乳化沥青冷再生混合料的设计压实次数确定方法

摘要

本发明公开了乳化沥青冷再生混合料的设计压实次数确定方法，包括如下步骤：步骤一、采用SGC成型具有不同因素的乳化沥青冷再生混合料；步骤二、确定最大压实次数Nmax，反算并绘制乳化沥青冷再生混合料的压实曲线，根据各个压实曲线计算相应的压实参数；步骤三、采用单因素方差分析方法研究各因素对所有压实参数的敏感性，评价各压实参数的有效性；步骤四、确定设计压实次数Ndes的显著影响因素，采用逐步回归分析法，找出主要影响的因素，建立设计压实次数Ndes的回归方程；本发明采用逐步回归分析法，确定压实温度与乳化沥青用量为主要因素，建立了乳化沥青冷再生混合料的设计压实次数Ndes的标准化回归方程。

权利要求

1.乳化沥青冷再生混合料的设计压实次数确定方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、采用SGC成型具有不同因素的乳化沥青冷再生混合料；

步骤二、确定不同因素的乳化沥青冷再生混合料的最大压实次数Nmax，反算并绘制乳化沥青冷再生混合料的压实曲线，根据各个压实曲线计算相应的压实参数；

步骤三、采用单因素方差分析方法研究压实温度、乳化沥青含量、含水率、再生混合料级配和初始养生时间因素对所有压实参数的敏感性，评价各压实参数的有效性；

步骤四、确定设计压实次数Ndes的显著影响因素，采用逐步回归分析法，找出主要影响的因素，建立设计压实次数Ndes的回归方程；

所述步骤四中，

a)、将所有变量进行标准化，消除自变量单位的影响，从而获得标准化回归系数；用标准化后的变量数据建立总体回归方程；

b)、对总体回归方程进行假设检验；

c)、对每个影响因素的偏回归系数进行假设检验，剔除没有显著性的影响因素，建立最优的标准化多元回归方程；根据试验结果，乳化沥青冷再生混合料的设计压实次数Ndes的标准化回归方程如下：式中，Ndes——设计压实次数；

X1——压实温度；

X2——乳化沥青含量。

2.根据权利要求1所述的乳化沥青冷再生混合料的设计压实次数确定方法，其特征在于：所述步骤二中，

反算绘制压实曲线：根据压实曲线的发展趋势和渐近线原则，设定最大旋转压实次数Nmax为80次，最大压实次数后的压实曲线趋近于水平线；测定乳化沥青冷再生混合料试件在最终压实、养生后的相对毛体积密度Gmb，与相对最大理论密度Gmm的比值即为80次旋转压实对应的密实度比；根据旋转压实仪在压实过程中记录的压实高度，采用体积法反算，获得每个旋转压实次数对应的密实度比值；整个压实过程中每个旋转压实次数对应的密实度比值形成的曲线即为旋转压实曲线。

3.根据权利要求1所述的乳化沥青冷再生混合料的设计压实次数确定方法，其特征在于：所述步骤二中，

计算压实参数：所述压实参数包括：初始压实次数Nini、设计压实次数Ndes、初始压实能量指标PCEI、设计压实能量指标SCEI、半对数压实曲线的斜率KSGC。

4.根据权利要求3所述的乳化沥青冷再生混合料的设计压实次数确定方法，其特征在于：所述初始压实次数Nini、设计压实次数Ndes的计算方法如下：通过初始压实次数Nini和设计压实次数Ndes这两个分界点将乳化沥青冷再生混合料的压实曲线分为三个阶段；

第一阶段，SGC压实曲线的密实度比快速增长，再生混合料中的空隙被排出，集料颗粒逐步接触；但随着压实次数的增加，密实度比的增长速率逐渐减小，压实趋于困难；乳化沥青的流动性在该阶段发挥主要作用，密实度比的变化趋势体现了再生混合料的初始压实特性；SGC压实曲线的曲率半径在第一阶段由大变小，进入第二阶段再由小变大；而曲率半径的最小值点即为初始压实次数Nini；

第二阶段，SGC压实曲线的密实度比缓慢增长，在压实功的作用下，再生混合料的集料颗粒重新排列，相互嵌挤，内部孔隙被填充；当再生混合料的空隙率达到设计空隙率11％，即密实度比达到89％时，乳化沥青冷再生混合料的达到密实状态；此时，对应的旋转压实次数被定义为再生混合料的设计压实次数Ndes；在整个压实过程中，SGC的压实功主要是用于第二阶段的压实，克服集料颗粒之间的摩阻力；乳化沥青和外掺水在第二阶段可以起到集料颗粒之间的润滑作用；

第三阶段，SGC压实曲线的密实度比增长幅度较小，再生混合料在达到设计空隙率后被进一步压实。

5.根据权利要求3所述的乳化沥青冷再生混合料的设计压实次数确定方法，其特征在于：所述初始压实能量指标PCEI、设计压实能量指标SCEI、半对数压实曲线的斜率KSGC的计算方法如下：通过对SGC压实曲线第一、第二阶段的研究，可以分析乳化沥青冷再生混合料的压实特性，它们分别表征了再生混合料在初始阶段的施工和易性，与在压实阶段对压实功的抵抗性，为了定量地描述乳化沥青冷再生混合料在这两个阶段表现出的和易性与抵抗性，本发明提出了初始压实能量指标PCEI与设计压实能量指标SCEI；

初始压实能量指标，也称为第一阶段压实能量指标，初始压实能量指标PCEI被定义为从第一次到第Nini次SGC曲线下方包含的面积；初始压实能量指标可以评价乳化沥青冷再生混合料在极少压实功的作用下的和易性；PCEI越大，说明乳化沥青冷再生混合料的施工和易性越好；

设计压实能量指标，也称为第二阶段压实能量指标，设计压实能量指标SCEI被定义为从第Nini次到第Ndes次SGC曲线下方包含的面积，其中除去矩形部分；为了排除第一阶段的影响，设计压实能量指标的计算只考虑额外增加的压实功，即只计算第二阶段曲线下方额外增加的面积；设计压实能量指标可以评价乳化沥青冷再生混合料在压实功的作用下达到设计空隙率的难易程度；SCEI越小，说明额外施加的压实功越小，乳化沥青冷再生混合料的可压实性能越好；

