（市政工程专业论文）SBS改性沥青路面现场热再生试验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本论文主要研究老化s b s 改性沥青路面的现场热再生。通过对沥青路面的老化机理 及其再生机理的研究，提出了沥青再生的方法，并给出老化s b s 改性沥青路面现场热再 生的配合比设计。 室内试验研究表明，大连理工大学沥青路面再生课题组开发的再生剂t y - x 对老化 的s b s 改性沥青再生效果良好。并对不同旧料掺加率的再生沥青混合料进行性能试验研 究，得出了在满足再生后路用性能条件下的最大旧料利用率。 现场试验对沥青路面现场热再生进行了工程分析，检验了室内试验成果并对老化 s b s 改性沥青路面再生后的路用性能做了综合评定。研究表明，s b s 改性沥青路面再生 是可行的。 关键词：s b s 改性沥青路面；现场热再生；再生剂；旧科利用率 s b s 改性沥青路面现场热再生试验研究 s t u d yo nt h eh o ti n - p l a c er e c y c l i n gt e c h n o l o g yo f s b s - m o d i f i e da s p h a l tp a v e m e n t a b s t r a c t t h i st h e s i sm a i n l ys t u d i e sah o ti n - p l a c et e c h n o l o g yo fa g i n gs b s - m o d i f i e da s p h a l t p a v e m e n t t h r o u g ht h er e s e a r c ho fa g i n gm e c h a n i s ma n d 蛹u v e n a t em e c h a n i s mo fa s p h a l t p a v e m e n t , p u tf o r w a r da l lm e t h o do fr e j n v e n a t eb i t u m e na n dh o ti n - p l a c er e c y c l i n gm i x d e s i g no fs b s - m o d i f l e da s p h a l t t h ee x p e r i m e n tr e s e a r c hs h o w st h a tt h er e c y c l i n ga g e n t 锄p o l d e r e db yd a l i a nu n i v e r s i t y o ft e c h n o l o g yh o ti n - p l a c eg r a d u a t es c h o o lh a sg o o de f f e c to na g i n gs b sm o d i f i e da s p h a l t a n db yd o i n gp e r f o r m a n c er e s e a r c ho nr e c y c l e da s p h a l tp a v e m e n to fd i v e r s eo l dm a t e r i a l b l e n dr a t e ，ie l i c i tm a x i m a lo l dm a t e r i a lb l e n dr a t eu n d e rt h ec o n d i t i o nt h a ts a t i s f y i n gr o a d p e r f o r m a n c e t h el o c a le x p e r i m e n tc a r r yo ne n g i n e e r i n ga n a l y s i sf o rh o ti n - p l a c eo fs b s m o d i f i e d a s p h a l tp a v e m e n t p r o v i n gt h er e s u l to fi n d o o re x p e r i m e n ta n dg i v i n ga na s s e s sf o rr o a d p e r f o r m a n c eo fr e c l a i m e da s p h a l t t h er e s e a r c hs h o w st h a t i ti sv i a b l er e g e n e r a c yf o ro l d s b s - m o d i f i e da s p h a l tp a v e m e n t k e yw o r d s ：s b s - m o d i f i e da s p h a l tp a v e m e n t ；h o ti n p l a c er e c y c l i n g ；r e c y c l i n ga g e n t ； o mm a t e r i a lb l e n dr a t e 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：壑型! !