（市政工程专业论文）再生沥青及再生沥青混合料抗老化性能的研究.pdf

北京建筑工程学院 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师徐世法教授的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：谚中 日期：硐年f 月日 北京建筑工程学院硕士论文 摘要 以实验室试验为主，研究了再生沥青( 改性沥青) 的抗老化性能和路用性能指标( 针入度、软化点、 延度、粘度) 的老化规律。对比原样沥青混合料的老化规律，分析再生沥青混合料的路用性能( 高温稳 定性，低温抗裂性和水稳定性) 的变化规律并对再生枥青的老化规律进行验证。研究了再生沥青老化 后第二次再生结合室内试验和路上实际回收旧料试验研究y - 次再生沥青混合料的路用性能，并对本 研究提出的再生沥青再度老化变化规律进行了验证结果表明，本论文提出再度老化效果评价指标和方 法是台理有效的 关键词：沥青改性沥青沥青混合料再度老化抗老化性 a b s t r 8 c t b yt h el a b o r a t o r yt e s tp r i m e r i l y ，i th a ss t u d i e dr e c y c l i n ga s p h a l t ( m o d i f i e da s p h a l t ) t h e a n t i l g e dp e r f o r m a n c ea n dt h er o o du s e st h ep e r f o r m a n c ei n d e x ( p e n e t r a t i o n , s o f t e n i n gp o i n t , d u c t i l i t y ，v i s c o s i t y ) t h ea g e dr u l e c o n t r a s t st h ef r e s ha s p h a l tm i x t u r e sa g e dr u l e ，t h e a n a l y s i sr e c y c l i n ga s p h a l tm i x t u r er o a dw i t ht h ep e r f o r m a n c ec h a n g er u l e a n dt or e g e n e r a t e s t h ea s p h a l tt h ea g e dr u l et oc a r r yo l lt h ec o n f i r m a t i a ns t u d i e dt h es e c o n dr e c y c l i n ga s p h a i t a f t e rt h ea s p h a l tr e c y c l i a gf o e s d 8 t i a r ai nt h el a b o r u t o r yo i lt h es i m u l a t i o nt e s ta n dt h er o a d a c t u a l l yr e c y c l e dt h eo l dm a t e r i a le x p e r i m e n t a ls t u d yr e c y c l i n ga s p h m tm i x t u r et h er o a dw i t h t h el a s t i n gu u a l i t y ( h i g ht 翻l p e r a t u r es t a b i l i t y ，l o wt e m p e r a t u r ec r a c kr e s i s t a n c ea n dw a t e r s 乜b i l i t y ) ，a n dt h er e g e n e r a t i o n8 s p h a l tt w oa g i n gc h e s g er u l ew h i c hp r o p o s e dt ot h i sr e s e a r c h h a sc a r r i e do i lt h ec o n f i r m a t i o n t h er e s u l ti n d i o o t e dt h a t t h ep r e s e n tp a p e rp r o l m s e dg e t s o l d e rt h ee f f e c ta p p r a i s a lt a r g e ta n dt h em e t h o di so p c ea g a i nr e a s o n a b l ee f f e c t i v e k e ”阳n s ：a s p h a l t m o d i f i e da s 曲a l t a s p h a l tm i x t u r e s e c o n da g i n 目ga n t i - a g e d 3 北京建筑工程学院硕士论文 第l 章绪论 1 1 课题的提出 沥青路面经过一定年限的使用，受交通应力、循环应力等影响，以及沥青老化和冰冻、高温的交替作 用，出现诸如网裂、沉陷，车辙、拥包等各种病害并逐步扩展，致使路面结构难以适应不断增长的交通量 要求，严重影响行车的安全性和舒适性。