（市政工程专业论文）热再生沥青的路用性能评价.pdf

大连理1 ：大学硕士学位论文 摘要 上世纪八、九十年代建成的高等级公路在经历了交通量迅速增长及雨雪等各种自然 环境的考验之后，已经逐渐进入大、中修期，并且近几年建成的高等级公路也需做好日 常性养护工作。在建设环保和节约型道路上，热再生技术已逐渐显现其优势。实践经验 证明：在利用旧沥青混合料过程中，对老化沥青进行有效再生是重要环节。与国外对沥 青路面热再生技术的应用及研究相比，我国在热再生技术应用方面有一定的优势，但是 在理论体系、设计体系和生成实践体系仍有所欠缺。因此，我们必须加快对热再生技术 的研究，尽快形成一套适合我国的再生沥青混凝土技术规范。 本论文主要针对再生混合料中的胶结料进行较为系统的研究，主要内容包括： 1 ) 基于对沥青老化规律和再生机理的分析，根据组分调节理论，利用老化沥青针 入度、高于和低于再生目标沥青的针入度三点，确定再生剂用量，并检验此再生剂用量 确定方法的可行性； 2 ) 利用常规的评价指标对三种再生沥青进行评价； 3 ) 对再生沥青的评价标准，除了常规指标国内经常用的对再生沥青评价标准， 本次试验利用了s h r p 中的p g 结合料规范对三种再生沥青的高温、中温和低温性能进行 了评价，根据相应指标对再生效果进行度量，并对其进行了p g 分级； 4 ) 通过两套评价标准对再生沥青效果的检验，对它们进行比较，为今后的热再生 技术的研究提供素材。目前国内对再生沥青的性能评价指标尚未有统一标准，主要是利 用针入度、软化点、延度等常规技术指标表征再生剂的再生效果，利用s h r p 指标衡量 再生效果的研究相对于我国需要大量地对再生沥青进行研究是很少的。 关键词：再生沥青；路用性能；传统指标；s h r p 大连理工大学硕士学位论文 e v a l u a t i o no ft h ep a v e m e n tp e r f o r m a c eo ft h eh o t r e c y c l e da s p h a l t a b s t r a c t d u et ot h eq u i c k l yi n c r e a s e dt r a f f i ca n dt h ev a r i o u sn a t u r a le n v i r o n m e n t ，s u c ha sr a i na n d s n o we t c ，t h eh i g h - g r a d eh i g h w a y sb u i l ti nt h ee a r l y1 9 8 0 sa n d1 9 9 0 sh a v eg o ti n t ot h ee x t e n t o ft h ei n t e r m e d i a t eo rm a j o rr e p a i r ，f u r t h e r m o r e ，i ti sn e c e s s a r yt om a i n t a i nt h eh i g h - g r a d e h i g h w a y sd a i l y i nc o n s t r u c t i n ge n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dc o n s e r v a t i o nt y p e so fr o a d s ，t h e h o tr e c y c l i n gt e c h n o l o g yh a sa l r e a d yp r e s e n t e di t sa d v a n t a g eg r a d u a l l y i th a sa l r e a d yb e e n p r o o f e db yp r a c t i c e st h a ti nr e c y c l i n ga s p h a l tm i x t u r e ，i ti sc r i t i c a lt om a k et h ea g i n ga s p h a l t b er e c y c l e d e f f e c t i v e l y c o m p a r e dw i t ht e c h n i c a la p p l i c a t i o n sa n dr e s e a r c h e so ft h eh o t r e c y c l i n gt e c h n o l o g ya b r o a d ，t h ea p p l i c a t i o n s i no u rc o u n t r yo u rc o u n t r yh a sc e r t a i n a d v a n t a g ea p a r tf r o mt h es y s t e mi n f o ，d e s i g ni n f oa n dp r a c t i c ei n f o t h e r e f o r e ，w eh a v et o s p e e dt or e s e a r c ht h eh o tr e c y c l i n gt e c h n o l o g yi no r d e rt os e tas u i to fc o n c r e t et e c h n i c a l c r i t e r i ai nr e c y c l i n ga s p h a l tf o ro u r s e l v e s 。