日期：迹堕卫 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：1 如和口只 导师签名竖6 i 墨： 上堕年上月兰日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的提出 随着经济建设的飞速发展，我国公路里程特别是高等级公路里程在不断增加。截至 2 0 0 5 年底，全国公路总里程达1 9 3 0 5 4 3 公里。其中高速公路4 1 0 0 5 公里；一级路面3 8 3 8 1 公里；二级路面2 4 6 4 4 2 公里；二级以上公路占总里程的比例为1 6 8 8 。其中沥青路面 2 4 6 4 4 2 公里。由于交通荷载及自然因素的综合作用，沥青路面经过一定年限的使用，其 面层慢慢变薄并逐渐老化，受交变应力、循环应力以及沥青老化和冰冻、高温的交替作 用，会出现诸如网裂、沉陷、车辙、拥包等各种病害并逐步扩展，严重影响行车。沥青 混凝土路面一般设计年限为1 5 年，实际上，通常使用年限仅1 0 年左右。也就是说，每 隔1 0 1 5 年，沥青混凝土路面就需要翻修一次。我国8 0 年代末以来建成的等级公路已 逐步进入中修和大修期，大量的路面需要进行维修。为了节约能源、减少环境污染、合 理利用路用资源、尽可能减少废旧混合料堆放场地和降低路面工程造价，在沥青路面进 行较大面积的网裂、龟裂、坑槽、车辙、局部维修等路面专项工程补修和路面大修时， 应充分考虑废旧沥青路面材料的再生利用问题。旧沥青的再生利用，是目前工程界普遍 关注的问题。 1 9 8 8 年1 0 月我国首次在京石高速正定试验路中使用改性沥青以来，到1 9 9 8 年十年 间，改性沥青市场需求增长迅猛，从1 9 9 8 年的0 0 8 m t 增加到2 0 0 2 年的0 8 9 m r ，年均 增长率8 2 6 。至2 0 0 2 年道路沥青消费总量为8 4 7 m t ，其中改性沥青消费量为0 8 9 m t ， 所占比例为l o 5 ，我国改性沥青消费比例首次超过了世界平均消费水平7 5 。早期铺 筑的改性沥青路面，也已逐步进入中修和大修期。故改性沥青的再生利用技术应该在我 国得到重视和发展。 1 2 国外研究现状 早在1 9 1 5 年美国就开始了对沥青路面再生利用的研究，但由于后来大规模的公路 建设而忽视了对该技术的进一步研究。1 9 7 3 年爆发石油危机后，美国对沥青路面再生利 用技术才重新引起重视，并在全国范围内进行广泛研究，并于2 0 世纪8 0 年代末9 0 年 代初进入工业试验阶段。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；美国沥青协会分别于1 9 8 1 年和1 9 8 3 年出版了沥青路面热拌再生技术手册、 沥青路面冷拌再生技术手册，这为旧沥青路面再生利用提供了重要的理论依据。到 8 0 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5 0 ，并且在再生 剂开发、再生混合料的设计、施工设备的研究等方面日趋成熟。近年来，各种沥青材料 s b s 改性沥青路面现场热再生试验研究 再生设备和路面重铺机组产品相继问世，技术性能达到了相当高的水平，完全能再生利 用旧沥青材料。沥青路面的再生技术在美国非常成熟，材料的重复利用率达8 0 。美国 每年再生利用的沥青混合料约为3 亿吨，根据各种考虑因素计算来看，可直接节约材料 费1 5 2 0 亿美元。这表明旧沥青路面再生利用技术在美国已相当成熟并得到了广泛的 应用。 前苏联对旧沥青路面再生利用技术的研究也比较早。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，但实际应用甚少。1 9 7 9 年又出版了旧沥青混凝土再生 混合料技术标准，该书提出了适用于各种条件下的再生利用方法，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。说明当时的再生混合料再生效果还不是很 好。1 9 8 4 年又出版了再生路用沥青混凝土一书，详细阐述了就地再生和工厂再生的 方法。 欧洲一些国家对再生技术的研究开展的相对较晚。7 0 年代中期，联邦德国、荷兰、 芬兰等国家相继进行小规模试验，并迅速推广应用。相比之下，联邦德国再生技术研究 的发展速度较快，居欧洲之首位。原联邦德国是最早将再生料用于告诉公路路面养护的 国家，1 9 7 8 年就将全部废弃沥青混合料加以回收利用。芬兰几乎所有的城镇都组织旧沥 青混合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。 日本从1 9 7 6 年开始进行旧沥青路面再生技术的研究，到2 0 0 0 年全国再生的沥青混 合料的生产量超过全部沥青混合料的3 0 ，达到4 7 0 0 万吨。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了手册。 