一种就地热再生沥青混合料配合比设计方法与流程

1.本发明属于沥青路面材料的热再生技术领域，具体涉及一种就地热再生沥青混合料配合比设计方法。


背景技术：

2.随着经济的快速发展，交通通行需求的不断加剧，公路事业正从建设为主向养护为主逐渐过度。根据调查，高等级路面主要以沥青路面为主，占比达到90％以上。沥青路面在使用过程中常会受到交通荷载、大气温度、湿度等因素的综合影响，导致沥青路面使用性能劣化，使沥青路面在服役期间需要辅以一定沥青路面养护技术来保障路面的使用性能以及驾乘人员的行车舒适性及安全性。
3.受到节能减排政策的收紧，交通运输领域尤其是公路建设与养护领域的能耗与碳排放控制正受到关注。因此，为充分实现“碳达峰”以及“碳中和”的发展目标，有必要在公路建设与养护领域充分利用传统建设与养护技术中产生的废料。一般，沥青路面养护过程中常产生原路面沥青混合料回收料(rap)，传统铣刨重铺养护技术产生的rap通常采用废弃堆放的方式，严重占用土地资源以及污染水资源，造成rap中残留沥青及矿料资源的浪费。
4.根据现有文献1(仰建岗,姚玉权,孙晨.不同工况对就地热再生沥青混合料性能的影响[j].公路交通科技,2019,36(10):14-24.)报道，沥青路面就地热再生技术可以100％利用原路面rap，有效的修复沥青路面表面功能性能病害，具有施工速度快，交通影响小，经济效益高的优点。然而，当长距离采用就地热再生技术进行施工时，原路面rap受原始施工标段材料组成差异性，交通荷载、交通量、环境条件等差异，导致原路面rap出现较大的变异性。因此，在设计就地热再生沥青混合料配合比过程中，有必要考虑不同施工区间原路面rap的变异性、现场复拌得到的再生沥青混合料配合比是否满足jtg/t 5521-2019《公路沥青路面再生技术规范》中的控制要求以及jtg f40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中沥青混合料的性能要求。
[0005]
目前，关于就地热再生配合比设计流程方面，中华人民共和国行业推荐性标准jtg/t 5521-2019《公路沥青路面再生技术规范》中分别从原路面评价、旧沥青混合料取样与评价、就地热再生方案设计包括就沥青再生以及再生沥青混合料级配设计、再生沥青混合料最佳沥青用量确定、再生沥青混合料性能检验、铺筑试验段等步骤进行再生沥青混合料配合比设计。专利《就地热再生复拌配合比确定方法》(cn 110261587 a)报道了通过采集旧沥青混合料样本，测试旧沥青混合料的性能确定最佳再生剂掺配比、目标配合比等，并利用试验样本拌制再生沥青混合料，确定复拌再生沥青混合料新沥青与新集料的比例、最佳新沥青混合料与旧路面的比例。专利《一种复拌型就地热再生沥青混合料配合比设计方法》(cn 111916158 a)从施工路面采样得到旧沥青回收料，通过确定再生剂的再生剂掺配比例，确定新集料掺配比例和旧沥青回收料掺配比例，确定再生沥青混合料的最佳沥青用量，确定新沥青混合料的沥青用量，确定最佳新沥青用量的步骤来最终确定再生沥青混合料的配合比。然而，现有报道尚未考虑养护路段rap分布以及材料组成变异性方面形成就地热再
生沥青混合料配合比设计成套方法。
[0006]
因此，从保障就地热再生施工过程中再生沥青混合料性能稳定性方面以及再生沥青混合料配合比设计满足jtg f40-2004《公路沥青路面施工技术规范》要求方面，有必要形成一种就地热再生沥青混合料配合比设计方法。


技术实现要素：

[0007]
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种就地热再生沥青混合料配合比设计方法，在设计阶段充分考虑了就地热再生施工过程中可能面临的原路面材料组成变异性的问题，并从保障就地热再生沥青混合料施工质量的角度提出了就地热再生沥青混合料配合比设计方法，精细化设计就地热再生施工过程中的材料组成，确保就地热再生施工质量。
[0008]
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：
[0009]
一种就地热再生沥青混合料配合比设计方法，包括：
[0010]
对原路面基本状况进行评估，所述原路面基本状况包括原路面结构与材料状况、原路面养护历史状况和原路面车辙病害断面分布状况；
[0011]
对不同路段原路面rap性能进行评估，所述原路面rap性能包括原路面rap中的矿料级配、原路面rap中的老化沥青含量、原路面rap中的老化沥青针入度；
[0012]
利用所述原路面rap中的老化沥青含量以及所述原路面rap中的老化沥青针入度的评估结果，判断所述原路面rap是否能采用就地热再生技术进行施工；
[0013]
若所述原路面rap能采用就地热再生技术进行施工，则根据所述原路面结构与材料状况、所述原路面养护历史状况和所述原路面车辙病害断面分布状况划分养护路段施工单元；
[0014]
根据所述原路面rap中的老化沥青针入度指标，采用老化沥青针入度指标是否恢复至新沥青标准确定再生剂用量；