初始压实能量指标与设计压实能量指标的近似计算方法如下：式中，PCEI——初始压实能量指标；

SCEI——设计压实能量指标；

γi——第i次压实的密实度比，％Gmm；

γini——初始压实次数的密实度比；

Nini——初始压实次数；

Ndes——设计压实次数；

半对数压实曲线的斜率KSGC代表了第二压实阶段的平均压实速率，一定程度上反映出混合料的可压实性；但该参数仅包含了速率信息，没有考虑初始压实次数与设计压实次数的影响；

半对数压实曲线的斜率的计算方法如下：

式中，KSGC——半对数压实曲线斜率；

γini——初始压实次数的密实度比；

γdes——设计压实次数的密实度比。

6.根据权利要求1所述的乳化沥青冷再生混合料的设计压实次数确定方法，其特征在于：所述步骤三中，通过调控不同因素，所述不同因素包括压实温度、乳化沥青含量、外掺水量、再生混合料级配、初始养生时间，采用控制变量法，进行多组乳化沥青冷再生混合料的SGC压实试验，通过试验结果分析、比较初始压实能量指标PCEI、设计压实能量指标SCEI、压实速率KSGC等压实参数的敏感性。

7.根据权利要求6所述的乳化沥青冷再生混合料的设计压实次数确定方法，其特征在于：所述压实温度选取10℃、20℃、30℃、40℃、50℃；

所述乳化沥青含量选取2.9％、3.2％、3.5％、3.8％、4.1％；

所述外掺水量选取2.0％、2.5％、3.0％、3.5％、4.0％；

所述再生混合料级配选取CIR-13、CIR-20；

所述初始养生时间选取0h、1h、3h、5h；

采用单因素方差分析方法研究各因素对所有压实参数的敏感性，评价各压实参数的有效性。

说明书

乳化沥青冷再生混合料的设计压实次数确定方法

技术领域

[0001] 本发明涉及乳化沥青冷再生混合料的设计压实次数确定方法，属于乳化沥青冷再生混合料技术领域。

背景技术

[0002] 据申请人了解，根据我国公路沥青路面再生技术规范对乳化沥青冷再生路面的压实度的要求：在高速公路、一级公路中要达到90％以上，在二级及二级以下公路中要达到88％以上。但是，由于受到诸多因素的影响，在不同的实际工程项目中，乳化沥青冷再生技术施工的路面压实度往往表现出较大的波动性。在不恰当的施工条件下，甚至不能到达到压实度要求，对乳化沥青冷再生混合料的抗裂性能产生一定的影响。

[0003] 在乳化沥青冷再生混合料的室内成型方法中，设计压实次数为30次旋转压实成型方法已经被广泛地应用在江苏省的乳化沥青冷再生工程项目中。但根据已有的调查结果，路面压实的空隙率往往会超出室内压实试件的空隙率大小，甚至部分再生路面的压实度达不到设计要求。由于对乳化沥青冷再生混合料的压实特性缺乏全面的了解，使得现行的设计方法并不能很好地解释和解决乳化沥青冷再生混合料的压实问题。目前还没有相关文献对乳化沥青冷再生混合料的压实特性做出全面、深入的分析，但是国内外学者对普通热拌沥青混合料的压实特性的研究已经非常广泛。

[0004] McGennis等在美国SHRP计划的SUPERPAVE沥青混合料设计研究中开发了旋转压实仪(SGC)。研究结果表明旋转压实成型方法可以更好地模拟实际路面的压实机理，旋转压实成型试件的压实度与颗粒分布状态更加接近于实际压实的路面。根据路面的设计交通量与设计最高温度，确定旋转压实的初始压实次数Nini、设计压实次数Ndes以及最大压实次数Nmax，进行沥青混合料的压实。同时，在旋转压实过程中获得的SGC压实曲线被更多的学者用来分析沥青混合料的施工和易性与压实特性。Bahia等研究了沥青混合料压实曲线的阶段性，将压实曲线分为两个阶段。其中，第一阶段与沥青路面建设期的施工和易性相关，而第二阶段与沥青路面运营期的路用性能表现相关。

[0005] Dessouky等根据压实曲线的两个阶段分别定义了施工压实指标(Contact Energy Index，CEI)和荷载压密指标(Traffic Densification Index，TDI)，用来表征沥青路面在施工压实阶段和车载荷载作用阶段的表现。研究结果表明：沥青混合料的最大公称粒径、级配以及沥青含量等对施工压实指标有显著的影响，而荷载压密指标可以较好地预测沥青混合料的高温稳定性能。

[0006] DelRio-Prat等考虑集料的颗粒形状和表面纹理、沥青种类和沥青含量以及其他等因素，利用压实曲线提出压实耗散能量指数。研究结果表明：压实耗散能量指数可以较好地评价各影响因素的显著性。Kevern等采用改进的旋转压实仪对透水性水泥混凝土的压实特性进行研究。参考沥青混凝土，类似地利用压实曲线提出了和易性指数(Workability Energy Index，WEI)与密实性指数(Compaction Densification Index，CDI)，分别用来表征水泥混凝土初始阶段的和易性与压实阶段的抵抗性，并且分析了水灰比对压实特性的影响。

[0007] 国内学者张争奇等采用压实曲线中从初始压实到设计压实阶段的密实能量指数以及密实曲线斜率，评价不同级配的沥青混合料的压实特性。根据密实能量指数和密实曲线斜率对沥青混合料的施工和易性和路用稳定性进行了分析，并且结合相关室内试验进行了验证。李汉光等在研究沥青混合料压实特性的基础上，比较了摊铺机振捣、振动压路机以及轮胎压路机一次碾压提供沥青路面的能量，从能量等效的角度确定使沥青路面达到密实所需要的碾压遍数。

[0008] 目前，已有文献对乳化沥青冷再生混合料配合比设计、路用性能等方面进行研究，但是还没有对乳化沥青冷再生混合料的压实特性进行全面的研究，尤其是对于乳化沥青冷再生混合料的设计压实次数的研究鲜有涉及。

发明内容

[0009] 本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的问题，提供乳化沥青冷再生混合料的设计压实次数确定方法。