综观欧美国家沥青混合料再生利用技术研究发展的状况，可以看出欧美国家特别重 视再生利用技术的研究，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，都取得了很大的成就，己经形成了 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，但对诸如再生剂的再生效果、再生沥青混合料物理力 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付之于实用提 供了科学依据。 1 3 国内研究现状 我国在2 0 世纪5 0 7 0 年代，曾在不同程度上利用过废旧沥青混合料来修路，但均 作为废物利用考虑，所得的成品一般只用于轻交通道路、人行道或高等级公路的垫层。 山西、湖北、河北等省的公路养护单位在国内较早进行旧沥青混凝土路面回收利用的研 大连理工大学硕士学位论文 究。1 9 8 2 年山西省结合沥青混凝土路面的大、中修工程共铺筑重点试验段8 0 余公里， 湖北省公路局发动全省各公路养护单位进行了再生利用试验研究。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较多的面层下层，拌 和设备采用现有设备作适当改装，经过3 年的努力，在苏州、武汉、天津、南京4 个城 市铺筑了3 万多平方米的试验路。实际观测结果证明，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。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 和层铺法修筑了再生试验路，也证明了其技术的可行性和经济性。 7 但是自上世纪9 0 年代以来由于大规模公路建设，旧沥青路面再生利用工作处于停 滞状态。随着我国高等级公路相继进入维修期，旧沥青路面再生试验研究又显得非常迫 切起来。近几年一些公路养护单位尝试着将旧料简单再生后用于低等级公路或道路基 层，如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：2 0 0 0 年在沈大 高速公路营口段开展了旧沥青路面再生试验；东南大学等针对我国沥青路面状况试制a ， 型再生剂，在沥青再生剂、再生沥青路面修筑方面取得不少成果。但是目前我国在再 生机械的研究方面基本上处于开始阶段，目前的再生机械完全依赖进口。也没有制定相 关的再生技术标准用于指导实践。 总之，旧沥青路面再生利用技术在我国基本上处于初始阶段，对再生利用技术的研 究仍停留在方法上的探究，对再生利用技术的实用性及再生设备研究不多，而对再生剂 的研究取得了一定的成果，但还没有得到普遍应用。对改性沥青的再生几乎没有涉及。 据不完全统计，1 9 8 6 年我国所铺筑的再生路面累计达到6 0 0 余公里，但是大部分用于轻 型交通及路面养护，而且有相当一部分的再生是相对于渣油路面的。9 0 年代后铺筑的再 生路面不多，但研究方向主要针对沥青路面，也取得了一定的成绩，对今后的深入研究 有很好的指导作用。 1 4 本论文研究内容及意义 我国在8 0 年代已开始研究s b s 改性沥青并铺筑了试验路，以后由于各方面的原因， 一直未能大规模推广，近年来才有了较大规模的应用，而且s b s 改性剂有成为主流改性 剂的趋势，s b s 的剂量大多在4 5 左右。s b s 改性沥青具有良好的热稳定性和低温 抗裂性，可增加沥青与石料的粘附性，尤其是具有良好的弹性( 即变形的自愈性) 。据 欧美各国的统计，s b s 是目前世界上应用最为广泛的改性剂。 s b s 改性沥青路面现场热再生试验研究 目前我国的公路建设飞速发展，每年投资规模已经超过2 0 0 0 亿元。在2 0 世纪9 0 年代以后陆续建成的高速公路已经进入大、中修期，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的国家来说是一种 资源浪费，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。 截止2 0 0 5 年我国公路总里程达1 9 3 万公里，按照沥青的设计寿命1 5 2 0 年测算， 重现在起，每年约有1 2 的沥青路面需要翻修，可再生的沥青混合料预计将达到每年 1 9 0 0 万吨，并还将以每年1 5 的速度增长。1 0 年以后，我国沥青路面的大、中修产生 的旧沥青混合料预计将达到8 0 0 0 万吨左右，若全部沥青再生利用每年可节约直接材料 费1 2 0 亿元，由沥青再生利用所产生的环境效益将更为巨大。国家“十一五”规划的编 制建议中提出，今后我国的资源利用效率要显著提高，单位国内生产总值能源消耗要比 “十五”期末降低2 0 左右。2 0 0 5 年1 1 月北京国际可再生能源大会隆重开幕，国家主 席胡锦涛在大会致词中指出，加强可再生能源开发利用，实现可持续发展。因此，沥青 再生技术的研究、推广和相关专用设备的开发，对降低建设成本、合理利用资源、保护 生态环境以及促进我国公路建设都有着及其重大的意义。 尽管沥青混合料再生技术在国外已经比较成熟，但由于对改性沥青再生技术涉及较 少，而随着9 0 年代初期铺筑的改性沥青路面逐步进入中、大修期，迫切需要有一定的 理论来指导实践。