[0015]
根据所述原路面车辙病害断面分布状况评估结果，确定设计再生沥青混合料中外加新沥青混合料与所述原路面rap的比例；
[0016]
根据所述外加新沥青混合料与所述原路面rap的比例，结合rap矿料级配，初步计算再生沥青混合料矿料级配的波动范围，并与设计再生沥青混合料矿料级配允许波动范围比较，根据比较结果分析不同筛孔通过率偏差是否满足要求；
[0017]
若满足要求时，确定设计再生沥青混合料矿料级配数量与设计矿料级配；
[0018]
若不满足要求时，针对rap矿料级配进行归类，采用fr
é
chet相似度定量表示不同路段原路面rap的矿料级配，并采用聚类分析法对原路面rap的矿料级配聚类为2类以上，并检验归类后不同分类rap矿料级配波动范围是否满足不同筛孔通过率偏差要求，确定再生沥青混合料矿料级配设计数量；
[0019]
根据归类后不同组原路面rap的矿料级配，计算不同组原路面rap的矿料级配通过率的平均值，并采用不同组所述外加新沥青混合料与所述原路面rap的比例的平均值，确定再生沥青混合料的矿料级配；
[0020]
根据所述再生沥青混合料的矿料级配、不同组所述原路面rap的矿料级配、不同组所述外加新沥青混合料与所述原路面rap的比例，确定不同组外加新沥青混合料的矿料级配；
[0021]
根据所述不同组外加新沥青混合料矿料级配，计算不同组中所有外加新沥青混合料矿料级配通过率的平均值，并结合不同组原路面rap的矿料级配、不同组外加新沥青混合料与所述原路面rap的比例，计算不同组中所有再生沥青混合料的矿料级配；
[0022]
将不同组中所有再生沥青混合料的矿料级配与设计再生沥青混合料的矿料级配进行比较，根据比较结果分析不同筛孔通过率偏差是否满足要求；
[0023]
若满足要求时，确定外加新沥青混合料的矿料级配；外加新沥青混合料的矿料级配主要用于弥补原路面rap的矿料级配中不足的筛孔通过率比例，设计的外加新沥青混合料矿料级配可不满足jtg f40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中特征级配的上下限要求；
[0024]
若不满足要求时，针对不同组所有外加新沥青混合料矿料级配进行归类，采用fr
é
chet相似度定量表示不同组所有外加新沥青混合料矿料级配，并采用高聚类分析法对不同组所有外加新沥青混合料矿料级配聚类为2类以上，根据聚类后的不同组外加新沥青混合料矿料级配计算矿料级配通过率的平均值，并采用不同组外加新沥青混合料与所述原路面rap的比例，计算再生沥青混合料的矿料级；
[0025]
将聚类后不同组中所有再生沥青混合料的矿料级配与设计再生沥青混合料矿料级配进行比较，根据比较结果分析不同筛孔通过率偏差是否满足要求；
[0026]
若满足要求时，确定外加新沥青混合料的矿料级配；
[0027]
若不满足要求时，增加聚类分组数量进行重新计算，直到筛孔通过率偏差计算结果满足要求为止；
[0028]
根据所述再生沥青混合料的矿料级配、不同组原路面rap沥青含量平均值或聚类分组后不同组原路面rap沥青含量平均值、不同组外加新沥青混合料与所述原路面rap的比例的平均值或聚类分组后不同组外加新沥青混合料与所述原路面rap的比例的平均值以及外加新沥青混合料的矿料级配，确定再生沥青混合料的沥青预估油石比；
[0029]
根据所述再生沥青混合料的预估油石比，分别制作不同油石比的再生沥青混合料马歇尔试件，并测试马歇尔试件的毛体积密度、空隙率、矿料间隙率、有效沥青饱和度、稳定度和流值指标，确定再生沥青混合料的最佳油石比；
[0030]
根据再生沥青混合料的最佳油石比，分别采用车辙试验、低温弯曲试验、冻融劈裂试验分析再生沥青混合料路用性能；
[0031]
根据再生沥青混合料路用性能试验结果，判断是否满足预设性能要求；若满足性能要求，说明设计的再生沥青混合料级配与最佳沥青含量可行，否则重新确定再生沥青混合料级配并相应重新确定外加新沥青混合料级配；
[0032]
根据所述路用性能满足规范要求的再生沥青混合料最佳油石比、不同组外加新沥青混合料与所述原路面rap的比例的平均值或聚类分组后不同组外加新沥青混合料与所述原路面rap的比例的平均值，确定外加新沥青的最大使用质量及其在新沥青混合料中与新矿料的质量比；
[0033]
根据所述外加新沥青的最大使用质量及其在新沥青混合料中与新矿料的质量比，采用析漏试验确定外加新沥青混合料中新沥青与新矿料的最佳质量比，且质量比小于外加新沥青与新矿料的最大质量比；
[0034]
根据所述外加新沥青混合料中新沥青与新矿料的最佳质量比、再生沥青混合料最
佳油石比、再生剂最佳添加比例计算施工过程中外加新沥青质量；
[0035]
根据所述外加新沥青混合料中新沥青与新矿料的最佳质量比、再生沥青混合料最佳油石比以及外加新沥青质量，铺筑试验段，测试现场再生沥青的技术指标、马歇尔稳定度、再生沥青混合料级配及级配偏差、高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性，判断是否满足设计要求；