这样，对于公路和城市道路损害翻新和修补所残留的旧沥青混 合料的处理问题越发重要。全部遗弃。不仅浪费，对环境还有很大的危害。旧沥青混合料的本身还有重新 利用的价值。因此，为了使有限资金发挥最大的效能新技术，新材料对当今公路发展尤为重要。旧沥青 路面再生利用技术可节约沥青和砂石材料，节省了有限的投资，取得了直接的经济效益，而且能够变废为 宝。废物利用，保护生态环境取得间接社会效益 再生沥青混合料应具有路用耐久性能，因此本论文对再生沥青的抗老化性进行研究，为再生沥青混 合料的实际应用提供理论基础 1 2 课题对我国的意义 1 2 1 节约资源 沥青再生技术能最大限度利用废旧混合辩，直接节省大量的砂石料和沥青资源：同时有效节约开采 砂石料和废弃旧料占用的大量- t - 地资源。我国石油沥青人均产量很低，仅相当于美国的1 6 0 ( 1 9 9 6 年 统计数据) ，而且利用国产原油炼制的沥青普遍存在沥青质低、蜡含量高、胶质多，芳香分少、饱和分 多的特点，大多满足不了重交通石油沥青的路用性能技术要求。因此，适用于高级路面的国产沥青的缺 口很大，需大量进口沥青和适宜炼制沥青的原油，而且价格居高不下，进口沥青价格达到国际市场的两 倍以上。可见重复利用沥青，节约沥青资源在我国具有非常重要的意义。在我国许多地区，适用于铺设 高级沥青混凝土路面的玄武岩、辉绿岩、安山岩等石料也是非常稀缺的资源，为保证工程质量。有时不 得不到数百公里以外开采，远途运输大大提高了石料单价，如果不重复利用这些昂贵的石料，每次翻修 路面将带来沉重的经济负担。沥青再生技术在节约土地资源方面的作用也不容忽视。显然，经济发达地 区的公路密度大，交通量也较大，因此沥青混凝土路面翻修的频率较高，产生的废料相对较多。如果不 利用沥青再生技术重复利用沥青混合料。废弃旧料和新开采砂石科将占用经济发达地区大量“寸土寸金” 的土地。 特别是我国在9 0 年代以后陆续建成的高速公路已进入大、中修期。按照沥青的设计寿命( 1 5 - 2 0 年) ，从现在起，第5 年有1 2 的沥青路面需要翻修，旧沥青废弃量将达到每年2 2 0 万吨，如能加以利 用，每年可节省材料费3 5 亿人民币，而这个数字是以每年1 5 的速度增长的，1 0 年以后，沥青路面的 大、中修产生的旧沥青混合料将达到1 0 0 0 万吨，届时再生利用每年可节约材料费1 5 亿元。目前我国还 没有完全掌握旧沥青混凝土的再生技术，这些为数巨大的沥青混凝土层翻挖后只能白白的废弃掉，这不 仅浪费了资源，也对环境造成了严重的污染。 1 2 2 环境保护 沥青再生技术通过重复利用沥青混合料，防止沥青混凝土废料对弃置场所及其周边环境的污染，同 时通过减少石料的开采，能有效保护林地。维护自然景观和生态环境。目前普遍用于路面工程的石油沥 青是利用原油炼制的碳氢化合物，具有优良的粘附性，防水性和耐久性，其主要元素除碳和氢外，硫的 含量占第三位。虽然有关资料显示石油沥青不含致癌物质，但其化学惰性使其难于降解，长期影响堆填 区及其周边的生态和居民食物和饮水健康。因此，不妥善解决沥青混凝土废料的处置问题，就无法满足 环保要求。在经济发达地区，随着环保要求的提高，石料开采场被陆续关闭，以防止破坏环境，如果不 发展沥青再生技术，重复利用石料，上述措施将难以奏效。在欧、美、日等发达国家，对环保的要求已 北京建筑工程学院硕士论文 超越鼓励、倡导的层面，而上升到强制性的法律、法规上，例如，日本的再生资源利用促进法、美 国的矿山开采法等。我国虽属发展中国家。但也应有未雨绸缪的环保意识。事实上，在经济发展的 同时带来的生态环境破坏已引起了社会各界的高度关注，环保和可持续发展已成为我国的重要国策之 一 1 3 沥青再生技术国内外研究与应用现状 1 3 1 国外研究现状 国外对旧沥青路面再生利用研究，最早从1 9 1 5 年在美国开始的，但由于以后大规模的公路建设而忽 视了对该技术的研究。1 9 7 3 年石油危机爆发后美国对该技术才引起重视，并在全国范围内进行广泛研究。 到上世纪八十年代末美国再生沥青混合料的用量几乎为全部路用沥青混合料的一半，并且在再生剂开 发、再生混合料的设计、施工设备等方面的研究也日趋深入1 9 8 0 年，2 5 个州共使用了2 0 0 万吨的热 拌再生沥青混合料。至1 9 8 1 年，美国交通运输研究委员会编制出版了路面废料再生指南。同年，一 美国沥青协会出版了沥青路面热拌再生技术手册，1 9 8 3 年又出版了沥青路面冷拌再生技术手册。 这表明美国的沥青路面再生技术已经达到相当成熟的地步。随后由于技术日趋成熟，到1 9 8 5 年再生沥 青混合料的用量猛增剑近2 亿吨。到上世纪八十年代末美国再生沥青混合料的用量儿乎为全部路用沥青 混合料的一半，并且在再生剂开发、再生混合料的设计、施工设备等方面的研究也日趋深入。