CN109001033A - 一种基于单轴贯入试验再生沥青混合料平衡设计的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种基于单轴贯入试验再生沥青混合料平衡设计的方法。基于单轴贯入试验，通过对不同掺量的再生沥青混合料60℃的单轴贯入试验得到旧料比例与高温性能的线性关系，确定能满足高温性能的旧料比例下限，通过对不同掺量的再生沥青混合料25℃的单轴贯入试验得到旧料比例与抗裂性能的线性关系，确定能满足抗裂性能的旧料比例上限，根据以上确定的上下限交叉范围确定出再生沥青混合料的最佳掺量比例。

Description

一种基于单轴贯入试验再生沥青混合料平衡设计的方法
技术领域
本发明属于再生沥青混合料配合比设计的应用技术领域，具体涉及一种再生沥青混合料平衡设计的方法
背景技术
再生沥青混合料中的旧料掺量不仅影响到路面的使用性能，而且对经济性也有影响。沥青路面厂拌热再生中旧料的利用比例为10％-30％，平均降低工程造价20％-30％；沥青路面就地热再生中旧料利用比例为70-100％，平均降低工程造价20％-25％。由此可见，作为一种有效的旧路养护维修技术方案，不管从经济效益还是社会效益角度，沥青路面再生技术都有明显的优势。目前，在多数工程中，再生沥青混合料的RAP掺量都是按经验判断，缺乏科学数据的指导。因此，对再生沥青混合料配合比设计中，如何快速的确定再生料掺加比例，在增加经济效益的同时，能保证再生沥青混合料的路用性能，是目前迫切需要解决的一项重大课题。
对于再生沥青混合料来说，水稳定性同新沥青混合料基本无异，高温稳定性更优于新沥青混合料，对同一再生沥青混合料来说，再生料掺量越高，高温性能越好，但抗裂性能越差；反之，再生料掺量越少，抗裂性能越好，则高温性能较差。本发明则从平衡高温性能与抗裂性能的角度，利用基于单轴贯入试验方法来确定一个两边兼顾的最佳旧料掺量，而不再对不同掺量的再生沥青混合料路用性能去一一验证。该方法可大幅度减少试验次数，降低试验难度，在保证再生沥青混合料路用性能的同时加快工程试验进度。
发明内容
为了克服上述不足，本发明基于单轴贯入试验，通过对不同掺量的再生沥青混合料60℃的单轴贯入试验得到旧料比例与高温性能的线性关系，确定能满足高温性能的旧料比例下限，通过对不同掺量的再生沥青混合料25℃的单轴贯入试验得到旧料比例与抗裂性能的线性关系，确定能满足抗裂性能的旧料比例上限，根据以上确定的上下限交叉范围确定出再生沥青混合料的最佳掺量比例。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的目的之一是提供一种基于单轴贯入试验再生沥青混合料平衡设计的方法，包括：
通过单轴贯入试验Ⅰ求得再生沥青混合料中旧料比例与高温性能的线性关系，确定能满足高温性能的旧料比例下限；
通过单轴贯入试验Ⅱ求得再生沥青混合料中旧料比例与抗裂性能的线性关系，确定能满足抗裂性能的旧料比例上限；
根据以上确定的上下限交叉范围确定出再生沥青混合料的最佳掺量比例。
在一些实施例中，所述单轴贯入试验Ⅰ的测试温度为60℃。
在一些实施例中，所述单轴贯入试验Ⅱ的具体步骤为：对再生沥青混合料试件进行单轴贯入试验，采集压力与位移的试验数据，绘制拟合试验数据的曲线，计算贯入指数DI；
其中，根据贯入指数DI越大，表示再生沥青混合料的抗裂性能越好。
在一些实施例中，所述单轴贯入试验Ⅱ采用直径为28.5mm的压头，确保压头位置居中，试验温度为25℃，加载速率为1mm/min，加载至完全破坏。
在一些实施例中，所述贯入指数DI的计算公式：
式中：wf——贯入力从开始到峰值后拐点处所做的功；
|m|——试验曲线峰值后拐点处切线斜率的绝对值；
A——试验压头的面积；
a——缩放因子0.0001。
在一些实施例中，所述拟合试验数据的曲线方程：
式中：x——位移；
y——压力；
a，b，c，d——为常数，通过试验数据拟合求解。