[0036]
根据所述现场指标测试结果是否满足设计要求，确定再生沥青混合料设计配合比，主要包括再生沥青混合料的级配、最佳沥青含量、再生剂用量、外加新沥青混合料的级配与最佳油石比以及现场外加新沥青质量；
[0037]
若不满足设计要求，则相应调整再生沥青混合料矿料级配，并重新确定外加新沥青混合料矿料级配及其最佳油石比，以及现场外加新沥青质量。
[0038]
进一步地，所述根据老化沥青针入度指标是否恢复至新沥青标准确定再生剂用量，具体如下：
[0039]
采用不同老化沥青质量比的再生剂，将不同用量的再生剂添加至老化沥青中均匀拌和，检测拌和后含再生剂的老化沥青针入度，并以25℃针入度恢复至原生沥青标准为控制目标确定再生剂用量。
[0040]
进一步地，所述采用fr
é
chet相似度定量表示不同路段原路面rap的矿料级配，具体包括：
[0041]
步骤一：构建l与l
′
上任意两点之间的距离矩阵d；
[0042]
其中，曲线l＝{l(1),l(2),...,l(n),...,l(n)}，l(n)＝(xn,yn)，xn表示第n个筛孔通过的集料粒径，mm；yn表示第n个筛孔上集料通过百分率，％；级配曲线l
′
＝{l
′
(1),l
′
(2),...,l
′
(m),...,l
′
(m)}，l
′
(m)＝(x
′m,y
′m)，x
′m表示第n个筛孔通过的集料粒径，mm；y
′m表示第n个筛孔上集料通过百分率，％；
[0043][0044]
式中：表示级配曲线l
′
上第m个点与曲线l上第n个点之间的距离；1≤n≤n，1≤m≤m，n与m表示不同级配曲线筛分矿料过程中所用筛网的总数；
[0045]
步骤二：初始化目标距离f；
[0046]
计算矩阵d中的最长距离d
max
＝max(d)以及最短距离d
min
＝min(d)，并采用d
min
表示初始化后的目标距离f；
[0047]
步骤三：矩阵d二值化处理；
[0048]
将矩阵d二值化处理，得到d
′
；
[0049]
[0050]
式中：
[0051]
步骤四：计算fr
é
chet相似度；
[0052]
在二值化矩阵d
′
中寻找一条路径r，该路径r中的元素满足构成元素d
′
11
与元素d
′
mn
之间的连续直线或曲线，并且路径r上的元素取值均为1，计算得到fr
é
chet距离f，而fr
é
chet相似度s＝1/f；此外，当路径r不满足筛选条件时，初始化目标距离f
′
＝f r，并采用f
′
进行步骤三和步骤四计算，直至找出满足条件的路径
[0053][0054]
进一步地，所述根据所述原路面车辙病害断面分布状况评估结果，确定外加新沥青混合料与所述原路面rap的比例，具体采用如下公式：
[0055]
a＝0.0335m2 4.35 2.5h
[0056]
式中：m为车辙深度，mm；h为路面标高提高值，mm，一般取2mm。
[0057]
进一步地，所述根据所述再生沥青混合料的预估油石比，分别制作不同油石比的再生沥青混合料马歇尔试件，具体如下：
[0058]
以所述再生沥青混合料的预估油石比作为中值，采用0.5％作为等差间距设计5组再生沥青混合料油石比，并根据外加新沥青混合料与所述原路面rap的比例，制备再生沥青混合料并成型马歇尔试件。
[0059]
进一步地，所述测试马歇尔试件的毛体积密度、空隙率、矿料间隙率、有效沥青饱和度、稳定度和流值指标，确定再生沥青混合料的最佳油石比，具体如下：
[0060]
根据不同油石比的再生沥青混合料马歇尔试件的测试结果，确定不同油石比的再生沥青混合料马歇尔试件毛体积密度的最大值对应的油石比作为第一沥青用量，稳定度的最大值对应的油石比作为第二沥青用量，空隙率对应的油石比作为第三沥青用量，有效沥青饱和度中值对应的油石比作为第四沥青用量，各项指标均符合技术标准的油石比的最大与最小值，所述各项指标不含矿料间隙率；
[0061]
根据所述第一沥青用量、第二沥青用量、第三沥青用量、第四沥青用量以及油石比的最大与最小值确定再生沥青混合料的最佳油石比。
[0062]
进一步地，所述再生沥青混合料制备过程中，满足如下条件：
[0063]
外加新集料的预热温度为190～210℃，预热时间为2～2.5h；所述原路面rap的预热温度为130℃，预热时间不超过2h；所述新沥青的预热温度为150～170℃，预热时间不超过3h；拌和温度为150～170℃。
[0064]
进一步地，所述原路面rap中的老化沥青含量采用抽提法或燃烧法得到；
[0065]
所述rap中的矿料级配采用水洗筛分的方法测试抽提或燃烧后的rap矿料颗粒；所述原路面rap中的老化沥青针入度采用抽提法得到老化沥青溶液，采用旋转蒸发法或阿布森法将老化沥青溶液中的溶剂与老化沥青分离，并采用全自动沥青针入度仪测试老化沥青针入度；
[0066]
所述原路面rap性能评估的指标均进行平行试验，采用试验结果的平均值表示最终的试验结果；
[0067]
所述原路面rap中的矿料级配测试采用的标准筛的筛孔分布为0.075mm、0.15mm、