沥青路面 的再生利用在美国已是常规实践，目前其重复利用率高达8 0 9 6 约相比常规全部使用新沥青材料的路面， 节约成本l 嘶3 0 西欧国家也十分重视这项技术，联邦德国是最早将再生料应用于高速公路路面养护的国家，1 9 7 8 年 就将全部废弃沥青路面材料加以回收利用。芬兰几乎所有城镇都组织旧沥青路面材料的收集和储存工 作。法国现在也已开始在高速公路和一些重交通道路的路面修复工程中推广应用这项技术。欧美等发达 国家都特别重视再生沥青实用性的研究，他们在再生剂的开发以及实际工程应用中的各种挖掘、铣刨、 破碎、拌和等机械设备的研制方面都取得了很大的成就，正逐步形成一套比较完整的再生实用技术，达到 了规范化和标准化的程度。 日本是资源缺乏的国家，特别是石油资源严重依赖从中东国家进口，用于修筑道路的石油沥青也是， 一样。1 9 7 3 年石油危机后日本加大对旧沥青路面再生利用方面的研究，石油危机后日本加大对1 日# i 鼻路 面再生利用方面的研究。1 9 8 0 年厂拌再生沥青混合料累计达5 0 万吨，到2 0 0 2 年再生沥青混合料已达 4 1 6 7 1 万吨，占全年沥青混合料产量的5 4 7 7 。到目前几乎每个拌和站都具备生产再生沥青混合料的 能力，修筑道路7 0 左右使用再生沥青，极大地节约材料、投资，并保护环境。1 9 8 4 年7 月，日本道路 协会出版了路面废料再生利用技术指南。并且就有关厂拌再生技术编制了手册。 前苏联也较早地对沥青路面再生技术进行了研究，而且在1 9 6 6 年就出版了沥青混凝士废料再生 利用技术的建议一书，但实际应用甚少。1 9 7 9 年又出版了1 日沥青混凝土再生混合料技术准则，提 出了适于各种条件下路面再生利用的方法，其中规定再生沥青混合料只可以用于高级路面的基层和低 级路面的面层。1 9 8 4 年出版了再生路用沥青混凝土一书，该书详细地阐述了路拌再生和厂拌再生 的方法。这一时期，前苏联再生利用技术发展较快，仅列宁格勒市因推广沥青路面再生技术每年就可节 约沥青材料达1 4 0 0 吨之多 2 0 世纪9 0 年代后，沥青再生技术进一步发展，在亚太地区也得到普遍应用。目前，欧洲的e a p a 在互联网上公布，其成员国的废旧沥青混凝土路面材料1 0 0 通过再生方式得以重复利用。1 9 9 7 年国际 经合组织对1 4 个国家的路面材料再生利用情况进行了调查。发表了道路工程再生利用战略白皮 书。其中沥青混凝土路面再生技术应用状况反映了发达国家在这个领域的基本情况，见下表1 1 ： 6 北京建筑工程学院硕士论文 表1 1 国际经济合作与发展组织对1 4 国路面再生利用调查表( 沥青部分) 澳大奥地比利加拿丹芬法 日 荷瑞英美 项目 址 本 业 利亚利时大麦= 国= 典 国国 利用率 8 08 01 0 09 09 09 58 01 0 07 59 08 0 厂拌热再生 ggg ggg ggggg 就地热再生 lll6ggggll 厂拌冷再生 llggll 就地冷再生llgg ll 基层沥青 lllgll 基层水泥 ggggggg 基层水泥和沥青g glg 底基层ggllggglg 填料 g l gl 其它g g 注：1 ) g 表示普通采用，l 表示有限采用；2 ) 瑞士和挪威未提供数据；3 ) 数据为各国提供，非本 组织调查得来。 从表i 1 可知：( 1 ) 旧沥青混凝土路面的再生利用率为7 5 铲1 0 0 9 6 ；( 2 ) 厂拌热再生技术应用最为普 遍，再生材料主要用于路面结构，极少用作回填材料和其他用途；( 3 ) 不管是厂拌还是路拌，冷再生技 术推广程度较低；( 4 ) 现场热再生技术虽得到较多国家采用，但只有少数国家推广程度较高。 对于沥青再生技术的可靠性问题，澳洲a u s t r o a d s 在其1 9 9 7 年的沥青混凝土路面再生指南中 指出，利用6 0 r a p ( 沥青混凝土路面回收料) 的沥青混凝土路面使用寿命与传统沥青相同，而抗车辙能 力却得到增强；美国在2 0 世纪8 0 年代中后期到9 0 年代发表的系列研究报告表明，再生沥青混凝土路 面与全新料沥青混凝土路面比较，路用性能和使用寿命并没有明显的区别，n c a t 的国家和地方政府 路面再生指南也阐明了同样的观点；日本道路协会的厂拌再生沥青铺装技术指南也认为，将熟拌 再生沥青混合料应用于条件苛刻的重交通道路路面的调查结果表明，只要对热拌再生沥青混合料进行恰 当的质量控制管理，铺装后的性能与只用新料铺装的路面性能没有区别 纵观欧美，日等国家对路面再生利用技术的研究及其发展的状况，可以看到他们在再生沥青混合 料拌制工艺以及与之配套的各种挖掘、铣刨、破碎、拌和等机具的研制方面，都取得了很大的成就，已 经形成了一套完整的再生利用技术。 1 3 2 国内研究现状 我国在早期曾不同程度地利用废旧沥青料来修路，但都将其作为废料利用考虑，一般只用于轻交通 道路、人行道或道路垫层。长期以来，我国沥青路面的设计和施工标准较低，路面养护和翻修工作量倍增， 工程材料的需求量巨大。早在2 0 世纪7 0 年代，一些基层养路部门就已经自发的开始进行废旧渣油路面 材料再生利用的尝试8 0 年代初，我国有关公路部门就着手研究、试验，当时，我国尚未推广应用路 用乳化沥青，又限于机具条件，仅用烘烤的方法肢解挖起的旧路面料，添加的粘合料为热沥青，工序较 繁杂，且当时的沥青、碎石单价不甚高，旧路料铺筑与用全部新的材料铺路，对比其经济效果不甚显著， 该研究尚未获得可行的结果。