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摘要 泡沫沥青冷再生材料的性能研究与应用 摘要 研究生：王真 导师：黄晓明教授 ( 东南大学交通学院江苏南京2 1 0 0 9 6 ) 环境保护和可持续发展是公路建设和养护今后发展的一个重要方向，基于节约能源和路面材料可再生 利用的可持续发展战略的考虑，路面冷再生技术越来越受到国内外公路建设养护部门和施工承包商的青 睐。近年来，泡沫沥青作为沥青结合料进行冷再生又引起了广泛关注并得到新的应用。泡沫沥青的应用无 论是对环保，还是对路面使用性能都很有价值。本文通过对泡沫沥青混合料性能及工程应用的研究，确定 泡沫沥青混合料的配合比设计方法，性能评价指标，及施工控制及检测指标，并确定其工程实用性。 首先，论述泡沫沥青混合料的各种设计参数及其对混合料性能的影响，选择合理的试验，研究分析各 个参数的确定方法及取值。以膨胀率、半衰期为指标评价泡沫沥青的发泡能力；以击实试验的最佳含水量 确定拌和及压实时的最佳水分含量。以干、湿i t s ，无侧限抗压强度确定混合料中的沥青及水泥用量，并 以s 3 4 0 赵庄至后阳段干线公路建设工程为依托，进行混合料配合比设计。 然后，对泡沫沥青混合料的强度构成及强度特性进行研究。通过室内试验分析确定泡沫沥青组成及微 观结构，试验确定混合料的水稳定性、高温稳定性、温度敏感性，研究分析泡沫沥青混合料的强度形成特 点及规律，对影响泡沫沥青混合料强度的各种因素，进行室内模拟，从而确定各种影响因素对混合料的影 响状况，加深对泡沫沥青混合料的认识。 接着，结合$ 3 4 0 赵庄至后阳段干线公路建设工程，对泡沫沥青冷再生建设工程进行施工控制研究， 确定各控制参数及其具体取值，如：拌合时间、运输时间、摊铺速度、松铺系数、压实工艺，压实过程中 含水量控制等。确定泡沫沥青生产施工过程中的关键参数及其取值，确定施工检测项目及验收项目，提出 检测及验收标准。 最后，以安徽省马鞍山市江东大道为例，对比确定江东大道道路维修方案，从结构、造价、处理方案 等方面对比分析泡沫沥青冷再生技术在道路维修中的优劣。 本文提出了泡沫沥青混合料一些参数设计的改进方法，并对泡沫沥青混合料的强度形成提出了新的解 释，提出了混合料性能评价指标，总结提出了泡沫沥青混合料的施工工艺、控制及验收指标等，对比分析 了泡沫沥青混合料的工程实用性。 关键词：泡沫沥青；泡沫沥青混合料；配合比设计；强度特性；工程实用性 东南大学硕士学位论文 r e s e a r c ho n t h e p r o p e r t i e sa n da p p l i c a t i o no f co l d r e c y c l i n g m i x t u r ew i t hf o a m e da s p h a l t a b s t r a c t m s cc a n d i d a t e ：f 埘gz h e n s u p e r v i s o r ：p r o f h u a n gx i a o - m i n g ( s c h o o lo f t r a n s p o r t a t i o n , s o u t h e a s tu n i v e r s i t y , n a n j i n g ，j i a n g s u2 1 0 0 9 6 ，c h i n a ) t h i sp a p e rp r e s e n t sr e s e a r c ho nt h ep r o p e r t i e so ff o a m e db i t u m e n sm i x e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n d s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ti sa ni m p o r t a n tf u t u r ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h er o a dc o n s t r u c t i o na n d c o n s e r v a t i o n , t h ec o l dr e c y c l i n gt e c h n o l o g yi sm o r ea n dm o r ef a v o c m b l ei nd o m e s t i ca n df o r e i g nr o a d c o n s t r u c t i o nm a i n t e n a n c ea n dc o n s t r u c t i o ns e c t o r s i nr e c e n ty e a r s ，f o a m e db i t u m e n sa sac o l da s p h a l tb i n d e r r e n e w a b l ea l s oa t t r a c t e dw i d ea t t e n t i o na n dg e tn e