[0010] 本发明在借鉴国内外对热拌沥青混合料压实特性研究成果的基础上，比较乳化沥青冷再生混合料与热拌沥青混合料压实机理的差异。利用SGC压实曲线提出初始压实能量指标(Primary Compactibility Energy Index，PCEI)和设计压实能量指标(Secondary Compactibility Energy Index，SCEI)，分别表征乳化沥青冷再生混合料在压实过程的初始阶段的和易性与压实阶段的抵抗性，评价乳化沥青冷再生混合料的压实特性。通过压实参数的敏感性，验证压实能量指标的有效性。全面分析压实温度、乳化沥青用量、外掺水量、级配以及初始养生时间对乳化沥青冷再生混合料的压实特性的影响。提出乳化沥青冷再生混合料的设计压实次数与最佳含水率的确定方法。

[0011] 本发明根据各个影响因素对设计压实次数Ndes的具体作用，采用逐步回归分析法，确定压实温度与乳化沥青用量为主要因素，建立了乳化沥青冷再生混合料的设计压实次数Ndes的标准化回归方程。

[0012] 本发明技术方案如下：

[0013] 本发明乳化沥青冷再生混合料的设计压实次数确定方法，其特征在于：包括如下步骤：

[0014] 步骤一、采用SGC成型具有不同因素的乳化沥青冷再生混合料；

[0015] 步骤二、确定不同因素的乳化沥青冷再生混合料的最大压实次数Nmax，反算并绘制乳化沥青冷再生混合料的压实曲线，根据各个压实曲线计算相应的压实参数；

[0016] 步骤三、采用单因素方差分析方法研究各因素对所有压实参数的敏感性，评价各压实参数的有效性；

[0017] 步骤四、确定设计压实次数Ndes的显著影响因素，采用逐步回归分析法，找出主要影响的因素，建立设计压实次数Ndes的回归方程；

[0018] 所述步骤四中，

[0019] a)、将所有变量进行标准化，消除自变量单位的影响，从而获得标准化回归系数；用标准化后的变量数据建立总体回归方程；

[0020] b)、对总体回归方程进行假设检验；

[0021] c)、对每个影响因素的偏回归系数进行假设检验，剔除没有显著性的影响因素，建立最优的标准化多元回归方程；根据试验结果，乳化沥青冷再生混合料的设计压实次数Ndes的标准化回归方程如下：

[0022]

[0023] 式中，Ndes——设计压实次数；

[0024] X1——压实温度；

[0025] X2——乳化沥青含量。

[0026] 设计压实次数的确定就是一个简单的标准化多元回归方程求解过程，回归方程的方差分析和参数估计在表2-15与表2-16中，表中也可以看出回归方程的求解结果。

[0027] 进一步地，

[0028] 所述步骤一中，所述因素包括压实温度、乳化沥青含量、含水率、再生混合料级配和初始养生时间。

[0029] 进一步地，所述步骤二中，

[0030] 反算绘制压实曲线：根据压实曲线的发展趋势和渐近线原则，设定最大旋转压实次数Nmax为80次，最大压实次数后的压实曲线趋近于水平线；测定乳化沥青冷再生混合料试件在最终压实、养生后的相对毛体积密度Gmb，与相对最大理论密度Gmm的比值即为80次旋转压实对应的密实度比；根据旋转压实仪在压实过程中记录的压实高度，采用体积法反算，获得每个旋转压实次数对应的密实度比值；整个压实过程中每个旋转压实次数对应的密实度比值形成的曲线即为旋转压实曲线。

[0031] 进一步地，所述步骤二中，

[0032] 计算压实参数：所述压实参数包括：初始压实次数Nini、设计压实次数Ndes、初始压实能量指标PCEI、设计压实能量指标SCEI、半对数压实曲线的斜率KSGC。

[0033] 进一步地，所述初始压实次数Nini、设计压实次数Ndes的计算方法如下：

[0034] 通过初始压实次数Nini和设计压实次数Ndes这两个分界点将乳化沥青冷再生混合料的压实曲线分为三个阶段；

[0035] 第一阶段，SGC压实曲线的密实度比快速增长，再生混合料中的空隙被排出，集料颗粒逐步接触；但随着压实次数的增加，密实度比的增长速率逐渐减小，压实趋于困难；乳化沥青的流动性在该阶段发挥主要作用，密实度比的变化趋势体现了再生混合料的初始压实特性；SGC压实曲线的曲率半径在第一阶段由大变小，进入第二阶段再由小变大；而曲率半径的最小值点即为初始压实次数Nini；

[0036] 第二阶段，SGC压实曲线的密实度比缓慢增长，在压实功的作用下，再生混合料的集料颗粒重新排列，相互嵌挤，内部孔隙被填充；当再生混合料的空隙率达到设计空隙率11％，即密实度比达到89％时，乳化沥青冷再生混合料的达到密实状态；此时，对应的旋转压实次数被定义为再生混合料的设计压实次数Ndes；在整个压实过程中，SGC的压实功主要是用于第二阶段的压实，克服集料颗粒之间的摩阻力；乳化沥青和外掺水在第二阶段可以起到集料颗粒之间的润滑作用；

[0037] 第三阶段，SGC压实曲线的密实度比增长幅度较小，再生混合料在达到设计空隙率后被进一步压实。

[0038] 进一步地，所述初始压实能量指标PCEI、设计压实能量指标SCEI、半对数压实曲线的斜率KSGC的计算方法如下：

[0039] 通过对SGC压实曲线第一、第二阶段的研究，可以分析乳化沥青冷再生混合料的压实特性，它们分别表征了再生混合料在初始阶段的施工和易性，与在压实阶段对压实功的抵抗性，为了定量地描述乳化沥青冷再生混合料在这两个阶段表现出的和易性与抵抗性，本发明提出了初始压实能量指标PCEI与设计压实能量指标SCEI；

[0040] 初始压实能量指标，也称为第一阶段压实能量指标，初始压实能量指标PCEI被定义为从第一次到第Nini次SGC曲线下方包含的面积；初始压实能量指标可以评价乳化沥青冷再生混合料在极少压实功的作用下的和易性；PCEI越大，说明乳化沥青冷再生混合料的施工和易性越好；

[0041] 设计压实能量指标，也称为第二阶段压实能量指标，设计压实能量指标SCEI被定义为从第Nini次到第Ndes次SGC曲线下方包含的面积，其中除去矩形部分；为了排除第一阶段的影响，设计压实能量指标的计算只考虑额外增加的压实功，即只计算第二阶段曲线下方额外增加的面积；设计压实能量指标可以评价乳化沥青冷再生混合料在压实功的作用下达到设计空隙率的难易程度；SCEI越小，说明额外施加的压实功越小，乳化沥青冷再生混合料的可压实性能越好；

