多种来源旧沥青路面材料的分类方法及分类系统

1.本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种降低不同来源旧沥青路面材料差异性的方法。


背景技术：

2.随着国内经济的发展、交通运输负荷的增加，对高等级沥青混凝土路面的要求越来越高。一方面很多新的沥青路面仍在建设，造成原材料资源日益紧张；另一方面大量旧沥青路面的改造，造成资源浪费、环境污染。因而沥青混凝土再生技术大规模的推广应用，是实现循环经济、走可持续发展之路的必然选择，无论是从矿产资源的角度看，还是从环保的角度看，目前对沥青混凝土再生技术及使用经济性研究在我国都应该得到重视和发展。
3.再生沥青混合料是指将旧沥青路面材料和新集料、新沥青拌和而成的沥青混合料。工程实践中，沥青路面养护工程往往需要将一部分路段的沥青路面铣刨，再利用其制备再生沥青混合料。然而，沥青路面经过多年使用，不同路段的养护历史、养护材料、养护手段不同，再考虑到公路新建时可能由不同的施工方使用不同的材料修筑，因此即使同一条公路不同路段获取的旧沥青路面材料，其材料特性也差别较大。由于再生沥青混合料的配合比一旦经试验确定，则在施工中不宜大幅对其变动。然而，由于使用了材料性能区别较大的旧沥青混合料，所生产的再生混合料的沥青含量和矿料级配处于波动中，这种波动往往会导致再生沥青混合料不合格。


技术实现要素：

4.为此本发明旨在通过从源头对旧沥青混合料按照其材料特性进行分类，使得分类后某一类内的旧沥青混合料具有高度相似的材料特性，当使用同一类旧沥青混合料时，再生沥青混合料的材料组成可保持稳定。
5.基于此，本发明提供的多种来源的旧沥青路面材料分类方法包括：
6.(1)对多种来源的旧沥青路面材料进行采样；
7.(2)计算各样品中沥青含量，并获取各样品中的矿料级配，测量各样品的回收沥青针入度；
8.(3)采用弗雷歇相似度对各样品的矿料级配进行表征，得到各样品的矿料集配弗雷歇相似度：
9.(3.1)计算曲线p与曲线p
′
上任意两点间的距离，构建距离矩阵d，
[0010][0011]
其中，
[0012]
p和p
′
分别为某种旧沥青混合料的级配曲线和级配中值曲线；
[0013]
p＝{p(1),p(2),
…
,p(n),
…
,p(n)}，p(n)＝(x
n
,y
n
)，x
n
是第n个筛网的允许通过粒径，单位为mm；y
n
是第n个筛网上的通过百分率；
[0014]
p
′
＝{p
′
(1),p
′
(2),
…
,p
′
(m),
…
,p
′
(n)}，p
′
(m)＝x
′
m
,y
′
m
)，x
′
m
是第m个筛网的允许通过粒径，mm；y
′
m
是第m个筛网上的通过百分率；
[0015]
1≤n≤n，1≤m≤n，n为该旧沥青混合料中矿料级配获取是所用的筛网总个数；
[0016]
表示p
′
曲线上的第m个点距曲线p第n个点的距离；
[0017]
(3.2)对目标距离f进行初始化，初始化后的f＝d
min
，d
min
为距离矩阵d中的最小距离；
[0018]
(3.3)将距离矩阵d进行二值化，得到二值化矩阵d’,
[0019]
其中，
[0020]
(3.4)在二值矩阵d’中寻找一条路径r满足以下条件：该路径r中的元素构成元素d
′
11
与元素d
′
nn
之间的连续曲线或直线，并且路径r上的元素取值均为1；若未找到满足条件的路径，则f＝f+r，d
max
为距离矩阵d中的最大距离，执行(3)、(4)，直至找到满足条件的路径，得到曲线p与曲线p
′
的弗雷歇距离f为当前f，弗雷歇相似度s＝1/f；
[0021]
(4)以各样品的的回收沥青针入度、沥青含量、矿料集配弗雷歇相似度为聚类成员，通过k
‑
means进行聚类分析，将具有相似材料特点的旧沥青路面材料合并为一类。
[0022]
有些方案中，所述多种来源的旧沥青路面材料具有相同的最大公称粒径。
[0023]
可选的，所述采样包括：
[0024]
s1,对不同旧沥青路面材料的来源进行调查，明确路段和层位，并对其编号、取样；