t h em a i np u r p o s eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni st os t u d yt h eb i n d e ro ft h er e c y c l e dm i x t u r e i t i n c l u d e st h ef o l l o w i n g p a r t s ： 1 ) b a s e do nt h ea n a l y s i sf o rt h ea g i n gr u l e sa n dt h er e c y c l i n gm e c h a n i s mo ft h ea s p h a l t a n da c c o r d i n gt ot h ec o m p o n e n ta d j u s t i n gt h e o r y , m a k i n gu s eo ft h r e ep o i n t s ，t h a ta r et h e p e n e t r a t i o no f t h ea g i n ga s p h a l t ，h i g h e ra n dl o w e rt h a nt h a to ft h et a r g e ta s p h a l t ，w ed e t e r m i n e t h ep r o p o r t i o no ft h er e c y c l i n ga g e n ta n dv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d 2 ) m a k eu s eo ft r a d i t i o n a la s p h a l tc e m e n tt e s t i n gm e t h ，o d st oe v a l u a t et h r e ek i n d so f b l e n d e db i n d e r s 3 ) t oe v a l u a t et h er e c y c l ea s p h a l t ，t h e r ei sa n o t h e re v a l u a t i n gs t a n d a r da p a r tf r o mt h e t r a d i t i o n a lo n ew h i c hi su s u a l l y a p p l i e da th o m e ，t h a ti st h es h r pp e r f o r m a n c eg r a d e d ( p g ) b i n d e rs y s t e m a c c o r d i n gt ot h es y s t e m ，t h ed i s s e r t a t i o ne v a l u a t e st h ep e r f o r m a n c eo ft h r e e k i n d so fb l e n d e db i n d e r sa th i g ht e m p e r a t u r e ，m i d d l et e m p e r a t u r ea n dl o wt e m p e r a t u r e r e s p e c t i v e l ya n df i n a l l yh a st h e mp gc l a s s i f i e di na c c o r d a n t ew i t ht h er e s u l t sm e a s u r e db yt h e c o r r e s p o n d i n ge v a l u a t i v ei n d e x e s 4 ) a c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t s ，t h ed i s s e r t a t i o nc o m p a r e st w o k i n d so fe v a l u a t i n gs y s t e m a n ds u p p l i e st h em a t e r i a l st ot h er e s e a r c ho ft h eh o tr e c y c l i n gt e c h n o l o g yf o rf u t u r e a t p r e s e n t ，t h e r ei sn ou n i f o r ms t a n d a r df o re v a l u a t i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h