[0042] 初始压实能量指标与设计压实能量指标的近似计算方法如下：

[0043]

[0044]

[0045] 式中，PCEI——初始压实能量指标；

[0046] SCEI——设计压实能量指标；

[0047] γi——第i次压实的密实度比，％Gmm；

[0048] γini——初始压实次数的密实度比；

[0049] Nini——初始压实次数；

[0050] Ndes——设计压实次数；

[0051] 半对数压实曲线的斜率KSGC代表了第二压实阶段的平均压实速率，一定程度上反映出混合料的可压实性；但该参数仅包含了速率信息，没有考虑初始压实次数与设计压实次数的影响；

[0052] 半对数压实曲线的斜率的计算方法如下：

[0053]

[0054] 式中，KSGC——半对数压实曲线斜率；

[0055] γini——初始压实次数的密实度比；

[0056] γdes——设计压实次数的密实度比。

[0057] 进一步地，所述步骤三中，通过调控不同因素，所述不同因素包括压实温度、乳化沥青含量、外掺水量、再生混合料级配、初始养生时间，采用控制变量法，进行多组乳化沥青冷再生混合料的SGC压实试验，通过试验结果分析、比较初始压实能量指标PCEI、设计压实能量指标SCEI、压实速率KSGC等压实参数的敏感性。

[0058] 进一步地，所述压实温度选取10℃、20℃、30℃、40℃、50℃；

[0059] 所述乳化沥青含量选取2.9％、3.2％、3.5％、3.8％、4.1％；

[0060] 所述外掺水量选取2.0％、2.5％、3.0％、3.5％、4.0％；

[0061] 所述再生混合料级配选取CIR-13、CIR-20；

[0062] 所述初始养生时间选取0h、1h、3h、5h；

[0063] 采用单因素方差分析方法研究各因素对所有压实参数的敏感性，评价各压实参数的有效性。

[0064] 本发明对乳化沥青冷再生混合料的压实特性进行研究，并且根据压实特性影响因素分析结果，探讨了乳化沥青冷再生混合料的配合比设计的改进方法。主要得到如下几点结论：

[0065] (1)采用定义的初始压实次数Nini与设计压实次数Ndes将乳化沥青冷再生混合料的压实曲线分为三个阶段：初始压实阶段、设计压实阶段以及最大压实阶段。根据压实曲线第一、第二阶段的特点，提出初始压实能量指标PCEI与设计压实能量指标SCEI，分别用于表征再生混合料的施工和易性与压实难易程度。

[0066] (2)通过压实参数的敏感性分析发现：初始压实能量指标PCEI与设计压实能量指标SCEI对压实温度、乳化沥青用量、含水率、级配、初始养生时间等变量的敏感性大于压实速率KSGC。其中，设计压实能量指标SCEI对所有影响因素的变化均有显著的敏感性。

[0067] (3)压实温度是影响乳化沥青冷再生混合料压实特性的最关键的因素。在10℃到50℃的范围内，随着压实温度的升高，再生混合料具有更好的初始压实性能，达到设计空隙率需要的压实功也逐渐减小。在2.9％到4.1％的范围内，乳化沥青用量与压实温度具有相似的影响趋势。乳化沥青用量越多，再生混合料的压实性能越好。

[0068] (4)对于CIR-20和CIR-13混合料，总含水率与级配对其设计压实能量指标SCEI的影响均为高度显著。随着总含水率从3.28％增加到5.28％，其初始压实能量指标PCEI与设计压实能量指标SCEI均呈现出二次抛物线的变化趋势，PCEI的峰值与SCEI的谷值对应着再生混合料的最佳压实性能。

[0069] (5)乳化沥青冷再生混合料在经过1h的初始养生时间后，其PCEI值最大，同时SCEI值最小。初始养生时间对乳化沥青冷再生混合料压实特性的影响实质上体现了含水率变化的作用，最佳含水率对应的放置时间即为最佳初始养生时间。

[0070] (6)根据各个影响因素对设计压实次数Ndes的具体作用，采用逐步回归分析法，确定压实温度与乳化沥青用量为主要因素，建立了乳化沥青冷再生混合料的设计压实次数Ndes的标准化回归方程。

[0071] (7)基于PCEI与SCEI两个指标，提出了确定乳化沥青冷再生混合料的最佳含水率的新方法。根据不同总含水率计算压实能量指数，将最大PCEI对应的总含水率与最小SCEI对应的总含水率的均值确定为乳化沥青冷再生混合料的最佳含水率。

[0072] 在现有的乳化沥青冷再生混合料的设计方法中，采用旋转压实成型方法，根据经验将设计压实次数确定为30次，本法明认为这样的经验法是不合理的，没有充分研究乳化沥青冷再生混合料的压实特性，仅仅参考热拌沥青混合料，将冷再生混合料的压实次数固定为30次，往往导致室内压实成型混合料的空隙率与现场压实成型路面的空隙率相差较大。究其原因，热拌沥青混合料是在相对确定的高温条件下压实，受到压实温度变化的影响较小；而冷再生混合料是在常温下进行压实，压实温度的变化范围较大，压实的效果也具有较大差异。因此，不应该将乳化沥青冷再生混合料的设计压实次数确定为固定值，而是考虑了压实影响因素等自变量后，才能最终确定的因变量。本发明提出的乳化沥青冷再生混合料的设计压实次数确定方法，是在充分考虑其压实特性的基础上，建立的设计压实次数Ndes的标准化回归方程，改进了乳化沥青冷再生混合料的设计方法，更加科学地指导乳化沥青冷再生混合料的设计与施工，具有重要的理论和应用价值。

