基于性能-费用模型的厂拌再生沥青混合料优化设计

doi:10.13229/j.cnki.jdxbgxb20200799

吉林大学学报(工学版) ›› 2022, Vol. 52 ›› Issue (3): 585-595.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb20200799

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基于性能-费用模型的厂拌再生沥青混合料优化设计

姚玉权¹(),仰建岗^1,^2,³(),高杰^1,^2,³,宋亮⁴

^1.长安大学公路学院，西安 710064
^2.华东交通大学土木建筑学院，南昌 330013
^3.华东交通大学道路工程研究所，南昌 330013
^4.新疆交通投资（集团）有限责任公司，乌鲁木齐 830057

收稿日期:2020-10-19 出版日期:2022-03-01 发布日期:2022-03-08
通讯作者: 仰建岗 E-mail:yaoyuquanchd@outlook.com;2851@ecjtu.edu.cn
作者简介:姚玉权（1994-），男，博士研究生. 研究方向：道路工程材料的表征与测试.E-mail：yaoyuquanchd@outlook.com
基金资助:
江西省自然科学基金项目(20202BABL214046);江西省教育厅青年基金项目(GJJ190361);中央高校基本科研业务费专项资金项目(300102210501)

Optimal design on recycled hot⁃mix asphalt mixture based on performance⁃cost model

Yu-quan YAO¹(),Jian-gang YANG^1,^2,³(),Jie GAO^1,^2,³,Liang SONG⁴

^1.School of Highway，Chang'an University，Xi'an 710064，China
^2.School of Civil Engineering and Architecture，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China
^3.Institute of Road Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China
^4.Xinjiang Communications Construction Group Co. ，Ltd. ，Urumqi 830057，China

Received:2020-10-19 Online:2022-03-01 Published:2022-03-08
Contact: Jian-gang YANG E-mail:yaoyuquanchd@outlook.com;2851@ecjtu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

为了克服厂拌热再生沥青路面水稳定性不足的风险，以水稳定为控制指标，在性能-费用模型的基础上优化其材料设计。首先，采用响应面法建立了沥青混合料回收料掺量、沥青含量、矿料级配与水稳定性的二次回归模型，构建了厂拌热再生施工全过程的生产施工费用模型，提出了基于性能-费用的再生沥青混合料材料优化设计模型。然后，结合遗传算法、线性综合评价方法，求取了优化的材料设计参数。结果表明：响应面法可以有效解决多因素影响规律的建模分析问题；沥青混合料回收料掺量、沥青含量、矿料级配对再生沥青混合料的水稳定性具有显著影响；以福银高速三明段为算例，相同水稳定性控制目标下的优化后费用较实际降低了26.7%，优化后的材料参数如下：沥青混合料回收料掺量为51%、沥青含量为4.61%、级配参数为0.445。

关键词: 道路工程, 再生沥青混合料, 响应面法, 性能-费用模型, 水稳定性, 优化设计

Abstract:

In order to overcome the risk of insufficient moisture stability of the recycled hot-mix asphalt （RHMA）, this work aims to optimize the material design of RHMA based on the performance-cost model by considering the moisture stability as the control index. First， the quadratic regression model involves independent variables （reclaimed asphalt pavement （RAP） content， asphalt content， and aggregate gradation） and dependent variable （moisture stability） was established. Second， the cost model was proposed covering the whole construction process， thereby the optimal material design model of RHMA was drawn. Finally， the optimal design parameters were calculated with the performance-cost model by jointly using the genetic algorithm and linear comprehensive evaluation method. The results show that the response surface can effectively address the material design of RHMA， and the independent variables were found significant to the moisture stability of HRMA. The proposed model was proved valid in project of the Sanming section of Fuzhou-Yinchuan expressway， the optimized cost was 26.7% lower than the actual cost at the same moisture stability control objective， and the optimized material parameters of HRMA for RAP content， asphalt content， and gradation parameter were 51%， 4.61%， and 0.445， respectively.

Key words: road engineering, recycled asphalt mixture, response surface method, performance-cost model, moisture stability, optimal design

中图分类号:

U416.2

姚玉权,仰建岗,高杰,宋亮. 基于性能-费用模型的厂拌再生沥青混合料优化设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2022, 52(3): 585-595.

Yu-quan YAO,Jian-gang YANG,Jie GAO,Liang SONG. Optimal design on recycled hot⁃mix asphalt mixture based on performance⁃cost model[J]. Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition), 2022, 52(3): 585-595.

