隙率、矿料间隙率和沥青饱和度；

c、测定低冰点沥青混合料的力学指标：

通过马歇尔试验分别测定得出每个马歇尔试件的(马歇尔)稳定度和流值；

d、测定沥青胶结料的复数剪切模量系数△g*：

①沥青胶结料的制备：设定胶结料沥青用量中值，其中胶结料沥青用量是指胶结料中的沥青用量在沥青混合料中所占的质量百分比；对胶结料沥青用量中值按0.3％～0.5％间隔变化，选取至少4个不同的胶结料沥青用量，按照上述所取的胶结料沥青用量分别在145℃～155℃温度下将沥青(只)和矿粉搅拌混合均匀，得到沥青胶结料a，按照上述所取的胶结料沥青用量分别在145℃～155℃温度下将沥青和低冰点填料(部分或全部)置换矿粉后的填料搅拌混合均匀，得到沥青胶结料b；

②测算沥青胶结料的复数剪切模量系数δg*：

分别测出每个沥青胶结料a的复数剪切模量g*胶，分别测出每个沥青胶结料b的复数剪切模量g*胶，测出沥青的复数剪切模量g*，然后根据如下公式：

分别计算每个沥青胶结料a和每个沥青胶结料b的复数剪切模量系数△g*；

e、改进马歇尔试验结果分析：

①绘制沥青用量与各指标的关系图：以沥青用量为横坐标，分别以毛体积密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、稳定度、流值和复数剪切模量系数△g*为纵坐标，分别绘制成关系曲线；

②根据上述得到的稳定度、毛体积密度、空隙率和复数剪切模量系数△g*确定沥青用量初始值oac1，所述的oac1是指取最大密度、最大稳定度、空隙率中值、沥青饱和度范围中值、最大复数剪切模量系数△g*所对应的沥青用量的平均值，即为oac1；

③根据符合各项技术指标的沥青用量范围确定沥青最佳用量初始值oac2，所述的各项技术指标是根据《公路沥青路面施工技术规范》(jtgf40-2004)规定求出满足稳定度、流值、空隙率、饱和度要求的沥青用量范围，以及复数剪切模量系数△g*比值不小于80％所对应的沥青用量范围；取各沥青用量范围交集oacmin～oacmax，以其中值作为oac2；

④根据oac1和oac2确定最佳沥青用量oac＝(oac1+oac2)/2；

三、以确定的最佳沥青用量合成低冰点沥青混合料，然后通过路用性能试验进行验证评价。

本实施方式步骤二中马歇尔试件中低冰点填料的质量百分含量为4％～8％，优选为6％。

本实施方式步骤二的步骤a中根据《公路沥青路面施工技术规范》(jtgf40-2004)中b.5马歇尔试验部分中的规范公式b.5.5-1和b.5.5-2预设(适宜的)混合料沥青用量作为沥青用量中值。

本实施方式步骤二的步骤d中设定胶结料沥青用量中值过程中，一般取粉胶比为1.3～1.5时所对应的沥青用量为中值，优选粉胶比为1.4，研究表明粉胶比为1.4时，多种填料的沥青胶结料的复数剪切模量最大。

本实施方式步骤二的步骤d中沥青胶结料b中低冰点填料置换矿粉的比例为0～100％，即可以全部置换也可以部分置换，置换比例越高，除雪效果越好。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中低冰点沥青混合料的原料均满足《公路沥青路面施工技术规范》(jtgf40-2004)规定要求。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤一所述的粗集料为碎石，所述的细集料为机制砂。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤一所述的低冰点填料为填料zfsyh、mfl(日本)或v-260(瑞士)。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤二中步骤a中粗集料、细集料、低冰点填料和矿粉之和的质量比为(50～65)：(30～40)：(4～7)。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤d中的步骤①按0.3％～0.5％间隔变化，选取至少4个不同的胶结料沥青用量，选取的胶结料沥青用量的取值范围与步骤a中混合料沥青用量的取值范围有交集。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤d中的步骤②中使用动态剪切流变仪，在60℃条件下，采用1mm间隙，25mm平行板，分别测出沥青胶结料的复数剪切模量g*胶和沥青的复数剪切模量g*。

本实施方式平行板即试验板，是一种表面光滑的金属板，间隙是指顶板和试验板间的间隙，对于原样沥青及胶浆采用25mm板，1mm间隙，具体参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(t0628-2011)。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤d中的步骤①中将低冰点填料全部置换矿粉后的填料搅拌混合均匀，得到沥青胶结料b。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤三中根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtge20-2011)检测低冰点沥青混合料的路用性能。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是步骤三中通过车辙试验、低温弯曲试验、冻融劈裂试验、浸水马歇尔试验来评价低冰点沥青混合料的路用性能。