附图说明

[0073] 图1为乳化沥青冷再生混合料的压实曲线示意图。

[0074] 图2为乳化沥青冷再生混合料的半对数压实曲线图。

[0075] 图3为不同温度下乳化沥青冷再生混合料的压实曲线。

[0076] 图4为同温度下的压实曲线的指数回归系数A的变化趋势。

[0077] 图5为同温度下的压实曲线的指数回归系数B的变化趋势。

[0078] 图6为不同温度下的压实曲线的压实能量指数PCEI的变化趋势。

[0079] 图7为不同温度下的压实曲线的压实能量指数SCEI的变化趋势。

[0080] 图8为不同乳化沥青用量对应的压实能量指数PCEI的变化趋势。

[0081] 图9为不同乳化沥青用量对应的压实能量指数SCEI的变化趋势。

[0082] 图10为不同初始养生时间对应的压实能量指数PCEI的变化趋势。

[0083] 图11为不同初始养生时间对应的压实能量指数SCEI的变化趋势。

具体实施方式

[0084] 本发明旋转压实过程中获得的压实曲线是研究沥青混合料压实特性的重要依据。本发明采用旋转压实仪(SGC)对乳化沥青冷再生混合料进行旋转压实，根据压实曲线的发展趋势和渐近线原则，设定最大旋转压实次数Nmax为80次，最大压实次数后的压实曲线趋近于水平线。测定乳化沥青冷再生混合料试件在最终压实、养生后的相对毛体积密度Gmb，与相对最大理论密度Gmm的比值即为80次旋转压实对应的密实度比。根据旋转压实仪在压实过程中记录的压实高度，采用体积法反算，获得每个旋转压实次数对应的密实度比值。整个压实过程中每个旋转压实次数对应的密实度比值形成的曲线即为旋转压实曲线。如图2-
4所示，压实曲线清楚地描述了再生混合料在旋转压实过程中空隙率减小、密度增大的发展过程。图2-4为CIR-20混合料(乳化沥青含量3.5％、外掺水量3.0％)在20℃的压实温度下进行旋转压实获得的压实曲线。

[0085] 图1乳化沥青冷再生混合料的压实曲线示意图。

[0086] 从图中可以看出，压实曲线近似为指数曲线，乳化沥青冷再生混合料在最大压实次数内的压实曲线可以用指数方程回归拟合。对回归曲线方程求导后，可以计算出压实曲线上任一点的斜率，可以反映出某个压实次数时的压实速率。随着压实次数的增加，压实速率逐渐减小，最大压实次数对应的压实速率逐渐趋近于0。

[0087] γi＝ANB   (2-1)

[0088] 式中，γi——第i次压实的密实度比，％Gmm；

[0089] N——旋转压实次数；

[0090] A,B——指数方程的回归系数。

[0091] 根据美国SHRP计划研究结果，SUPERPAVE热拌沥青混合料的设计必须使混合料的SGC压实度在一定的旋转压实次数下达到一定的要求，并将其作为沥青含量选择和混合料设计的标准。在初始压实次数Nini时要求SGC压实度小于89％，防止出现软沥青；在设计压实次数Ndes时要求SGC压实度等于96％，满足设计空隙率4％的要求；最大压实次数Nmax要求SGC压实度小于98％，防止沥青混合料的破坏。SUPERPAVE设计方法中明确了不同设计交通量和温度条件下的初始压实次数Nini、设计压实次数Ndes以及最大压实次数Nmax的规范值。

[0092] 乳化沥青冷再生混合料的设计方法、设计空隙率(11％)与压实特性等均与热拌沥青混合料有显著的差异。本发明对乳化沥青冷再生混合料的SGC压实曲线中的初始压实次数Nini、设计压实次数Ndes、最大压实次数Nmax的定义与要求也不同于SUPERPAVE设计方法。如图2-4所示，可以通过初始压实次数Nini和设计压实次数Ndes这两个分界点将乳化沥青冷再生混合料的压实曲线分为三个阶段。

[0093] 第一阶段，SGC压实曲线的密实度比快速增长，再生混合料中的空隙被排出，集料颗粒逐步接触。但随着压实次数的增加，密实度比的增长速率逐渐减小，压实趋于困难。乳化沥青的流动性在该阶段发挥主要作用，密实度比的变化趋势体现了再生混合料的初始压实特性。SGC压实曲线的曲率半径在第一阶段由大变小，进入第二阶段再由小变大。而曲率半径的最小值点即为初始压实次数Nini。

[0094] 第二阶段，SGC压实曲线的密实度比缓慢增长，在压实功的作用下，再生混合料的集料颗粒重新排列，相互嵌挤，内部孔隙被填充。当再生混合料的空隙率达到设计空隙率11％，即密实度比达到89％时，乳化沥青冷再生混合料的达到密实状态。此时，对应的旋转压实次数被定义为再生混合料的设计压实次数Ndes。在整个压实过程中，SGC的压实功主要是用于第二阶段的压实，克服集料颗粒之间的摩阻力。乳化沥青和外掺水在第二阶段可以起到集料颗粒之间的润滑作用。

[0095] 第三阶段，SGC压实曲线的密实度比增长幅度较小，再生混合料在达到设计空隙率后被进一步压实。但过度压实会造成沥青混合料的泛油和失稳现象，因此，在实际沥青路面施工中不应发生。有学者认为SGC压实曲线的第三阶段的压密与沥青路面在长期荷载作用下的变形有一定联系，可以用于预测沥青混合料的长期路面性能。但是，本发明认为SGC压实的温度、受力等试验条件与路面使用期的实际情况相差甚大，难以简单地建立室内试验与路面性能的联系，所以，并未对乳化沥青再生混合料压实曲线的第三阶段深入分析。

[0096] 压实参数

[0097] 通过对SGC压实曲线第一、第二阶段的研究，可以分析乳化沥青冷再生混合料的压实特性。它们分别表征了再生混合料在初始阶段的施工和易性，与在压实阶段对压实功的抵抗性。为了定量地描述乳化沥青冷再生混合料在这两个阶段表现出的和易性与抵抗性，本发明提出了初始压实能量指标PCEI与设计压实能量指标SCEI。

[0098] 初始压实能量指标，也称为第一阶段压实能量指标(Primary Compactibility Energy Index，PCEI)。如图1所示，初始压实能量指标PCEI被定义为从第一次到第Nini次SGC曲线下方包含的面积。初始压实能量指标可以评价乳化沥青冷再生混合料在极少压实功的作用下的和易性。PCEI越大，说明乳化沥青冷再生混合料的施工和易性越好。

[0099] 设计压实能量指标，也称为第二阶段压实能量指标(Secondary Compactibility Energy Index，SCEI)。如图1所示，设计压实能量指标SCEI被定义为从第Nini次到第Ndes次SGC曲线下方包含的面积(除去矩形部分)。为了排除第一阶段的影响，设计压实能量指标的计算只考虑额外增加的压实功，即只计算第二阶段曲线下方额外增加的面积。设计压实能量指标可以评价乳化沥青冷再生混合料在压实功的作用下达到设计空隙率的难易程度。SCEI越小，说明额外施加的压实功越小，乳化沥青冷再生混合料的可压实性能越好。初始压实能量指标与设计压实能量指标的近似计算方法如下：