在一些实施例中，所述热再生沥青混合料中，RAP料掺量为20wt％～80wt％。
在一些实施例中，所述热再生沥青混合料中，再生剂的掺量为5wt％～10wt％
在一些实施例中，所述热再生沥青混合料中，热再生沥青混合料类型为AC-13型沥青混合料。
本发明还提供了单轴贯入试验在评价再生沥青混合料平衡设计中的应用。
本发明的有益效果
(1)本发明基于单轴贯入试验，通过对不同掺量的再生沥青混合料60℃的单轴贯入试验得到旧料比例与高温性能的线性关系，确定能满足高温性能的旧料比例下限，通过对不同掺量的再生沥青混合料25℃的单轴贯入试验得到旧料比例与抗裂性能的线性关系，确定能满足抗裂性能的旧料比例上限，根据以上确定的上下限交叉范围确定出再生沥青混合料的最佳掺量比例。
(2)本发明设计方法简单、效率高、实用性强，易于推广。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1单轴贯入试验图；
图2半圆试件三维有限元拉应力图；
图3圆柱试件三维有限元拉应力图；
图4半圆试件拉应力分布图；
图5圆柱试件拉应力分布图；
图6不同RAP料掺量的再生沥青混合料级配曲线
图7半圆试件
图8半圆试件示意图
图9不同RAP料掺量的FI值
图10不同RAP料掺量的DI值
图11不同RAP料掺量DI与FI关系
图12第1种Wf定义
图13第1种Wf定义下DI与RAP料掺量的关系
图14第1种Wf定义下DI与FI的关系
图15第2种Wf定义
图16第2种Wf定义下DI与RAP料掺量的关系
图17第2种Wf定义下DI与FI的关系
图18第3种Wf定义
图19第3种Wf定义下DI与RAP料掺量的关系
图20不同RAP料掺量DI与FI关系
图21FI频率分布直方图
图22DI频率分布直方图
图23不同RAP料掺量的抗剪强度与动稳定对比
图24动稳定度频率分布直方图
图25抗剪强度频率分布直方图
图26DI与抗剪强度随RAP料掺量变化曲线
图27不同RAP料掺量的冻融劈裂强度比
图28不同RAP料掺量的最大弯拉应变
图29是实施例1抗剪强度与旧料掺量的关系图；
图30是实施例1贯入指数与出旧料掺量的关系图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例1
(1)采用旋转压实的成型方式，成型两组不同掺量的再生沥青混合料试件(至少四个掺量)，每组中每个掺量的再生沥青混合料至少三个平行试件，其尺寸为：高度和直径均为100mm；
(2)对第一组不同掺量的再生沥青混合料试件进行60℃的单轴贯入试验。将试件和压头控温于60℃温控箱中，确保试件的保温时间在4小时以上。采用压力机进行单轴贯入试验，采用直径为28.5mm的压头，确保压头位置居中，试验温度为60℃，加载速率为1mm/min，加载至完全破坏，采集试验过程中的压力与位移的曲线，分析计算出该掺量下再生沥青混合料的抗剪强度，继而得出不同旧料掺量比例与抗剪强度的线性关系(具体试验步骤参考{1})。
(3)对另一组试件进行25℃的单轴贯入试验。将试件和压头控温于25℃温控箱中，确保试件的保温时间在4小时以上。采用压力机进行单轴贯入试验，采用直径为28.5mm的压头，确保压头位置居中，试验温度为25℃，加载速率为1mm/min，加载至完全破坏，采集试验过程中的压力与位移的曲线，分析计算出该掺量下再生沥青混合料的贯入指数，继而得出不同旧料掺量比例与贯入指数的线性关系(具体试验步骤参考{2})。
(4)考虑不同地区不同环境因素不同公路等级对沥青路面路用性能的要求，通过设计要求的最小抗高温性能即最小抗剪强度由(2)中确定出旧料掺量比例的下限，通过设计要求的最小抗裂性能即最小贯入指数由(3)中确定出旧料掺量比例的上限，根据以上确定的上下限交叉范围的中值即为最佳掺量比例。