[0025]
s2,在不同路段上进行多层位、多位点钻芯取样；
[0026]
s3,将同一路段上的同一层位归为同一种来源。
[0027]
优选的，步骤(4)中对属于同一旧沥青路面不同路段同一层位的多种来源样品进行聚类分析。
[0028]
同时，本发明提供了多种来源的旧沥青路面材料分类系统。所提供的系统包括数据采集模块、矿料集配处理模块和分类模块；
[0029]
所述数据采用模块用于采集或录入不同来源旧沥青路面材料的沥青含量、矿料级配和回收沥青针入度；同时生成各种来源旧沥青路面材料的级配曲线和级配中值曲线；
[0030]
矿料集配处理模块采用弗雷歇相似度对各样品的矿料级配进行表征，得到各样品的矿料集配弗雷歇相似度；
[0031]
所述分类模块用于以各样品的的回收沥青针入度、沥青含量、矿料集配弗雷歇相似度为聚类成员，通过k
‑
means进行聚类分析，将具有相似材料特点的旧沥青路面材料合并为一类。
[0032]
本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0033]
1)本发明所涉及的一种降低不同来源旧沥青路面材料差异性的方法与当前主流
的对旧沥青混合料进行破碎、筛分的方法相比，不需要额外的设备，实施成本低。
[0034]
2)本发明所涉及的一种降低不同来源旧沥青路面材料差异性的方法对提高再生沥青混合料中旧沥青混合料的掺量具有重要作用。
附图说明
[0035]
图1为本发明实施例1中不同来源的上面层旧沥青混合料矿料级配曲线；
[0036]
图2位本发明实施例1中不同来源的中面层旧沥青混合料矿料级配曲线；图1和图2中的级配中值曲线是由《公路沥青路面施工技术规范》(jtg
‑
f40
‑
2004)规定的固定曲线；
[0037]
图3为本发明实施例1中上面层旧沥青混合料来源的分类结果；
[0038]
图4为本发明实施例1中中面层旧沥青混合料来源的分类结果。
[0039]
图5位本发明实施例1中上面层弗雷歇相似度聚类结果；
[0040]
图6为本发明实施例1中中面层弗雷歇相似度聚类结果；
[0041]
图7为本发明实施例1中上面层旧沥青混合料级配曲线的分类结果；
[0042]
图8为本发明实施例1中上面层旧沥青混合料级配曲线的分类结果；
具体实施方式
[0043]
本发明所述的多种不同来源的旧沥青路面材料是指来自同一公路不同路段上的旧沥青路面材料或者来自不同公路上的旧沥青路面材料，例如，养护工程涉及的路面可能长约二三十公里，但其中需要铣刨的路段可能只有三四公里，但这三四公里并不是连续的，它们可能是有十几段路段组成的，相应的也就有十几种不同来源的。除此以外，不同来源还可以是不同路面、不同路段的不同层位，如某某公路、某某路段的上面层、中面层或下面层。本发明至少需要5个来源以上才能进行聚类分析。
[0044]
本发明所述的采样是指在各种旧沥青路面材料中随机取适量的样品，也指在相应路段进行取样，在路段进行取样时可采用但不限于钻心取样，钻芯取样时进行多位点采样，且各位点间距应合理，确保采样均匀。进一步更加科学的采样方式是，在采样前对旧沥青路面路面进行调查分析，明确哪些路段的哪些层位需要进行铣刨处理，以明确旧沥青路面材料的来源。在此基础上，记录各个来源路段的起始桩号等信息。
[0045]
需要说明的是，选用钻芯机从路面钻取样是可以采集路面旧沥青混合料样品，钻芯的深度难以控制，所以一般是将整个面层(包含上、中下三层)全部钻下来，当仅需要其中一层或两层(如只需要上、中两层)时，所需层与其他层或彼此之间被沥青粘住很难分离，所以需要将其分离(如使用切割机从粘结部位切开)，获取各层的沥青混合料；接着，将同一层的多个芯样的旧沥青混合料加热放在一起加热并搅拌，其原因在于，由单一样品测取的结果是有离散性的，将多个杨平混合以后可以消减这种离散性。加热是为了让沥青混合料变得松软，方便搅拌。
[0046]
本发明方法中所述的沥青含量计算方法、针入度测量方法、及矿料级配的获取方法可采用已有或可获取相关指标的方法。例如：
[0047]