[0100]

[0101]

[0102] 式中，PCEI——初始压实能量指标；

[0103] SCEI——设计压实能量指标；

[0104] γi——第i次压实的密实度比，％Gmm；

[0105] γini——初始压实次数的密实度比；

[0106] Nini——初始压实次数；

[0107] Ndes——设计压实次数。

[0108] 为了对压实特性有更加直观的认识，将SGC压实曲线做半对数变换。乳化沥青冷再生混合料的半对数压实曲线如图2-5所示。除去Nini之前的几个点，半对数压实曲线在Nini和Ndes之间近似为线性关系。半对数压实曲线的直线部分间接地证明了指数压实曲线的三阶段分析的合理性。

[0109] 如图2所示，乳化沥青冷再生混合料的半对数压实曲线图

[0110] 半对数压实曲线的斜率KSGC代表了第二压实阶段的平均压实速率，一定程度上反映出混合料的可压实性。但该参数仅包含了速率信息，没有考虑初始压实次数与设计压实次数的影响。半对数压实曲线的斜率的计算方法如下：

[0111]

[0112] 式中，KSGC——半对数压实曲线斜率；

[0113] γini——初始压实次数的密实度比；

[0114] γdes——设计压实次数的密实度比。

[0115] 压实参数敏感性分析

[0116] 影响乳化沥青冷再生混合料的压实特性的因素很多。乳化沥青冷再生技术的施工是在常温下进行，压实温度随气候变化，具有一定的波动范围；不同的乳化沥青含量与外掺水量也会产生不同的压实难易程度；不同层位的乳化沥青冷再生混合料有着不同的粗细级配；在压实前，再生混合料的放置(初始养生)时间对其压实特性也有影响。因此，本发明考虑压实温度(10℃、20℃、30℃、40℃、50℃)、乳化沥青含量(2.9％、3.2％、3.5％、3.8％、4.1％)、外掺水量(2.0％、2.5％、3.0％、3.5％、4.0％)、再生混合料级配(CIR-13、CIR-20)、初始养生时间(0h、1h、3h、5h)等因素，采用控制变量法，进行多组乳化沥青冷再生混合料的SGC压实试验，通过试验结果分析、比较初始压实能量指标PCEI、设计压实能量指标SCEI、压实速率KSGC等压实参数的敏感性。试验条件如表2-11所示。

[0117] 表2-11乳化沥青冷再生混合料旋转压实试验条件

[0118]

[0119] 注：(*)总含水量是包括乳化沥青中的水和外掺水量。

[0120] 试验前，将再生混合料的原材料保温至设定温度。试验中，乳化沥青冷再生混合料的拌合、放置、压实过程均在设定温度下进行。为了有效地分析各个变量的影响，每组试验取用1120g再生混合料，采用直径为100mm模具进行80次旋转压实试验，记录压实高度，获得SGC压实曲线，计算乳化沥青冷再生混合料在各个试验条件下的压实参数，试验结果如表2-12所示。

[0121] 表2-12中的试验结果为三个平行试件的平均值。其中，A、B与R2分别表示压实曲线在指数曲线拟合下的回归系数与拟合度。从相关系数R2的数值可以看出，在各个试验条件下，乳化沥青冷再生混合料的压实曲线与指数曲线具有很好的拟合度，回归系数A、B可以作为研究其压实特性的参数。从回归系数A、B的变化趋势可以发现，温度是影响回归系数A、B的主要因素。在试验条件1到试验条件5的范围里，随着温度从10℃增加到40℃，回归系数A显著增大，回归系数B显著减小；随着温度从40℃增加到50℃，回归系数A、B的变化幅度减小。根据其他试验条件下的数据结果发现，在相同温度条件下，回归系数A、B受其他因素的影响很小。由于回归系数A、B的物理意义有待进一步验证，本发明首先研究表2-12中初始压实能量指标PCEI、设计压实能量指标SCEI、压实速率KSGC对各个影响因素的敏感性。

[0122] 表2-12乳化沥青冷再生混合料旋转压实试验结果

[0123]

[0124]

[0125] 采用单因素方差ANOVA分析方法，不考虑变量的相互作用，分析压实参数PCEI、SCEI、KSGC对自变量的敏感性。对试验数据进行单因素方差计算时，压实温度采用试验条件1-5的数据结果，乳化沥青含量采用试验条件6-10的数据结果，总含水量和级配采用试验条件11-20的数据结果，初始养生时间采用试验条件21-24的数据结果。压实参数的敏感性分析结果如表2-13所示。

[0126] 在初始压实能量指标PCEI、设计压实能量指标SCEI、压实速率KSGC，对各个自变量的敏感性比较是SCEI>PCEI>KSGC。用于表示压实难易程度的能量指标SCEI对试验中的所有的影响因素表现出显著的敏感性，而用于表示拌合难易程度的能量指标PCEI除了不能敏感地反映出再生混合料的级配变化外，对压实温度、乳化沥青含量、总含水量、初始养生时间均表现出显著的敏感性。相对于两个能量指标，用于表示压实速率的曲线斜率KSGC仅受到压实温度和乳化沥青含量的显著影响，不能反映出其他自变量的变化。所以，在乳化沥青冷再生混合料的压实特性的影响因素研究中，主要采用初始压实能量指标PCEI与设计压实能量指标SCEI进行比较和分析。

[0127] 表2-13压实参数敏感性ANOVA分析结果

[0128]

[0129] 注：95％置信水平下的显著性(α＝0.05)；N＝不显著(nonsignificant)；S＝显著(significant).