随着国民经济的发展和不断交通运输的需要，1 9 8 2 年，交通部科技局正式 7 北京建筑工程学院硕士论文 将沥青路面再生利用作为重点科技项目下达，由同济大学负责该课题研究的协调工作，开展了比较系统 的试验研究，使研究的深度和广度增大。通过室内外大量的试验分析，对沥青再生的本质有了深刻的认识， 探明了沥青再生的科学途径，并在此基础上建立起沥青路面的再生设计方法。同年，山西省结合油路的 大中修工程铺筑沥青再生试验段余公里。湖北省对各种等级的路面、不同交通量、地形气候条件、 路面结构类型的旧油面层的再生利用也进行了系统的试验研究。铺筑试验路鹅公里。1 9 8 3 年建设部下 达了“废旧沥青混合料再生利用”的研究项目。由上海市政工程研究所、武汉市市政工程设计研究院、 天津市市政工程研究所等单位承担，当时的主攻方向是把旧渣油路面加入适当的轻油使之软化，来代替 常规沥青混合料，铺筑层次是解决用量最多的下面层，拌和设备方面则应用现有设备作适当改装，经过三 年的努力，在苏州、武汉、天津、南京四个城市铺筑了3 0 0 0 0 m 2 以上的试验路。湖南省将乳化沥青加入 旧渣油表处面层料，并分别用拌和法和层铺修筑了再生试验路。甘肃省兰州公路总段从1 9 8 3 年以来采用 阳离子乳化沥青作再生剂对夏兰三路、兰包路、甘川路进行冷法再生沥青路面，同时对兰空榆中机场 专用道路、中川路、西兰路，兰三路进行热法再生路面工作。云南省1 9 8 3 1 9 8 8 年分别对昆洛、昆畹、 贵昆路进行再生沥青路面试验研究，这些旧沥青路面再生利用工作都取得成功，为我国旧沥青路面再生 提供了宝贵经验，但这些旧沥青路面再生利用都是在旧渣油路面或中轻交通量公路上进行的，对于高等 级公路( 或重交通量公路) 上研究不足。据不完全统计，至1 9 8 6 年我国铺筑再生沥青路面已经累计超过 6 0 0 k m 。但从8 0 年代中后期我国由于经济建设的需要，全国开始进行大规模的公路建设，特别是高速公路 建设的展开，人力、物力的不足及对沥青再生技术不够重视，致使我国在旧沥青路面再生技术研究的深化 方面基本上处于停滞状态。近几年某些公路单位又开始尝试着将旧沥青路面简单再生后用于中轻交通量 公路或道路基层，如1 9 9 2 年同济大学在淮阜路采用阳离子乳化沥青进行冷法再生沥青路面试验。1 9 9 7 年江苏淮阴市公路处用乳化沥青冷法再生旧料后铺筑路面，取得了一定效果。目前在我国再生旧沥青路 面并没有在工程中得到应用。随着我国高等级沥青路面维修养护量的不断增加，对沥青路面旧料再生技 术有必要进行深入、系统研究。 近几年来，国内一些公路养护单位尝试着将旧沥青混合料简单再生后用于低等级公路或道路基层， 取得了一定效果。但由于缺乏必要的理论指导及合适的再生剂和机械设备的支持，目前在我国再生旧料 并没有在实际工程中得到大量应用。经过再生的沥青混合料一般仅限用于道路的基层。小面积坑槽修补 或低等级路面的面层。 随着我国沥青路面高等级公路的发展。特别是许多高等级路面已经或即将进入维修改建期大量的翻 挖、铣刨沥青混合料被废弃，一方面造成环境污染，另一方面对于我国这种优质沥青极为匮乏国家来说是 一种资源的浪费，而且大量的使用新石料，开采石矿会导致森林植被减少，水土流失等严重的生态环境破 坏，因此，对沥青路面旧料再生技术有必要进行深入，系统的研究 1 4 国内外的不足总结 我国路面材料的再生具有重要的现实和长远意义。为满足新路面材料的需求，对现有路面材料进行 再生可以节省大量的材料、资金和能源。同时，现有材料的再生也有助于解决路面材料废弃问题，而且路 面的几何形状和厚度能在修筑过程中得到保留。在有些情况下，路面材料的再生利用可以避免因施工造 成的长时间的交通的中断，施工规模要小于其他的路面改造技术措施。但我们仍然面临着以下的一些技 术空白如： i 4 - i 目前国内外对再生沥青的老化都没有进行系统的研究，而国内还仅仅处于沥青再生利用技术 的尝试阶段，对再生沥青的老化的研究还没有提到议事日程上来。本课题将研究再生沥青再度老化的规 律。 i 4 2 国内对原样沥青的改性技术已相当成熟，但未研究过对老化沥青再生的同时添加改性剂，缺 乏旧沥青的改性效果的评价指标体系。 8 北京建筑工程学院硕士论文 1 5 本课题的研究内容 针对国内外的不足，本课题研究内容将分为： 1 5 1 再生沥青的抗老化性能研究 再生沥青二次老化规律的研究分析。以粘度为主要控制指标，软化点、针入度和延度为辅助指标， 研究二次老化速率以及老化规律 1 5 2 再生沥青混合料抗老化性能研究 再生沥青混合料的抗老化性对于其在实际道路使用中是非常关键的，因此本研究在原样沥青混合料 酎久性研究评价指标的基础上，通过实验室试验对再生沥青混合料进行研究，分析再生沥青混合料的耐 久性及其老化规律。对再生沥青的二次老化规律加以验证 同时，结合实际道路旧料，使用从实际道路上回收的旧科( 上面层与中面层) 进行再生，并进行短 期老化和长期老化试验，分析其老化规律验证试验室的结论，检验抗老化性能 1 5 3 再生沥青老化后的二次再生研究 在沥青再生剂剂量确定方程以及沥青再生效果评价方法的基础上研究再生沥青老化后第二次再生 的再生效果。 