er e c y c l ea s p h a l t d o m e s t i c a l l ya n dt r a d i t i o n a lt e s t i n gm e t h o d ss u c ha sp e n e t r a t i o n ，s o f t e n i n gp o i n t a n ds oo na r e m o s t l yu s e d i tn e e d sal o to f r e s e a r c ht ou t i l i z es h r pi n d e x e st ot e s tt h er e c y c l i n ge f f e c t s ，b u t i nf a c tw eh a v ed o n eal o ta b o u tr e c y c l i n ga s p h a l t 热再生沥青路用性能评价 k e yw o r d s ：r e c y c l e da s p h a l t ：p a v e m e n tp e r f o r m a n c e ：t r a d i t i o n a li n d e x ：s h r p i v 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：丛葱丛日期：互盘! 笸：望 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：丛惹丛作者签名：垡整丛 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题的提出及研究意义 李盛霖部长在2 0 0 7 年全国交通工作会议上指出，我们必须走一条资源节约和环境 友好的交通发展之路。交通发展面临的资源和环境形势日趋严峻，继续沿用传统的增长 方式推进交通发展难以为继。实践证明，适应新形势新要求，着力增强创新能力，加快 建设创新型和资源节约型、环境友好型交通行业，使交通发展与资源、环境的可承载能 力相适应，交通发展就可以充满活力，增强动力，实现可持续发展。 从1 9 8 4 年我国修建第一条高速公路至2 0 0 7 年7 月底，全国高速公路通车里程已达 到4 9 万公里，仅次于美国，投资总额超过1 5 万亿元。“十一五 期间，交通部将着 手组织实施国家高速公路网计划，到2 0 1 0 年，新建高速公路2 4 万公里，全国高速公路 总里程将达到6 5 万公里。在短短的二十余年时间里，我国公路通车总里程达到3 4 8 万 公里( 包括1 5 5 万公里村道) ，其中高速公路通车里程约5 万公里，而美国的建设速度 则是8 0 年修建了8 万公里，因此，我国的公路事业可谓是突飞猛进。但是，在我们取 得骄人成绩时，我们也必须清醒地认识到，正是由于建设速度过快，才越发显出我国公 路养护管理事业的严重滞后性，尤其是对于在我国是主要路面形式的沥青路面。实践已 经证明，虽然高等级沥青路面设计使用寿命一般在1 5 年左右，但是大多数路面在运营 后不久，就需进行大面积维修养护。我国的高速公路事业大规模建设是从1 9 9 5 年开始， 目前许多高等级公路已逐渐出现裂缝、车辙和坑槽等多种病害与不同程度的破损，因此， 需要及时并保质的对其进行大规模的维修，并将持续很长时间。 随着我国公路事业的不断发展，社会对高等级公路的要求也随之提高：要求高等级 公路提供快速、安全、高效的道路运输条件等。由于沥青路面是我国高等级公路的最主 要路面型式，且上世纪陆续建成的高等级公路已逐渐进入大、中修期，近几年建成的高 等级公路也需做好日常性养护工作。而在我国采取的传统养护维修方式中，普遍采用的 是挖补和铣刨重铺工艺，大量的旧沥青混凝土被废弃，同时，耗用大量的石料和沥青。 这种传统的维修方式不仅造成环境污染，而且由石料的大量使用引发的开矿热会造成森 林植被减少，水土流失等严重的生态破坏，同时，对于像我国这种需大量进口优质沥青 以满足公路建设事业的国家来说，这也是一种资源浪费。另外，传统的养护维修方式需 过长的占道维修时间，这明显与日益增长的交通量需求相冲突，并且形成了恶性循环。 热再生技术正是顺应了世界各国公路事业发展的需要，它不仅能降低维修养护成 本，而且能有效缓解资源压力和保护环境，在国际上已是一项成熟的维修养护技术。而 热再生沥青路用性能评价 我国对热再生技术的研究和应用还处于初级阶段，可是我国公路的旧路维修和新路的养 护高峰即将来临，热再生技术必将是我国公路维修养护事业发展的新趋势，因此，我们 需从热再生技术的各个方面对其进行研究。 近几年，为了响应中央关于“建设节约型社会”的要求，各地公路部门己迅速行动 起来，以“可持续发展”理念为宗旨，以实现“绿色交通 为目标，积极研究应用符合 循环经济模式的沥青路面再生利用技术。随着全社会对环境保护、资源保护以及“节约 型社会 认识的不断提高，随着沥青路面再生应用技术的不断发展完善和标准规范的出 台，符合循环经济模式的沥青路面再生技术将在以后的公路建设、养护工程中得到更加 广泛的应用。 