0.3mm、0.6mm、1.18mm、2.36mm、4.75mm、9.5mm、13.2mm、16.0mm和19.0mm。
[0068]
进一步地，所述原路面结构与材料状况采用原始路面设计资料确定；所述原路面养护历史状况通过查询路段建成通车后养护资料确定；所述原路面车辙病害断面分布状况采用多功能道路检测车确定。
[0069]
进一步地，所述聚类分析法为k-means聚类方法。
[0070]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0071]
本发明充分考虑到了就地热再生施工过程中不同路面原路面沥青混合料回收料材料组成变异性的问题，涉及沥青混合料回收料级配、沥青含量、沥青老化程度方面，提出了在考虑原路面沥青混合料材料组成变异性基础上的就地热再生沥青混合料配合比设计方法及具体的实施流程。首先，对原路面材料与结构、养护历史、路面车辙病害分布进行调研，划分施工单元；其次，采用钻芯取样的方法对原路面沥青混合料进行取样，并测试原路面沥青混合料回收料级配、沥青含量、沥青老化程度(针入度)，评估原路面沥青混合料能否用于设计就地热再生沥青混合料；接着，根据沥青混合料回收料矿料级配的变化范围以及外加新沥青混合料比例判断是否超过设计要求矿料级配范围，若不满足要求，基于形状算法采用frechet相似度表示沥青混合料回收料矿料级配，结合聚类分析方法对沥青混合料矿料级配进行分类，直至满足要求；接着，根据再生沥青混合料矿料级配设计值，计算不同施工单元外加新沥青混合料矿料级配，并采用frechet相似度与聚类分析方法对外加新沥青混合料矿料级配进行分类，在此基础上获取不同施工单元再生沥青混合料矿料级配计算值，结合规范比较计算值与设计值之间差异，完成再生沥青混合料与外加新沥青混合料矿料级配设计；接着，确定再生沥青混合料中再生剂用量，并采用马歇尔试验确定再生沥青混合料最佳沥青用量，并将最佳沥青用量的再生沥青混合料进行再生沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、疲劳性能试验，判断设计再生沥青混合料性能是否满足规范要求；最后，根据再生沥青混合料性能试验结果，确定就地热再生沥青混合料配合比设计结果。该方法在设计阶段充分考虑了就地热再生施工过程中可能面临的原路面材料组成变异性的问题，并从保障就地热再生沥青混合料施工质量的角度提出了就地热再生沥青混合料配合比设计方法，精细化设计就地热再生施工过程中的材料组成，确保就地热再生施工质量。
[0072]
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
[0073]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0074]
图1为本发明一种就地热再生沥青混合料配合比设计方法整体流程图；
[0075]
图2为本发明一种就地热再生沥青混合料配合比设计方法中k均值聚类计算步骤流程图；
[0076]
图3为实施例中rap矿料级配试验结果；
[0077]
图4为实施例中rap沥青含量与老化沥青指标测试结果；
[0078]
图5为实施例中rap矿料级配偏差计算结果；
[0079]
图6为实施例中再生沥青混合料矿料级配设计值；
[0080]
图7为实施例中新沥青混合料矿料级配。
具体实施方式
[0081]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0082]
作为本发明的某一具体实施方式，结合图1所示，一种就地热再生沥青混合料配合比设计方法，具体包括：
[0083]
s1、对原路面基本状况进行评估，原路面基本状况包括原路面结构与材料状况、原路面养护历史状况、原路面车辙病害断面分布状况。
[0084]
具体地说，原路面结构与材料状况采用原始路面设计资料确定；原路面养护历史状况通过查询路段建成通车后养护资料确定；原路面车辙病害断面分布状况采用多功能道路检测车确定。
[0085]
根据原路面结构与材料状况、原路面养护历史状况、原路面车辙病害断面分布状况，初步确定原路面rap材料特性的变异性，并根据养护路段分布，划分施工单元，确定原路面rap取样方案。
[0086]
s2、对不同路段原路面rap性能进行评估，原路面rap性能包括原路面rap中的矿料级配、原路面rap中的老化沥青含量、原路面rap中的老化沥青针入度。
[0087]
本发明中原路面rap中的老化沥青针入度为原路面rap中的老化沥青25℃针入度。
[0088]
不同养护路段原路面沥青混合料回收料取样采用钻芯取样的方法，芯样直径为100～150mm。不同养护路段芯样取芯位置分别分布在两侧轮迹带以及车道中心位置，断面取芯数量为3个。针对不同的养护路段，分别在每段养护路段随机选择断面进行取芯，对于较长的养护路段，按照5000m2/次的取芯频率进行断面取芯。
[0089]