本文对s b s 改性沥青的再生做了初步性探讨研究，希望能对指导工程 实践和进一步的研究做铺垫。 一4 大连理工大学硕士学位论文 2 改性沥青及其老化再生机理 2 1 改- 性沥青的组成 所谓改性沥青，是指搀加橡胶、塑料等高分子聚合物、细磨的橡胶粉或其他填料型 外搀剂，并使其与沥青均匀混合，使沥青的性质得以改善而制成的沥青混合物。1 。改性 剂是指在沥青或沥青混合料中加入的天然的或人工的有机或无机材料，可熔融、分散在 沥青中，改善或提高沥青路面性能的材料。按照改性剂所起的作用，从广义上可划分为 如图2 1 所示的分类 改性沥青 厂_ 高温稳定性厂- 合成橡胶：s b r 、x r 、e p d m 等 善力学性能_ i 耐疲劳性一聚合物一冀差篆篡誉笔等 l 低温抗裂性 l 废橡胶粉、废塑料 善黏附性一抗剥离剂：金属皂( 有机锰等) 、有机铵、熟石灰等 厂_ 抗老化剂：受阻酚、受阻铵等 善耐老化性一 l 矿物填料：炭黑、硫磺、石棉、木质纤维等 和沥青一掺加天然沥青( 湖沥青、岩石沥青、海底沥青) 图2 1 改性沥青的分类 f i g2 1m o d i f i e da s p h a l tc l a s s i f i c a t i 从狭义上来说，现在所指道路改性沥青一般指聚合物改性沥青，简称p m a 、p m b 或 p m b 。用于改性的聚合物种类也很多，按照改性剂的不同，一般分为三类“1 。 ( 1 ) 热塑性橡胶类：即热塑性弹性体，主要是苯乙烯类嵌段共聚物，如苯乙烯一丁 二烯一苯乙烯( s b s ) 、苯乙烯一异戊二烯一苯乙烯( s i s ) 、苯乙烯一聚乙烯丁基一 聚乙烯( s e b s ) 等嵌段共聚物，由于它兼具橡胶和树脂两类改性沥青的结构与性质， 故也称为橡胶树脂类。属于热塑性橡胶类的还有聚酯弹性体、聚脲烷弹性体、聚乙烯丁 基橡胶浆聚合物、聚烯烃弹性体等等。s b s 由于具有良好的弹性( 变形的自恢复性及裂 缝的自愈性) ，故已成为目前世界上最为普遍使用的道路改性剂。 ( 2 ) 橡胶类：如天然橡胶( n r ) 、丁苯橡胶( s b r ) 、氯丁橡胶( c r ) 、丁二烯橡胶 ( b r ) 、异戊二烯( i r ) 、乙丙橡胶( e p d m ) 、苯乙烯异戊二烯橡胶( s i r ) 等，还有 s b s 改性沥青路面现场热再生试验研究 硅橡胶( s r ) 、氟橡胶( f r ) 等等。其中s b r 是世界上应用最广泛的改性剂之一，尤其 是它胶乳形式的使用越来越广泛。 ( 3 ) 树脂类：热塑性树脂，如乙烯一乙酸乙烯酯共聚物( e v a ) 、聚乙烯( p e ) 、无 规聚丙烯( a p p ) 、聚氯乙稀( p v c ) 、聚苯乙烯( p s ) 等，还包括乙烯乙基烯酸共聚物 ( e e a ) 、聚丙烯( p p ) 等。热固性树脂也可作为改性剂使用，如环氧树脂( e p ) 等。 e v a 由于其乙酸乙烯的含量及熔融指数m i 的不同，分为许多编号，不同品种的e v a 改性 沥青的性能有较大的差别。 s b s 是一种热塑性弹性体，是以丁二烯和1 ，3 一苯乙烯为单体，采用阴离子聚合制 得的线型或星型嵌段共聚物，如果添加了填充油则成为充油s b s 。1 9 9 5 碾我国石化行业 标准s h t1 6 1 0 - - 9 5 将s b s 正式命名为热塑性丁苯橡胶。s b s 高分子链具有串联结构的 不同嵌段、塑性段和橡胶段，形成了类似合金的“金相组织”结构。这种热塑性弹性体 具有多相结构，每个丁二烯链段链( b ) 的末端都连接一个苯乙烯嵌段( s ) ，若干个丁 二烯联段偶联则形成线型或星型结构。其中聚苯乙烯链段( s ) 在两端，分别聚集在一 起，形成物理交联区域，即硬段，称做微区，也可称为约束相( 或分散相、聚集相、岛 相) ；而聚丁二烯链段( b ) 则形成软段，也可称为连续相( 或海相) ，呈现高弹性。 软段( b 段) 与硬段( s 段) 互不相溶，硬聚苯乙烯链段分子缔合进入小的刚性端基范围， 这种缔合作用类似于物理的交联或结合，并且较长时间保持在一起，与中间基封闭的聚 丁二烯软橡胶聚合物化学结合，这种分相结构通称微观相分离结构。s b s 的硬段作为分 散相而分布在连续相聚丁二烯间，起着物理交联点固定链段和聚丁二烯补强活性填充剂 的作用，它阻止分子链的冷流，常温下，甚至在低温一1 0 0 时，仍具有硫化橡胶的特征。 聚丁二烯软段镶嵌在聚苯乙烯硬段之间，联结成星型或者线型的结构，所以成为嵌段共 聚物。s b s 通过聚苯乙烯嵌段的聚集形成一种三维结构，它分散在沥青中，聚苯乙烯末 端赋予材料足够的强度，中间嵌段聚丁二烯又使共聚物具有特别好的弹性。 s b s 的两相分离结构决定了它具有两个玻璃化温度，t 。为一8 0 1 2 ( 聚丁二烯) ，t 口 为8 0 c ( 聚苯乙烯，也有资料说是1 0 0 c 嘲) 。当温度升高到超过s b s 端基苯乙烯的玻 璃化温度( t 。) 时，网状结构消失，塑料段开始软化和流动，有利于拌和和施工。而在 路面使用温度下为固体，起物理的交联和增强效果，产生高拉伸强度和高温下的抗拉伸 能力；中基丁二烯提供较好的弹性和抗疲劳性能，其玻璃化温度极低，有低温柔性。