图/表 19

表1

图1

表2

模型参数"

物理量含义	符号	取值
再生沥青混合料施工面积/m²	a₁	10⁵
铺装厚度/m	h	0.06
RHMA标准压实密度/（t?m^-3）	D₁	2.420
再生剂的用量（RAP质量比）/%	A₁	0.1
RAP油石比/%	B₁	4.94
RAP铣刨、破碎与筛分费用/（元·t^-1）	$p 1$	10
粗集料费用/（元·t^-1）	$p 2$	58
细集料费用/（元·t^-1）	$p 3$	45
新沥青费用/（元·t^-1）	$p 4$	4 800
再生剂费用/（元·t^-1）	$p 5$	20 000
运输费用/［元·（t?km）^-1］	$p 6$	0.5
RHMA生产费用/（元·t^-1）	$p 7$	20
RHMA摊铺碾压费用/（元·m^-2）	$p 8$	5
RAP运距/km	l₁	60
粗细新集料运距/km	l₂	150
沥青运距/km	l₃	200

表2

图2

图3

表3

表4

表5

表6

表7

图4

图5

表8

表9

图6

图7

图8

图9

图10

参考文献 24

1	Gao Jie, Yang Jian-gang, Yu Di, et al. Reducing the variability of multi-source reclaimed asphalt pavement materials: a practice in China[J]. Construction and Building Materials, 2021, 278:No.122389.
2	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.
	Yang Jian-gang, Yao Yu-quan, Sun Chen. Influence of different working conditions on hot in-place recycled asphalt mixture performance[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2019, 36(10):14-24.
3	Yang Jian-gang, Tao Wen-jie, Gao Jie, et al. Measurement of particle agglomeration and aggregate breakdown of reclaimed asphalt pavement[J]. Construction and Building Materials, 2021, 296:No.123681.
4	Madrigal D P, Lannone A, Martinez A H, et al. Effect of mixing time and temperature on cracking resistance of bituminous mixtures containing reclaimed asphalt pavement material[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2017, 29(8):No.04017058.
5	左锋,叶奋,宋卿卿. RAP掺量对再生沥青混合料路用性能影响[J]. 吉林大学学报:工学版, 2020, 50(4):1403-1410.
	Zuo Feng, Ye Fen, Song Qing-qing. Influence of RAP content on road performance of recycled asphalt mixture[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2020, 50(4):1403-1410.
6	Farooq M A, Mir M S, Sharma A. Laboratory study on use of RAP in WMA pavements using rejuvenator[J]. Construction and Building Materials, 2018, 168(20):61-72.
7	Zhu Yue-feng, Li Yan-wei, Si Chun-di, et al. Laboratory evaluation on performance of fiber-modified asphalt mixtures containing high percentage of RAP[J]. Advances in Civil Engineering, 2020(4):1-9.
8	Lu D X, Saleh M, Nguyen N H T. Effect of rejuvenator and mixing methods on behaviour of warm mix asphalt containing high RAP content[J]. Construction and Building Materials, 2019, 197(10):792-802.
9	Zhou Zhou, Gu Xing-yu, Li Qiang, et al. Use of rejuvenator, styrene-butadiene rubber latex, and warm-mix asphalt technology to achieve conventional mixture performance with 50% reclaimed asphalt pavement[J]. Transportation Research Record, 2016, 2575(1):160-167.
10	Kusam A, Malladi H, Tayebali A A, et al. Laboratory evaluation of workability and moisture susceptibility of warm-mix asphalt mixtures containing recycled asphalt pavements[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2016, 29(5):No.04016276.
11	周刚,李培国,陈天泉,等. 聚酯纤维及沥青对高RAP掺量沥青混合料路用性能的研究[J]. 重庆交通大学学报:自然科学版,2016,35(4):40-46, 105.
	Zhou Gang, Li Pei-guo, Chen Tian-quan, et al. Polyester fiber content and asphalt content's impact on the road performance of high RAP content asphalt mixture[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University(Natural Sciences),2016, 35(4):40-46, 105.
12	Jahanbakhsh H, Karimi M M, Naseri H, et al. Sustainable asphalt concrete containing high reclaimed asphalt pavements and recycling agents: Performance assessment, cost analysis, and environmental impact[J]. Journal of Cleaner Production, 2020, 244: No.118837.
13	单景松,李峰,杜贝贝. 基于价值工程的国省道沥青路面结构决策[J]. 公路交通科技, 2014, 31(1):26-31.
	Shan Jing-song, Li Feng, Du Bei-bei. Decision-making of asphalt pavement structure of national and provincial highways based on value engineering[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2014, 31(1):26-31.
14	Bressi S, Pittet M, Dumont A G, et al. A framework for characterizing RAP clustering in asphalt concrete mixtures[J]. Construction and Building Materials, 2016, 106: 564-574.
15	靳卫东, 梁春雨. 公路施工组织与概预算[M]. 2版. 北京: 人民交通出版社, 2020.
16	马涛, 赵永利, 黄晓明. 沥青路面厂拌热再生关键技术[M]. 南京:东南大学出版社, 2015.
17	张文修, 梁怡. 遗传算法的数学基础[M]. 2版. 西安: 西安交通大学出版社, 2003.
18	熊颖,陈维,姚玉权,等. 基于马歇尔指标的就地热再生沥青混合料再生剂用量分析[J]. 公路交通科技:应用技术版,2019,15(8):80-84.
	Xiong Ying, Chen Wei, Yao Yu-quan, et al. Analysis on the amount of regenerant in hot recycling asphalt mixture based on Marshall index[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development (Application Technology Edition), 2019, 15(8): 80-84.
19	. 公路工程集料试验规程 [S].
20	. 公路工程沥青及沥青混合料试验规程 [S].
21	. 公路沥青路面再生技术规范 [S].
22	樊旭英,李印冬,李章珍,等. 再生沥青混合料级配优化设计[J]. 公路与汽运,2018(4):62-65.
	Fan Xu-ying, Li Yin-dong, Li Zhang-zhen, et al. Gradation optimization design of recycled asphalt mixture[J]. Highways & Automotive Applications,2018(4):62-65.
23	Concha J L, Norambuena-Contreras J. Thermophysical properties and heating performance of self-healing asphalt mixture with fibres and its application as a solar collector[J]. Applied Thermal Engineering, 2020, 178: No.115632.
24	. 公路沥青路面施工技术规范 [S].

