一种相变沥青混合料配合比优化设计方法

1.本发明为一种将相变材料应用于沥青混合料的配合比优化设计方法，运用该方法可以确定相变材料在沥青混合料中的掺配比例，可以确定相变沥青混合料最佳沥青用量，并使得通过该方法设计的相变沥青混合料满足沥青路面的应用技术要求。


背景技术：

2.沥青路面具有维修养护便利、铺装成本较低、铺装效果良好等优点，在我国高等级路面中具有超过90％的占有率。但由于沥青是一种具有温度敏感性的粘弹性材料，在实际工程应用中会面临着温度变化带来的负面影响。目前，将相变材料应用于道路工程领域具有十分广阔的应用前景。相变调温技术是近年来应用较广的一种储能控温技术，它利用相变材料在其相变温度范围内随温度的变化而改变其相态并进行相变潜热的吸收或者释放，同时保持自身温度维持在稳定的温度范围内的特性来对物体的温度进行调控。但与天然石料相比，目前常见相变材料的物理力学性质处于劣势。相变材料比表面积大、吸水率大、密度小、抗压碎性差。研究认为，将相变材料掺入沥青混合料会使得沥青混合料的路用性能变差，即相变沥青混合料的性能较采用天然石料的沥青混合料差。主要是因为采用传统马歇尔设计方法进行相变沥青混合料设计时，没有对相变材料的特性给予充分的考虑，仅仅是将相变材料作为外加剂掺入沥青混合料，忽略了相变材料掺加对沥青混合料级配和油石比的影响。这就需要在设计方法中针对相变材料的掺配方式和掺配比例进行专门考虑。此外，相变沥青混合料的路用性能受沥青用量的影响，而常见相变材料具有比表面积大的特性，能够较大程度的吸附沥青，为此，最佳沥青用量的确定方法应进行调整。


技术实现要素：

3.本发明针对上述状况，提出了一种相变沥青混合料配合比优化设计方法。其目的在于：在相变沥青混合料配合比设计时，充分考虑相变材料对沥青混合料矿料级配及最佳沥青用量的影响，通过优化相变沥青混合料配合比设计方法，以提高相变沥青混合料的路用性能和功能性。本发明采用等质量比不同粒径的相变材料等体积替代细集料的方法进行混合料级配设计，并利用改进的马歇尔设计方法来确定含相变材料的相变沥青混合料的最佳沥青含量，在保证相变材料调温作用的同时，减少相变材料物理特性对混合料路用性能的影响。本方法可将相变材料有效用于沥青混合料，使得相变沥青混合料具有良好的调温效果及路用性能，能够提高相变沥青路面服务水平，减少道路养护费用，降低自然资源的消耗，经济效益显著。
4.本发明采用的技术方案为一种相变沥青混合料配合比优化设计方法，将相变材料应用于沥青混合料中。其主要包含以下几个步骤：
5.步骤一：相变材料类型。
6.相变材料应为复合定形相变材料，由芯样和载体按92：8的质量比复合而成，芯样为聚乙二醇，载体为膨胀石墨。相变材料的粒径小于0.6mm，属于细集料范畴。
7.步骤二：相变沥青混合料级配设计。
8.相变材料的掺配方式采用等体积法替代天然细集料石料的思想进行设计：
9.首先根据设计文件或工程要求，通过传统马歇尔配合比试验方法确定不掺相变材料的沥青混合料配合比设计的目标最优级配j0和最佳沥青用量a0，并以此作为相变沥青混合料的基础矿料级配和基础沥青用量；
10.本发明根据使用相变材料的实际需求，结合混合料设计要求及工程经验，确定5种相变材料的掺配比例方案，其中相变材料掺入量分别为20％，40％，60％，80％和100％(占基础沥青用量质量百分比)，采用相变材料等体积替代细集料的方法掺入相变材料。相变材料对级配中0.6mm、0.3mm、0.15mm和0.075mm的细集料采用等质量比替代方法。
11.被替代的每种粒径的细集料的质量由公式(1)计算：
[0012][0013]
式中：
[0014]
ma—相变材料掺加质量，单位g；
[0015]