wa p p l i c a t i o n s t h ea p p l i c a t i o no ff o a ma s p h a l tb o t ht ot h e e n v i r o n m e n ta n dt h eu s eo ft h er o a d sa r ev e r yv a l u a b l e m i xd e s i g np r o c e d u r e ，p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni n d e x ， a n dc o n s t r u c t i o no fc o n t r o la n dd e t e c t i o ni n d i c a t o r sa r ed e t e r m i n e db a s e do nt h ep r o p e r t i e sa n da p p l i c a t i o no f f o a m e db i t u m e nm i x f i r s t0 fa 1 1 ，d i s c u s s i n gt h ef o a m e db i t u m e n sm i x t u r eo fd e s i g np a r a m e t e r sa n dt h ep e r f o r m a n c eo f m i x t u r e ，a r e a s o n a b l ec h o i c et e s t ，s t u d ya n da n a l y z et h ev a r i o u sp a r a m e t e r so fm e t h o d sa n dv a l u e s t os w e l l i n g ，t h e h a l f - l i f ea n dm a x i m u m e x p a n s i o nr a t i o s i n d i c a t o r sf o rt h ee v a l u a t i o no ft h eb u b b l eo ff o a ma s p h a l ta b i l i t yt o c o m p a c t i o nt e s td e t e r m i n et h eb e s tw a t e rp r e s s u r ea n dm i x i n gt h eb e s tr e a l t i m em o i s t u r ec o n t e n t t od r ya n d w e ti t s ，u n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t hd e t e r m i n em i x t u r eo fa s p h a l ta n dc e m e n tc o n s u m p t i o n , a n d a f t e r - s 3 4 0z h a o z h u a n gt oh o u y a n go fh i g h w a yc o n s t r u c t i o np r o j e c t sa st h eb a s i s ，f o rm i xd e s i g n t h e n ，s t u d yo nt h es t r e n g t ho fa s p h a l tm i x t u r ec o m p o s i t i o na n ds t r e n g t h a n a l y s i st h ec o m p o s i t i o na n d m i c r o s t r u c t u r eo ff o a m e db i t u m e n sm i x t u r ei nl a b o r a t o r y ，t h ep i l o td e t e r m i n e dm i x t u r eo fw a t e rs t a b i l i t y ， h i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t y ，t 规n p e m t u r es e n s i t i v i t y ，r e s e a r c ha n da n a l y s i so fa s p h a l tm i x t u r eb u b b l ef o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h es t r e n g t ho ft h ei m p a c to ff o a ma s p h a l tm i x t u r es t r e n g t ht h ev a r i o u sf a c t o r s ，i n d o o r s i m u l a t i o nt od e t e r m i n et h ei m p a c to fv a