如图1、2示例，某地区某高等级公路路面确定再生沥青混合料旧料掺量，通过对不同旧料掺量的混合料试件进行60℃和25℃单轴贯入试验，得到上图两条关系曲线，由设计要求的最小抗剪强度1.4Mpa(图1)确定出旧料掺量的下限为50％，由设计要求的最小贯入指数2.5(图2)确定出旧料掺量的上限为60％，根据以上确定的上下限交叉范围的中值即为最佳掺量比例55％。
实施例2
单轴贯入试验如图1，就是在圆柱形沥青混合料试件上通过一圆形压头进行加压，圆柱试件尺寸为高100mm，直径100mm，圆形压头直径为28.5mm，通过采集试验的荷载与位移曲线，选取荷载曲线的破坏拐点为试件发生剪切破坏的贯入强度，进而计算出沥青混合料的抗剪强度。
为了验证通过25℃下单轴贯入试验来评价沥青混合料的抗裂性能的可行性，本申请对半圆弯曲试验与单轴贯入试验受力模型进行三维有限元分析，设两模型材料性质相同，材料设为线弹性体，泊松比μ＝0.3，弹性模量E＝1000Mpa。半圆试件的尺寸为直径150mm，厚度50mm，在支点处设边界约束，在半圆试件顶部加载大小为1KN的线荷载。圆柱试件尺寸为直径100mm，高100mm，在底部圆周设边界约束，将1KN荷载加载到顶部以圆心为中心，直径为28.5mm的圆形区域内。得到的三维有限元拉应力分布图如下图2，图3。
据上图2半圆试件拉应力分布图可以看出，拉应力最大值出现在底部两支点中间，拉应力沿半径方向逐渐减小。虽然支点处与顶部荷载处的压应力较大，但是由于沥青混合料抗拉强度小于抗压强度，所以开裂出现在底部中心位置。由图3圆柱形试件拉应力分布图可以看出，拉应力最大值出现在施加荷载的圆形区域边缘，而且沿着半径向外的方向，拉应力也是逐渐减小的，这与半圆试件拉应力的分布规律是一致的。分别将半圆试件从底部沿半径方向的拉应力与圆柱试件从圆形荷载边缘沿半径向外方向的拉应力导出，见下图4，图5。
据上图4、5可知，单轴贯入试件的拉应力分布情况类似于半圆弯曲试件，都是从圆心点沿半径方向向外拉应力逐渐减小。不同的是半圆弯曲试验受力方式导致了半圆试件从底部的中心开裂，限制了开裂的位置，而单轴贯入试验受力模型中圆形试件开裂位置从中心沿任意一个半径方向上都有可能，即在材料强度最薄弱的受力面开裂。沥青混合料属于各向异性，材料性质不均匀，实际路面开裂情况同单轴贯入试验的受力模型类似。因此，用25℃单轴贯入试验来评价再生沥青混合料的抗裂性能更加符合路面开裂的工程实际。
实施例3
按照国内现行的规范要求《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2008)，参考热拌沥青混合料目标配合比的设计方法进行热再生沥青混合料配合比设计。
3.1 RAP料的性质测定
3.1.1旧沥青含量的测定
RAP料为济南章丘某拌合站回收的废旧沥青混合料。在对RAP料进行抽提之前，首先对RAP料进行筛分处理，由于旧料经过拌合站破碎机破碎后，分为了0-5mm，5-10mm，10-15mm，0-10mm三档料。
对三档RAP料经过离心抽提法后，测试结果见表1。
表1三档RAP料沥青含量结果
3.1.2旧沥青性质的测定
沥青回收选用旋转蒸发器法，将抽提液中的三氯乙烯蒸馏干净后，迅速将回收沥青倒入试验模具，依据JTG E20-2011分别测定沥青的三大指标(25℃针入度、软化点、15℃延度)以及15℃密度。将测定结果与JTG F40-2004中70号道路石油沥青的技术标准对比，如表2所示。
表2旧沥青性质的测定结果
3.1.3 RAP集料级配分析
通过抽提脱离了裹附在RAP料上的旧沥青，然后再对旧集料进行筛分试验，筛分试验依据《公路工程集料试验规程》(JTG F41-2008)中的方法，采用水筛法进行旧集料级配筛分，确定三档RAP料的级配，筛分试验结果见表3。
表3 RAP料的筛分
3.1.4 RAP集料性能测试
依据JTG F41-2008《公路沥青路面再生技术规范》中的要求，对旧集料进行测试，测试结果见表4所示。
表4 RAP中集料的性质
从上表结果来看，RAP料中的集料性质未发生较大的变化，且各项指标均符合技术规范要求。