1 5 4 二次再生沥青混合料的老化规律研究 在原样沥青混合料和再生沥青混合料耐久性研究的基础上，对二次再生沥青混合料的老化规律进 行研究。进一步对再生沥青的老化规律加以验证 论文结构图如下： 1 6 本课题的研究方法 1 6 1 沥青老化研究 1 6 1 1 在实验室首先对原样沥青( 普通沥青，改性沥青) 进行不同时间的老化以模拟实际路面沥青老 化，然后对老化沥青再生，对再生后的沥青第二次老化，测试第二次老化后的路用性能指标( 针入度、 9 北京建筑工程学院硕士论文 软化点、延度、粘度) ，研究分析其老化规律。 1 6 1 - 2 对老化不同程度的再生沥青进行老化速率研究分析，提出表征再生沥青老化速率的指标。 1 6 2 沥青再生研究 1 6 2 1 在沥青再生剂剂量确定方程以及沥青第一次再生效果评价方法和相关指标的基础上对二次老 化后的沥青进行第二次再生。加入不同剂量的再生剂，测试二次再生沥青各项路用性能指标( 针入度， 软化点、延度、粘度) ，研究分析其再生规律。 1 6 2 2 建立以再生沥青的粘度为主要控制指标，以针入度、延度、软化点为辅助控制指标，反映再生 沥青的再生效果。 1 6 2 3 通过对二次老化沥青加入不同剂量再生剂再生，研究再生剂剂量与二次再生沥青性能之间的关 系 1 6 3 再生沥青混合料抗老化性能的研究 1 6 3 1 再生沥青混合料耐久性能的评价 采用相同的矿料级配，分别以原样沥青和再生沥青为结合料进行沥青混合料的配制，对不同沥青混 合料进行短期老化和长期老化。比较不同沥青混合料高温稳定性，低温抗裂性和水稳定性等路用性能的 变化规律，分析再生沥青混合料的老化规律。 1 6 3 2 对二次再生沥青混合料进行高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性等路用性能的评价，对沥青二 次再生效果评价方法进行验证。 1 6 3 3 将原样沥青混合料、一次再生沥青混合料和二次再生沥青混合料的老化规律进行比较，分析原 样沥青混合料和再生沥青混合料的老化规律。 1 6 3 4 选取实际道路上的旧料，对旧沥青混合料再生，并进行短期老化和长期老化研究其路用性能及 老化规律，以验证再生沥青再度老化规律的有效性。 1 7 实验方案 1 7 1 对老化( 实验室模拟老化) 沥青、原样沥青及再生沥青分别进行性能实验，实验方法分别按 t 0 6 0 4 - 2 0 0 0 ，t 0 6 0 5 一1 9 9 3 ，1 0 6 0 6 - 2 0 0 0 等进行。 1 7 2 通过再生沥青和再生沥青混合料的路用性能试验对再生效果进行验证，实验方法分别按 t 0 6 0 4 - 2 0 0 0 ，t 0 6 0 5 - 1 9 9 3 、t 0 6 0 6 - 2 0 0 0 等进行。 1 7 3 对原样沥青、再生沥青及二次再生沥青混合料进行室内短期老化和长期老化模拟实验，实验方法 按t 0 7 3 4 - 2 0 0 0 等方法进行，从而比较不同沥青混合料的老化规律及异同点。 1 7 4 对典型路段上的旧沥青混合料进行再生及实验室模拟老化实验。实验方法按t 0 7 2 6 - 1 9 9 3 和 t 0 7 2 2 - 1 9 9 3 进行，以对再生沥青的再度老化规律结论进行验证。 第2 章再生沥青的老化规律研究 2 1 道路沥青混合料的老化和再生概述 沥青路面暴露在大气中，受到各种自然因素，如氧、温度、光照、水等的作用，使沥青混合料产生 许多复杂的物理、化学变化。 温度的变化，引起沥青路面的膨胀和收缩，极大地影响着沥青路面的变形性。气温的急剧降低，使 沥青路面产生收缩，在沥青面层内出现收缩拉应力，当超过路面材料极限抗拉强度时，路面就被拉裂破 坏。夏季高温，使沥青路面发软。路面若过分软塑，则会导致路面车辙的出现。大气降水和路面中的气 态凝结水，会引起沥青的剥离，使沥青路面出现松散等破坏现象。 北京建筑工程学院硕士论文 各种自然因素长期作用的结果，使沥青路面逐渐趋于老化。这种老化作用的突出表现是沥青混合料 中所含的沥青结合料枯度增大，沥青面层呈脆硬状，其可塑性和变形能力降低。 沥青路面因为原来所用沥青的粘度就比较高，随着使用年限的增加，沥青粘度过分的提高，给沥青 路面带来了不利的影响，沥青混合料变得过分刚硬，失去应有的柔软性和变形能力。这种沥青混合料尽 管强度很高，但由于过分脆硬，在行车荷载的作用下，路面出现龟裂。曾有人从使用1 0 年以上的已出 现严重龟裂的旧沥青路面中取样，重新加热拌和，成型成试件，测得马歇尔稳定度高达1 6 5 1 k n ，但流 值却仅为1 3 ( 1 1 0 m ) 。 设计和施工方面的缺陷，也常常是沥青路面过早损坏的原因。如交通量猛增，路面强度不足，是引 起沥青路面迅速破坏最常见的现象。混合料设计不合理，如用油过少，造成路面空隙过大，路表千枯、 麻面、松散，进而出现坑洞等破坏；反之，如用油量过多，则路面又会形成光面，引起泛油、推挤和拥 包等病害。沥青路面施工质量不好，如配料不准确，拌和不均匀，压实不充分，都会影响沥青路面的正 常使用寿命。