r i o u sf a c t o r sa f f e c t i n gt h em i x t u r eo fc o n d i t i o n s ，d e e p e nt h e i r u n d e r s t a n d i n go ft h eb u b b l ea s p h a l tm i x t u r ea w a r e n e s s t h e n ，a f t e rc o m b i n i n gt os 3 4 0 z h a o z h u a n gt oh o u y a n gm a i nh i g h w a yc o n s t r u c t i o np r o j e c t s ，r e n e w a b l ec o l d a s p h a l to nt h eb u b b l eb u i l d i n gw o r k sc o n s t r u c t i o nc o n t r o ls t u d i e st od e t e r m i n et h ep a r a m e t e r sa n dc o n t r o lo f s p e c i f i cv a l u e ，s u c ha s - m i x i n gt i m e ，t r a n s p o r tt i m e ，p a v i n gt h es p e e d , p i n es h o pf a c t o r ，c o m p a c t i o np r o c e s s ， t h ep r o c e s so fc o m p a c t i o nm o i s t u r ec o n t r 0 1 d e t e r m i n et h eb u b b l ea s p h a l tp r o d u c t i o ni nt h ec o u r s eo f c o n s t r u c t i o no fk e yp a r a m e t e r sa n d 也e i rv a l u e st od e t e r m i n ec o n s t r u c t i o np r o j e c t sa n da c c c p m u c et e s t i n g t o t e s t i n ga n da c c e p t a n c ec r i t e r i a a b s t r a c t f i n a n y ，m a a n s h a nc i t yo fa n h u ip r o v i n c ej i a n g d o n gr o a da sa ne x a m p l e ，t h ec o n t r a s ts e tj i a n g d o n gr o a d r o a dm a i n t e n a n c ep r o g r a m m e ，s t r u c t u r e ，c o s t s ，t r e a t m e n to p t i o n s ，a n do t h e ra s p e c t so fc o m p a r a t i v ea n a l y s i s o fr e c y c l i n gt e c h n o l o g yb u b b l ei nt h ec o l da s p h a l tr o a dm a i n t e n a n c ei nt h ep r o sa n dc o n s i nt h i sp a p e r , f o a m e da s p h a l tm i x t u r ed e s i g np a r a m e t e r st oi m p r o v et h em e t h o da n dt h eb u b b l eo ft h e s t r e n g t ho fa s p h a l tn f i x t u r ef o r m e dan e wi n t e r p r e t a t i o nb yt h em i x t u r ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni n d e x , s u m m e du pb yt h eb u b b l em i x t u r eo fa s p h a l tc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y ，c o n t r o la n da c c e p t a n c ei n d i c a t o r s ， a n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h ef o a m e db i t u m e n sm i x t u r ew o r k sp r a c t i c a l i t y k e y w o r