[0130] 压实特性的影响因素分析

[0131] 压实温度的影响

[0132] Kim等在研究冷再生混合料的压实温度对冷再生混合料劈裂强度的影响时指出：虽然冷再生技术的施工是在常温下进行，但不同季节的温度变化使得冷再生施工温度的波动范围较大。相比于热拌沥青混合料，冷再生混合料的压实更加容易受到施工温度的影响，而大多数机构在进行冷再生混合料设计时往往忽略了温度的影响。研究结果表明：压实温度对冷再生混合料形成的劈裂强度具有非常显著的影响，较高压实温度下的冷再生混合料试件具有较大的劈裂强度，同时具有较小的空隙率。由此可见，压实温度是乳化沥青冷再生混合料压实特性的重要影响因素。

[0133] 图3为试验条件1到试验条件5下的压实曲线图，即乳化沥青含量为3.5％、总含水量为4.28％的CIR-20混合料在不同温度(10℃、20℃、30℃、40℃、50℃)下的压实曲线图。结合表2-12中的指数回归系数A与B的数值变化，可以看出，压实曲线随温度变化的趋势非常明显。在压实曲线的任何阶段，压实温度越高，对应的密实度比的数值就越大。

[0134] 图3不同温度下乳化沥青冷再生混合料的压实曲线

[0135] 回归系数A与B随温度变化的趋势如图4-5所示。其中，回归系数A随着压实温度升高表现出线性增大的趋势，而回归系数B随着温度升高表现出二次多项式减小的趋势。研究压实温度对初始压实能量指标PCEI与设计压实能量指标SCEI的影响时发现，PCEI和SCEI随温度变化的趋势分别与回归系数A和B的变化趋势非常相似，如图6-7所示。

[0136] 初始压实能量指标PCEI随温度升高也呈现线性增大的趋势，并且比回归系数A具有更好的相关系数。相比于回归系数B，设计压实能量指标SCEI随着温度升高呈现出的二次多项式的趋势也更加明显。分析压实参数之间相关性可以发现，回归系数A近似对应着第一次压实的密实比，与初始压实能量指标PCEI具有较好的相关性。因此，回归系数A一定程度上也可以反映出乳化沥青冷再生混合料的施工和易性。回归系数B与设计压实指标SCEI具有一定的相关性，也可以反映出乳化沥青冷再生混合料的压实难易程度。本发明通过压实参数的比较分析，间接地验证了利用回归参数A、B研究沥青混合料的压实特性的可靠性。

[0137] 图4-5同温度下的压实曲线的指数回归系数

[0138] 图6-7不同温度下的压实曲线的压实能量指数

[0139] 比较图6-7中的PCEI与SCEI的数值变化可以发现，设计压实能量指标SCEI对于温度变化的敏感性远远大于初始压实能量指标PCEI。对应于10℃、20℃、30℃、40℃、50℃的PCEI值为533、551、577、595、607，压实温度升高10℃，PCEI大约增大20；而SCEI的数值在压实温度升高时却表现出非常明显的减小趋势，对应于10℃、20℃、30℃、40℃的SCEI值为337、150、31、6，尽管变化幅度在减小，但是SCEI的总体变化很显著，具有很好的参数敏感性。由于在50℃压实温度下，乳化沥青冷再生混合料在初始压实次数就达到了设计空隙率，所以50℃的SCEI值为空。

[0140] 乳化沥青用量的影响

[0141] 乳化沥青的用量影响到对RAP料的裹附，以及再生混合料拌合时的和易性。同时，由于乳化沥青的润滑作用，其用量也影响到再生混合料的压实过程。如果乳化沥青用量偏少，将造成RAP料的沥青裹附不足，不利于乳化沥青冷再生混合料的现场压实。从乳化沥青冷再生混合料的压实参数的变化可以看出，乳化沥青用量与压实温度对压实特性具有相似的影响作用。乳化沥青的用量对初始压实能量指标PCEI和设计压实能量指标SCEI的具体影响作用如图8-9所示。

[0142] 图8-9呈现了乳化沥青冷再生混合料在试验条件6到试验条件10下的PCEI和SCEI数值，即总含水量为4.28％的CIR-20混合料在25℃的压实温度下，其压实能量指数随着乳化沥青用量(2.9％、3.2％、3.5％、3.8％、4.1％)的变化趋势。当乳化沥青用量从2.9％增加到4.1％，初始压实能量指标PCEI小幅增长，其数值从554增加到572。其中，乳化沥青用量为3.2％、3.5％、3.8％所对应的PCEI数值比较接近，使得PCEI随着乳化沥青用量变化呈现出的线性关系的相关系数仅为0.82。与压实温度的研究结论相似，图8-9中SCEI指数对于变量的敏感性还是明显大于PCEI指数。设计压实能量指标SCEI随着乳化沥青用量从2.9％增加到4.1％，其数值从144减小到40，变化幅度大于初始压实能量指标PCEI。相比于图6-7中的压实温度的作用，乳化沥青用量的变化对PCEI与SCEI数值的影响均较小。图8-9中的压实能量指数是在压实温度为25℃的条件下获得，尽管乳化沥青用量从2.9％变化到4.1％，但是PCEI与SCEI的数值变化范围均在图6-7中的20℃到30℃对应的数值变化范围内。由此可见，乳化沥青冷再生混合料的压实温度是其压实特性最主要的影响因素。

[0143] 图8-9不同乳化沥青用量对应的压实能量指数

[0144] 初始养生时间的影响

[0145] 乳化沥青就地冷再生技术施工时，再生混合料一般在拌合后立即进行摊铺与压实。但是，在乳化沥青厂拌冷再生技术中，再生混合料需要经过运输过程，才能进行现场压实。本发明将乳化沥青冷再生混合料在拌合后与压实前的放置时间定义为初始养生时间。在初始养生时间里，乳化沥青冷再生混合料的水分会蒸发，甚至可能引起乳化沥青的破乳。
因此，初始养生时间对乳化沥青混合料的压实特性也会产生一定影响。

[0146] 如表2-11中的试验条件21到试验条件24所示，对乳化沥青含量为3.5％、总含水量为4.28％的CIR-20混合料在20℃的压实温度下经过不同的初始养生时间(0h、1h、3h、5h)进行压实试验。其中，初始压实能量指标PCEI与设计压实能量指标SCEI的计算结果如图10-11所示。从图中可以看出，乳化沥青冷再生混合料在经过1h的初始养生时间后，其PCEI值达到峰值点，同时SCEI值达到谷值点。结果表明，在经过1h的放置后，乳化沥青冷再生混合料具有最好的压实特性，更长的放置时间会使得乳化沥青冷再生混合料越来越难压实。根据再生混合料在不同养生时间的质量损失，计算不同养生时间(0h、1h、3h、5h)对应的总含水率分别为4.28％、4.15％、3.92％、3.67％。此时，对应的PCEI分别为555、563、553、551；对应的SCEI分别为141、88、160、171。结合乳化沥青冷再生混合料的总含水率的减小与PCEI、SCEI的变化趋势和波动范围，可以推断在初始放置时间里，乳化沥青冷再生混合料并未破乳，初始养生时间对乳化沥青冷再生混合料压实特性的影响实质上体现了含水率变化的作用，最佳含水率对应的放置时间即为最佳初始养生时间。因此，在乳化沥青厂拌冷再生施工时，可以根据运输距离和时间，考虑水分蒸发的因素，适当增加含水率，来保证再生混合料的压实质量。