许多地方常采取加铺罩面的办法来维修损坏的路面，但是对于强度不足的路段，单靠加铺 薄层罩面是不能维持多长时间的，不用多久原路面的裂缝又会反映上来。所以，有许多路段的沥青路面， 虽然原来都是薄层表处结构，而由于反复罩面，以致有的路段沥青面层甚至厚达十余厘米，最终仍不得 不彻底翻修，重新改建。 旧沥青混凝土路面的再生主要是针对沥青和矿料的再生，它们实际上是老化的逆过程。矿料再生主 要是加入新集料以达到要求的级配，旧沥青再生是在旧沥青中加入一定量的再生剂或新沥青，以恢复沥 青的路用性能。其中旧沥青混合料热再生原理如下图2 1 回收的沥青混合料 回收的骨科+ 修正的新骨料加热搅拌_ 再生沥青 混合科 回收的沥青+ 新沥青 图2 1 旧沥青混合料热再生原理 2 2 沥青老化及再生机理分析 2 2 1 沥青再生的相容性理论 2 2 1 1 沥青的相容性和溶度参数 一种沥青能否形成稳定的溶液，不决定于溶质粒径的大小，而决定于溶质( 沥青质) 在溶剂( 软沥青 质) 中的溶解度和溶剂对溶质的溶解能力。这就是所谓相容性理论。希尔布兰德曾提出“溶解度参数” 理论，即认为在一种溶液中，溶质的溶解度参数与溶剂的溶解度参数( 也可简称为溶度参数) 的差值小于 某一定值时，即能形成稳定的溶液。对此可用下式表示： a6 = 8 m 一8 - k 式( 2 1 ) 式中：a8 沥青质与软沥青质溶度参数差值，( c a l c d ) ”： 8 r - 沥青质的溶度参数，( c a l c m 3 ) ”： 6 r 软沥青质的溶度参数。( c a l c 3 ) “2 ： k _ 要求的溶度参数差值的限值，( c a l c m ) ”。 根据有关研究，国产沥青的沥青质溶度参数与软沥青质溶度参数的差值( a6 ) 的限值为0 7 6 。当 6 o 7 6 时，可得到较好的相容性。表2 1 列出几种国产沥青的沥青质与软沥青质的溶度参数及其差 值。从表中可以看出沥青溶度参数差值与其相容性有密切的关系。溶度参数小于0 6 的沥青均表现为 1 1 北京建筑工程学院硕士论文 较好的相容性；反之，则相容性较差。 表2 i 几种沥青的溶度参数与相容性 溶度参数分析 沥青名称沥青组分 溶度参数6溶度参数差值a6 相容性评价 ( c a l 皿a ) “ ( e a l c m 3 ) ” 软沥青( m ) 8 0 7 0 0 旧混合料回收沥青 i 4 5 2 8 差 沥青质( a 。)9 5 2 2 8 软沥青质m ) 8 3 8 7 7 大庆氧化沥青较差 沥青质( a 。) 9 4 2 5 0 1 0 3 7 3 软沥青质( m ) 8 7 5 8 6 胜利半氧化沥青 0 7 2 9 8 较好 沥青质)9 4 8 8 4 软沥青质( m ) 8 7 5 8 6 阿尔巴尼亚6 0 号沥青 o 4 2 0 l 好 沥青质( a t ) 9 1 6 0 7 2 2 1 2 老化沥青的相容性 沥青是一种极其复杂的高分子浓洛液，它是由数千种乃至近万种化合物组成的混和物。要将其分离 成纯单体，目前在技术上存在一定困难，同时在工程应用上，也役有这样的必要。为了工程应用方便， 我们假设沥青是由沥青质为溶质溶于软沥青质为溶剂的浓溶液。优良的沥青其沥青质与软沥青质应有 很好的相容性，也就是沥青质与软沥青质的溶度参数很接近( 或溶度参数差值很小) ，它们形 成稳定的浓溶液。随着沥青的老化，沥青及其组分中各种化台物产生脱氢，聚合和氧化等化 学变化，由于化学结构的变化，使其溶度参数亦随之变化。通常沥青质的溶度参数6 m 的提 高较软沥青质的溶度参数6 沩快，所以老化后沥青的沥青质与软沥青质溶度参数差值6 增 大，破坏了沥青中沥青质与软沥青质的相容性，因而引起沥青路用性能的衰降。沥青各组分 老化前后溶度参数变化列如表2 2 。 表2 2沥青各组分老化前后溶度参数的变化 沥青 溶度参数 组分沥青处理状态 溶度参数5 与沥青质溶度参数溶度参数变化a 的差值6 ( c a l 6 木 名称 ( c a l m 3 ) ” c m 3 ) “( c a l c m 3 ) ” 饱和分 老化前8 3 4 6 4i 4 5 5 8 ( s ) 老化后 8 6 2 5 21 9 8 7 2 0 ，2 7 8 8 芳香分 老化前 9 0 4 5 30 7 5 6 7 ( a r ) 老化后8 9 9 0 4i 6 2 2 00 0 5 4 9 胶质 老化前 9 5 3 1 3 0 2 7 0 2 ( r ) 老化后 9 6 6 6 60 9 4 5 80 1 3 3 3 沥青质 老化前9 8 0 2 0 ( a t ) 老化后1 0 6 1 2 40 8 1 0 4 北京建筑工程学院硕士论文 因此沥青老化过程的实质为：沥青中各组分化合物化学结构的变化，引起沥青中沥青质与 软沥青质溶度参数的变化，导致沥青质与软沥青质溶度参数差值增大，因而相容性降低，最终 表现为沥青路用性能衰降。 2 2 1 3 老化沥青的再生机理 从化学的角度来看，沥青再生就是老化的逆过程。亦即：使沥青中沥青质与软沥青质溶度 参数差值减小的过程。由此可见，沥青再生的方法就是采取一定的技术措施。使已老化的沥 青中沥青质的溶度参数与软沥青质溶度参数的差值a6 减少。