本发明属于道路工程
技术领域：
，尤其是涉及一种精细化设计布敦岩沥青混合料的方法。
背景技术：
：布敦岩沥青在印尼被称为活性剂，其沥青含量约为20％～30％，其余成分为石灰岩矿物质。室内研究和工程应用结果均表明：布敦岩沥青不仅可以有效改善沥青混合料的高温性能、抗水损害性能和疲劳性能，延长路面使用寿命，而且施工工艺简单，可操作性强，具有较好的推广、应用前景。目前在布敦岩沥青混合料的设计过程中，大多研究还是将布敦岩沥青视作一种改性添加剂，布敦岩沥青混合料设计方法主要有以下几种：第一种是向普通沥青混合料中添加不同掺量布敦岩沥青，通过马歇尔试验确定最佳的布敦岩沥青掺量即可；第二种是参考布敦岩沥青的某一推荐掺量，确定布敦岩沥青混合料的最佳油石比；第三种是直接将布敦岩沥青视作一档细集料参与级配设计，按照马歇尔设计方法确定最佳油石比；此外，近年也出现考虑将布敦岩沥青中的灰分物质替代细集料或矿粉的尝试。但是上述方法均忽视了布敦岩沥青材料自身特点，不仅布敦岩沥青中的天然沥青组分会对沥青混合料中的胶结料产生一定影响，而且布敦岩沥青中含量高达70％～80％的灰分物质，其对沥青混合料级配与路用性能的也会有较大的影响，因此上述设计方法难以将布敦岩沥青在沥青混合料中的作用发挥到最大。中国专利cn102276187b公开了一种布敦岩沥青改性沥青混合料二阶段设计方法，具体为第一阶段不添加bra，在155℃～165℃拌和温度条件下获得基质沥青混合料的最佳油石比；第二阶段在第一阶段获得基质沥青混合料的最佳油石比基础上添加bra，在165℃～175℃拌和温度条件下获得bra改性沥青混合料的最佳油石比。本申请提出的一种精细化设计布敦岩沥青混合料的方法，与上述专利的区别在于：①上述专利在第二阶段以第一阶段基质沥青的最佳沥青用量、最佳沥青用量+0.2％、+0.4％、-0.2％、-0.4％(其中沥青用量为基质沥青及岩沥青中的沥青总和)进行目标配合比设计时，并未对总沥青用量中的基质沥青与布敦岩沥青天然沥青组分的比例做出详细规定或说明，没有考虑天然沥青组分对基质沥青的影响，因此未能给出确定最佳岩沥青掺量的方法；②沥青用量的含义不同，上述专利中将布敦岩沥青混合料的沥青用量定义为基质沥青和岩沥青中的沥青总和，而本发明专利中的沥青用量是指基质沥青的用量，并不包含布敦岩沥青中的天然沥青部分；③上述专利对布敦岩沥青中的灰分基本没有提及，而本发明专利将灰分级配纳入级配设计中，用于替代部分细集料和矿粉。显然上述专利的缺陷在于既未能给出确定最佳岩沥青掺量的方法，也未能考虑灰分级配的影响，因此不能准确设计布敦岩沥青混合料。相比而言，本发明提出的一种精细化设计布敦岩沥青混合料的方法，能够同时兼顾布敦岩沥青中的天然沥青组分和灰分级配的影响，精确计算确定灰分在级配中的占比，准确确定布敦岩沥青的合理掺量，可以实现布敦岩沥青混合料设计的精细化、简便化。技术实现要素：本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种布敦岩沥青混合料精细化设计方法，既能够考虑布敦岩沥青中的天然沥青组分的影响，又能考虑灰分级配影响，从而实现布敦岩沥青混合料设计精细化、简便化。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种精细化设计布敦岩沥青混合料的方法，采用以下步骤：(1)测定布敦岩沥青的沥青含量、灰分含量和灰分级配；(2)根据马歇尔设计方法设计得到不含布敦岩沥青的沥青混合料；(3)根据岩沥青改性沥青试验确定岩沥青中沥青组分的掺配比例；(4)根据(1)～(3)的试验结果，计算确定布敦岩沥青混合料中灰分在级配中的占比；(5)根据(4)计算确定的结果，调整细集料和矿粉在级配中的占比；(6)根据(5)的结果，按普通沥青混合料原油石比±0.3％间隔变化，采用马歇尔设计方法确定布敦岩沥青混合料的最佳油石比。步骤(1)中的布敦岩沥青中的纯沥青和灰分含量需要采用三氯乙烯抽提试验获得，灰分级配参考《公路工程集料试验规程(jtge42-2005)》中的细集料筛分试验方法进行测定。