3.1.5 RAP集料相对密度
依据JTG E42-2005中方法T304-2005和T328-2005，对0-5mm的采用容量瓶法，5-10mm，10-15mm的采用网篮法，分别测定粗、细集料的表观相对密度、毛体积密度和吸水率，测定结果如表5所示。
表5 RAP的集料相对密度
3.2再生剂的掺量及掺加方式
3.2.1再生剂的选择
沥青再生剂WSG-S29，购自上海万照精细化工有限公司，指标如下表6。
表6再生剂的性质
3.2.2再生剂掺量的确定
本申请通过线性插值法得出当再生剂掺量为8％，基本满足70号基质沥青的技术指标，故确定再生剂的掺量为8％为最佳。
3.2.3再生剂掺加方式的选择
再生沥青混合料拌合成型的过程中，再生剂的掺加方式为：先与RAP料一同掺入拌锅内混合，再加入新集料、新沥青拌合。
3.3新集料与沥青的试验分析
新集料釆用石灰岩，为济南章丘某拌合站提供；新沥青选用齐鲁70号基质沥青；每种原材料依据JTG E42-2005《公路工程集料试验规程》和JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，进行相应的测试分析。
3.3.1新加沥青的性能测试
表7新沥青的性能测试
3.3.2新集料的性能测试
本申请试验中采用的新集料为石灰岩，有0-5mm，5-10mm，10-15mm三档集料和矿粉。新集料的测试结果与技术要求见下表8-10。
表8新集料的性质
表9矿粉的性质
表10新集料的筛分
3.4不同RAP料掺量下热再生沥青混合料合成级配
3.4.1热再生沥青混合料的类型及级配范围
依据本申请中选择的RAP料中集料的筛分结果，其公称最大粒径为13.2mm，以及实验室现有的新料综合考虑，选取AC-13型沥青混合料作为本申请中的热再生沥青混合料类型。
因此，本申请的级配设计范围直接采用了JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》对AC-13型沥青混合料规定的级配上下限。
3.4.2不同RAP料掺量下热再生沥青混合料合成级配
首先，本申请主要研究不同RAP料掺量下热再生沥青混合料路用性能的变化规律，进而找出适合此热再生沥青混合料的最佳RAP料掺量，使其综合路用性能达到最佳。因此，本申请将RAP料掺量定为20％，30％，40％，50％，60％，70％，80％七种，分别对这七种RAP料掺量下热再生沥青混合料进行配合比设计，确定合成级配。
其次，本申请通过控制AC-13关键筛孔的通过率，即保证13.2mm，2.36mm和0.075mm筛孔的通过率大致相同，控制在1个百分点之内，来尽量消除级配不同而导致的试验误差。
将各不同RAP料掺量下矿料级配曲线结果汇总如图6所示。可以看出，这七个不同RAP料掺量下矿料合成级配没有显著差异。
3.5不同RAP料掺量下热再生沥青混合料最佳沥青含量的确定
3.5.2马歇尔试验确定最佳新沥青含量
本申请试验中参考《公路沥青路面施工技术规范》的规定，对混合料进行拌合：先将拌合锅温度升至160℃，加入RAP料以及再生剂进行拌合，时间为1.5min，使再生剂与旧沥青充分融合反应，其次往拌合锅中加入新集料进行拌合，时间为1.5min，尽量将新集料的温度传导至RAP料上，也使部分新集料裹附上旧沥青，再往拌合锅中加入新沥青，拌合时间为1.5min，最后加入矿粉，拌合时间为1.5min。充分拌合后使用马歇尔击实仪成型马歇尔试件，并测量其稳定度及体积指标，试验结果见表10～17。
表10 20％RAP料掺量的体积指标
表11 30％RAP料掺量的体积指标
表12 40％RAP料掺量的体积指标
表13 50％RAP料掺量的体积指标
表14 60％RAP料掺量的体积指标
表15 70％RAP料掺量的体积指标
表16 80％RAP料掺量的体积指标