[0147] 图10-11不同初始养生时间对应的压实能量指数

[0148] 混合料配合比设计方法改进

[0149] 设计压实次数的确定

[0150] 初始压实次数Nini和设计压实次数Ndes也是重要的压实参数。但试验结果表明，各个试验条件下的初始压实次数Nini差异很小，变化范围在7到9次之间，不能显著地反映出试验条件的变化。不同于初始压实次数Nini，如表2-11所示，设计压实次数Ndes在不同试验条件下的差异很大，受到诸多因素的影响，变化范围在9到62次之间。由此可见，如果在乳化沥青冷再生混合料配合比设计中，不考虑压实条件的影响，将设计旋转压实次数定为30次或者某一单一的数值，一定会造成不同试验条件下空隙率的巨大差异，难以控制再生混合料的设计空隙率。设计压实次数Ndes的变化特征可以反映出乳化沥青冷再生混合料的压实特性。

[0151] 为了研究压实温度、乳化沥青含量、总含水量、级配、初始养生时间对设计压实次数Ndes的具体影响作用，采用逐步回归分析法，找出主要影响的因素，建立设计压实次数Ndes的回归方程。首先，将所有变量进行标准化，消除自变量单位的影响，从而获得标准化回归系数。用标准化后的变量数据建立总体回归方程。然后，对总体回归方程进行假设检验。最后，对每个影响因素的偏回归系数进行假设检验，剔除没有显著性的影响因素，建立最优的标准化多元回归方程。根据试验结果，乳化沥青冷再生混合料的设计压实次数Ndes的标准化回归方程如下：

[0152]

[0153] 式中，Ndes——设计压实次数；

[0154] X1——压实温度；

[0155] X2——乳化沥青含量。

[0156] 从设计压实次数Ndes的多元线性回归方程可以看出，压实温度和乳化沥青含量是影响乳化沥青冷再生混合料的设计压实次数Ndes的主要因素，而且具有一定的线性关系。当乳化沥青含量为3.5％，随着压实温度从10℃增加到50℃，设计压实次数Ndes从62次减小到9次。比较压实温度与乳化沥青含量的标准化回归系数可以看出，压实温度是设计压实次数Ndes的的最主要的影响因素。当压实温度为25℃，随着乳化沥青含量从2.9％增加到
4.1％，设计压实次数Ndes从41次减小到24次。表2-15与表2-16分别为设计压实次数Ndes的回归方程的方差分析与参数估计。表2-15的方差分析表明，设计压实次数Ndes与压实温度、乳化沥青含量的线性相关系数为0.82，回归方程的F检验的显著性为0.0001。表2-16的参数估计t检验中，P(t1>10.11)<0.0001与P(t2>2.48)＝0.0219<0.025的结果表明，标准化后的压实温度与乳化沥青含量对设计压实次数Ndes的影响分别为非常显著与显著。

[0157] 表2-15设计压实次数Ndes的回归方程的方差分析

[0158]

[0159]

[0160] 表2-16设计压实次数Ndes的回归方程的参数估计

[0161]变量 自由度 参数估计 标准差 t值 显著性
截距 1 110.973188 18.29636638 6.07 0.0001
X1/40 1 -55.20356 5.46151284 -10.11 0.0001
X2/1.2 1 -15.2 6.14015505 -2.48 0.0219

[0162] 本发明对乳化沥青冷再生混合料的压实特性进行研究，并且根据压实特性影响因素分析结果，探讨了乳化沥青冷再生混合料的配合比设计的改进方法。主要得到如下几点结论：

[0163] (1)采用定义的初始压实次数Nini与设计压实次数Ndes将乳化沥青冷再生混合料的压实曲线分为三个阶段：初始压实阶段、设计压实阶段以及最大压实阶段。根据压实曲线第一、第二阶段的特点，提出初始压实能量指标PCEI与设计压实能量指标SCEI，分别用于表征再生混合料的施工和易性与压实难易程度。

[0164] (2)通过压实参数的敏感性分析发现：初始压实能量指标PCEI与设计压实能量指标SCEI对压实温度、乳化沥青用量、含水率、级配、初始养生时间等变量的敏感性大于压实速率KSGC。其中，设计压实能量指标SCEI对所有影响因素的变化均有显著的敏感性。

[0165] (3)压实温度是影响乳化沥青冷再生混合料压实特性的最关键的因素。在10℃到50℃的范围内，随着压实温度的升高，再生混合料具有更好的初始压实性能，达到设计空隙率需要的压实功也逐渐减小。在2.9％到4.1％的范围内，乳化沥青用量与压实温度具有相似的影响趋势。乳化沥青用量越多，再生混合料的压实性能越好。

[0166] (4)对于CIR-20和CIR-13混合料，总含水率与级配对其设计压实能量指标SCEI的影响均为高度显著。随着总含水率从3.28％增加到5.28％，其初始压实能量指标PCEI与设计压实能量指标SCEI均呈现出二次抛物线的变化趋势，PCEI的峰值与SCEI的谷值对应着再生混合料的最佳压实性能。

[0167] (5)乳化沥青冷再生混合料在经过1h的初始养生时间后，其PCEI值最大，同时SCEI值最小。初始养生时间对乳化沥青冷再生混合料压实特性的影响实质上体现了含水率变化的作用，最佳含水率对应的放置时间即为最佳初始养生时间。

[0168] (6)根据各个影响因素对设计压实次数Ndes的具体作用，采用逐步回归分析法，确定压实温度与乳化沥青用量为主要因素，建立了乳化沥青冷再生混合料的设计压实次数Ndes的标准化回归方程。

[0169] (7)基于PCEI与SCEI两个指标，提出了确定乳化沥青冷再生混合料的最佳含水率的新方法。根据不同总含水率计算压实能量指数，将最大PCEI对应的总含水率与最小SCEI对应的总含水率的均值确定为乳化沥青冷再生混合料的最佳含水率。