ρa—相变材料毛体积相对密度，单位g/cm3；
[0016]
mb—被替代的某种粒径的细集料的质量，单位g；
[0017]
ρb—细集料毛体积相对密度，单位g/cm3；
[0018]
步骤三：马歇尔方法确定最佳沥青用量。
[0019]
(1)根据设计要求或规范要求选择沥青混合料采用的沥青；
[0020]
(2)提出确定最佳沥青用量的方法：
[0021]
采用改进的马歇尔设计方法。
[0022]
具体方法为：首先保持基础矿料级配不变，以掺入量最低的20％相变材料掺入量(占沥青质量比)通过等体积法等质量比替代基础矿料级配中0.6mm、0.3mm、0.15mm和0.075mm的细集料，组成“相变沥青混合料”级配j1，其最佳沥青用量a1的确定方法具体方法如下：按照马歇尔试验方法，以未掺加相变材料的沥青混合料的最佳沥青用量a0为中值，并以
±
0.5％及
±
1.0％的间隔上下浮动，形成一组五个试验沥青用量，制备标准马歇尔试件。并且，通过传统马歇尔试验结果，通过oac1及oac2综合确定相变沥青混合料在采用20％相变材料替代率下的最佳沥青用量a1。
[0023]
然后，仍保持基础矿料级配不变，以40％相变材料掺入量(占沥青质量比)通过等体积法等质量比替代基础矿料级配中0.6mm、0.3mm、0.15mm和0.075mm的细集料，组成“相变沥青混合料”级配j2，并确定其最佳沥青用量a2；具体方法如下：按照马歇尔试验方法，以20％相变材料掺加量的沥青混合料的最佳沥青用量a1为中值，并以
±
0.5％及
±
1.0％的间隔上下浮动，形成一组五个试验沥青用量，制备标准马歇尔试件。并且，通过传统马歇尔试验结果综合确定相变沥青混合料在采用40％相变材料替代率下的最佳沥青用量a2。
[0024]
后续按照该方法，在保持基础矿料级配不变的前提下，依次以60％、80％和100％的相变材料掺入量(占沥青质量比)通过等体积法等质量比替代基础矿料级配中0.6mm、0.3mm、0.15mm和0.075mm的细集料，依次组成“相变沥青混合料”级配j3、j4和j5。
[0025]
相变沥青混合料级配j3的最佳沥青用量a3按照马歇尔试验方法，以40％相变材料掺加量的沥青混合料的最佳沥青用量a2为中值，并以
±
0.5％及
±
1.0％的间隔上下浮动，
形成一组五个试验沥青用量，制备标准马歇尔试件，通过传统马歇尔试验结果，利用oac1及oac2综合确定最佳沥青用量；
[0026]
相变沥青混合料级配j4的最佳沥青用量a4按照马歇尔试验方法，以60％相变材料掺加量的沥青混合料的最佳沥青用量a3为中值，并以
±
0.5％及
±
1.0％的间隔上下浮动，形成一组五个试验沥青用量，制备标准马歇尔试件，通过传统马歇尔试验结果综合确定最佳沥青用量；
[0027]
相变沥青混合料级配j5的最佳沥青用量a5按照马歇尔试验方法，以80％相变材料掺加量的沥青混合料的最佳沥青用量a4为中值，并以
±
0.5％及
±
1.0％的间隔上下浮动，形成一组五个试验沥青用量，制备标准马歇尔试件，通过传统马歇尔试验结果综合确定最佳沥青用量。
[0028]
步骤四：最佳相变材料掺量确定。
[0029]
对各相变材料掺量的相变沥青混合料的路用性能进行室内试验。按照《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》(jtge20-2011)中的规定方法，对所设计的20％，40％，60％，80％和100％相变材料掺量(占基础沥青用量质量百分比)的相变沥青混合料的高温抗车辙性能、低温抗裂性能和水稳定性等进行室内检验，筛选出满足沥青混合料路用性能规范要求的相变沥青混合料的对应相变材料掺量。本发明将能够满足沥青混合料路用性能规范要求的最高相变材料掺入量作为最佳相变材料掺量，由此即可设计出满足路用性能要求且调温效果良好的相变沥青混合料。