当 s b s 融入沥青后，端基转化并流动，中基吸收沥青的软沥青组分，形成海绵状的材料， 体积增大许多倍。冷却以后，端基再度硬化，且物理交联，使中基嵌段进入具有弹性的 三维网状之中。这种在通常加工温度下呈塑性流动状态，而在常温下无需硫化即成橡胶 性能的特点使s b s 作为道路沥青的改性剂具有极好的使用性能。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 改性沥青的老化机理 普遍认为s b s 改性是s b s 改性剂与基质沥青的一个物理共混的过程，改性剂与沥青 并没有发生明显的化学反应，而是均匀地分散、吸附在沥青中，仅仅是物理意义上的共 存共融0 1 。通过对s b s 改性沥青进行动力学分析可知，改性沥青中的沥青组分与基质沥 青的沥青组分以相似的方式老化嘲。研究表明，在旋转薄膜烘箱试验( r t f 0 r r ) 后，聚合 物与沥青相的分子大小都发生了变化。s b s 经r t f o t 老化后分解为小分子，沥青相则正 好相反，在经r t f o t 老化后大分子组分( 沥青质) 含量有所增加“1 。 基质沥青的再生过程是老化过程的逆过程，为了明白废旧沥青的再生机理，必须首 先对新沥青的老化机理有所了解。新沥青在运输、施工和沥青路面使用过程中，由于长 期暴露在空气中，在风雨、温度变化等自然条件的作用下，会发生一系列的物理及化学 变化，如蒸发、脱氢。缩和及其氧化等，此时，沥青中除含氧官能团增多外，其他化学 组成也有变化，直至沥青逐渐硬化变脆开裂，沥青所表现出来的这种胶体结构、理化性 质的不可逆变化称为老化。 一般认为，道路沥青的老化过程就是在温度、水和空气中的氧的作用下，渣油中的 芳烃、胶质和沥青质产生部分氧化脱氢生成水，而余下的重油组分的活性基团互相聚合 或缩和生成更高分子量物质的过程，其转化过程简单表示如下： 芳烃一一胶质一一沥青质一一焦炭 除上述氧化脱氢缩和主要反应外，氧与烃类物质还产生副反应生成羧酸、酚类了酮 类和酯类等物质。其中以酯类为主，酯类也可以互相结合而向高分子转化，最后生成沥 青质。酯类转化反应在低氧化温度下进行，而在较高氧化温度下，则以脱氢缩和反应为 主。 范耀华等对石油沥青四组分的吸氧特性进行了研究，结果表明：饱和分基本不吸氧， 说明它很稳定；芳香分具有一定的吸氧性能，胶质、沥青质的吸氧量最大，是沥青之中 最不稳定的组分。四组分吸氧性能次序为：沥青质 胶质 芳香分 饱和分。石油沥青 通过氧化的结果，除组成上发生变化：饱和烃、芳烃和胶质较少，而沥青质相对增多外； 在胶体分散体系结构上，由于沥青质的增加，分散相相对增多，饱和烃、芳烃和胶质减 少，分散介质的溶解能力不足，或由于氧化使分子聚集而形成网络结构，使沥青由溶胶 型逐步向溶胶一凝胶型和凝胶型转化。反映在理化性质上是其软化点升高，针入度降低， 正庚烷不溶物增加，流动性也大为降低。1 。 一7 一 s b s 改性沥青路面现场热再生试验研究 2 3 老化沥青的再生机理 从理论上来说，沥青的再生是沥青老化的逆过程。沥青老化后，在物理一力学性质 上表现为针入度减小，延度降低，软化点升高，粘度提高等，在化学组分含量方面，表 现为芳香分转化为胶质，而胶质转化为沥青质，最终表现为芳香分显著地减少，沥青质 显著地增多。对老化沥青再生的机理认识目前有两种理论。 2 3 1 组分调节理论 沥青是由多种化学结构及其复杂的化合物组成的一种混合物，对于沥青化学组成的 研究，人们主要采用组分分析法即将沥青分离为几个化学性质相近，与路面性质有一定 联系的组，近而分析它们之间的比例关系。l w c o r b e t t 提出将沥青分为饱和分、芳 香分、胶质和沥青质四组分。一般认为：沥青质是液态组分的增稠剂( 沥青质的稠化能 力比胶质强) ；胶质对改善沥青的延度有显著效果，而沥青质并不能明显改善；饱和烃 则是软化剂( 增塑性比芳香烃强，且沥青质比胶质需要更多的软化剂) 1 3 3o 各组分对沥 青质的影响如表2 1 所示。 表2 1 沥青各组分对其性质的影响 t a b 2 1t h ei n f l u e n c eo f a s p h a l t sp r o p e r t yf o ri t sc o m p o s i t i o n m i l t o nm e n gl i u 、柳永行等人以及e s s o 公司都提出只有沥青中所含油分( 饱和分 与芳香分之和) 、胶质、沥青质的量符合一定量的关系时，沥青才具有很好的性能。通 过对多种沥青的组分分析表明，质量优良的沥青，其组分大致比例为：饱和分1 3 3 1 ，芳香分3 2 6 0 ，胶质1 9 3 9 ，沥青质6 1 5 ，含腊量 3 0 3 0 2 0 2 0 七月平均最高气温( ) ( 夏炎热区)( 夏热区)( 夏凉区) 气候分区l 一1l 一21 31 42 12 22 32 43 2 车辙试验动稳定度 ( 次m ) ，不小于( 6 0 ，1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 03 0 0 01 0 0 01 4 0 01 7 0 02 0 0 08 0 0 0 7 m p a ) 从表3 1 5 可以看出，再生后的改型沥青混合料在高温稳定性方面表现良好，在6 0 1 2 ，0 7 m p a 条件下动稳定度完全满足规范要求。