1 2 国外应用及研究概况 1 2 1 国外对热再生技术应用概况 最早开始对沥青路面的再生技术研究是在1 9 1 5 年的美国，由于种种原因未能引起 政府和业内人士的重视，直至1 9 7 3 年石油危机爆发，燃油供应紧张，筑路用的砂石材 料供应不足。1 9 7 4 年美国开始大规模推广沥青路面再生技术。1 9 8 0 年，美国2 5 个州共 使用了2 0 0 万吨热拌再生沥青混凝土；到1 9 8 5 年，美国全国再生沥青混合料的用量就 猛增到两亿吨，几乎是全部路用沥青混合料的一半【1 】。美国联邦公路局( f h w a ) 估计美国 每年有五千万吨的旧沥青混合料被重新利用，这个量相当于节省了两亿八千万公升的沥 青结合料和四千七百万吨的石料，节省成本超过1 0 亿美元i z j 。f h w a l 9 9 8 年公布的资 料表明，所有5 0 个州的政府公路局几乎都将沥青路面旧料作为骨料及粘结料的代替材 料，用以生产与传统沥青混凝土品质相同的热拌再生沥青混凝土1 3 j 。 美国在上世纪8 0 年代就对沥青路面再生技术进行了深入研究，并取得一定的研究 成果，像1 9 8 1 年美国交通运输研究委员会编制出版的路面废料再生指南，同年美 国沥青协会出版的沥青路面热拌再生利用手册等。如今，美国在沥青路面再生技术 这方面更是达到相当成熟的阶段，并一直在对其进行不断的研究。 前苏联对旧沥青路面再生利用技术的研究也较早。1 9 6 6 年出版了沥青混凝土废料 再生利用技术的建议一书，但在实际工程中应用的相当有限。1 9 7 9 年出版的旧沥青 混凝土再生混合料技术标准提出了适用不同条件下的再生利用方法，它规定了再生混 合料可用于高等级路面的基层和低级路面的面层，表明当时的再生效果是满足当时的路 用要求的。1 9 8 4 年出版的再生路用沥青混凝土一书详述了现场再生和厂拌再生的方 法。俄罗斯在近几年的路面维修中广泛使用该项技术。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 相对于美国和前苏联，欧美国家对再生技术的研究起步较晚，是从上世纪7 0 年代 开始的，但是对该项技术也相当重视。1 9 7 8 年联邦德国沥青路面旧料回收利用率已接近 1 0 0 ，并率先将再生沥青混合料应用与高速公路的路面维修养护。法国已开始在高速公 路和一些重交通道路的路面修复工程中推广应用再生技术。芬兰几乎所有的城镇都组织 进行旧路面材料的收集和储存工作，过去的再生沥青混合料主要用于低等级公路的面层 和记错，随着热再生技术的不断发展，已应用到重交通道路路面。 欧洲沥青路面协会( e a p a ) 已通过互联网宣布，其成员国的旧沥青路面材料1 0 0 通 过再生进行重复利用。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，其中沥青混凝土再生利用技术反映 了发达国家在这个领域的基本情况： ( 1 ) 旧沥青路面材料的利用率为7 5 1 0 0 ： ( 2 ) 热再生技术应用得最为普遍，再生材料主要用于路面面层结构，极少用作回填 材料和其它用途； ( 3 ) 不论是集中厂拌还是现场再生，冷再生技术推广程度较低； ( 4 ) 就地热再生技术得到较多国家采用，但是只有少数国家推广程度较高。 由于能源相对匮乏，日本从1 9 7 6 年对旧沥青路面材料再生利用的研究开始就得到 政府的重视，并根据使用1 日料的数量多少，给施工企业予以补助。2 0 0 0 年再生利用率已 达到9 0 ，热拌再生沥青混合料达到4 7 0 0 万吨，占总路面沥青混合料应用的5 5 以上。 1 9 8 4 年日本道路协会出版了路面废料再生利用技术指南，且就沥青混合料厂拌再生 技术编写成手册。 纵观热再生技术得到广泛应用的国家，可以看出他们都十分重视沥青路面再生利用 技术，他们在再生沥青混合料的拌制工艺，以及与之配套的各种挖掘、加热、铣刨、破 碎、拌和、重铺等机具的研制方面都取得了很大成就，已经形成了一套比较完善的再生 利用技术，并且达到了规范化和标准化的成熟程度。欧美国家虽然对沥青再生机理的理 论研究不多，但对再生剂的再生效果、再生沥青混合料的物理力学性能的评价方法等也 进行了卓有成效的研究，为沥青混合料再生技术的实际应用提供了科学依据。 1 2 2 国外对再生沥青的研究概况 国外对再生技术的研究较早，且对再生剂和再生沥青等的认识较为系统和规范，像 德国和日本已经制定了适用于本国的再生沥青规范，而美国和日本也分别制定各自的再 生剂规范。 热再生沥青路用性能评价 虽然国外对再生沥青的再生机理的理论研究不多，但是对再生剂的再生效果进行了 深入研究。老化沥青的再生主要是通过加入再生剂使之性能恢复，满足设计的路用性能 要求，因此，对再生剂的要求各国均有所差别： 前苏联再生剂质量标准【4 l 表1 1 前苏联再生剂质量标准 t a b 1 1 q u a l i t a t i v es t a n d a r do ft h er e c y c l i n ga g e n ti ns o v i e tr u s s i a 美国材料试验学会( a s t m ) 的再生剂规范( a n n u a lb o o ko fa s t ms t a n d a r dp r a c t i c e f o rc l a s s i f y i n gh o t m i xr e c y c l i n ga g e n t ，2 0 0 1 ) 美国再生指南指出使用软沥青作为再生剂时，分两种情况：一种是老化沥青的性能 仍保持良好；另一种是旧沥青掺加比例不小于1 5 ，认为在这两种情况下通过掺加新鲜 沥青均能调和出符合性能要求的再生沥青【5 1 。 