d s ：f o a m e db i t u m e n ；f o a m e db i t u m e nm i x t u r e ；s t r e n g t hp r o p e r t y ；w o r k sp r a c t i c a l i t y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 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 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本文所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 研究生签名：兰重日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：至萋导师签名： n 蚰扣8 、c | y 日期：翌：! ：二 第一章概述 1 1 研究背景 第一章概述 在过去的5 0 年里，基础设施，特别是道路获得了史无前例的大发展。到2 0 0 4 年底，全国等级公路里 程达到1 9 0 万公里，其中高速公路总里程近3 5 万公里，己居世界第二位。在公路建设事业蓬勃发展的同 时，交通量不断增长、轴载明显增加，给沥青路面带来明显的损坏特别是早期破坏。另外，车辆的吨位也 在不断增加，主要是因为有越来越多的铁路货物转向快捷、灵活的公路运输所致。交通量的增加、轮胎压 力的增高、越来越大的轴荷以及使用年限的增长均加速了道路的老化。大多数国家的公路网均面临着以上 类似的问题。由于越来越多的道路资金用于维持现有道路的通行能力，因此，没有足够的资金用于旧路的 修复和新路的修建。新路的修建、旧路的升级往往只有在税费能够有效回收投资的情况下才被考虑。同时， 在旧路修复过程中对旧路面材料的处理，也将产生复杂的经济问题。 我国的公路基础设施已由以建设为主，转为建设、养护并重，公路的养护技术和养护管理已经得到人 们越来越多的重视。在我国已建成的高级和次高级路面中，沥青路面的数量占了很大的比重。按照这些沥 青路面的设计寿命( 8 1 0 年) 和实际使用情况，从现在起，每年有1 0 左右的沥青路面需要翻修，这其中 大量是采用铣刨旧面层，然后加铺新面层的措施。预计旧沥青路面材料废弃量将达到每年2 0 0 多万吨。 对于这些被铣刨下来的材料( r a p ) ，如果仅仅采用抛弃这种简单的处理方式，不仅会占用大量的土地、 而且还会造成周边环境的污染，就材料本身而言，也是一种极大的资源浪费。采用再生技术，使得旧路面 的材料得到重新利用，是一项符合可持续发展规律的有效措施，也是摆在研究人员、工程技术人员面前的 一个实际的问题。再生技术由于其快速、经济、环保、节约资源的优点而得到广泛的利用。 沥青混合料的再生利用，有利于处治废料，节约能源，保护环境。由于旧沥青混合料得以全部就地利 用，减少了新材料的开采，也不存在旧沥青混合料的运输和废料随意弃放的问题，施工过程没有粉尘和废 气的污染。根据美国联邦公路管理局的调查，沥青混合料再生利用，可节约材料费用5 3 4 ，路面降低造 价2 5 左右，沥青节约5 0 。1 9 8 0 年美国使用了约5 0 0 0 万吨旧沥青混合料，节约投资达3 9 5 亿美元。因 而沥青混合料的再生利用，具有显著的经济效益和社会、环境效益，被人们称之为“绿色”施工技术。 多年来，世界各国广泛进行沥青混合料再生利用的试验研究，取得丰硕的成果，并已在生产中大面积 推广应用。现在，沥青混合料再生利用技术，已成为当代公路建设中的重大科学技术之一。 1 2 国内外现状 环境保护和可持续发展是公路建设和养护今后发展的一个重要方向，基于节约能源和路面材料可再生 利用的可持续发展战略的考虑，路面冷再生技术越来越受到国内外公路建设养护部门和施工承包商的青 睐。 近年来，泡沫沥青作为沥青结合料进行冷再生又引起了广泛注意并得到新的应用。泡沫沥青的应用无 论是对环保，还是对路面使用性能都很有价值，这主要是由于泡沫沥青有以下突出的优点： 泡沫沥青混合料增加了粒料的减切强度，降低了水敏感性，泡沫沥青混合料的强度特征接近石灰( 或 水泥) 稳定粒料( 半刚性材料) ，但却具有一定的柔韧性和良好的抗疲劳性能，用其取代半刚性基层材料 铺筑道路基层可以有效地防止反射裂缝。 泡沫沥青混合料拌好后可以立即摊铺压实，压实结束即可开放交通，这在城市道路维修中能有效地 减少对交通的影响；同时泡沫沥青冷再生材料的养生期非常短，一般只需要2 - - 一3 天即可进行下一步工序， 这样可以大大缩短施工工期。 拌制泡沫沥青混合料，只需将沥青加热，而集料在冷湿状态下与泡沫沥青拌和，可以节省大量能源， 因此泡沫沥青混合料是一种经济而又环保的道路材料。 东南大学硕士学位论文 泡沫沥青混合料可以长时间储存( 最长可以达一个月) ，而不用担心发生凝聚现象，以至于材料的 性能下降，这样使得施工工序间的衔接更加灵活，而且还可以方便地应用于道路臼常维修。 由于泡沫沥青可以和冷、湿集料形成良好的粘结，因此即使在阴雨等不利天气下也可以进行施工， 而不影响施工质量。 