最终使已老化的沥青的路用性能 得到改善 旧沥青老化后导致相容性降低主要原因为： 老化后沥青质含量增加，超过其在软沥青质中的溶解度； 老化后沥青质与软沥青质的溶度参数差值6 增大，超过相容要求的限值。 因此，沥青再生的途径通常是采用掺加再生剂的方法。加再生剂后，一方面可使沥青质的 相对含量降低，因而提高沥青质在软沥青质中的溶解度；同时，掺加再生剂后又可提高软沥 青质对沥青质的溶解能力，使软沥青质与沥青质的溶度参数差值a6 降低，从而改善沥青的相 容性。根据表2 2 可以看出，芳香分的溶解度参数与饱和分相比更接近于沥青质的溶解度参数 因此，较好的再生剂应富含芳香分。 2 2 2 沥青再生的组分调节理论 2 2 2 1 沥青的化学组分及老化特点 沥青的化学组分按照分离分析方法的不同，有三组分，即油分、胶质和沥青质；四组分即饱和分、 芳香分、胶质和沥青质；多组分，如美国罗斯特勒( f s r o s t l e r ) 提出的五组分分析法，印链烷分p 、 氮基n 第一酸性分a “第二酸性分a z 和沥青质a 目前，我国通行四组分分析法，并规定用正庚烷沉淀沥青质。无论采用何种组分分析方法，国内外 大量试验结果都证明，回收旧沥青的化学组分与原沥青或者与常规沥青相比较都有明显的变化。其表现 为：油分减少，胶质和沥青质增加。引起沥青组分变化的原因是多方面的，如轻质油分的挥发、氧及光 照引起的氧化、缩合作用等。但试验证明，沥青硬化的主要原因是氧化、缩合作用，而不是轻质油分的 挥发。据研究，在沥青发生氧化缩合作用时，沥青混合料中的矿质集料起着徙化剂的作用? 促使高分子 化合物的增加。在沥青中，油分的分子星较小，氧化缩合作用的结果，油分中芳香烃分子量增大，向胶 质转化，而饱和烃由于分子比较稳定，变化不大。胶质向沥青质转化，而沥青质本身则聚合成更大的分 子。因此，沥青老化的过程可以认为是沥青化学组分移行的结果沥青组分的移行转化。随着沥青老化 程度的加深而愈加明显。沥青路面使用年限愈长，旧沥青中的油分就愈少，胶质和沥青质就愈多，因而 旧沥青的针入度愈小，沥青材料愈向脆硬方向转化。 表2 3 沥青老化前后的组分变化 使用年限年饱和分s 芳香分a r胶质r沥青质a s 老化前 3 6 73 3 4 2 0 9 0 1 83 4 32 1 33 5 6l - 5 老化后 1 33 2 81 3 3 4 6 51 2 3 北京建筑工程学院硕士论文 图2 2 沥青老化化学维分的变化示意图 沥青路面中路中与路边的老化程度是不同的，这同样在沥青组分上得到证实。日本神川县对旧沥青 组分的分析表明，在承受重交通荷载的路中，路面表面沥青质显著增加，且使_ h 】5 年的比3 年的大。但 在0 5 c m 深度以下的路面，则沥青质变化很小。这与表2 2 所示旧沥青常规指标是相吻合的。 旧沥青化学组分的变化，造成了沥青材料各组分之间配伍的失调。过去，有学者通过对优质沥青化 学组分和路用常规指标之间关系的分析，提出了优质沥青化学组分的合格区域。但是由于沥青化学结构 的复杂性，合格区随原油品种、加工工艺不同的改变，因而难以用一个固定的台格区来衡量旧沥青的老 化程度，或对旧沥青的品质作出评价 尽管沥青的组分并不能用来对回收旧沥青材料的性能作出完全合理的评价，但是通过对旧沥青化学 组分的分析，却有助于人们认识老化的内在原因，从而为旧路面再生指出了方向。 2 2 2 2 老化沥青的再生机理 在石油工业中，根据沥青材料是混和物的原理，将几种不同组分进行调配，可得到性质各异的调合 沥青：或者将某种组分，如富芳香分的抽出油与某种商粘度的沥青相调配；或者将某种低枯度的软沥青 与高粘度的沥青相调配，都可以获得具有不同性质的新沥青材料。用这种方法所生产的沥青，在石油工 业中称之为调合沥青。 旧沥青再生就是在旧沥青中，或者加入某种组分的低粘度油料( 即再生剂) ：或者加入适当稠度的 沥青材料，进行调配，使调配后的再生沥青具有适合的粘度和所需要的路用性质，以满足筑路的要求。 所以再生沥青实际上也是一种调合沥青。 石油_ = 业中生产调合沥青。是根据油料的化学组分配伍条什来生产所需沥青的。工艺较为复杂，要 求有一定的设备条件。对于旧沥青再生，过去也曾有人试图根据1 日沥青组分，对照优质沥青的组分，来 确定旧沥青应该补充的组分及其数量，以获得品质优良的再生沥青。但是按照现有的再生沥青混合料生 产工艺却是难以实现的。在旧沥青中补充一些油分是可能的，然而若要针对我国沥青中沥青质含量少( 旧 沥青中的沥青质含量也不多) 的情况，补充沥青质则是十分困难的。再者，由于沥青的化学组分和化学 结构极其复杂，即使是相同的化学组分。因为它们油源基属以及加工工艺的不同，其性质会有很大的差 别。迄今为止，人们还不可能找出一种适合于各种沥青的最佳组分比例。因此，旧沥青再生后要想获得 良好的品质，尽管从道理上讲调节组分是再生的基本途径，但是由于种种原因，不可能以组分作为沥青 再生的控制条件，而必须通过其它途径，寻求适合的控制指标，使得既能够在内在本质上达到调节组分 使旧沥青获得再生的目的，又能够在实际操作中便于测试和计量。 