国内外研究均表明。一翻，再生后的路面 在某些性能方面譬如抗车辙能力上要优于原沥青路面。 s b s 改性沥青路面现场热再生试验研究 3 4 2 低温稳定性 对于冬季温度较低的北方地区来说，低温开裂是路面的主要病害。由于沥青结合料 的老化，沥青变得于涩、脆硬，沥青的柔性降低，进而使沥青的低温抗裂性能变差，所 以分析老化对改性沥青低温性能的影响具有重要意义。 研究沥青混合料低温抗裂性能的方法很多，如温度应力试验、收缩系数试验、直接 拉伸或间接拉伸试验、应力松弛试验、劲度模量试验、低温蠕变试验、断裂力学方法等， 其试验结果均可用于表征沥青混合料的低温抗裂性能。“八五”期间，“道路沥青及沥 青混合料路用性能的研究”专题组按照试验方法与仪器设备简单、实用，试验结果能较 好地反映沥青混合料的路用性能为基本原则，在对几种方法进行了研究、比较后，提出 以低温弯曲蠕变试验的应变速率作为沥青混合料的低温抗裂性能指标。试验证明，这种 方法对常规沥青混合料是合适的。但当用低温弯曲蠕变试验方法研究改性沥青混合料的 低温性能时，分析了一些试验结果，发现这种试验方法对改性剂种类和改性剂剂量的变 化都不够敏感，数据较为分散，而且相对来说由于荷载小，试验要求的精度也较高，而 采用低温弯曲试验的破坏应变指标则稳定一些。因此“公路改性沥青路面施工技术规范” 规定采用低温弯曲试验的破坏应变指标作为改性沥青混合料的低温抗裂性能指标。 本次小梁弯曲试验所用试块由车辙混合料试件( 轮碾法) 碾压成型后，切制成长 2 5 0 m m 2 m m 、宽3 0 m m 2 m m 、高3 5 r a m 2 m m 的棱柱体小梁，其跨径为2 0 0 m m 0 5 m 。试 验温度采用一1 0 ，加载速率5 0 m m i n 。试验结果见表3 1 7 。 表3 1 7 最佳沥青用量f 低温弯曲试验指标 t a b 3 1 7b e a m - b e n d i n g t e s t u n d e r o p t i m u ma s p h a l t c o n t e n t 大连理工大学硕士学位论文 表3 墙改性沥青混合料低温抗裂性技术要求 t a b 3 1 8 m o d i f i e da s p h a l t l o w t e m p e r a t u r es t a b i l i t y t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t 气候条件与技术指标气候分区及相应的技术要求 一9 o - 9 0 年极端最低气温( ) - 2 1 5 ( 冬严寒区)( 冬寒区)( 冬温区) ( 冬冷区) 气候分区1 一l2 一ll 一22 2 3 21 32 31 42 4 弯曲试验破坏应变 ( uc ) ，不小于( 一1 0 ，3 0 0 0 3 5 0 02 5 0 03 0 0 03 5 0 02 0 0 02 5 0 01 5 0 02 0 0 0 5 0 m m m i n ) 从表3 1 7 可以看出，s b s 改性沥青低温弯曲试验破坏应变在5 0 旧料掺配率时基 本满足规范要求。随着旧料掺配率的提高，再生混合料低温弯曲应变越来越小。可能因 为s b s 改性沥青的老化主要表现为基质沥青的老化，即沥青质增加，针入度、延度均变 小，沥青发脆。 现行的沥青路面设计与施工规范中，均未提出沥青混合料的低温指标及相应的试验 方法。而仅对改性沥青混合料提出了1 0 弯曲试验的破坏应变作为低温抗裂技术要求育 更没有再生改性沥青相应的技术要求。1 0 。c 弯曲试验的破坏应变本身作为评价改性沥 青低温开裂就是被规范称之为“过渡”，也说明了目前用弯曲试验的破坏应变指标评价 再生改性沥青的低温性能未必是合适的。不过从国外尤其是美国的实际再生工程来看， 再生路面的低温开裂并不比原热拌沥青混合料路面的损害率要高。 3 4 3 水稳定性 我国工程部门主要采用水煮法表示沥青与石料的黏附能力，用浸水马歇尔试验来确 定沥青混合料的抗水损害能力，至今这两种方法仍不失为表征沥青混合料水稳定性的较 好方法。但研究表明，4 8 h 浸水对改性沥青混合料的损害相当轻微，马歇尔试验结果不 易区分不同改性沥青及其混合料的水稳定性。规范也表明，对改性沥青混合料，除采用 4 8 h 浸水马歇尔残留稳定度试验外，还规定采用冻融循环劈裂试验方法进行试验，以残 留强度比作为改性沥青混合料水稳定性的检验指标。 关于水稳定性方面，本次试验分别做了再生混合料的4 8 h 浸水马歇尔试验和冻融劈 裂试验验。浸水马歇尔试验在试验规程上是指将成形好的试件在6 0 。c 热水中浸水4 8 小 时后试验，在a s t m 及日本等大多数国家的标准中是这么规定的。第1 7 届世界道路会议 推荐把试件浸入2 5 水中7 天以上进行马歇尔试验，测定马歇尔稳定度的降低和体积变 化以评价水对混合料性能的影响。