实施例：本实施例低冰点沥青混合料的配合比优化方法按以下步骤实施：

一、准备低冰点沥青混合料和胶结料的原材料：

准备低冰点沥青混合料的原材料，包括辽河油田成品高粘高弹改性沥青，具体指标如表1所示；来自黑龙江省恒昌石场的粗集料：包括10～30mm碎石、10～25mm碎石、10～20mm碎石、5～10mm碎石、3～5mm碎石，主要技术指标如表2～5所示；来自吉林省华鹏石场的细集料：机制砂，细集料性能如表6所示；以及低冰点填料zfsyh和矿粉，主要技术指标如表7和表8所示，各原材料指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》(jtgf40-2004)规定要求；根据道路实际情况按质量分数称取55份粗集料其中包括2份16mm粒径、10份13.2mm粒径、16份9.5mm粒径以及27份4.75mm粒径，39份细集料包括14份2.36mm粒径、10份1.18mm粒径、6份0.6mm粒径、3份0.3mm粒径、4份0.15mm和2份0.075mm的机制砂，以及6份普通矿粉和低冰点填料zfsyh(在此实施例中低冰点填料全部置换矿粉)；

表1高粘高弹改性沥青主要技术指标

表210～25mm碎石性质

表310～20mm碎石性质

表45～10mm碎石性质

表53～5mm碎石性质

表60～3mm机制砂性质

表7低冰点填料zfsyh主要技术指标

表8矿粉主要指数性质

二、最佳沥青用量的确定：

a、制备马歇尔试件：按沥青用量质量百分含量0.5％间隔变化，取4.5％、5％、5.5％、6％四个不同的沥青用量(即沥青占马歇尔试件的质量百分含量)，按照选取的沥青用量分别与粗集料、细集料、低冰点填料拌合，分别击实得到马歇尔试件，各马歇尔试件的矿料级配相同；

b、测定低冰点沥青混合料的物理指标：

分别测定及计算得出每个马歇尔试件的毛体积密度、空隙率、矿料间隙率和沥青饱和度，结果如表9所示；

表9不同沥青用量下低冰点沥青混合料物理指标试验结果

c、测定低冰点沥青混合料的力学指标：

通过马歇尔试验分别测定得出每个马歇尔试件的(马歇尔)稳定度和流值，结果如表10所示；

表10不同沥青用量下低冰点沥青混合料力学指标试验结果

d、测定沥青胶结料的复数剪切模量系数△g*：

①沥青胶结料的制备：按沥青用量质量百分含量0.5％间隔变化，选取3.5％～6％不同的胶结料沥青用量(此处的沥青含量是指胶结料中的沥青用量在沥青混合料中所占的质量百分比，即沥青胶结料中粉胶比换算成沥青混合料中的沥青用量，设矿粉占矿料比例为a，粉胶比为b，沥青用量为x，则有(1-x)*a/x＝b，解方程可得沥青用量)，6种沥青胶结料中沥青和填料含量如表11所示，沥青在150℃±5℃下恒温1h，此时呈流动状态，便于搅拌，填料在105℃±5℃温度环境中烘干至恒重；按照胶结料沥青用量在150℃±5℃温度下将沥青只和矿粉搅拌混合均匀，得到沥青胶结料a，按照胶结料沥青用量在150℃±5℃温度下将沥青和低冰点填料全部置换矿粉后的填料搅拌混合均匀，得到沥青胶结料b；

表11不同沥青用量下沥青胶结料中沥青和填料含量

②测算沥青胶结料的复数剪切模量系数△g*：

使用动态剪切流变仪，在60℃条件下，采用1mm间隙，25mm平行板，分别测出每个沥青胶结料a的复数剪切模量g*胶，分别测出每个沥青胶结料b的复数剪切模量g*胶，测出沥青的复数剪切模量g*，然后根据如下公式：

分别测出沥青胶结料a和沥青胶结料b的复数剪切模量g*胶，测出沥青的复数剪切模量g*，试验结果如表12所示；

表12不同沥青用量下低冰点填料与矿粉△g*

e、改进马歇尔试验结果分析：

①绘制沥青用量与各指标的关系图：以沥青用量为横坐标，分别以毛体积密度、空隙率、沥青饱和度、稳定度、流值和复数剪切模量系数△g*为纵坐标，分别绘制成关系曲线，如图1-7所示；

②根据稳定度、密度、空隙率和复数剪切模量系数△g*确定沥青用量初始值oac1，即取最大密度、最大稳定度、空隙率中值、最大复数剪切模量系数△g*所对应的沥青用量的平均值，计算得oac1＝(5.5％+5.3％+5.5％+4.9％+4.5％)/5＝5.1％；

③根据符合各项技术指标的沥青用量范围确定沥青最佳用量初始值oac2，即根据《公路沥青路面施工技术规范》(jtgf40-2004)规定求出满足稳定度、流值、空隙率、饱和度要求的沥青用量范围，以及复数剪切模量系数△g*比值不小于80％所对应的沥青用量范围，取各沥青用量范围交集oacmin～oacmax，如图8所示，以其中值作为oac2＝(4.8％+5.4％)/2＝5.1％；

④根据oac1和oac2确定最佳沥青用量oac＝(oac1+oac2)/2＝5.1％；

三、以确定的最佳沥青用量合成低冰点沥青混合料，然后通过路用性能试验进行验证评价。

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtge20-2011)检测低冰点沥青混合料的路用性能。分别以车辙试验、低温弯曲试验、浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验来评价低冰点沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性，试验结果如表13所示。

表13路用性能试验结果

低冰点沥青混合料的路用性能均满足《公路沥青施工技术规范》(jtgf40-2004)要求。低冰点沥青混合料的配合比优化至此完成。