大连理一= 大学硕士学位论文 1 3 国内应用及研究概况 1 3 1国内对热再生技术应用概况 我国对废旧沥青混合料再生利用技术的研究具有明显的阶段性和历史特色【6 】，大致 可分为三个阶段： 第一阶段是2 0 世纪5 0 年代至8 0 年代，我国在不同程度上利用了废旧沥青混合料， 但均作为废物利用考虑，所得成品一般只用在轻交通道路、人行道或道路基层。1 9 8 2 年交通部科技局将沥青混凝土路面再生利用为重点科技项目下达，由同济大学负责该课 题研究的协调，由西、河北、河南、湖北等省市参加，分别确定主攻方向，对沥青混凝 土路面再生技术开展了比较系统的试验研究1 7 1 。1 9 8 3 年建设部下达“废旧沥青混合料再 生利用的研究项目，由天津市政工程研究所、上海市政工程研究所、武汉市政工程研 热再生沥青路用性能评价 究院等单位承担该项目的研究工作，当时的主攻方向是向旧渣油路面加入适当比例的轻 油成分使之软化，达到常规沥青混合料的性能，但铺筑层次主要是下面层，拌和设备方 面则是对当时现有设备进行适当改装，经过三年努力，终于在苏州、武汉、天津、南京 四个城市铺筑了三万多平方米的试验路，路用效果证明，再生路面的综合使用品质不低 于常规热拌沥青混凝土路面。 第二阶段是9 0 年代，当时是我国高速公路事业从无到大规模建设的时期，所以对 废旧沥青混凝土路面再生利用技术的研究被暂时搁置，没有得到进一步的发展。不过， 基于过去对再生技术的研究和应用状况，于1 9 9 1 年6 月发布了热拌再生沥青混合料 路面施工验收规程，其中指出了再生沥青混合料所用的矿料、沥青的品质和混合料的 技术要求等应符合普通沥青混合料的有关规定。 第三阶段是从9 0 年代末到现在，随着早期建成的高速公路路面陆续进入大修或改 建阶段，沥青混凝土路面再生技术又重新引起各部门单位的重视。2 0 0 2 年3 月华北高速 公路股份有限公司从德国维特根公司引进中国市场上第一套沥青路面就地热再生设备， 该机组在京津唐高速公路上进行了就地热再生施工，再生效果令人满意。2 0 0 2 年底江苏 高速公路养护有限公司引进芬兰的卡罗泰康公司生产的就地热再生列车，并先后在京沪 高速扬州段、二级公路$ 3 2 5 和$ 3 2 7 、连徐高速、京珠高速等路段进行了就地热再生试 验路的铺设，并获得了良好的再生效果1 8 j 。2 0 0 5 年安徽省滁州市对g 1 0 4 线1 0 4 1 k _ 1 0 4 3 k 段进行了2 k m 沥青路面热再生试验工程，经初步检测，各项技术指标均符合规范要求， 节约造价5 0 ，且施工期短【9 j 。2 0 0 6 年吉林省嘉鹏公路建设有限责任公司对吉林省长双 公路部分路段进行现场热再生施工，再生效果满足了常规的试验验证指标。同年，根据 石安高速石家庄段的病害情况、路面沥青旧料的性能和骨料级配、再生路面的设计使用 寿命和设计利用性能，拟定采用复拌加铺的技术方案1 1 0 1 。湖北省交通工程检测中心针对 京珠高速公路湖北段的铣刨料( i 泔) ，采用了三种材料方案进行了再生沥青混合料配合 比设计及路用性能试验，试验结果表明，在合适的旧料掺加比例范围内，再生沥青混合 料有较好的路用性能指标，基本能达到新鲜沥青混合料的指标要求1 1 1 1 。2 0 0 7 年辽宁省 在沈营线路面中修工程中也采用了热再生技术，当时的工程验收结果表明再生效果达到 了对普通沥青混凝土路面的要求，而再生路面的耐久性有待进一步观测。 1 3 2 国内对再生沥青的研究概况 国内对再生沥青的研究主要是在对沥青混凝土路面热再生的室内试验中体现的，或 者是在考查再生剂的再生性能时有所体现。 大连理= 人学硕士学位论文 辽宁省交通科学研究院针对由四种旧料回收的老化沥青进行了常规指标测定和组 分分析，从试验结果发现四种老化沥青的沥青质含量过高，而芳香分含量偏低。另外， 也对七种富芳贫蜡的再生剂进行了组分分析，综合分析比较后，采用两种再生剂作为调 和再生剂。再生沥青的常规理化性质见表1 3 ： 表1 3 沥青再生后的理化性质与标准对照表【1 2 】 t a b 1 3 c o m p a r i s o no fp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t yb e t w e e n t e s t r e s u l ta n ds t a n d a r df o rr e c y c l e da s p h a l t 薄膜烘箱试验( 1 6 3 ，5 h ) 道路沥青的感温性主要包括温度敏感性、高温稳定性、低温抗裂性。关于再生沥青 的感温性，我国有关部门也做了相关研究。