壳牌石油公司中央研究所经多年研究修订了浸水马歇 s b s 改性沥青路面现场热再生试验研究 尔试验，先经真空饱水后再在6 0 1 2 水中浸水4 8 小时试验，由于先浸入冷水且浸水量较 多，故浸入热水后膨胀严重，稳定度损失较大，认为此更能反映混合料的水稳定性。 由于试验条件限制，本试验按照“t 0 7 0 9 2 0 0 0 沥青混合料马歇尔稳定度试验“进 行。试验结果如表3 1 8 所示 表3 1 9 最佳沥青用量下浸水马歇尔试验指标 t a b 3 1 9h n m e r s i o nm a r s h a l lt a s tu n d e ro p t i m u ma s p h a l tc o n t e n t 我国的沥青混合料冻融劈裂试验是在美国a a s h t 0t 2 8 3 试验基础上发展而来的，是 一种简化了的l o t t m a n 试验。试验按照马歇尔法成型试件，双面击实5 0 次。成型2 组 试件，每组4 个。第一组试件不进行真空饱水，第二组试件在9 8 3 k p a 9 8 7 k p a 的真 空条件下保持1 5 m i n ，并在常温水中保持3 0 r a i n ，然后在一1 8 1 2 低温试验箱和6 0 c 水浴 完成一次冻融，再将这2 组试件一起放入2 5 恒温水浴养护2 h 以上，以5 0 m m m i n 的加 载速率分别测定劈裂强度，计算劈裂抗拉强度比t s r 作为评价指标。 劈裂抗拉强度按式( 3 1 1 ) 及( 3 1 2 ) 计算 吩i = 0 0 0 6 2 8 7 弓1 啊 ( 3 1 1 ) 岛2 = o 0 0 6 2 8 7 p t 2 吃 ( 3 1 2 ) 其中r t l 为未经受冻融循环的第一组试件的劈裂抗拉强度，r t ：为经受冻融循环的第 二组试件的劈裂抗拉强度，p t 。，p t 。分别为第一组和第二组的试件荷载的最大值，h ，h 。 分别为第一组和第二组的试件高度。 冻融劈裂抗拉强度比按式( 3 1 3 ) 计算 t s r = ( 岛2 p v l ) m o o ( 3 1 3 ) 其中，t s r 为冻融劈裂试验强度比，r t 。为冻融循环后第二组试件的劈裂抗拉强度， 融为未冻融循环的第一组试件的劈裂抗拉强度。 大连理工大学硕士学位论文 根据表3 1 9 、表3 2 0 可以看出，再生后的s b s 改性沥青混合料水稳定性均满足规 范要求。试验结果表明随着旧料掺配率的提高，最佳沥青用量下沥青混合料的浸水马歇 尔试验残留稳定度和冻融劈裂试验劈裂强度比均有增大的趋势。因为老化s b s 改性沥青 的粘度较大，添加再生剂后只是增加其轻质油分，故再生后的沥青亦比新沥青粘度要大。 国内外一些研究资料也表明“4 ”，再生后的沥青混合料水稳定性普遍要比新热拌沥青 混合料要好。 s b s 改性沥青路面现场热再生试验研究 4 改- 眭沥青路面再生现场试验研究 4 1 现场热再生工程分析 现场热再生( h i r ) 是一种现场维修方法，由对现有道路的加热、软化、翻松、拌 和、摊铺和碾压组成。在h i r 施工过程中，掺入一定的新集料、沥青、再生剂和新混合 料以提高现有道路性能。 t i r 可以处理松散、坑槽、泛油、车辙、推移、波浪和膨胀、 突起、凹陷、沉降引起的行驶质量变差的道路破损。根据施工工艺不同，h i r 可以分为 表明再生、复拌与重铺三类。三种工艺的预期设计年限、设计年限内的性能要求和容许 的今后养护要求的不同。因此，需要详细的工程分析来确定使用哪种工艺最合适。 4 1 1 道路路面状况分析 在进行道路预期h i r 施工前，必须对道路现有状况进行分析。主要包括以下几个方 面1 ： ( 1 ) 在预期处理厚度的沥青用量、集料级配、棱角性、针片状含量和混合料空隙率、 矿料间隙率、沥青饱和度以及回收沥青的性能。 ( 2 ) 调查过去路况以评价道路破坏率。 ( 3 ) 面层所用沥青类型将影响所需的再生剂的类型和用量，并且可能影响所需添加 的外掺料的类型。 ( 4 ) 面层集料最大粒径。h i r 工艺不适用于大粒径混合料。 ( 5 ) 现有道路结构和沥青路面的厚度。h i r 通常要求沥青路面的最小厚度为7 5 1 m 。 如果沥青面层小于7 5 1 m ，在h i r 施工过程中可能加热并翻松沥青路面结构层。此外，在 施工过程中道路应有足够的强度来承受现场热再生机组。 ( 6 ) 特殊面层如开级配排水层、开级配抗滑层、s m a 等混合料面层，将影响现场热 再生的生产率。 ( 7 ) 在配合比设计中需特别注意面层中是否存在橡胶或橡胶封层。因为它对h i r 加 热机组设备尤其橡胶轮胎有高粘附性。 ( 8 ) 道路和面层使用年限。表面处治中沥青量易于偏高，因此在再生混合料设计过 程中必须考虑。 详细的路面分析以确定需要维修道路的破损类型、程度和频度。 在表面再生工艺中，如果现有的道路易磨光，应在随后加铺非磨光性的沥青混合料， 否则再生后的道路也将易磨光。在复拌工艺中，如果在选择外掺料和再生剂时按照合适 大连理工大学硕士学位论文 的步骤进行，再生后的道路就不易磨光。在重铺工艺中，磨光集料上应加铺新的抗磨耗 的沥青混合料整体加铺层。 各种h i rt 艺可维修的道路破损类型如下表。”： 表4 1 不同道路破损的维修工艺 f i g 4 1s o l v i c ec r a f tf o rr o a dd a m a g e 注：表示很适合，表示一般适合，o 表示不太适合。 