沥青含量计算方法可采用但不限于抽提试验，具体将旧沥青混合料浸泡在三氯乙烯溶液中，将旧沥青从旧沥青路面材料中分离；再通过旋转蒸发法去除三氯乙烯溶液，称量
回收的旧沥青的质量m
b
，利用式1计算旧路面材料中的沥青含量c，％：
[0048]
矿料级配获取方法可采用但不限于筛分法，所用筛网根据相应规范选择。对于未知来源、未知级配的样品，一般可以从选用“0.075mm、0.15mm、0.3mm、0.6mm、1.18mm、2.36mm、4.75mm、9.6mm、13.2mm、16mm”10个筛网起进行筛分，根据材料筛分情况依据规范加相应规格筛网，例如接下来可再用19mm进行筛分，直至所用最大尺寸上的筛网上的筛余为0，得到相应样品的矿料级配，即n的取值取决于旧沥青混合料的最大公称粒径，不同最大公称粒径下旧沥青混合料筛网个数n的取值如表1所示。所述级配中值曲线是由相关标准或规范中规定的固定曲线，如《公路沥青路面施工技术规范》(jtg
‑
f40
‑
2004)规定的固定曲线。
[0049]
表1不同最大公称粒径下旧沥青混合料筛网个数n的取值
[0050]
最大公称粒径/mm9.613.2161926.531.5n的取值范围8910111213
[0051]
针入度的测量方法可采用但不限于针入度(25℃，5s，100g)测量方法。
[0052]
本发明所述的满足条件的连续曲线或连读直线中的“连续”是指，r＝(d
′
11
,
…
,d
′
mn
,d
′
(m+k)(n+k
′
)
…
,d
′
nn
)，使得d
′
11
·
…
·
d
′
mn
·
d
′
(m+k)(n+k
′
)
·
…
·
d
′
nn
＝1，式中，1≤m≤n,1≤n≤n,1≤m+k≤n,1≤n+k≤n,k＝(0,1),k
′
＝(0,1)，也就是说，路径通过点d
′
mn
后，其下一个通过点只能是d
′
(m+1)(n+1)
、d
′
(m+1)n
和d
′
m(n+1)
中的一个。
[0053]
本发明所述的沥青混合料类型是基于其最大工程粒径来确定的，同一类型是指，旧沥青路面材料具有相同的最大公称粒径。例如ac
‑
16型沥青混合料，其最大公称粒径为19mm；ac
‑
20型沥青混合料，其最大公称粒径为26.5mm，。
[0054]
本发明的分类方法可通过计算机软件实现。
[0055]
实施例1：
[0056]
该实施例的多种旧沥青路面材料来源于同一条公路，所涉及的高速公路旧沥青路面修建于2004年，在过去十余年中经历了8次中、小修工程，路面养护所采用的材料涉及微表处混合料、稀浆封层混合料、热拌沥青混合料用于局部挖补、热沥青灌缝等处治手段。
[0057]
(1)采样：
[0058]
s1、路面调查：原有旧沥青路面的路面结构为4cmac
‑
16密集配热拌沥青混合料上面层+6cmac
‑
20密集配热拌沥青混合料中面层+8cmac
‑
20密集配热拌沥青混合料下面层。根据大修养护设计方案，将旧沥青路面的上面层、中面层分层铣刨，以对应及配类型的传统热拌沥青混合料填补；铣刨获得的旧沥青混合料用于生产再生沥青混合料供其它路段养护使用。
[0059]
设计图纸表明，该高速公路沥青路面共有16段被设计为上、中面层分层铣刨，作为旧沥青混合料来源，其位置见表2，为区别同一旧沥青路面材料来源中的上面层和中面层旧沥青混合料，其中a代表上面层、b代表中面层。
[0060]
表2旧沥青路面材料来源概况
[0061][0062]
s2、取样。该实施例在上述16个旧沥青路面材料来源上进行钻芯取样，钻芯厚度为贯穿整个沥青路面面层(上、中、下面层)，取样位置位于紧急停车带，每个旧沥青路面材料来源取芯数量为6个，每个芯样的间距为8m，共取得芯样96个，记录取芯位置的里程桩号作为芯样编号。
[0063]
s3、提取目标层位的旧沥青混合料。该实施例使用切割机，将上述96个芯样的上、中、下面层分离，丢弃下面层沥青混合料，保留上、中面层沥青混合料，分别得到96个上面层芯样和96个中面层芯样；将同一来源路段的6个上面层置入120℃烘箱加热1h使其松散，再将其通过沥青混合料拌和机搅拌3min使其均匀，称量其质量m