据上述马歇尔试验结果以及实际应用工程经验，确定出不同RAP料掺量的最佳沥青用量见下表19。随着RAP料掺量的增加，新沥青用量越来越少，说明了随着RAP料掺量的增加，再生后的旧沥青利用量也成比例再增加。
表17不同RAP料掺量的最佳新沥青用量
实施例4
本申请通过平衡再生沥青混合料的抗高温性能与抗裂性能之间的矛盾，确定出再生沥青混合料中RAP料的最佳掺量，使再生沥青混合料达到最佳的耐久性。
实施例3对不同RAP料掺量的热再生沥青混合料进行了目标配合比设计，确定了混合料级配，最佳沥青用量以及最佳再生剂掺量后，需要对不同RAP料掺量下热再生沥青混合料的抗高温性能与抗裂性能进行测试，得出其随RAP料掺量的变化规律，继而综合分析总结后进行热再生沥青混合料旧料掺量的平衡设计。
4.1基于单轴贯入试验再生沥青混合料抗裂性能评价指标的确定
本申请选取了25℃半圆弯曲试验，25℃单轴贯入试验来评价再生沥青混合料的抗裂性能。
4.1.1 25℃半圆弯曲试验
根据美国国家公路与运输协会标准AASHTO TP 124-16中要求，试件全部由旋转压实(SCG)成型，旋转压实75次。根据T 312要求旋转压实成最小高度160mm，直径150mm的圆柱如下图7、8所示。
得到圆柱形试件后，需要使用岩石切割机按上图尺寸进行切割，获得两片50±1mm厚的圆柱。把每片切成两半，试件的目标空隙率控制在7％±0.5％，沿着每个半圆试样的对称轴切割一个切口，深度为15mm±1mm，宽度为1.5mm±0.05mm(见图8)。
将上述完备成型的试件置于25℃的恒温箱中，保温不小于5h。控制试件温度稳定在25℃±0.5℃。试验设备选用UTM-100动态液压试验仪，试验加载速率50mm/min，试验底座跨径为0.8倍的试件直径120mm，试验数据最小的采样频率为20Hz，采集试验过程中的荷载及荷载位移曲线，整个试验过程在25℃的控温箱里完成。柔性指数FI按实施例2中计算公式得出。
4.1.2 25℃单轴贯入试验
本申请在实施例2中提出的基于单轴贯入试验的再生沥青混合料抗裂性能的评价方法，试验过程类似于60℃单轴贯入抗剪试验，只是改变了评价方法与评价指标。同60℃单轴贯入抗剪试验一样，试验设备选用UTM-100动态液压试验***，由旋转压实仪成型，得到高130mm、半径150mm的圆柱试件，并对其取芯切割得到高100mm、直径100mm的标准圆柱试件，旋转压实100次。
试件在25℃条件下保温不小于5h，然后在25℃控温箱里进行试验。采用直径为28.5mm的压头，确保压头位置居中，加载速率为1mm/min，加载至完全破坏，采集试验过程中的荷载与位移的曲线。贯入指数DI按实施例2中计算公式得出。
4.1.3试验结果分析及DI计算公式修正
不同RAP料掺量的再生沥青混合料25℃半圆弯曲试验结果与25℃单轴贯入试验结果如下：
由上图9试验结果可知，随着RAP料掺量的增加,不同RAP料掺量的再生沥青混合料的FI逐渐降低，说明再生沥青混合料的抗裂性能随着RAP料掺量的增加而逐渐衰减，这也验证了之前的论述。
由图10可知，DI的变化规律与FI相同，随RAP料掺量增加DI也逐渐降低，且线性相关系数达到了0.8749，说明了DI可以较好的反应再生沥青混合料的抗裂性能。
将柔性指数FI与贯入指数DI的试验数据汇聚如下图11，得出FI与DI的相关性系数为0.6976，说明柔性指数FI与贯入指数DI相关性并不是很好，数据较为离散。
由实施例2中对单轴贯入试件受力模型的分析可知，其中外荷载所做功W外一部分用于试件的剪切破坏，另一部分为试件的开裂破坏，说明Wf定义的不准确。因此，又定义了另外两种不同Wf来计算贯入指数DI，比较三种不同Wf计算的DI与FI和DI与RAP掺量的相关性，从而选出更为合理的定义。三种Wf定义如下：
(1)Wf为荷载从开始到峰值后曲线拐点处所做的功。
(2)Wf为荷载从开始到试件完全破坏所做的功。
(3)Wf为荷载从剪切破坏拐点处到试件完全破坏所做的功。