步骤(2)的普通沥青混合料设计参考《公路沥青路面施工技术规范(jtgf40-2004)》中的马歇尔设计方法进行。步骤(3)所述岩沥青改性沥青的制备方法是将抽提回收得到的沥青组分(ra)按照相应比例加入到135℃的基质沥青中手动搅拌5-10min，再在170℃左右温度下高速剪切20min，最后放入170℃-180℃烘箱中发育30min，制备不同掺量的岩沥青改性沥青。步骤(3)所述岩沥青改性沥青试验包括针入度试验、软化点试验、延度试验及动态剪切流变试验、弯曲梁流变试验和“时间-扫描”试验。其中针入度试验、软化点试验、延度试验、动态剪切流变试验、弯曲梁流变试验分别按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程(jtge20-2011)中的操作要求进行，“时间-扫描”试验是借助动态剪切流变仪对直径8mm、厚2mm的圆形改性沥青样品循环施加动态剪切作用，直至试件剪切破坏，得到每次加载循环的g*和δ等参数，试验温度采用20℃，加载频率采用10hz，试验采用经过短期老化后样品，整个试验采用两种加载模式：应力控制和应变控制。步骤(4)中确定布敦岩沥青混合料中灰分在级配中的占比采用以下公式进行计算：式中，mbr为矿料中灰分质量(g)；ms为矿料质量(g)；k为布敦岩沥青中的天然沥青含量(％)；y为不掺布敦岩沥青的沥青混合料最佳油石比(％)。上述占比计算公式推导如下：由步骤(1)可得布敦岩沥青中的天然沥青含量为k，由步骤(2)可得不含岩沥青的沥青混合料最佳油石比为y，则式中，k为布敦岩沥青中的天然沥青含量(％)；y为不掺布敦岩沥青的沥青混合料最佳油石比(％)；mra指的是布敦岩沥青中的沥青组分质量(g)；mbra指的是布敦岩沥青中的灰分物质的质量(g)；ma指基质沥青质量(g)；ms指矿料质量(g)。在对布敦岩沥青混合料进行设计时，根据步骤(3)中确定的天然沥青组分掺配比例，可得mra＝w×ma(式3)式中，w指的是岩沥青中沥青组分的掺配比例(以基质沥青为基数)(％)。则由式2和式3联立相除消去未知数ma，可得式4如下，此外，由式1可知混合料中的灰分质量mbr为为了将灰分纳入级配设计，用于替代部分细集料和矿粉，方便布敦岩沥青混合料级配设计，通过计算确定灰分在级配中的占比为：又由式5可以推导得到则将式7代入式6得到灰分在布敦岩沥青混合料级配中的占比计算公式为：式中，mbr为矿料中灰分质量(g)；ms为矿料质量(g)；k为布敦岩沥青中的天然沥青含量(％)；y为不掺布敦岩沥青的沥青混合料最佳油石比(％)。步骤(5)的合成级配符合设计级配类型的级配上限和级配下限要求；所述步骤(6)采用《公路沥青路面施工技术规范(jtgf40-2004)》中的马歇尔设计方法确定布敦岩沥青混合料的最佳油石比。确定最佳油石比后还对结果进行性能验证，应符合所处地区的性能要求，例如可以采用单轴贯入试验、冻融劈裂试验和低温劈裂试验对布敦岩沥青混合料的高温性能、抗水损坏性能以及低温抗裂性能进行研究。与现有技术相比，本具有以下优点和有益效果：1、本发明的方法是先根据布敦岩沥青中的天然沥青组分对沥青胶结料的影响，计算确定灰分在布敦岩沥青混合料中的级配占比，随后考虑灰分级配特性，将其纳入级配设计过程中确定各类组成材料的配合比，充分考虑了布敦岩沥青的组成成分，同时兼顾了天然沥青组分和灰分对沥青混合料性能的影响，实现了布敦岩沥青混合料设计的精细化，充分发挥布敦岩沥青在沥青混合料中的作用。2、本发明的方法给出了布敦岩沥青混合料中灰分在级配中的占比计算公式，简单实用，相比传统的某一特定掺配比例，可以针对不同的级配类型和不同油石比计算确定不同级配类型的布敦岩沥青掺量，实现了针对不同级配类型不同油石比的精细化设计。3、本发明的方法在确定灰分占比的基础上，根据普通沥青混合料最佳油石比上下浮动，通过马歇尔试验确定布敦岩沥青混合料的最佳油石比，简化了布敦岩沥青混合料的设计过程。4、本发明的方法具有易于实现、简单精细、混合料性能优异等特点，能更好发挥布敦岩沥青在沥青混合料中的作用。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。