用于泡沫沥青稳定的集料可以是高质量的级配碎石，也可以是劣质的砂石料、矿渣，还可以广泛使 用破碎的沥青路面回收料r a p ，因此可以根据实际施工条件就地取材。 然而，泡沫沥青在工程应用中也存在一些缺点： 作处治基层时，较石灰、粉煤灰材料造价高。 泡沫沥青混合料需要连续级配。 沥青成功发泡需要较高的温度( 约1 8 0 c ) 。 总之，国内外众多研究与实践表明泡沫沥青冷再生技术拥有广阔的发展空间。为了更好的探索该技术 在我国的适用性，推进该技术在我国的进一步发展。本此试验路项目将围绕沥青发泡特性、泡沫沥青混合 料配合比设计、最佳沥青含量、泡沫沥青冷再生材料的关键路用性能、泡沫沥青厂拌冷再生施工工艺及质 量控制方法、工程实用性等方面来进行研究。 1 2 1 国外沥青混合料再生利用的概况 沥青后来再生利用的试验研究，最早是在美国开始的，但以后由于大规模的公路建设，使得再生沥青 路面铺筑的里程进展缓慢。直到1 9 7 3 年，石油危机爆发，燃油供应困难，严格的环保法制使得砂石材料 开发受到限制，筑路用砂石材料供不应求，以至砂石材料价格上涨。1 9 7 4 年，美国开始大规模推广沥青混 合料再生技术。1 9 8 0 年，有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2 亿吨，几乎是全部路用沥青混合料的一半。现在再生沥青混合料的应用已经非 常普遍，而且每当新材料用于沥青路面时，都要说明是否会影响沥青路面的再生利用。由于沥青混合料再 生利用大有可为，为此，研究工作得到美国联邦公路局的大力资助。与此同时，美国交通运输研究委员会、 美国材料与试验协会、美国沥青路面工艺师协会，经常主持召开有关沥青混合料再生利用的各种学术会议， 又有力地推动了该项工作的进展和交流。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，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板再生技 术手册。从1 9 7 6 年底到现在，美国的沥青路面废料再生利用率己超过7 0 。 泡沫沥青的发展可以分成下列几个阶段： 1 9 2 8 年德国的a u g u s tj a c o b i 注册了第一个制造泡沫沥青的专利。 1 9 5 6 年爱荷华州立大学的l a d ic s a n y i 博士首次将泡沫沥青用作道路稳定土基层的稳定剂，并注册 了专利。 1 9 6 8 年澳大利亚的m o b i lo i l 公司以冷水替代热蒸汽改进了原有生产工艺并于1 9 7 1 年注册专利。7 0 年代，泡沫沥青主要作为劣质路面材料的稳定剂，b o w e r i n g 和m a r t i n 等人在这方面进行了详细的研究。 8 0 年代早期，美国对采用泡沫沥青做稳定剂和粘结剂进行了研究。挪威从1 9 8 3 年开始采用冷再生技术， 至1 9 9 7 年采用这一技术进行道路维修量达1 8 0x1 0 4 m z 。 1 9 9 0 年后，泡沫沥青的研究再次引起了人们的兴趣，许多公路部门也采用它作为稳定剂、再生剂进 行试验和研究。澳大利亚和南非在这方面进行了一系列的研究，南非于1 9 9 8 年提出了泡沫沥青混合料设 计方法。现在，泡沫沥青在许多国家和地区( 包括南非、澳大利亚、加拿大、墨西哥、荷兰、挪威、芬兰、 中东地区等) 得到了应用。 泡沫沥青用于路面材料的稳定剂最早是由爱荷华州州立大学c s a n y i 教授于1 9 5 7 年通过研究提出的。 c s a n y i 教授的研究证实，通过向热沥青中引入蒸汽可以产出大量泡沫，此沥青泡沫可以可以有效地用于稳 定质量较差的砾石、砂、黄土等路用材料，形成低成本的泡沫沥青混合料。1 9 6 8 年，澳大利亚的m o b i l o i l 公司以冷水代替热蒸汽，改进了原有的生产工艺并于1 9 7 1 年注册专利，该法使得泡沫沥青实用性增强， 并且降低了生产成本。 2 第一章概述 国外泡沫沥青冷再生技术发展比较成熟，并广泛应用于工程实践。如：用w r 2 5 0 0 s 再生机在希腊进 行高速公路修复工程，l l i k i a t h e n s k o r i n t h o s ：美国科罗拉多州公园工程；黎巴嫩t a b a r j a - c h e k k a 段；意大 利m o d e n a 道路结构修复工程；美国缅因州8 号公路泡沫沥青就地冷再生工程；美国蒙大拿州h e l e n a 国家 森林道路修复工程等。 ( 1 ) 发泡能力 沥青发泡特性在泡沫沥青生产中起了十分重要的作用。最高的膨胀率和最长的半衰期可以更好地促进 粘结剂在混合料结构内部的分散。c a s t e d of r a n c o 和w o o d ( 1 9 8 3 ) 发现任何沥青，在合适的喷嘴类型， 水、空气和沥青注入压力下都可以形成泡沫沥青。然而，a b e ( 1 9 7 8 ) 研究发现： 沥青中含有的硅树脂时可以降低沥青的发泡能力。 低粘度的沥青更容易发泡，而且比高粘度的沥青有更高的膨胀率和半衰期，但是用高粘度的沥青生 产出的泡沫沥青与集料的裹覆效果更好。 抗剥落剂提高了沥青的发泡能力。 