由图12—图14知Wf第一种定义为荷载从开始到峰值后曲线拐点处所做的功，计算出的DI与RAP料掺量的相关性系数为0.8594，DI与FI的相关性系数为0.6976；由图15-图17知Wf第二种定义为荷载从开始到试件完全破坏所做的功，当荷载位移曲线下降缓慢时即当|k|＜0.2时，可以认为试件完全破坏，计算出的DI与RAP料掺量的相关性系数为0.8668，DI与FI的相关性系数为0.7303；由图18-图20知Wf第三种定义为荷载从剪切破坏拐点处到试件完全破坏所做的功，计算出的DI与RAP料掺量的相关性系数为0.8717,，DI与FI的相关性系数为0.802。三种Wf定义下，DI与RAP料掺量的相关性都较高，第三种要稍高于前两种；而第三种定义下DI与FI相关性要明显高于前两种。说明Wf第三种定义更符合实际拉伸破坏所做的功。又由毕玉峰等人在60℃单轴贯入抗剪试验研究中可知，荷载从开始到破坏拐点处所做的功为剪切破坏。因此，将剪切破坏拐点定义为拉伸破坏开始的点，将试件完全破坏后荷载曲线下降速度变缓慢的点定义为试件完全破坏的点，即当荷载曲线斜率|k|＜0.2时看作成试件完全破坏。从剪切破坏拐点处到试件完全破坏时所做的功为试件开裂所需要的能量。贯入指数DI计算方法修正如下：
(1)拟合试验数据的曲线方程：
式中：
u——位移，mm；
p——压力，kn；
a，b，c，d——为常数，通过试验数据拟合求解。
(2)断裂功：
式中：
u1——试件发生剪切破坏拐点处的位移，mm；
u2——试件发生完全破坏时的位移，mm；
Wf——荷载从试件发生剪切破坏拐点到完全破坏所做的功，J。
(3)贯入指数计算公式：
式中：
m|——试验曲线峰值后拐点处切线斜率的绝对值；
A——压头的面积，mm2；
a——缩放因子0.0001。
由图18可以得出修正后DI与FI之间的相关系数为0.802，同时给出DI与FI之间的关系式如下：
DI＝0.3456×FI+0.8085 (5.4)
式中：
DI——贯入指数
FI——柔性指数
4.1.4抗裂性能的评价指标
由实施例2可知，半圆弯曲试验试件加工要求较高，变异性大，而圆柱试件容易制作，且受力模型更符合实际路面的开裂情况。因此本申请选用25℃单轴贯入试验来作为再生沥青混合料平衡设计中抗裂性能的评价方法。国外常通过25℃半圆弯曲试验得到再生沥青混合料的FI指数，认为当FI≥4时，沥青混合料的抗裂性能是可以接受的。因此，分别制作FI与DI的频率分布直方图，通过FI的技术标准来找出对应的DI技术标准。
由以上FI的频率分布直方图21可知，FI＜4的样本占总体的比例约为24％，由DI的频率分布直方图5.20可知，DI＜2的样本占总体比例约为28％，将DI＝2作为技术标准偏大。又由式5.6得出FI＝4对应的DI＝2.19，将DI＝2作为技术标准偏小。因此，综合考虑，取DI＝2作为满足再生沥青混合料抗裂性能的最小技术标准，即DI大于2的RAP掺量为20％，30％，40％，50％，60％的再生沥青混合料都满足抗裂性能的要求。
4.2基于单轴贯入试验热再生沥青混合料抗高温性能评价指标的确定
本申请中选取车辙试验和60℃单轴贯入试验来进行沥青混合料高温性能的评价。
4.2.1车辙试验
我国主要用车辙试验来评价沥青混合料的高温抗车辙性能，通过车辙成型仪成型尺寸为长300mm、宽300mm、厚50mm的车辙板试件，在60℃下对其施加连续的车轮荷载，其评价指标动稳定度DS按如下公式计算：
式中：
DS——动稳定度，次/mm；
d60——试验时间为60min时的竖向位移，mm；
d45——试验时间为45min时的竖向位移，mm。
4.2.2 60℃单轴贯入试验
试验设备选用UTM-100动态液压试验***，由旋转压实仪成型试件，得到高为130mm、半径为150mm圆柱，并对其取芯切割得到高100mm、直径100mm的标准圆柱试件，旋转压实100次。试件在60℃条件下保温不小于5h，然后在60℃控温箱里进行试验。试验压头直径为28.5mm，试验加载速率为1mm/min，取试验曲线破坏拐点处为最大剪切破坏荷载，准确到0.001KN。沥青混合料的抗剪强度按下式计算。