不同养护路段原路面rap中的矿料级配、rap中的老化沥青含量、rap中的老化沥青的针入度是通过收集取芯后的芯样得到。根据不同养护路段芯样样本，采用加热切削的方式分离沥青路面上面层rap，加热温度为60～80℃，使层间粘结沥青加热软化，在使用工具切削的情况下，软化后的层间粘结沥青降低粘度，从而分离沥青路面上面层与其他面层。对原路面rap芯样，采用加热剥离分散的方法，得到分散后的原路面rap颗粒，加热的温度为110～130℃。
[0090]
具体地说：
[0091]
原路面rap中的老化沥青含量采用抽提法或燃烧法得到；
[0092]
rap中的矿料级配采用水洗筛分的方法测试抽提或燃烧后的rap矿料颗粒；原路面rap中的老化沥青针入度采用抽提法得到老化沥青溶液，采用旋转蒸发法或阿布森法将老化沥青溶液中的溶剂与老化沥青分离，并采用全自动沥青针入度仪测试老化沥青25℃针入度；
[0093]
原路面rap性能评估的指标均进行平行试验，采用试验结果的平均值表示最终的试验结果；
[0094]
原路面rap中的矿料级配测试采用的标准筛的筛孔分布为0.075mm、0.15mm、0.3mm、0.6mm、1.18mm、2.36mm、4.75mm、9.5mm、13.2mm、16.0mm和19.0mm，取自jtg f40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中矿料级配曲线通过率要求筛孔。
[0095]
s3、利用原路面rap中的老化沥青含量以及原路面rap中的老化沥青针入度的评估结果，结合jtg/t 5521-2019《公路沥青路面再生技术规范》关于rap中老化沥青含量及rap中老化沥青的25℃针入度要求，分别为≥3.8％、≥2mm，判断原路面rap是否能采用就地热再生技术进行施工；
[0096]
若原路面rap能采用就地热再生技术进行施工，则根据老化沥青针入度指标是否恢复至新沥青标准确定再生剂用量，采用老化沥青质量百分比表。
[0097]
具体地说，采用不同老化沥青质量比的再生剂，将不同用量的再生剂添加至老化沥青中均匀拌和，检测拌和后含再生剂的老化沥青针入度，并以25℃针入度恢复至原生沥青标准为控制目标确定再生剂用量。
[0098]
s4、根据原路面车辙病害断面分布状况评估结果，确定外加新沥青混合料与原路面rap的比例，具体地说，具体采用如下公式：
[0099]
a＝0.0335m2 4.35 2.5h
[0100]
式中：m为车辙深度，mm；h为路面标高提高值，mm，一般取2mm。
[0101]
s5、根据外加新沥青混合料与原路面rap的比例，判断rap矿料级配波动范围在计算外加新沥青混合料与原路面rap的比例下是否满足再生沥青混合料矿料级配波动范围要求
[0102]
再生沥青混合料矿料级配波动范围符合jtg t5521-2019《公路沥青路面再生技术规范》中矿料级配波动范围要求，具体地说，筛孔偏差分别为0.075mm筛孔允许偏差为
±
2，≤2.36mm筛孔允许偏差为
±
5(高速公路、一级公路)以及
±
6(其他等级公路)，≥4.75mm筛孔允许偏差为
±
6(高速公路、一级公路)以及
±
7(其他等级公路)。
[0103]
若满足要求时，根据归类后不同组原路面rap的矿料级配，计算不同组原路面rap的矿料级配通过率的平均值，并采用不同组外加新沥青混合料与原路面rap的比例的平均值，确定再生沥青混合料的矿料级配。
[0104]
再生沥青混合料的矿料级配符合jtg f40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中级配设计上限、下限要求。
[0105]
若不满足要求时，针对不同组rap的矿料级配进行分组，采用fr
é
chet相似度定量表示不同路段原路面rap的矿料级配，并采用聚类分析法对原路面rap的矿料级配聚类为2类以上，根据聚类后的不同组原路面rap的矿料级配计算分类后不同组rap矿料级配通过率波动范围，并根据波动范围是否满足设计或规范要求确定rap的矿料级配分组数量以及再生沥青混合料矿料级配。
[0106]
优选的，聚类分析法为k-means聚类方法，详细参照图2所示。
[0107]
具体地说，采用fr
é
chet相似度定量表示不同路段原路面rap的矿料级配，具体包括：
[0108]
s501、构建l与l
′
上任意两点之间的距离矩阵d；
[0109]
其中，曲线l＝{l(1),l(2),...,l(n),...,l(n)}，l(n)＝(xn,yn)，xn表示第n个筛孔通过的集料粒径，mm；yn表示第n个筛孔上集料通过百分率，％；级配曲线l
′
＝{l
′
(1),l
′
(2),...,l
′
(m),...,l
′
(m)}，l
′
(m)＝(x
′m,y
′m)，x
′m表示第n个筛孔通过的集料粒径，mm；y
′m表示第n个筛孔上集料通过百分率，％；
[0110][0111]
式中：表示级配曲线l
′
上第m个点与曲线l上第n个点之间的距离；1≤n≤n，1≤m≤m，n与m表示不同级配曲线筛分矿料过程中所用筛网的总数；
[0112]
s502、初始化目标距离f；
[0113]
计算矩阵d中的最长距离d
max
＝max(d)以及最短距离d