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因素	水平
RAP掺量A/%	20	40	60
沥青含量B/%	4.2	4.5	4.8
矿料级配C	级配I	级配II	级配III

指标	试验结果	试验方法
25 ℃针入度/（0.1 mm）	48.1	T0604
软化点/℃	74.9	T0606
5 ℃延度/cm	30.0	T0605

集料规格/mm	压碎值/%	表观相对密度	针片状/%	黏附性
19~26.5	-	2.749	6.3	5级
16~19	-	2.731	7.8	5级
13.2~16	-	2.714	8.7	5级
9.5~13.2	15.3	2.741	11.4	-
4.75~9.5	-	2.730	17.5	-
2.36~4.75	-	2.726	-	-
1.18~2.36	-	2.711	-	-
0.6~1.18	-	2.717	-	-
0.3~0.6	-	2.721	-	-
0.15~0.3	-	2.709	-	-
0.075~0.15	-	2.733	-	-
技术要求	≤28	≥2.5	粒径>9.5，≤15	≥4级
技术要求	≤28	≥2.5	粒径<9.5，≤20	≥4级
试验方法	T0316	T0304	T0312	T0616

试验项目		技术要求	试验结果	试验方法
通过率 /%	0.6 mm	100.0	100.0	T0351
	0.3 mm	95.0~100.0	100.0
	0.15 mm	90.0~100.0	96.7
	0.075 mm	80.0~100.0	81.5
外观		无团粒结块	无团粒结块	-
加热安定性		实测记录	无明显变色	T0355
表观相对密度		≥2.5	2.721	T0304

筛孔/mm	0~8 mm		8~12 mm		12~20 mm
筛孔/mm	抽提前	抽提后	抽提前	抽提后	抽提前	抽提后
沥青含量/%	-	6.85	-	3.95	-	3.25
26.5	100.0	100.0	100.0	100.0	100.0	100.0
19	100.0	100.0	100.0	100.0	99.7	99.8
16	100.0	100.0	100.0	100.0	79.4	90.4
13.2	100.0	100.0	99.8	100.0	46.9	70.2
9.5	100.0	100.0	83.5	91.0	5.3	31.2
4.75	71.7	87.9	8.1	26.1	1.4	18.8
2.36	33.9	59.7	1.6	18.5	0.8	14.4
1.18	16.3	44.5	0.9	16.0	0.6	12.3
0.6	5.4	31.2	0.7	13.4	0.5	10.2
0.3	1.1	20.9	0.4	9.9	0.3	7.5
0.15	0.5	16.4	0.2	7.8	0.1	5.8
0.075	0.1	11.2	0.1	5.3	0.0	4.1

基于性能-费用模型的厂拌再生沥青混合料优化设计

Optimal design on recycled hot⁃mix asphalt mixture based on performance⁃cost model

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材料类型	指标	试验结果	试验方法
RAP	含水率/%	0.53	文献［21］中的附录B
RAP	砂当量/%	85.7	文献［21］中的附录B
RAP中的沥青	25 ℃针入度/（0.1 mm）	28.5	T0604
	软化点/℃	70.7	T0606
	5 ℃延度/cm	脆断	T0605
	60 ℃动力黏度/（Pa?s）	1980.0	T0620
RAP中的粗集料	压碎值/%	15.9	T0316
RAP中的粗集料	针片状含量/%	14.1	T0312
RAP中的细集料	棱角性	31.5	T0345