τ＝f×σ (5.6)
式中：
τ——抗剪强度，MPa；
σ——竖向应力，MPa；
F——破坏拐点处的荷载，KN；
A——压头的面积，mm2；
f——剪应力系数0.3390。
4.2.3试验结果分析
不同RAP料掺量再生沥青混合料的车辙试验结果与60℃单轴贯入试验，再生沥青混合料抗高温性能的试验结果汇总如图23。
由图23可知，虽然动稳定度和抗剪强度都随RAP掺量的增加成线性增加，且相关性都较好。因此，本申请选用抗剪强度作为再生沥青混合料平衡设计中抗高温性能的评价指标。公路施工技术规范中只给出了动稳定度的技术标准，所以，将所有动稳定度与抗剪强度的试验数据汇聚如下图，分别制作动稳定度与抗剪强度的频率分布直方图，通过动稳定度的技术标准来找出对应的抗剪强度。
由图24、25可知，动稳定度频率分布直方图小于1000次/mm的次数占总样本的15％，对应于抗剪强度频率分布直方图中小于0.8Mpa的次数占总样本的15％，因此，取0.8Mpa作为满足再生沥青混合料抗高温性能的最小技术标准，即抗剪强度大于0.8Mpa，RAP掺量为30％，40％，50％，60％,70％,80％的再生沥青混合料都满足高温性能的要求。
4.3最佳RAP料掺量的确定
对于本申请中再生沥青混合料来说，经过上述的设计流程，得出不同RAP料掺量与再生沥青混合料抗剪强度和DI的关系曲线如图26。
通过60℃单轴贯入试验得到抗剪强度随RAP料掺量的线性关系曲线，据上节给出的最小抗剪强度技术标准0.8Mpa，确定出满足再生沥青混合料抗高温性能的最小RAP料掺量为30％；通过25℃单轴贯入试验得到贯入指数DI随RAP料掺量的线性关系曲线，据上节中给出的最小DI技术标准为2，确定出满足再生沥青混合料抗裂性能的最大RAP料掺量为70％，但是由于70％掺量的再生沥青混合料DI实测值小于2，60％掺量的DI实测值为2.2，所以满足再生沥青混合料抗裂性能的最大RAP料掺量取60％；取同时满足抗高温性能和抗裂性能的RAP料掺量中值45％作为最佳掺量。
实施例5
据实施例4中通过平衡设计得出本申请中的热再生沥青混合料最佳RAP掺量为45％，现要通过验证该掺量下沥青混合料综合路用性能，检验该平衡设计方法的可靠性。如果其综合路用性能满足公路施工技术规范要求，就证明该平衡设计方法确定的最佳RAP料掺量是合适的。
由于实施例4中可知45％RAP料掺量的热再生沥青混合料抗高温性能与抗裂性能均满足要求，所以再进行水稳定性与低温抗裂性能的验证。
5.1不同RAP料掺量的热再生沥青混合料的水稳定性能
论文采用冻融劈裂试验来评价再生沥青混合料的水稳定性。严格参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的要求进行试验。评价指标为冻融劈裂强度比TSR，按如下公式进行计算。
式中：
RT1——对照组试件的劈裂抗拉强度，MPa；
RT2——实验组试件的劈裂抗拉强度，MPa；
PT1——对照组试件的试验荷载值，N；
PT2——实验组试件的试验荷载值，N；
h1——对照组试件的高度，mm；
h2——实验组试件的高度，mm；
TSR——冻融劈裂强度比，％；
不同RAP料掺量的热再生沥青混合料冻融劈裂试验数据如下图27。
从图27中冻融劈裂强度比与RAP料掺量的关系图可以看出，不同RAP料掺量的再生沥青混合料冻融劈裂强度比都符合施工技术规范要求，且当RAP料掺量为45％时冻融劈裂强度比较高为82.7％，说明其水稳定性较好。
5.2不同RAP料掺量的热再生沥青混合料的低温抗裂性能
论文采用低温小梁弯曲试验评定再生沥青混合料的低温抗裂性能，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的要求切割尺寸为长250mm、宽30mm、高35mm的标准试件，试验加载速率50mm/min，试验温度-10℃。按如下公式计算试件破坏时的梁底最大弯拉应变εB、抗弯拉强度RB及破坏时的弯曲劲度模量SB。