min
＝min(d)，并采用d
min
表示初始化后的目标距离f；
[0114]
s503、矩阵d二值化处理；
[0115]
将矩阵d二值化处理，得到d
′
；
[0116][0117]
式中：
[0118]
s504、计算fr
é
chet相似度；
[0119]
在二值化矩阵d
′
中寻找一条路径r，该路径r中的元素满足构成元素d
′
11
与元素d
′
mn
之间的连续直线或曲线，并且路径r上的元素取值均为1，计算得到fr
é
chet距离f，而fr
é
chet相似度s＝1/f；此外，当路径r不满足筛选条件时，初始化目标距离f
′
＝f r，并采用f
′
进行步骤三和步骤四计算，直至找出满足条件的路径
[0120][0121]
s6、根据再生沥青混合料矿料级配、不同组原路面rap的矿料级配、外加新沥青混合料与原路面rap的比例，计算不同组外加新沥青混合料的矿料级配。
[0122]
s7、计算不同组外加新沥青混合料的矿料级配平均值，并根据不同组原路面rap的矿料级配、不同组外加新沥青混合料与原路面rap的比例，计算再生沥青混合料矿料级配计算值。
[0123]
s8、将不同组中所有再生沥青混合料的矿料级配与设计再生沥青混合料的矿料级配进行比较，根据比较结果分析不同筛孔通过率偏差是否满足要求。
[0124]
若满足要求时，确定外加新沥青混合料的矿料级配；
[0125]
若不满足要求时，针对不满足偏差计算结果要求的外加新沥青混合料与原路面
rap的比例分组，采用fr
é
chet相似度定量表示不同路段原路面rap的矿料级配，并采用聚类分析法对外加新沥青混合料的矿料级配聚类为2类以上，计算不同组再生沥青混合料矿料级配计算值。
[0126]
s9、将聚类后不同组中所有再生沥青混合料的矿料级配与设计再生沥青混合料矿料级配进行比较，根据比较结果分析不同筛孔通过率偏差是否满足要求；
[0127]
若满足要求时，确定外加新沥青混合料的矿料级配；
[0128]
若不满足要求时，增加聚类分组数量进行重新计算，直到筛孔通过率偏差计算结果满足要求为止。
[0129]
s10、根据再生沥青混合料的矿料级配、不同组原路面rap沥青含量平均值或聚类分组后不同组原路面rap沥青含量平均值、不同组外加新沥青混合料与原路面rap的比例的平均值或聚类分组后不同组外加新沥青混合料与原路面rap的比例的平均值以及外加新沥青混合料的矿料级配，确定再生沥青混合料的沥青预估油石比。
[0130]
s11、根据再生沥青混合料的预估油石比，分别制作不同油石比的再生沥青混合料马歇尔试件，并测试马歇尔试件的毛体积密度、空隙率、矿料间隙率、有效沥青饱和度、稳定度和流值指标，确定再生沥青混合料的最佳油石比。
[0131]
具体地说，以再生沥青混合料的预估油石比作为中值，采用0.5％作为等差间距设计5组再生沥青混合料油石比，并根据外加新沥青混合料与原路面rap的比例，制备再生沥青混合料并成型马歇尔试件。
[0132]
根据不同油石比的再生沥青混合料马歇尔试件的测试结果，确定不同油石比的再生沥青混合料马歇尔试件毛体积密度的最大值对应的油石比作为第一沥青用量，稳定度的最大值对应的油石比作为第二沥青用量，空隙率对应的油石比作为第三沥青用量，有效沥青饱和度中值对应的油石比作为第四沥青用量，各项指标均符合技术标准的油石比的最大与最小值，各项指标不含矿料间隙率；
[0133]
根据第一沥青用量、第二沥青用量、第三沥青用量、第四沥青用量以及油石比的最大与最小值确定再生沥青混合料的最佳油石比。
[0134]
s12、根据再生沥青混合料的最佳油石比，分别采用车辙试验、低温弯曲试验、冻融劈裂试验分析再生沥青混合料路用性能。
[0135]
s13、根据再生沥青混合料路用性能试验结果，判断是否满足预设性能要求；若满足性能要求，说明设计的再生沥青混合料级配与最佳沥青含量可行，否则重新确定再生沥青混合料级配并相应重新确定外加新沥青混合料级配。
[0136]
s14、根据路用性能满足规范要求的再生沥青混合料最佳油石比、不同组外加新沥青混合料与原路面rap的比例的平均值或聚类分组后不同组外加新沥青混合料与原路面rap的比例的平均值，确定外加新沥青的最大使用质量及其在新沥青混合料中与新矿料的质量比。
[0137]
s15、根据外加新沥青的最大使用质量及其在新沥青混合料中与新矿料的质量比，采用析漏试验确定外加新沥青混合料中新沥青与新矿料的最佳质量比，且质量比小于外加新沥青与新矿料的最大质量比。
[0138]
s16、根据外加新沥青混合料中新沥青与新矿料的最佳质量比、再生沥青混合料最佳油石比、再生剂最佳添加比例计算施工过程中外加新沥青质量。
[0139]
s17、根据外加新沥青混合料中新沥青与新矿料的最佳质量比、再生沥青混合料最佳油石比以及外加新沥青质量，铺筑试验段，测试现场再生沥青的技术指标、马歇尔稳定度、再生沥青混合料级配及级配偏差、高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性，判断是否满足设计要求。
[0140]