只有在温度高于1 4 9 时发泡，才可生产出可以使用的泡沫沥青。 b r e n n e n 等人( 1 9 8 0 ) 发现任何种类沥青的半衰期和膨胀率都受发泡沥青体积，用水量和发泡时的温 度影响。更高的发泡温度和增加用水量都会导致增加膨胀率，但是会导致半衰期下降。在实验室里，容器 的大小会对发泡参数有影响( r u c k e l 等人，1 9 8 3 年) 。r u c k e l 等人( 1 9 8 3 ) 推荐的膨胀率界限为8 1 5 为 和至少2 0 秒的半衰期。用某些表面活性添加剂，是有可能产生高膨胀率和高稳定性的泡沫沥青的如膨胀 率大于1 5 倍，半衰期大于6 0 秒( m a c c a r r o n e 等人，1 9 9 5 年) 。b o w e r i n g 和m a r t i n ( 1 9 7 6 年) 表明，当使 用高膨胀( 1 5 ：1 ) 泡沫沥青时，混合料的内聚力和抗压强度的均有显著增大。以前的研究并没有显示不同 等级的沥青在生产泡沫沥青混合料中有明显差别( l e e ，1 9 8 1 年) k 4 1 0 ( 2 ) 骨料性能 研究表明，泡沫沥青可以粘结众多类型的骨料，无论碎石还是粉质砂土，甚至矿石废渣，如表1 1 所 示。某些土壤类型可能需要用石灰处理及分级调整以便达到使用要求。图1 1 显示，美孚泡沫稳定集料分 级图( a k e r o y d 和希克斯，1 9 8 8 年) 。符合图表a 区的材料适合泡沫沥青稳定并用于重交通道路上。符合b 区的材料是适合于轻交通道路，但可以通过添加粗集料调整。在c 区的材料缺乏细料，不适用于泡沫沥青 稳定，应当加细集料调整。细集料的含量是一个重要的考虑因素，并应最好在5 以上( r u c k e l 等人，1 9 8 2 年) 。泡沫沥青有选择地混合集料并优先裹覆细集料( 小于0 0 7 5 r a m 的集料) 。由此产生的填充物( 由沥青 和细集料组合) ，比原沥青有更高的粘度，作为一个粘结团在粗集料间起粘结作用，因此，增加了混合料 的强度。然而，细集料含量与沥青含量的比例关系是关键，因为在粘结团中过多的沥青会产生润滑剂的作 用，并导致强度和稳定性的损失。s a k r 和m a n k e ( 1 9 8 5 ) 表明，泡沫沥青混合料具有较高的百分比的细料 时具有较高的稳定性，而b i s s a d a ( 1 9 8 7 ) 显示了在拉伸强度方面有类似的趋势。s e m m e l i n k ( 1 9 9 1 ) 也表 明，细集料在强度，稳定性和泡沫稳定砂的可操作性方面发挥了至关重要的作用。 s a k r 和m a n k e ( 1 9 8 5 ) 表明，泡沫沥青混合料的稳定性，很大大程度上是由骨料联锁决定的，其次为 粘结剂的粘度，因此它的性质与热拌沥青混合料不同。这意味着泡沫沥青混合料不像热拌沥青混合料那样 易受温度的影响，支持这一结论的论据是用不同粘度( 等级) 的沥青对泡沫沥青混合料的强度影响不大。 表1 1 泡沫稳定材料 土类 沥青用量范围( ) 添加剂 良好级配的干净砂砾 2 2 5 良好级配的粉粘质砂砾 2 4 5 差级配的粘质砂砾土2 5 - 3 粘质砂砾土 4 一击石灰 良好级配的干净砂 4 5细填料 良好级配的淤泥质砂 2 5 4 差级配的淤泥质砂 3 _ 4 5 细填料 3 东南大学硕士学位论文 差级配的干净砂 2 5 4 细填料 淤泥质砂 2 5 4 5 淤泥质的粘性砂土 4 石灰 粘性砂 3 4 石灰 一* t 黼一妯- 警2 y 一二， z ”“鬻”“。= 竺：“+ ”。么 ， 美 ， 鬟 r ，h 忡- ， 女嘲簟矿 ”觏静；蝻橹，障计- l ， 7 弗t l 一雌f l l 镕 o ， ， 卯l hl 脚t 9 劳j ， ； ，r ， 7 ；。如 舛 j 么j 1 i - y | 厂。? 。：， 3 ；t - l l 掣- _ 一_ _ 一il 图1 1泡沫沥青集料分区 ( 3 ) 水分条件 许多研究者认为水分含量在泡沫沥青混合料搅拌和压实是最重要的设计参数。一定的湿度有助于软化 并分散集料的结团，以帮助在野外压实时泡沫沥青的分散。r u c k e l 等人( 1 9 8 2 ) 建议把水分密度关系作 为混合料设计检验的考虑因素。水分不足，降低了混合料的工作性并导致粘结剂分散不足，然而过多的水 分延长了养生时间，降低了压实后混合料的强度和密度，并可能降低粘结剂对集料的裹覆效果。混合料性 能应该达到最优( 强度、密度、吸水率、膨胀性) ，而最佳含水量就是根据这些特性变化的。然而，由于 水分对于泡沫沥青的拌合压实都有至关重要的作用，所以确定最佳水分含量时，这些因素应当考虑进去。 美孚石油公司的研究表明，混合料的最佳拌和水量处于集料的疏松点。疏松点是指在此含水量下， 集料具有最大松散度体积。并根据当时的资料，认为拌和用水量应为美国国家公路与运输协会( a a s m o ) 标准中最佳含水量( o m c ) f q7 0 8 0 。 l e e 通过对不同级配泡沫沥青混合料在不同拌和用水量下的研究发现，对于每一种级配混合料，都 存在一个最佳拌和用水量，并且在此最佳拌和用水量下，泡沫沥青混合料的马歇尔稳定度最大。