实施例1本实施例以ac-13布敦岩沥青混合料设计为例。其设计过程主要包括以下步骤：(1)对布敦岩沥青进行取样，然后对试样进行抽提试验，试验测得该布敦岩沥青的沥青含量为24％。针对抽提试验获得的布敦岩沥青灰分物质进行筛分试验，试验结果如表1所示。表1布敦岩沥青抽提后矿物筛分结果筛孔尺寸/mm4.752.361.180.60.30.150.075通过率/％10096.392.583.175.260.150.6(2)将集料、矿粉进行ac-13普通沥青混合料级配设计，合成级配满足《公路沥青路面施工技术规范jtgf40-2004》的级配范围要求。沥青选用70#基质沥青，经测定各项性能指标均满足要求。采用马歇尔试验方法确定不掺岩沥青的普通沥青混合料最佳油石比为4.9％。(3)通过岩沥青改性沥青试验确定岩沥青中沥青组分的掺配比例为基质沥青的15％；(4)根据步骤(1)～(3)试验结果以及式8可以计算得到bra混合料中灰分在级配中的占比约为2％。(5)根据步骤(4)确定的灰分占比，对细集料和矿粉的占比进行微调，最终确定ac-13布敦岩沥青混合料的级配配比为：10-15：5-10：3-5：0-3：矿粉：灰分＝49：17：5：26：1：2。ac-13布敦岩沥青混合料级配合成结果如表2所示。表2ac-13布敦岩沥青混合料设计级配(6)按照4.0、4.3、4.6、4.9、5.2这五个油石比进行马歇尔试件成型，每组成型四个。马歇尔试验结果如表3所示。表3ac-13布敦岩沥青混合料马歇尔试验结果参考我国《公路沥青路面施工技术规范(jtgf40-2004)》中的计算方法确定布敦岩沥青混合料的最佳油石比为4.7％，再次通过马歇尔试验进行验证，结果如表4所示。由此可知：由马歇尔设计方法确定的布敦岩沥青混合料70#基质沥青最佳油石比为4.7％。表4ac-13马氏成型最佳油石比验证(7)为上述ac-13布敦岩沥青混合料设计结果进行性能验证，采用单轴贯入试验、冻融劈裂试验和低温劈裂试验对布敦岩沥青混合料的高温性能、抗水损坏性能以及低温抗裂性能进行研究，并与普通沥青混合料进行对比。试验结果如表5所示，可以看出布敦岩沥青的加入可以一定程度提高沥青混合料的动稳定度、tsr和低温劈裂抗拉强度。表5ac-13布敦岩沥青混合料性能试验结果指标布敦岩沥青混合料普通70号沥青混合料动稳定度/次·mm-144783056tsr/％86.675.3低温劈裂抗拉强度/mpa2.4612.411实施例2本实施例以ac-20布敦岩沥青混合料设计为例。其设计过程主要包括以下步骤：(1)对布敦岩沥青进行取样，然后对试样进行抽提试验，试验测得该布敦岩沥青的沥青含量为25％。针对抽提试验获得的布敦岩沥青灰分物质进行筛分试验，试验结果如表6所示。表6布敦岩沥青抽提后矿物筛分结果筛孔尺寸/mm4.752.361.180.60.30.150.075通过率/％10010010090.582.970.254.0(2)将集料、矿粉进行ac-20普通沥青混合料级配设计，合成级配满足《公路沥青路面施工技术规范jtgf40-2004》的级配范围要求。沥青选用70#基质沥青，经测定各项性能指标均满足要求。采用马歇尔试验方法确定不掺岩沥青的普通沥青混合料最佳油石比为4.8％。(3)通过岩沥青改性沥青试验确定岩沥青中沥青组分的掺配比例为基质沥青的15％；(4)根据步骤(1)～(3)试验结果以及式8可以计算得到bra混合料中灰分在级配中的占比约为2％。(5)根据步骤(4)确定的灰分占比，对细集料和矿粉的占比进行微调，最终确定ac-20布敦岩沥青混合料的级配配比为：15-22：10-15：5-10：0-5：矿粉：灰分＝20：28：17：29：4：2。ac-20布敦岩沥青混合料级配合成结果如表7所示。表7ac-20布敦岩沥青设计级配(6)按照4.2％、4.5％、4.8％三个油石比进行马歇尔试件成型，每组成型四个。马歇尔试验结果如表8所示。最终确定ac-20布敦岩沥青混合料的最佳基质沥青油石比为4.5％。