s18、根据现场指标测试结果是否满足设计要求，确定再生沥青混合料设计配合比，主要包括再生沥青混合料的级配、最佳沥青含量、再生剂用量、外加新沥青混合料的级配与最佳油石比以及现场外加新沥青质量。
[0141]
s19、若不满足设计要求，则相应调整再生沥青混合料矿料级配，并重新确定外加新沥青混合料矿料级配及其最佳油石比，以及现场外加新沥青质量。
[0142]
本发明中，再生沥青混合料制备过程中，满足如下条件：
[0143]
外加新集料的预热温度为190～210℃，预热时间为2～2.5h；原路面rap的预热温度为130℃，预热时间不超过2h；新沥青的预热温度为150～170℃，预热时间不超过3h；拌和温度为150～170℃。根据再生沥青混合料组成材料的不同预热时间与预热温度，再生沥青混合料实验室内拌和工艺为rap与再生剂拌和60～90s，然后加入新集料、新沥青拌和60～90s，拌和后的再生沥青混合料在烘箱恒温至120℃、130℃、140℃，分别成型马歇尔试件，并在室内养生24h后测试马歇尔性能指标。马歇尔成型过程中采用120℃、130℃、140℃三种温度，该温度是结合就地热再生施工过程中再生沥青混合料将会面临的温度偏差范围确定。
[0144]
下面结合具体实施例对本发明做更加详细的说明。
[0145]
3.1工程概况
[0146]
依托江西省德昌高速公路沥青路面大中修工程进行该配合比设计方法可靠性论证工作。工程中设计采用就地热再生技术进行行车道4cmsma-13再生。
[0147]
3.2原路面评价
[0148]
通过调研原路面结构组成、养护历史以及路面病害分布信息，发现原路面上面养护层为4cm sma-13，原路面在2011年通车后尚未进行大中修养护，路面以日常养护为主。沥青路面病害主要以表面剥落以及轻微车辙为主。
[0149]
3.3rap取样与评价
[0150]
根据原路面评价结果，可认为原路面材料组成基本一致。然而，根据招投标文件可知，养护路段在建设期间涉及不同的施工标段且由不同的施工单位完成。因此，考虑不同的施工标段进行rap取样，并根据施工标段划分的差异设计12处取样位置，见表1。根据表1设计取样位置，采用表1取样方案，采用钻芯取样的方法获取原路面rap，采用抽提法测试不同取样位置rap的矿料级配，结果如图3所示。rap中沥青含量以及老化沥青25℃针入度指标测试结果如图4所示。
[0151]
表1设计取样位置
[0152][0153]
由图3可见，k257 500、k261 100、k263 100和k277 600四个段落在0.075mm～4.75mm筛孔处的通过率超出sma-13沥青混合料的上限，k286 100处的矿料级配贴近sma-13
沥青混合料级配的下限。整体来看，该12个路段的矿料级配分布于sma-13级配中值以上，矿料组成偏细，且12个路段见的差异显著。
[0154]
由图4可见，测试路段的rap沥青含量分布在4.98～5.63％，沥青含量平均值为5.31％，标准差为0.20％，极差为0.65％。rap中老化沥青25℃针入度分布在3.6～4.5mm，25℃针入度平均值为3.9mm，标准差为0.27mm，极差为0.9mm。总体来说，12段路段的沥青含量与针入度较为接近，离散性较低。
[0155]
3.4矿料级配设计
[0156]
本次以表1中的设计取样位置(施工标段)划分12个施工单元，分别计算12个施工单元的车辙深度的平均值，并按照2mm路面标高提高值分别计算外加新沥青混合料比例，结果见表2。由表2可知，不同施工单元，外加新沥青混合料的比例为10～12％。
[0157]
表2施工单元车辙深度及外加新沥青混合料比例
[0158][0159]
注：表2中编号含义与表1一致。
[0160]
根据不同施工单元rap矿料级配测试结果，可知不同筛孔rap矿料级配的极差分布如图5所示。根据设计要求，高速公路现场施工矿料级配与设计级配在0.075mm、≤2.36mm、≥4.75mm筛孔之差应控制在
±
2％、
±
5％、
±
6％以内，极差应控制在4％、10％、12％以内。因此，根据rap矿料级配在再生沥青混合料中的用量，按照10％新沥青混合料添加比例，分别计算不同施工单元rap矿料级配不同筛孔通过率极差。然而，图5计算结果表明，不同施工单元rap矿料级配极差在0.075mm、2.36～9.5mm筛孔均不满足设计要求。因此，应优先进行不同施工单元沥青混合料回收料矿料级配分类和确定再生沥青混合料矿料级配计算后进行再生沥青混合料矿料级配设计。
[0161]
采用fr
é
chet相似度方法，以sma-13矿料级配中值作为参考矿料级配，分别计算12段施工单元rap矿料级配的fr
é
chet相似度，并将计算结果分为四类，结果见表3。
[0162]
表3 fr
é
chet相似度计算与分类结果
[0163][0164]
注：表3中编号含义与表1一致。
[0165]
根据分类结果，分别计算不同分类情况下rap矿料级配极差，结果见表4。由表4可见，分类后四种类型rap矿料级配极差基本满足设计要求。
[0166]
表4分类后rap矿料级配极差