最后，对 不同级配泡沫沥青混合料的最佳拌和用水量进行总结后认为，最佳拌和用水量应为修正的a a s h t o 最佳 含水量的6 5 8 5 。 借鉴乳化沥青混合料中最佳液体总含量的概念，c a s t e d o 等在泡沫沥青混合料中也引入了总液体含 量的概念。这种概念考虑到了除水外还有粘结剂的润滑作用，这样当泡沫沥青混合料达到最大压实度时， 实际拌和用水量就要相应减少。并认为当总流质( 水+ 沥青) 含量大约等于修正的a a s h t o 最佳含水量时， 泡沫沥青混合料可以达到最佳压实度。 s a k r 等利用统计方法，从不同级配沥青混合料中得出了最佳拌和用水量的计算公式： m m c = 8 9 2 + 1 4 8 0 m c + 0 4 p f 0 3 9 b c ( 1 一1 ) m m c 拌合时最佳水分含量，； o m h 参正的a a s h t o 最佳含水量，； p f - o 0 7 5 r a m 筛孔质量通过率，； b 卜沥青含量，1 4 j 。 考虑泡沫沥青和水这两种润滑剂的作用，维特根公司依据经验找到了集料最佳拌和用水量与最佳含 水量及水分减少量之间的关系，为达到最佳拌和目的，可根据式( 1 2 ) 计算需要加入集料中的含水量，然 4 第一章概述 后根据式( 1 3 ) 计算要加入的水的质量 w a d l a = w o m c f 豳一一彰耐瓣 m 删h 创y 。d d 10 0 ( m 。鳟q c a l e 吣k 删t ) w 。d 广需要加入集料中的用水量，； w o m 广最佳含水量，； w k i l 广集料中的含水量，： ( i 2 ) ( i _ 3 ) w 缸，- 一水分的减少量，其值取0 3 x w o m c _ - o 6 ，； m 。岫一需加入的水的质量，g ； m 鸭嗍。括一集料的干质量，g ； m 。咖t _ 一需加入的水泥质量，g 嘲。 最佳拌合水分含量越高于压实水分含量1 0 到2 0 ( m m c ) ，正如方程( 1 一1 ) 所示。为了防止 拌合后混合料中水分散失过多( 为了达到压实最佳水分含量) ，s a k r 和m a n k e ( 1 9 8 5 ) 建议拌合和压实 时都用用最佳压实水分含量，当拌合时用最佳压实水分含量时，据观察没有显著差异。 近年来，旋转压实方法已经广泛应用于在试验室制各式样。由于旋转压实功通常高于修正a a s h l o 压实功，所获得的最佳含水量( o m c ) 低于修正的a a s h t o 的最佳含水量。因此，当用旋转压实方法制 备泡沫沥青试样时，建议用最佳含水量作为拌合和压实的最佳水分含量。 ( 4 ) 泡沫沥青含量 在泡沫沥青混合料的最佳沥青含量往往不能像热沥青混合料那样确切地确定。粘结剂用量的范围( b c ) 可以如下控制：沥青用量处于高限时混合料容易失稳，处于底限时，水稳定性不好。一个重要参数是细料 与粘结剂含量的比例，即粘结剂与细料组成的粘结团的粘度在混合料的稳定性上起到了重要的作用。表1 2 ， 可被用来作为根据细料在混合料中的含量来选择粘结剂含量的指导。a k e r o y d 和希克斯( 1 9 8 8 ) 也建议通 过粘结剂一细料的含量比例关系来确定粘结剂的含量，粘结剂含量为3 5 到5 ，对应的细料含量为5 到 2 0 。然而，这一做法可能并不适用所有类型的材料，因为不同的粘结剂吸收细料的能力不同，而细料因 产地不同性质也不同。 表1 2 泡沫沥青含量 4 7 5 m m 筛孔的通过量( )0 0 7 5 m m 筛孔的通过量( 呦泡沫沥青用量( ) 3 53 5 7 53 5 1 04 5 3 53 5 5 7 54 5 0 7 5 1 04 5 1 05 ( 5 ) 养生条件 研究表明，压实后的泡沫沥青并不是马上形成强度，而是要等到混合料中大部分水分散失后才形成强 度。养生是随着时间推移，混合料中水分含量逐渐降低，泡沫沥青逐渐获得强度的过程。r u c k e l 等人( 1 9 8 2 ) 得出结论认为，水分含量在养生期间对极限强度有举足轻重的作用。 但是，李( 1 9 8 0 ) 提供的实验证据表明水分散失不是泡沫沥青混合料形成强度的首要条件。无论是哪 种情况，试验室的配合比设计程序都需要与施工现场的条件相一致，以便试验室制备的试件与现场的混合 料有很好的相关性。由于现场的泡沫沥青强度形成需要几个月，在试验室中重现现场的强度形成条件是不 切实际的。因此需要一个试验室加速养生过程，在该过程中试件获得强度的特性与现场的情况具有很好的 相关性，特别是早期、中期、长期的强度特性。当用于根据试验室测得的强度值进行结构承载力分析时这 些强度特性是非常重要的。大部分的早期研究都是根据鲍尔林( 1 9 7 0 ) 提出的试验室养生条件，即在温度 5 东南大学硕士学位论文 为6 0 的烘箱中放置3 天。这个过程使混合料的水分含量稳定在0 至4 之间，代表了在野外可获得的最 干燥状态。已用这个过程固化的试件的强度代表了铺筑后在路上应用一年的状态( m a c c a r r o n e ，1 9 9 5 年) 。 有人表示在温度为6 0 养生的同时，沥青也可能老化。而且该温度也超过了一般路用沥青的软化点，在固 化期间混合料中的沥青的分散特性可能发生变化。