a
；对所有来源路段的上、中面层芯样执行相同操作，结果如表3所示。
[0064]
表3分离自芯样的不同来源的上、中面层沥青混合料质量
[0065]
来源(路段)编号上面层沥青混合料质量m
a
/g中面层沥青混合料质量m
a
/g12360.23430.322309.23473.232414.13349.242406.73300.452444.63348.962397.53407.472409.53256.682324.33286.192334.43442.3102331.53287.4112423.93381.7
122405.13286.1132312.13443.5142370.53360.5152439.73284.3162386.43392.5
[0066]
(2)计算各样品中沥青含量，并获取各样品中的矿料级配，测量各样品的回收沥青针入度；
[0067]
s4、计算旧沥青混合料的沥青含量。该实施例具体采用抽提试验，分别将上、中面层的旧沥青混合料浸泡在三氯乙烯溶液中，将旧沥青从旧沥青路面材料中分离；再通过旋转蒸发法去除三氯乙烯溶液，称量回收的旧沥青的质量m
b
，g，利用式1计算旧路面材料中的沥青含量，求取来源的旧沥青混合料的沥青含量，记为c，％，上、中面层旧沥青混合料中的沥青质量及沥青含量结果见表4。
[0068]
表4不同来源的上、中面层沥青混合料的沥青质量和沥青含量
[0069][0070][0071]
s5、测试各样品的回收沥青老化程度，即针入度。该实施例具体采用沥青针入度测定仪测取回收沥青的针入度，测试结果见表5。
[0072]
表5不同来源的上、中面层沥青混合料中回收沥青的针入度
[0073][0074]
s6、获取各样品的矿料级配。该实施例具体是将上述旧沥青混合料进行筛分，得到所有不同来源旧沥青混合料上面层和中面层的矿料级配，结果分别见表6、表7，分别如图1和图2所示。
[0075]
其中，对上面层沥青混合料，n＝11，相应筛网为：0.075mm、0.15mm、0.3mm、0.6mm、1.18mm、2.36mm、4.75mm、9.6mm、13.2mm、16mm、19mm。
[0076]
对中面层沥青混合料，n＝12，相应筛网为：0.075mm、0.15mm、0.3mm、0.6mm、1.18mm、2.36mm、4.75mm、9.6mm、13.2mm、16mm、19mm、26.5mm。
[0077]
[0078][0079]
(3)通过弗雷歇距离理论，采用本发明的方法将各样品的级配曲线简化为与对应级配中值曲线的相似度s，无量纲。计算方法采用本发明方法进行，也可通过计算机计算，结
果见表8。
[0080]
表8不同路段来源的上、中面层沥青混合料矿料级配的弗雷歇相似度
[0081][0082]
(4)聚类分析：对不同路段来源同一层位上的沥青混合料的沥青含量c、回收沥青针入度p、弗雷歇相似度s进行聚类分析，通过k
‑
means进行聚类分析。将不同来源的旧沥青路面材料按照上述材料特点进行分类。聚类信息见表9，聚类结果见表10。为便于观察，将聚类结果绘制在雷达图中，结果如图3、图4所示。观察图3、图4可见，被分在同一类的旧沥青路面材料具有相近的材料特点，经过本发明提出的方法对旧沥青路面材料进行分类，可将性质相似的旧沥青混合料来源归为一类，有效的降低了旧沥青混合料来源的变异性。
[0083]
表9聚类信息
[0084][0085]
表10聚类结果
[0086][0087]
同时，为评估弗雷歇相似度是否能够将不同来源的旧沥青混合料按照其特性进行分类，发明人按照表10中的聚类结果绘制散点图，结果如图5、图6所示。可见，同一类中的弗雷歇相似度非常接近，表明聚类效果良好。此外，为核实被分在同一类的旧沥青混合料级配曲线是否具有高度的相似性，将在表10中被分为同一类的级配曲线绘制在同一坐标内，观察级配曲线是否高度重合，结果见表7、表8。可见，被分在同一类的级配曲线重合度很高，表明分类结果理想。