他们采用针入度粘度指数( p v n ) 法、粘温指 数( v r s ) 法和针入度指数( p i ) 法分别考察了再生沥青的感温性，结果表明三种方法排序结 果并不一致，但与原沥青相比，再生沥青的感温性与新鲜沥青相接近，有的甚至优于新 鲜沥青，但总体而言再生沥青与新鲜沥青的感温性都较差。为改善再生沥青的感温性， 改变其胶体状态，增加沥青质的胶容能力，可考虑增加芳香分【l 引。 曹荣吉，陈荣生，徐正林等【1 4 】按照s h r p 胶结料试验方法，评价了某种再生剂对老 化沥青的再生性能，并且为保证试验所用的老化沥青具有大致相同的老化程度，即不同 批次试验之间具有可比性，试验中统一采用7 0 # 普通沥青试样，通过旋转薄膜烘箱试验 r t f o 和压力老化试验p a v 来获得老化沥青样品。 表1 4 再生沥青测试结果【1 4 】 热再生沥青路j j 性能评价 t a b 1 4 t e s tr e s u l tf o rr e c y c l e da s p h a l t 试验项目 新鲜沥青老化沥青再生沥青技术指标 东南大学候睿等人针对沥青路面再生工艺，从扩散理论出发，分析了再生机理及其 对再生工艺的要求和影响，并设计了一系列模拟试验测试了再生剂的扩散情况、旧沥青 结合料的转移规律等。他们主要利用常规的物理指标，结合s h r p 指标和感温指标对再 生前后( 新鲜沥青调和再生和专用再生剂再生) 胶结料的物理性能进行检测，分析其变 化规律。 总之，国内对再生沥青的研究主要是从沥青老化规律、再生剂的开发、再生机理和 再生剂添加量的确定等几方面入手，利用针入度、软化点、延度等常规技术指标表征再 生效果，并取得了一定的成果，对今后的研究起到指导作用，但是利用s h r p 指标衡量 再生沥青性能的研究相对较少。由于国内对再生沥青的评价指标尚未形成统一标准进行 指导，因此，我们需要对再生沥青的路用性能进行更深入地研究，也是今后热再生事业 发展的基础。 1 4 本论文研究内容及意义 国外对沥青路面热再生技术的应用及研究已经相当成熟，并完整地制定了一套适合 本国的再生沥青混凝土技术规范。虽然我国在热再生技术应用方面跟国外距离相差不是 很大，但是我国在理论体系、设计体系和生成实践体系仍有所欠缺。从目前我国公路建 设事业的发展情况和我国的公路网计划可预见，我国公路的养护维修事业是任重而道远 的，因此，我们必须加快对热再生技术的研究，尽快形成一套适合我国的再生沥青混凝 土技术规范。本论文主要针对再生混合料中的胶结料进行较为系统的研究，主要内容包 括： ( 1 ) 基于对现有沥青老化规律和再生机理的分析，根据组分调节理论，利用老化沥 青针入度、高于和低于再生目标沥青的针入度三点，确定再生剂用量，并检验此再生剂 用量确定方法的可行性； 一8 大连理l 人学硕士学位论文 ( 2 ) 利用常规的评价指标对三种再生沥青进行评价。由于我国 公路工程沥青及沥 青混合料试验规程( j t j0 5 2 2 0 0 0 ) ) ) 中“t 0 6 1 0 1 9 9 3 沥青旋转薄膜加热试验是针对新 鲜沥青的，并不是针对再生沥青，因此本次试验利用三种再生沥青考察旋转薄膜烘箱试 验条件是否同样适用于再生沥青； ( 3 ) 对再生沥青的评价标准，除了常规指标国内经常用的对再生沥青评价标准 外，本次试验也利用了s h r p 中的p g 结合料规范对三种再生沥青的高温、中温和低温 性能进行了评价，根据相应指标对再生效果进行度量，并对其进行了p g 分级； ( 4 ) 通过两种评价再生沥青的标准，对它们进行比较。国内对再生沥青的性能评价 指标尚未有统一标准，主要是利用针入度、软化点、延度等常规技术指标表征再生剂的 再生效果，利用s h r p 指标衡量再生效果的研究相对于我国需要大量地对再生沥青进行 研究是很少的。 确定再生沥青的评价标准是沥青路面再生技术的难点，由于欧美国家对其研究得 早，因此，已经拥有适用于本国的再生利用规范及标准。对于迫切需要再生技术的我国 来讲，应尽早建立我国的沥青路面再生利用技术规范及标准。这需要国家相关部门建立 系统的研究规划，全国相关研究部门进行全力协作。 热再生沥青路用性能评价 2 沥青老化及再生机理分析 2 1 沥青的基本理论知识 2 1 1 沥青的化学组分和结构 化学组成是决定沥青物理性质和使用性质的重要因素【1 5 】，因此，我们必须首先得从 了解沥青的组成成分和化学结构开始。 沥青是由多种化合物组成的混合物，成分极其复杂。从化学元素角度分析，沥青可 以理解为由碳( c ) 、氢( h ) 两种化学元素组成的碳氢化合物，但沥青中也含有少量的硫 ( s ) 、氮( 、氧( 0 ) 以及一些金属元素，如钠、镍、铁、镁和钙等，它们可以统称为杂原 子，以无机盐或氧化物的形式存在，约占5 。虽然所占比例较少，但是对沥青的物理性 质有很大影响，像沸点、溶解度或粘度等。 某些学者根据最简单和普遍认同的沥青组分概念将沥青分为沥青质、树脂和油分三 种组分。而我国目前广泛采用四组分分析法，该法已被列入美国材料试验协会( a s t m ) 推 荐方法。沥青的四种组分特征： ( 1 ) 沥青质又称为沥青烯，是深褐色至黑色的无定形物质，比重大于1 ，不溶 于乙醇、石油醚，易溶于苯、氯仿、四氯化碳等溶剂，是复杂的芳香分物质，有很强的 极性。它对沥青中的油分虽有憎液性，而对胶质呈亲液性。