表8ac-13布敦岩沥青混合料马歇尔试验结果(7)为上述ac-20布敦岩沥青混合料设计结果进行性能验证，采用单轴贯入试验、冻融劈裂试验和低温劈裂试验对布敦岩沥青混合料的高温性能、抗水损坏性能以及低温抗裂性能进行研究，并与普通沥青混合料进行对比。试验结果如表9所示，可以看出布敦岩沥青的加入可以一定程度提高沥青混合料的动稳定度、tsr和低温劈裂抗拉强度。表9ac-20布敦岩沥青混合料性能试验结果指标布敦岩沥青混合料普通70号沥青混合料抗剪强度(mpa)1.1520.973tsr/％91.484.8低温劈裂抗拉强度/mpa4.203.62实施例3一种精细化设计布敦岩沥青混合料的方法，采用以下步骤：(1)测定布敦岩沥青的沥青含量、灰分含量和灰分级配，其中纯沥青和灰分含量需要采用三氯乙烯抽提试验获得，灰分级配参考《公路工程集料试验规程(jtge42-2005)》中的细集料筛分试验方法进行测定；(2)参考《公路沥青路面施工技术规范(jtgf40-2004)》中的马歇尔设计方法设计得到不含布敦岩沥青的沥青混合料；(3)根据岩沥青改性沥青试验确定岩沥青中沥青组分的掺配比例，具体来说，将抽提回收得到的沥青组分(ra)按照相应比例加入到135℃的基质沥青中手动搅拌5-10min，再在170℃左右温度下高速剪切20min，最后放入170℃-180℃烘箱中发育30min，制备不同掺量的岩沥青改性沥青，岩沥青改性沥青试验包括针入度试验、软化点试验、延度试验及动态剪切流变试验、弯曲梁流变试验和“时间-扫描”试验。其中针入度试验、软化点试验、延度试验、动态剪切流变试验、弯曲梁流变试验分别按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程(jtge20-2011)中的操作要求进行，“时间-扫描”试验是借助动态剪切流变仪对直径8mm、厚2mm的圆形改性沥青样品循环施加动态剪切作用，直至试件剪切破坏，得到每次加载循环的g*和δ等参数，试验温度采用20℃，加载频率采用10hz，试验采用经过短期老化后样品，整个试验采用两种加载模式：应力控制和应变控制；(4)根据(1)～(3)的试验结果，计算确定布敦岩沥青混合料中灰分在级配中的占比，采用以下公式进行计算：式中，mbr为矿料中灰分质量(g)；ms为矿料质量(g)；k为布敦岩沥青中的天然沥青含量(％)；y为不掺布敦岩沥青的沥青混合料最佳油石比(％)。上述占比计算公式推导如下：由步骤(1)可得布敦岩沥青中的天然沥青含量为k，由步骤(2)可得不含岩沥青的沥青混合料最佳油石比为y，则式中，k为布敦岩沥青中的天然沥青含量(％)；y为不掺布敦岩沥青的沥青混合料最佳油石比(％)；mra指的是布敦岩沥青中的沥青组分质量(g)；mbra指的是布敦岩沥青中的灰分物质的质量(g)；ma指基质沥青质量(g)；ms指矿料质量(g)。在对布敦岩沥青混合料进行设计时，根据步骤(3)中确定的天然沥青组分掺配比例，可得mra＝w×ma(式3)式中，w指的是岩沥青中沥青组分的掺配比例(以基质沥青为基数)(％)。则由式2和式3联立相除消去未知数ma，可得式4如下，此外，由式1可知混合料中的灰分质量mbr为为了将灰分纳入级配设计，用于替代部分细集料和矿粉，方便布敦岩沥青混合料级配设计，通过计算确定灰分在级配中的占比为：又由式5可以推导得到则将式7代入式6得到灰分在布敦岩沥青混合料级配中的占比计算公式为：式中，mbr为矿料中灰分质量(g)；ms为矿料质量(g)；k为布敦岩沥青中的天然沥青含量(％)；y为不掺布敦岩沥青的沥青混合料最佳油石比(％)；(5)根据(4)计算确定的结果，调整细集料和矿粉在级配中的占比；(6)根据(5)的结果，按普通沥青混合料原油石比±0.3％间隔变化，采用马歇尔设计方法确定布敦岩沥青混合料的最佳油石比。确定最佳油石比后还对结果进行性能验证，应符合所处地区的性能要求，例如可以采用单轴贯入试验、冻融劈裂试验和低温劈裂试验对布敦岩沥青混合料的高温性能、抗水损坏性能以及低温抗裂性能进行研究。以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。当前第1页12