试验编号	因素水平			R_T2/MPa	R_T1/MPa	TSR/%
试验编号	A/%	B/%	C	R_T2/MPa	R_T1/MPa	TSR/%
要求	-	-	-	-	-	≥80
1	20	4.2	II	1.27	1.73	73.34
2	60	4.2	II	1.21	1.80	67.22
3	20	4.8	II	1.48	1.65	89.70
4	60	4.8	II	1.50	1.85	81.08
5	20	4.5	I	1.29	1.52	84.87
6	60	4.5	I	1.43	1.83	78.14
7	20	4.5	III	1.46	1.55	94.19
8	60	4.5	III	1.81	2.03	89.16
9	40	4.2	I	1.31	1.67	78.44
10	40	4.8	I	1.40	1.72	81.40
11	40	4.2	III	1.43	1.73	82.66
12	40	4.8	III	1.61	1.68	95.83
13	40	4.5	II	1.50	1.63	92.02
14	40	4.5	II	1.49	1.63	91.41
15	40	4.5	II	1.49	1.64	90.85
16	40	4.5	II	1.51	1.64	92.07
17	40	4.5	II	1.49	1.65	90.30

指标		RAP掺量A	沥青含量B	矿料级配C
R_T2	F值	3.680	10.790	14.090
	p值	0.096	0.013	0.007
	显著性	不显著	+	+
R_T1	F值	24.560	0.022	1.370
	p值	0.002	0.887	0.280
	显著性	++	不显著	不显著
TSR	F值	21.486	65.718	46.551
	p值	0.002	0.000	0.000
	显著性	++	++	++

[1]	夏全平,高江平,罗浩原,张其功,李志杰,杨飞. 用于高模量沥青砼的复合改性硬质沥青低温性能[J]. 吉林大学学报(工学版), 2022, 52(3): 541-549.
[2]	张立杰,阿喜塔,田笑,李稳. 基于Gamma过程的加速退化试验多目标优化设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2022, 52(2): 361-367.
[3]	赵泓荀,杨兆军,陈传海,田海龙,王立平. 考虑参数权重的数控机床电主轴加速试验优化设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2022, 52(2): 409-416.
[4]	章子玲,胡雄,亓寅,王微,陶志强,刘志峰. 基于向量投影响应面的数控机床几何误差分配方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2022, 52(2): 384-391.
[5]	董伟智,张爽,朱福. 基于可拓层次分析法的沥青混合料路用性能评价[J]. 吉林大学学报(工学版), 2021, 51(6): 2137-2143.
[6]	冉武平,陈慧敏,李玲,冯立群. 干湿循环下粗粒土回弹模量演变规律及模型预估和修正[J]. 吉林大学学报(工学版), 2021, 51(6): 2079-2086.
[7]	文畅平,任睆遐. 基于Lade模型的生物酶改良膨胀土双屈服面本构关系[J]. 吉林大学学报(工学版), 2021, 51(5): 1716-1723.
[8]	许哲谱,杨群. 基于实时路况地图的短期养护作业开始时间优化[J]. 吉林大学学报(工学版), 2021, 51(5): 1763-1774.
[9]	李卫,张怀亮,瞿维. 随机振动环境下液压直管道设计方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2021, 51(4): 1222-1229.
[10]	王元元,孙璐,刘卫东,薛金顺. 测量路面三维纹理双目重构算法的约束改进[J]. 吉林大学学报(工学版), 2021, 51(4): 1342-1348.
[11]	彭勇,杨汉铎,陆学元,李彦伟. 基于离散元法的空隙特征对沥青混合料虚拟剪切疲劳寿命的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2021, 51(3): 956-964.
[12]	朱伟刚,朱超,张亚球,魏海斌. 基于卷积格网曲面拟合滤波算法的数字高程模型构建及质量评价[J]. 吉林大学学报(工学版), 2021, 51(3): 1073-1080.
[13]	程永春,李赫,李立顶,王海涛,白云硕,柴潮. 基于灰色关联度的矿料对沥青混合料力学性能的影响分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2021, 51(3): 925-935.
[14]	宫亚峰,逄蕴泽,王博,谭国金,毕海鹏. 基于吉林省路况的新型预制装配式箱涵结构的力学性能[J]. 吉林大学学报(工学版), 2021, 51(3): 917-924.
[15]	阳恩慧,徐加秋,唐由之,李奥,邱延峻. 温拌剂对沥青断裂和老化性能的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2021, 51(2): 604-610.