它的存在对沥青的粘度、粘 结力、温度稳定性都有很大的影响，因此，优质沥青必须含有一定的沥青质； ( 2 ) 胶质又称为树脂或极性芳烃，是黄色至褐色的粘稠状物质，溶于石油醚、 汽油、苯等有机溶剂。它有很强的极性，因此，胶质有很好的粘结力。另外，它是沥青 的扩散剂或胶溶剂，胶质与沥青质的比例在一定程度上决定沥青是呈溶胶或是凝胶的特 性，它赋予沥青以可塑性、流动性和粘结性，对沥青的延性、粘结力有很大影响； ( 3 ) 芳香分是深棕色粘稠液体，由沥青中最低分子量的环烷芳香化合物组成， 是交融沥青质的分散介质，芳香分在沥青中占4 0 - - 6 5 ； ( 4 ) 饱和分由直链烃和支链烃组成，是非极性稠状油类，在沥青中占5 - - 2 0 ， 对温度较为敏感。而芳香分和饱和分都作为油分，在沥青中起着润滑和柔软作用，因此， 油分含量越多，沥青的软化点越低，针入度越大，稠度下降。 1 9 4 9 年罗斯特勒等人根据分离法的试验结果，将沥青分为五组分：沥青质( a ) 、氮 基( 、第一和第二酸性分( a 1 和a 2 ) 、链烷分( p ) ，并且他于1 9 6 5 年根据沥青中各组分 的质量定义了两个参数相溶比( c r ) 和耐久系数或罗斯特勒系数( d p 瓜p ) ， 人连理t 大学硕士学位论文 其中 c r n 洚 d p r p - ( n + a 1 ) ( p + a 2 ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) 曾经有学者对四百种沥青进行试验，发现沥青的耐久系数与其感温性有密切关系。 2 0 世纪8 0 年代，国外的研究人员通过研究沥青化学组成和其物理性质的关系发现，化 学成分相似的沥青的物理性质也会有所差异。我国的一些研究人员也认为，沥青组分并 不能完全反映沥青的性质。1 9 2 8 年n e l l e n s t e y n 首次发现沥青的胶体性质，认为沥青是 在以油分为介质中呈胶态分布1 2 j 。由于沥青中的胶质对沥青质是亲和的，而对油分也是 亲和的，胶质包裹沥青质形成胶团，分散在油分中，形成稳定的胶体。根据沥青中各个 组分的数量和胶体芳香化程度决定了胶体的三种结构类型，即溶胶型沥青，溶凝胶型沥 青和凝胶型沥青。当油分足够多时，被包裹的沥青质形成的胶团全部分散，且在分散介 质的粘度许可范围内自由运动，这种沥青称为溶胶型沥青。与之相反的凝胶型沥青特点 就是弹性好，温度稳定性好。介于二者之间的就是溶凝胶型沥青，这种沥青比溶胶型沥 青稳定，粘结性和感温性都相对较好。 一般来说，多数直馏沥青的沥青质较少，油分较多，故为溶胶型结构，而氧化沥青 和半氧化沥青中的沥青质含量相对较多，因此其胶体结构多为凝胶型或溶凝胶型。但是 沥青性质的复杂性决定了此规律未必全面反映了沥青的真实结构模型。也有些学者用高 分子溶液理论研究沥青，即沥青质是分散相，软沥青质( 包括油分和胶质) 为分散介质。 这种高分子溶液的特点就是向沥青高分子溶液中加入电解质时，并不能破坏沥青的结 构。当软沥青质减少时为浓溶液，即凝胶型沥青，反之为溶胶性沥青。溶凝胶型沥青介 于二者之间。 2 1 2 道路石油沥青的路用性质 沥青作为胶结材料将松散的集料粘结成具有一定强度的沥青混合料，在使用过程中 表现出的温度敏感性能影响沥青路面的使用性能，而沥青对集料的粘附性对沥青路面的 强度、水稳性等都有很大影响，随着沥青路面的建设与使用，沥青的性质一定会随时间 而变化的，因此，我们从以下四个方面对沥青的路用性质进行总结： ( 1 ) 沥青的粘滞性 沥青的粘性是沥青在外力作用下抵抗剪切变形的能力。沥青的粘结性主要体现在它 将松散的集料粘结起来形成具有一定强度的结构物。沥青的粘性是用沥青的粘度呀来度 量的，溶胶型沥青粘度为常数，沥青表现为纯粘性流动性质，而溶凝胶和凝胶型沥青的 粘度是变化的。沥青粘度对其路用性能有很大影响。从理论上讲，粘度大的沥青，其粘 热再生沥青路用性能评价 结力强，则所拌制的沥青混合料具有高强度、良好的稳定性和耐久性。为了保证沥青混 合料的正常生产，使沥青的泵送和混合料的拌和都能利于施工，沥青必须具有一定的粘 度。 ( 2 ) 沥青的感温性 沥青的感温性是指沥青对温度变化的敏感性，它对沥青路面的使用性能有很大的影 响。由于公路沥青路面一年四季遭受温度变化的影响，表现为沥青总是夏天软冬天脆， 然而人们希望沥青材料在夏季高温不致过分软化，而保持足够粘滞性；在冬季不致过分 脆化，而保持一定的柔韧性。表示和评价沥青感温性的指标很多，主要包括粘温指数 ( v t i ) 、针入度指数( p i ) 、针入度粘度指数( v t s ) 等，我国公路沥青路面施工技术规范 ( j t gf 4 0 2 0 0 4 ) 1 叩采用针入度指数p i 作为温度敏感性指标【1 6 1 。由于不同类型的沥青对温 度的敏感性不同，在使用过程中，我们希望沥青有尽可能小的感温性，但在施工中情况 可能不同，感温性小不一定合适【l ”，因为流变学指出：沥青的感温性与感时性常常是矛 盾的【1 剐，这要求我们必须从高温和低温两方面指标综合考虑沥青的感温性。 ( 3 ) 沥青的粘附性 沥青的粘附性是指沥青与石料之间相互作用所产生的物理吸附和化学吸附的能力， 而粘结力则是沥青本身内部的粘结能力。