本人在试验中也发现当用6 0 养生时，沥青在混合料内 部有重分布的过程，使沥青在混合料内部分散效果更好，填补了更多空隙，混合料强度等有所提高，但不 符合实际情况。刘易斯( 1 9 9 8 ) 提出的将混合料在一个较低的温度下( 4 0 ) 烘干至恒重，此种养生方法 广受接受，本人也采用此种加速养生方法。 1 2 2 国内沥青混合料再生利用的概况 我国沥青混合料再生利用技术研究的发展过程大体可以划分为两个大的阶段，第一个阶段为2 0 世纪 8 d 年代末之前；第二个阶段为2 0 世纪9 0 年代以后。我国自6 0 年代就开始推广铺筑渣油路面，黑色路面里 程逐年增加。7 0 年代以后，陆续修建了各种结构型式的沥青路面。进入8 0 年代，随着沥青生产数量的增 加，渣油相对减少，沥青路面的比重逐年增加。随着我国国民经济的发展，交通量迅速增长，重型车辆日 益增多，不少路段的沥青( 渣油) 路面实际已处于超负荷工作状态。然而，尽管当时我国许多油田得到开发， 石i 由化工有了很大的发展，但生产的沥青仍然供不应求，沥青的供应量尚不足需求量的一半：我国经济虽然 有了很大的发展，但实力仍不雄厚，公路建设投资有限，不能满足公路交通运输事业迅速发展的需要。就 是在这种背景下，沥青混合料再生利用技术的研究第一次提到了公路工作者的工作日程当中。 近几年，我国很多沥青路面己经到了使用年限。即将开始进入大规模改建及修复阶段，以恢复其使用 性能。作为沥青路面改建、修复的环保性、经济性技术沥青混合料再生利用技术再一次提到了公路工 作者的工作日程当中，成为公路科研中的热点问题。随着北京的申奥成功，绿色奥运主题的提出，无形中 叉：进一步推动了沥青混合料再生利用技术的研究。经过近一年的开发研制，北京首次采用废旧沥青混合料 再生利用技术，在海淀区羊坊店路铺设了第一条环保沥青道路。同时北京市计委、市政管委、市环保局、 市建委等部门将联合签署文件，即将下发废旧沥青回收管理办法。这一法规严禁施工单位对废旧沥青 根合料随意遗弃，要求运至指定厂家进行再生。所以说对废旧沥青混合料的再生利用是有其现实性和时代 1 生的，随着我国高等级沥青路面维修养护量的不断增加，对沥青混合料再生技术有必要进行深入、系统的 研究。 旧沥青混合料的再生利用技术属于道路维修的范畴，其分类很多：按照旧料再生方式的不同可以分为热 再生和冷再生；按照旧料再生形成路面层位的不同可以分为再生面层和再生基层或底基层：按照再生地点的 不同可以分为现场再生和厂拌再生等。 1 9 9 1 年山西省阳泉市市政工程养护管理处对泡沫沥青技术进行了尝试行研究，当时利用泡沫沥青技术 是为了增加沥青与石料的裹覆性能，减少沥青用量。由于当时设备所限，发泡效果不好，并使用了发泡剂， 即使这样，发泡倍数也只有6 1 2 倍。 1 9 9 2 沈阳市政工程设计院，开展了泡沫沥青的有关研究，自主开发了发泡设备，并对泡沫沥青混合料 的普通沥青混合料进行了比较，认为泡沫沥青混合料的主要技术指标完全能达到普通沥青混凝土的标准， 井可降低1 0 的沥青用量。 当时的研究，虽然开发了发泡设备，但是设备过于简单，即使使用发泡剂所得的发泡效果也不理想。 井且当时将泡沫沥青和普通沥青性质进行比较，而忽视了泡沫沥青其实只是瞬态产物，它只发生物理性质 的三蔓化，因此泡沫沥青不算是一种新的沥青粘结料，而是一种新技术应用带来的产物。当时也没有考虑将 泡沫沥青用于冷再生。 自2 0 0 2 年开始，同济大学和上海浦东路桥建设有限公司合作开展了泡沫沥青稳定基层的课题研究。 遁j 立近两年的研究，在沥青发泡原理与特性。泡沫沥青混合料设计方法，泡沫沥青混合料物理力学特性及 酎久性等方面取得一定的成果。 上海同济大学拾方治、吕伟民等人以泡沫沥青冷再生试验路为依托，提出了泡沫沥青冷再生混合料设 计方法。分析了泡沫沥青冷再生混合料无侧限抗压强度和模量特征，发现2 0 c 强度可以达到通常半刚性材 6 第一章概述 料的强度值，模量值基本与该温度下粗粒式密级配沥青混凝土模量值相当，但要明显小于半刚性材料的模 量值范围。作为柔性基层材料，疲劳特性体现了泡沫沥青混合料的关键性能，通过疲劳试验发现沥青用量 增大，耐疲劳性能好：在2 的水泥用量之内，增加水泥用量不会明显影响疲劳性能，疲劳寿命曲线见图 1 2 。 鬻缓鬣，k 冕灰镬终 缘戴磊秘铲。承穰给 缀囊己a 豢i 移 蚤j 奄j 似 莲。毒 罐q 3 番2 劬 o r _ 、 、 赵一、 一 一、 、 、 l 一? 弋 、 、 x 该i 睛冕承毵 l、沁 _ 缓蕺暑0 、农霸孕i 1 1 援i 配暑盆+ 多雳：甓) l l o o ol 绷囝ol 1 0 0 奠麓磐f 麓b 图1 2 疲劳寿命曲线 1 3 本文主要研究内容及技术路线 l el 鬟努髯 本文以江苏省$ 3 4 0 赵庄至后阳段干线公路建设工程为依托，研究泡沫沥青混合料配合比设计方法， 研究泡沫沥青强度特性、强度形成规律及强度影响因素，确定施工工艺流程、施工设备，施工控制要求等， 总结并提出施工检测及验收的各项指标及其取值；比较分析泡沫沥青混合料的工程实用性。主要研究内容 及技术路线如下： ( 1 ) 泡沫沥青混合料设计方法 用w l b l 0 对沥青进行发泡性能测试，研究