s b s 改性沥青路面现场热再生试验研究 4 1 2 材料性能分析 评价原路面材料的性能，通常采用现场钻芯取样的方法。这是因为在h i r 工艺中， 沥青路面在翻松或铣刨前会加热变软，矿料级配不会发生明显退化。如果采用铣刨机冷 刨取样，将会导致集料相对于h i r 工艺变细较大。此外，钻芯能取得更多有代表性的样 品。钻芯的直径越大，切割面与体积的比之就越小，相应的集料损失就越小。钻芯取样 直径最好是1 5 0 2 0 0 m m ，直径为l o o m 的芯样用于室内试验如现场密度、马歇尔稳定度 的检测。 路面含水量的大小对各种h i r 的生产率有严重影响。一般来讲，沥青路面的含水量 随季节性气候变化而变化。随着道路含水量的增加，相应地除去水分并加热沥青路面至 所需温度所需的能量也将增加。h i r 设备通常设计成具有固定的可用加热能量，其中大 多数能量用来除去水分，少数能量用于加热和软化路面。因此，为了达到所需拌和温度， h i r 车组必须慢速前进加热。 钻芯取样应仔细检查观测以前的表面处治、夹层、土工织物、路用纤维、专用混合 料、剥落迹象、多余的水分滞留和任何分层趋势。检查芯样，对具有代表性的钻芯进行 试验以确定毛体积密度、现场含水量、沥青用量、集料性能、回收沥青性能、现有混合 料最大理论密度、现有混合料现场空隙性能如v m a 和v f a 等。 4 1 3 几何形状分析 h i r 设备机组通常具有固定的宽度，但是最新的一些设备宽度是可变的。h i r 机组 处理的宽度通常是一车道3 7 ，但是也可以处理较宽的道路全部宽度。不是h i r 设备处 理宽度整数倍的道路可以进行搭接以确保全部路面覆盖。 h i r 工艺也将影响对纵断面和横断面的校正，由于工艺中加入少量或不加外掺料， 表面再生校正效果较差。复拌校正效果一般。复拌与加入的外掺料的量有关，掺量越商， 越可能实现更多的校正。重铺校正效果较好。加铺层厚度越大，校正越大。 由于h i r 车组中包括加热机组、铣刨机组、摊铺机组和碾压设备等，因而h i r 设备 很长。因此，道路的线形，尤其在城市周围，将影响可处理区域的类型。如果有足够的 空间可以让设备工作，则h i r 设备可处理中等半径的弯道如加、减速车道，转弯处等。 含有“t ”形交叉路口不能处理到“t ”的顶部。 大连理工大学硕士学位论文 4 2 现场热再生工艺组成 4 2 1 表面再生 表面再生也叫加热一翻松、加热一铣刨、整形法等。表面再生法是由加热机对旧沥 青路面加热至适合温度后，将路面翻松并将翻松料集中到搅拌罩下均匀拌和，必要时可 向旧沥青混合料中加入适量的再生剂改善老化沥青性能，最后摊铺碾压形成沥青路面。 表面再生法是最简单的热再生方法，它不加入新沥青和新集料，所以只是适合破损不严 重的沥青路面，主要用来消除路面车辙、龟裂等病害，恢复路面平整度，改善路面的使 用性能噙1 。表面再生的主要操作步骤如下： ( 1 ) 加热和干燥现有道路上面层 ( 2 ) 翻松已加热软化的沥青路面 ( 3 ) 按照设计要求和生产配合比要求加入再生剂 ( 4 ) 拌和再生混合料 ( 5 ) 摊铺再生混合料 ( 6 ) 用常规压路机碾压再生混合料 在表面再生工艺中不加入新集料或新热拌沥青混合料，因此现有沥青路面的改善仅 局限于对老化沥青的再生。表面再生的生产率变化很大，主要取决于以下因素： ( 1 ) 环境温度和风力状况 ( 2 ) 待处理沥青路面的特征 ( 3 ) 现有道路含水量 ( 4 ) 设备数量和热功率 现有沥青路面的干燥和加热软化可使用一台或多台加热设备。早期的预热设备使用 直接燃烧来干燥和加热沥青路面，这种方法现在已经被间接辐射和红外加热所取代。间 接辐射和红外加热减少了挥发性捧出物对环境的污染和对沥青的损害。大多数加热机以 丙烷或类似的压缩气体作为燃料，也有新的低红外加热设备使用柴油作燃料嘲。 为使加热路面对现有沥青无明显损害，则需要较低热源或较长加热时间。因此，为 使加热路面控制更好，需要增加低热源暴露于道路的时间。一般通过减缓加热机组的前 进速度或增加加热机的数量来实现。如图4 1 所示 s b s 改性沥青路面现场热再生试验研究 图4 1 渤青路面热再生加热机 f i g 4 1h o ti n - p l a c eh e a t i n g m a c h i n eo f a s p h a l tp a v e m e n t 图4 2 沥青路面热再生加热铣刨机 f i g 4 2h o ti n - p l a c eh e a t i n ga n dl o s e nm a c h i n eo f a s p h a l tp a v e m e n t 一3 8 大连理工大学硕士学位论文 加热机组后是翻松、铣刨机组，如图4 2 所示 该设备进行最终加热并翻松已软化的路面。传统上，用一排或几排弹簧加荷的整平 耙齿翻松软化的沥青路面。另外一些翻松设备装备有小直径的热滚筒。这些滚筒上装有 可替换的碳化钨刀具，可以均匀翻松软化的沥青路面到同一水平。为达到整个处理宽度， 一般都不止一个热滚筒，每个滚筒之间独立操作。 图4 3 翻松耙齿 f i