[0030]
本发明提出了一种能够减少相变材料物理性质对沥青混合料路用性能影响的相变沥青混合料配合比优化设计方法，使混合料在具有较好的调温效果的同时，能够满足路用性能要求。采用等质量比不同粒径的相变材料等体积替代细集料的方法进行级配设计，并利用改进的马歇尔设计方法来确定含相变材料的相变沥青混合料的最佳沥青含量，从而减少相变材料物理特性对混合料路用性能的影响。本方法可将相变材料有效用于沥青混合料，使得相变沥青混合料具有良好的调温效果及路用性能，能够提高道路服务水平，减少道路养护费用，降低自然资源的消耗，经济效益显著。
附图说明
[0031]
图1：矿料和矿粉筛分结果。
[0032]
图2：三组初选级配。
具体实施方式
[0033]
下面结合以下实施例对本发明的技术方案进行进一步的说明，但本发明不限于以下实施例。
[0034]
实施例1：
[0035]
相变材料与沥青混合料类型选择：选用聚乙二醇/膨胀石墨复合定形相变材料作为掺加剂掺入sma-10沥青混合料中，对该相变沥青混合料的配合比进行优化设计，制备满足路用性能及控温功能要求的相变沥青混合料。选用的聚乙二醇/膨胀石墨复合定形相变材料定形效果较好，不会在沥青混合料中因相变材料相态转变而发生相变芯材泄漏现象。聚乙二醇/膨胀石墨复合相变材料的粒径小于0.6mm，属于细集料范畴。部分原材料信息如
表1所示：
[0036]
表1原材料部分物理指标
[0037][0038]
1.相变沥青混合料配合比设计：
[0039]
(1)相变沥青混合料的基础矿料级配和基础沥青用量确定。
[0040]
首先根据设计文件或工程要求，通过传统马歇尔配合比试验方法确定不掺相变材料的sma-10沥青混合料配合比设计的目标最优级配j0和最佳沥青用量a0，并以此作为相变沥青混合料的基础矿料级配和基础沥青用量。sma-10矿料和矿粉筛分结果见图1。初选的三组级配如图2所示。
[0041]
三组级配的马歇尔试件体积参数如表2所示。
[0042]
表2三组级配的试件体积参数
[0043][0044][0045]
通过三组级配的沥青混合料的体积参数对比分析，最后确定级配3为最佳级配。其
最佳沥青用量通过传统马歇尔配合比试验方法，通过绘制沥青用量与空隙率、毛体积密度、稳定度、沥青饱和度和流值等的关系图，利用oac1和oac2确定，最后确定的最佳沥青用量为6.5％。
[0046]
以此确定的最佳级配及最佳沥青用量作为相变沥青混合料的基础矿料级配和基础沥青用量。
[0047]
(2)相变材料的掺配方案。
[0048]
根据使用相变材料的实际需求，结合混合料设计要求及工程经验，确定5种相变材料的掺配比例方案，其中相变材料掺入量分别为20％，40％，60％，80％和100％(占基础沥青用量质量百分比)，采用相变材料等体积替代细集料的方法掺入相变材料。为减少因相变材料粒径不均问题对沥青混合料级配的影响，相变材料对级配中0.6mm、0.3mm、0.15mm和0.075mm的细集料采用等质量比替代的方法。
[0049]
通过公式(1)计算出每种相变材料掺量下被替代的细集料的质量，试件拌和成形前，通过对细集料的筛分，除去相应质量的对应粒径的细集料，并由等体积的相变材料代替。
[0050]
(3)相变沥青混合料的最佳沥青用量。
[0051]
步骤一：根据设计要求选择sbs改性沥青作为sma-10相变沥青混合料的沥青胶结料；
[0052]