[0167][0168]
根据分类结果，设计4种分类再生沥青混合料矿料级配如图6所示。由图6可见，四类rap矿料级配所对应的再生沥青混合料设计级配具有显著差异。其中，a类矿料级配设计值在4.75mm筛孔位置通过率不满足规范上限要求，这主要是因为rap矿料级配在4.75mm筛孔通过率超过设计要求上限，而90％rap矿料添加量不能降低4.75mm矿料通过率至设计要求上限范围内，导致设计再生沥青混合料矿料级配4.75mm通过率不满足sma-13要求。因此，对于复杂工况下，rap矿料级配超过设计要求时，应根据外加新沥青混合料比例，判断是否调整设计方案。本研究暂不考虑设计再生沥青混合料超过sma-13上限范围的限制，仅论证提出设计方法的可行性。
[0169]
根据再生沥青混合料设计矿料级配，结合不同施工单元外加新沥青混合料比例计算结果，分别计算外加新沥青混合料矿料级配，并将计算后不满足级配变化趋势的矿料级配进行调整，得到外加新沥青混合料矿料级配如图7所示。由图7可见，外加新沥青混合料矿料级配具有较高的离散性。工程中，针对不同施工单元相应设计外加新沥青混合料的矿料级配可以精确的控制再生沥青混合料施工时的矿料级配，然而，当施工单元划分数量较为庞大时候，大量的新沥青混合料矿料级配设计结果将会增加沥青混合料拌合站生产新沥青混合料时进行级配调整的负担，可能会出现不便生产以及拌合站溢料情况出现。
[0170]
为降低新沥青混合料矿料级配种类，采用fr
é
chet相似度方法，以sma-13矿料级配中值作为参考矿料级配，分别计算11段施工单元外加新沥青混合料矿料级配的fr
é
chet相似度，初步拟定分为四类，结果见表5。
[0171]
表5 fr
é
chet相似度计算与分类结果
[0172][0173]
注：表5中编号含义与表1一致。
[0174]
根据分类结果，分别计算不同分类的新沥青混合料矿料级配平均值，在此基础上，分别计算不同施工单元再生沥青混合料矿料级配的计算值，并比较设计值去计算值之间的差异，结果见表6。由表6可知，再生沥青混合料矿料级配计算值与设计值之间通过率差异基本满足设计要求。
[0175]
表6再生沥青混合料矿料级配设计值与计算值比较结果
[0176][0177]
综上，需设计4种类型再生沥青混合料矿料级配以及外加新沥青混合料矿料级配，使该复杂工况下再生沥青混合料矿料级配满足设计变化要求，设计再生沥青混合料矿料级配如图6所示，新沥青混合料矿料级配见表7，不同施工单元设计级配与新沥青混合料矿料级配分别见表3与表5。
[0178]
表7新沥青混合料矿料级配
[0179][0180]
3.5确定再生剂用量
[0181]
再生剂采用ra-102型再生剂，再生剂用量按照老化沥青质量比按照0％、2％、4％、6％比例进行等比添加，分别测试老化沥青针入度最大与最小时再生沥青针入度试验结果。再生沥青目标等级为
ⅰ‑
d型sbs改性沥青，沥青25℃针入度控制目标为40～60(0.1mm)。根据不同再生剂用量再生沥青25℃针入度指标试验结果，确定再生剂用量为3％。
[0182]
3.6马歇尔试验并确定最佳沥青用量
[0183]
以k312 900(编号5)所在施工单元为例，设计再生沥青混合料配合比设计值为c类，外加新沥青混合料矿料级配为ⅳ类，rap沥青含量为5.01％，新沥青混合料添加比例为11.2％。按照设计材料组成，采用马歇尔试件于150℃条件下成型沥青含量分别为4.7％、5.2％、5.7％的马歇尔试件，并相应测试马歇尔体积指标、稳定度、流值指标。其中，rap加热温度为130℃，拌和温度为150℃，新料加热温度为190℃，新沥青的加热温度为170℃，双面击实次数为75次。试验结果见表8。
[0184]
表8马歇尔试验结果
[0185][0186]
由表8可知，再生沥青混合料最佳沥青含量为5.2％，根据rap沥青含量及rap使用比例，得到外加新沥青含量为0.7％(再生沥青混合料质量比)。通过对外加新沥青含量进一步划分，得到再生沥青混合料中外加新沥青混合料的最佳沥青含量为4.3％(新沥青混合料质量比)，再生剂用量为3％(老化沥青质量比)，施工过程中外加新沥青用量为0.1％(再生沥青混合料质量比)。
[0187]
3.7配合比设计检验
[0188]
针对江西省高温多雨的气候特点，检验上述设计再生沥青混合料配合比的高温稳定性、水稳定性、渗水性能，得到测试结果见表9。由表9可知，再生沥青混合料设计配合比性能检测结果满足设计要求。
[0189]
表9再生沥青混合料性能检验结果
[0190][0191]
3.8试验段检验再生沥青混合料性能
[0192]
根据设计再生沥青混合料配合比，在k312 900(编号5)所在施工单元进行再生沥青混合料配合比设计验证。通过收集试验段再生沥青混合料，并进行再生沥青混合料高温稳定性、水稳定性、渗水系数检验，发现试验结果与表9基本一致。因此，设计再生沥青混合料级配满足规范要求。
[0193]
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。