2 2 3 沥青再生的橡胶理论 2 2 3 1 沥青的橡胶结构 美国于1 9 8 7 年建立的一项为期5 年、耗资1 5 亿美元的研究计划美国公路战略研究计划( s 聃p 计划) ，通过大批科研工作者历时5 年的辛勤工作在科研过程中开发出体积捧出色谱( s e c ) 和离子交换 色谱( i e c ) 采用体积排出色谱或离子交换色谱将石油沥青分离成相对分子质量大小不同的馏分或将石 1 4 北京建筑工程学院硕士论文 油沥青分离成酸性分( 强酸、弱酸) 、碱性分( 强碱、弱碱) 、中性分和两性分，试图考察酸性分、碱性分、 中性分和两性分与沥青路用性能的关系 s h r p 研究结果显示：两性分含有沥青中最极性和芳香性的分子，这些分子的相对分子质量很大：两 性分是提高沥青粘度的主要组分 科研工人员做了如下工作：在a a i ) - i ，a a 6 - l ，m l k - 1 和a a i 卜l 四种沥青中分别加入等量的两性分、 碱性分，酸性分和中性分，以混合物6 0 粘度为考核指标，分别考察各个组分对粘度的影响，表2 4 为四种核心沥青与其i e c 分离的两性分、碱性分、酸性分和中性分的混合物在6 0 和1 o r a d s 时的粘 度，并且考察了沥青在缺少两性分存在时的性质。表2 5 列出了4 种沥青的中性分加酸性分、碱性分混 合物在3 个温度下的粘度与其母体沥青在1 o r a d s 时的粘度比较 表2 44 种核心沥青与其i e c 分离的两性分、碱性分、酸性分和中性分的混合物在 6 0 和1 o r a d s 时的粘度 粘度( p a s ) 样品名称 沥青沥青+ 两性分 沥青+ 碱性分 沥青+ 酸性分沥青+ 中性分 从d - l1 3 12 4 6 23 2 71 7 43 7 从g 一12 4 01 7 4 03 4 62 8 51 3 2 从k l4 1 36 8 3 66 5 65 1 7“o a a 艟一l 2 5 84 0 3 23 9 92 9 21 4 0 表2 54 种沥青的中性分加酸性分、碱性分混合物在3 个温度下的粘度与其母体沥青在 1 o r a d l s 时的粘度比较 沥青粘度( p a s ) t a n5 混合物粘度( p a s ) t a n 5 样品名称 沥青混合物 2 5 4 5 6 0 2 5 4 5 6 0 2 5 2 5 a a d 一14 0 5 7 01 0 8 3 1 3 0 8 2 6 0 1 2 6 45 4 31 0 1 1 7 0 9 从g 一13 5 4 0 0 03 2 0 22 3 9 98 9 14 1 2 6 05 5 9 35 7 69 7 8 5 a a k l8 1 0 5 04 2 0 3 4 1 2 7 2 4 77 2 7 22 2 0 9 3 5 4 1 4 o l 从m 一1 1 6 1 5 5 02 7 6 92 5 8 o2 3 11 8 4 5 03 1 8 75 1 41 2 4 8 由表2 4 可以看出，两性分的加入大大提高了沥青的粘度。碱性分对提高沥青的粘度有较大的作用， 酸性分在一定程度上也能提高沥青的粘度，而中性分的加入则导致了混合物的粘度较母体沥青的粘度有 所降低。 由表2 5 可以看出，混合物粘度大大低于母体沥青的粘度：与母体沥青相比，混合物具有较高的 t a n6 ，从而说明混合物具有较低的弹性模量。结果再次证明了两性分是提高沥青粘度的主要组分。 s h r p 研究人员在以上研究的基础上提出了一种理论，认为沥青是两性沥青质型网状分子结构。在 网状分子结构中含一种油相。沥青最为重要的化学性质是网状结构及油相的分子大小分布，使网状交联 在一起的极性相互作用。 通过以上的研究，s h l l p 研究员发现沥青同橡胶有很大的相似性。橡胶也是一种网状聚合物，在两状 结构中含有增塑剂( 通常为石油系油类，橡胶轮胎含有2 5 的油) 。增塑剂在橡胶中的作用就像油在两个 移动的物体之问起到的润滑作用一样，都能促进在加工时橡胶大分子之问相互移动。这种橡胶分子外润 滑作用的产生，主要是由于增塑剂分子包围了橡胶大分子，小分子容易运动。带动了大分子相对运动， 减低了橡胶分子上的界面能，减少了分子内部的抗形变能力，克服了橡胶分子之间直接的相互滑动摩擦 和范德华力所产生的粘附力。 2 2 3 2 沥青的老化机理 北京建筑工程学院硕士论文 通过上面的分析得出，大分子组分的含量对沥青的性质有较大的影响。例如沥青b 为优质沥青，含 有适量的大分子或网状组分。沥青a 含有过多的网状分子而油分不足，会开裂。沥青c 含网状分子少而 油分多，会剥落。沥青老化是当油相( 一般为芳香族分) 氧化成沥青质时使沥青b 变成沥青a 。油相成分、 网状结构与极性相互作用这些化学性质尚难以计测，也未被充分了解因此，流变学这一粘弹性的计量 标准发展成为一种便利的物理性质计量法，它把沥青性能同化学性质联系起来 那么。沥青在老化过程中流变性质是如何变化的呢? 表2 6 中列出了国内几种沥青的原样沥青和 r 唧r 残留沥青的动态剪切试验结果。 表2 6 国内几种沥青的原样沥青和r t f o t 残留沥青的动态剪切试验结果 原样沥青 r t f o t 残留沥青 6 * s i ng * s i n 沥青品种 温度 g 毒t a n 6 温度