步骤二：保持基础矿料级配不变，以掺入量最低的20％相变材料掺入量(占沥青质量比)通过等体积法等质量比替代基础矿料级配中0.6mm、0.3mm、0.15mm和0.075mm的细集料，组成“相变沥青混合料”级配j1；然后按照马歇尔试验方法，以未掺加相变材料的沥青混合料的最佳沥青用量a0为中值，并以
±
0.5％及
±
1.0％的间隔上下浮动，形成一组五个试验沥青用量，制备标准马歇尔试件。然后，通过传统马歇尔配合比试验方法，通过绘制沥青用量与空隙率、毛体积密度、稳定度、沥青饱和度和流值等的关系图，利用oac1和oac2确定“相变沥青混合料”级配j1的最佳沥青用量a1。
[0053]
步骤三：仍保持基础矿料级配不变，以40％相变材料掺入量(占沥青质量比)通过等体积法等质量比替代基础矿料级配中0.6mm、0.3mm、0.15mm和0.075mm的细集料，组成“相变沥青混合料”级配j2，并确定其最佳沥青用量a2；具体方法如下：按照马歇尔试验方法，以20％相变材料掺加量的沥青混合料的最佳沥青用量a1为中值，并以
±
0.5％及
±
1.0％的间隔上下浮动，形成一组五个试验沥青用量，通过传统马歇尔配合比试验方法，通过绘制沥青用量与空隙率、毛体积密度、稳定度、沥青饱和度和流值等的关系图，利用oac1和oac2确定确定相变沥青混合料在采用40％相变材料替代率下的最佳沥青用量a2。
[0054]
步骤四：在保持基础矿料级配不变的前提下，以60％的相变材料掺入量(占沥青质量比)通过等体积法等质量比替代基础矿料级配中0.6mm、0.3mm、0.15mm和0.075mm的细集料，组成“相变沥青混合料”级配j3。相变沥青混合料级配j3的最佳沥青用量a3按照马歇尔试验方法，以40％相变材料掺加量的沥青混合料的最佳沥青用量a2为中值，并以
±
0.5％及
±
1.0％的间隔上下浮动，形成一组五个试验沥青用量，制备标准马歇尔试件，通过传统马歇尔试验结果综合确定最佳沥青用量；
[0055]
步骤五：在保持基础矿料级配不变的前提下，以80％的相变材料掺入量(占沥青质量比)通过等体积法等质量比替代基础矿料级配中0.6mm、0.3mm、0.15mm和0.075mm的细集
料，组成“相变沥青混合料”级配j4。相变沥青混合料级配j4的最佳沥青用量a4按照马歇尔试验方法，以60％相变材料掺加量的沥青混合料的最佳沥青用量a3为中值，并以
±
0.5％及
±
1.0％的间隔上下浮动，形成一组五个试验沥青用量，制备标准马歇尔试件，通过传统马歇尔试验结果综合确定最佳沥青用量；
[0056]
步骤六：在保持基础矿料级配不变的前提下，以100％的相变材料掺入量(占沥青质量比)通过等体积法等质量比替代基础矿料级配中0.6mm、0.3mm、0.15mm和0.075mm的细集料，组成“相变沥青混合料”级配j5。相变沥青混合料级配j5的最佳沥青用量a5按照马歇尔试验方法，以80％相变材料掺加量的沥青混合料的最佳沥青用量a4为中值，并以
±
0.5％及
±
1.0％的间隔上下浮动，形成一组五个试验沥青用量，制备标准马歇尔试件，通过传统马歇尔试验结果综合确定最佳沥青用量。
[0057]
(4)最佳相变材料掺量确定。
[0058]
对各相变材料掺量的相变沥青混合料的路用性能进行室内试验。按照《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》(jtge20-2011)中的规定方法，对所设计的20％，40％，60％，80％和100％相变材料掺量(占基础沥青用量质量百分比)的相变沥青混合料的高温抗车辙性能、低温抗裂性能和水稳定性等进行室内检验。为提高相变沥青混合料的实际控温效果，本发明将能够满足规范路用性能要求的最高相变材料掺入量作为最佳相变材料掺量，即可设计出满足要求的相变沥青混合料。