沥青粘附性对沥青路面的强度、水稳定性和耐 久性都有很大影响，因此，沥青粘附性也是沥青的重要性质之一。沥青路面病害中的松 散就是因为水比沥青更易浸润石料，取代了石料表面的沥青，使集料失去沥青的粘结作 用的一种沥青丧失粘附性的表现。影响沥青与石料粘附性的因素主要就是沥青与石料， 首先沥青是一种弱极性物质，其极性大小取决于其中的表面活性物质沥青酸和沥青酸酐 含量。表面活性物质不能与酸性石料发生化学吸附作用，只能发生物理吸附，与碱性石 料就不同了。因此，为改善沥青粘附性，提高沥青混合料抗水性可从沥青和石料两方面 入手，比如向沥青中添加抗剥落剂，在沥青混合料拌制时添加消石灰或水泥，选择碱性 石料等。 ( 4 ) 沥青的耐久性 沥青的老化或称为耐久性是指随时间的推延，沥青的物理性质和化学组成发生了变 化，结果使道路的结构破坏【1 9 】。有很好耐久性的沥青应具有能产生理想的最初使用性能 的物理性质，并且在长期使用过程中的老化因素不容易使其物理性质发生变化。而其物 理性质由其化学组成所决定【1 5 】，因此，沥青的化学组分对其耐久性有很大的影响。有学 者认为，沥青相互作用组分的共容性和对氧化老化的变化的阻力是影响沥青耐久性的重 要影响因素。目前对沥青的耐久性评价主要是采用在薄膜烘箱试验( 1 6 3 c 、5 h ) 前后的沥 大连理工人学硕士学位论文 青质量损失、针入度比以及延度等三个指标进行评价。不过，有研究表明沥青因化学组 分的不同而有不同的粘流性质，而流变指数可定量地反映沥青的粘流性质，且沥青的老 化速度与其粘流性质有密切关系，因此，可直接用流变指数评价沥青的耐久性，而不必 在沥青老化试验后【删。 2 2 沥青的老化机理 老化沥青的再生过程实际上是基质沥青老化过程的逆过程。本文主要介绍的是再生 基质沥青性能，因此有必要先了解基质沥青的老化原因、老化特点等相关知识。 沥青的老化是影响沥青路面使用性能的一个重要因素，然而这是不可避免的，因为 在沥青混合料中起粘结剂作用的沥青一定会在贮运、拌和、摊铺及使用过程中受到温度、 氧气、光和雨水等自然因素及交通荷载等外界因素的影响和作用，从而发生一系列物理 化学变化，如氧化、轻质油分的挥发、脱氢缩合作用，使得沥青性质变差，这就是所谓 的老化。从本质上讲，老化是沥青化学性质的改变，但是其化学性质用现在的手段是难 以度量的，只能使用宏观表现手法，利用沥青的物理性质变化来衡量，例如，沥青老化 的表现有软化点升高，针入度下降，粘度升高，延度降低等。 沥青老化分为短期老化和长期老化。短期老化是指混合料在拌和和铺筑过程中，空 气中的氧与沥青发生的氧化作用导致的材料性能的变化【2 1 1 。沥青的长期老化是指沥青路 面在使用过程中，由于长时间暴露在空气中，在光、氧、雨水等自然气候条件的作用下， 沥青会发生一系列的物理及化学变化，使沥青性质发生变化，导致路用性能劣化的过程 【2 2 l o 我们可以从以下几个方面去理解沥青的老化原因： ( 1 ) 沥青与氧气发生的氧化反应，在一定温度下，沥青各组分与空气中的氧发生作 用而被氧化。而氧化速率取决于沥青性质和当时的温度，温度愈高，氧化速率愈快；而 且在光的照射下，沥青的氧化要比在黑暗中快的多，此时沥青中的各个组分都能吸收氧 而被氧化，尤其是芳香分的氧化速度更快，吸收的氧更多，因此，光一氧的联合作用是 造成沥青老化的重要因素； ( 沥青中轻质成分受温度的影响而挥发，它主要发生在沥青短期老化过程中，不 是长期老化的因素： ( 3 ) 脱氢缩合作用也不可小视。它主要发生在沥青的氧化过程中，在氧化过程中， 沥青中的低分子化合物逐渐向高分子化合物转变。由于沥青中的油分属于低分子物质， 所以缩合结果就是芳香烃转变为胶质，胶质转变为沥青质，沥青质聚合成更大分子化合 物。从化学组分的角度看沥青的老化是化学组分的变移； 热再生沥青路用性能评价 ( 4 ) 汽车交通荷载的作用，对沥青老化的影响可以认为是反复荷载的疲劳作用造成 了沥青的不可逆的塑性变形，引起了结构的破坏。因此，外界荷载作用也是沥青老化的 一种因素。 近年来，国内外沥青的老化机理做了大量研究，取得了很大进展，但对沥青的老化 机理仍未形成统一观点。1 9 9 3 年元玉柱，王明刚等研究了石油沥青在连续的热和空气老 化中化学族组成的变化，并建立了沥青老化的连串反应模型，求得了有关的动力学参数， 并对几种沥青进行老化性能评价【2 3 1 ；丁国靖等在假定了沥青存在最大吸氧量的基础上得 到了沥青吸氧一级动力学模型，求得了有关动力参数；周安娜，朱静等通过薄膜烘箱老 化，对沥青进行不同温度，不同时间的老化，并测定了所得老化沥青分子量及分子量分 布的变化【2 4 j 。他们的研究表明，沥青在老化过程中平均分子量与分散度显著增加：戴跃 玲等通过薄膜烘箱实验，研究了沥青老化后组成与使用性能间的关系【2 5 l ；闫锋等对沥青 进行不同温度下的薄膜烘箱老化，并根据老化过程中，正戊烷沥青质的变化，进行了沥 青老化动力学研究，计算得出了有关动力学参数，得到了沥青老化动力学方程【2 6 】； c h a r r i e d u h a u t 等研究了轻组分挥发、雨水冲洗以及氧化对沥青性能的影响，并进行了 g c m s ( g a sc h