式中，εB——破坏时的最大弯拉应变，με；
RB——破坏时的抗弯拉强度，MPa；
SB——破坏时的弯曲劲度模量，MPa；
b——小梁试件跨中的宽度，mm；
h——小梁试件跨中的高度，mm；
L——试件的跨径，mm；
PB——破坏时的最大荷载，N；
d——破坏时的跨中挠度，mm。
不同RAP料掺量的热再生沥青混合料冻融比劈裂试验数据如图28。
由上图28试验结果可知，随着RAP料掺量的增加，不同RAP料掺量的再生沥青混合料的最大弯拉应变逐渐降低，说明再生沥青混合料的低温抗裂性能随着RAP料掺量的增加而逐渐衰减。这与DI和FI的变化趋势是一致的。RAP料掺量为45％时的最大弯拉应变为2829.2με，符合技术规范要求。
5.3综合路用性能的验证
将上述RAP料掺量为45％的再生沥青混合料综合路用性能汇总如下表，均满足施工技术规范要求，结果如下表18。
表18 RAP料掺量为45％的路用性能
由此可知，RAP料掺量为45％的再生沥青混合料的高温性能，低温性能，水稳定性能均满足施工技术规范要求。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于单轴贯入试验再生沥青混合料平衡设计的方法，其特征在于，包括：
通过单轴贯入试验Ⅰ求得再生沥青混合料中旧料比例与高温性能的线性关系，确定能满足高温性能的旧料比例下限；
通过单轴贯入试验Ⅱ求得再生沥青混合料中旧料比例与抗裂性能的线性关系，确定能满足抗裂性能的旧料比例上限；
根据以上确定的上下限交叉范围确定出再生沥青混合料的最佳掺量比例。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单轴贯入试验Ⅰ的测试温度为60℃。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单轴贯入试验Ⅱ的具体步骤为：对再生沥青混合料试件进行单轴贯入试验，采集压力与位移的试验数据，绘制拟合试验数据的曲线，计算贯入指数DI；
其中，根据贯入指数DI越大，表示再生沥青混合料的抗裂性能越好。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述单轴贯入试验Ⅱ采用直径为28.5mm的压头，确保压头位置居中，试验温度为25℃，加载速率为1mm/min，加载至完全破坏。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述贯入指数DI的计算公式：
式中：wf——贯入力从开始到峰值后拐点处所做的功；
|m|——试验曲线峰值后拐点处切线斜率的绝对值；
A——试验压头的面积；
a——缩放因子0.0001。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述拟合试验数据的曲线方程：
式中：x——位移；
y——压力；
a，b，c，d——为常数，通过试验数据拟合求解。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热再生沥青混合料中，RAP料掺量为20wt％～80wt％。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热再生沥青混合料中，再生剂的掺量为5wt％～10wt％
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热再生沥青混合料中，热再生沥青混合料类型为AC-13型沥青混合料。
10.单轴贯入试验在评价再生沥青混合料平衡设计中的应用。
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