（道路与铁道工程专业论文）Evotherm温拌再生沥青混合料技术研究.pdf

e v o t h e m 温扦i l 生沥青混合 ： 技术研究 摘要 公路的建设高峰期过后，大量的沥青路面将面临维修与改建，这将产生大量 的旧沥青混合料。如果不采取一定的措施加以利用，将占有许多土地资源，并对 土壤和环境造成污染。旧沥青混合料再生利用的方法较多，其中厂拌再生沥青混 合料的性能最稳定。温拌沥青技术起源于上世纪9 0 年代，经过一定时间的发展， 技术趋向成熟，在欧洲和北美地区已有广泛的应用。温拌沥青技术可以降低沥青 混合料拌和与压实温度，降低沥青混合料生产过程中能源的消耗，减少对环境的 污染，符合建设低碳社会的需要。e v o t h e m 是一种以沥青乳化技术为基础的温拌 剂，利用这种温拌剂，保证沥青混合料性能的同时，能有效地降低沥青混合料的 拌和与压实温度。 本文采用e v o t h e m 作为温拌剂，对旧沥青混合料进行再生利用，即对温拌再 生沥青混合料开展研究。从旧沥青混合料的回收处理、旧沥青混合料的再生机理、 旧沥青再生过程中沥青的转移、温拌再生沥青混合料的配合比设计、温拌再生沥 青混合料拌和设备的选取、温拌再生沥青混合料的路用性能等方面进行研究，提 出了一些建议和技术措施。同时对温拌再生沥青混合料进行了经济效益和社会效 益分析。 研究表明：旧沥青混合料在再生沥青混合料中的状态与拌和的工艺有关，新 旧沥青一般为部分混合状态；温拌再生沥青混合料在相对低温时具有良好的压实 性能，推荐拌和温度为1 3 0 ，压实温度为1 2 0 左右，终压开始温度不低于1 0 0 ； 温拌再生沥青混合料路用性能良好；温拌再生沥青混合料有一定的经济效益，社 会效益十分明显。 关键词：沥青混合料；温拌再生；再生机理；路用性能；经济分析 a b s t r a c t a f t e rt h ep e a ko ft h ec o n s t r u c t i o no fh i g h w a y ，al o to fa s p h a l tp a v e m e n tn e e dt o m a i n t e n a n c ea n dr e c o n s t m c t i tw i l lp r o d u c et h em a s s i v er e c l a i m e da s p h a l tp a v e m e n t i fv o ud o n tt a k es o m em e a s u r e st ou s e ；i tw i nh a v ep l e n t yo fl a n dr e s o u r c e s a tt h e s a m et i m e ，i tw i nc a u s ep o l l u t i o no fs o i la n de n v i r o n m e n t t h e r em a n ym e t h o d so n r e c y c l e da s p h a l t ，t h ec e n t r a lp l a n tr e c y c l i n gt e c h n o l o g yo fm i x e da s p h a l t m i x t u r e p e r f o m a n c ei sm o s t l ys t a b l e w a mm i xa s p h a l tt e c h n o l o g yo r i g i n a t e di nt h e 9 0 so f l a s tc e n t u r y a f t e rc e r t a i nt i m e sd e v e l o p m e n t ，t h et e c h n i c a li sm a t u r e i ne u f o p ea n d n o r t ha m e r i c ah a v ew i d e l ya p p l i c a t i o n w a 珊m i xa s p h a l tt l c c h n o l o g yc a nr e d u c e t h ea s p h a l tm i x i n ga n dc o m p a c t i n gt e m p e r a t u r e ，i tc a n r e d u c ee n e r g yc o n s u m p t l o na n d e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o ni nt h ea s p h a l tm i x t u r ep f o d u c t i o np r o c e s s e v o t h e mi so n e o f w a mm i xa s p h a l tt e c h n 0 1 0 9 y ；i ti sb a s e do nt h et e c h n o l o g yo fa s p h a l te m u l s i o n i tc a n e f f e c t i v e l yr e d u c et h ea s p h a l tm i x t u r em i x i n ga n dc o m p a c t i o nt e m p e r a t u r ew i t hn o t c h a n g i n gt h ep e r f 0 m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r e e v o t h e mw a su s e df o rr e c y c l i n gr e c y c l e da s p h a l tm i x t u r ei n t h i sp a p e r i tw a s w a mr e c v c l e dm i x t u r e i nt h i sp a p e r i tr e s e a r c ho nh o wt od e a lw i t hr e c l a i m e d a s p h a l tp a v e m e n t ，t h er e g e n e r a t i o nm e c h a n i s m o f r e c l a i m e da s p h a l tp a v e m e n t ，t h eo l d a s p h a l tt r a n s f e l l r e di nr e c y c l i n gp r o c e s s ，w a mm i xa s p h a l tr e c y c l e dm i x i n gd e s i g n e d ， s e l e c t i n gm i x i n gp l a n tr e g e n e r a t i o no fw a m m i xa s p h a l t ，t h ep a v e m e n tp e r f o n n a n c e o fw a mr e c y c l e dm i xa s p h a l tm i x t u r ea n dp u t t e df o n a r d s o m es u g g e s t l o n sa n d t e c h n i c a lm e a s u r e s t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a t ：t h es t a t eo fo l da s p h a l ti n t h er e c y c l e dm i x t u r ei s a s s o c i a t e dw i t ht h em i x i n gp r o c e s s ，t h eo l da s p h a l ti su s u a l l yp a r to f m i x e dw i t hn e w a s p h a l t ：w a mr e c y c l e dm i x t u r eh a v eg o o dc o m p a c t i o nw i t hl o wt e m p e r a t u r er e l a t l v e t oh o tr e c v c l e dm i x t u r e ，t h er e c o m m e n d a t i o no fm i x i n gt e m p e r a t u r ei s 13 0，t h e t e m p e r a t u r eo fc o m p a c t i o ni sa b o u t12 0，t h et e m p e r a t u r eo ff i n a lc o m p a c t i o ni s n o tl o w e rt h a n10 0 ；t h ep e r f o 咖a n c eo fw a mr e c y c l e dm i x t u r ei sg o o d ，t h ew a m r e c v c l e dm i x t u r eh a v ec e r t a i ne c o n o m i ce f f i c i e n c y a n d v e r ys i g n i f i c a n t s o c i a l e f hc i e n c v k e yw o r d s ：a s p h a l tm i x t u r e ； w a 珊r e c y c l e dm i x ； r e g e n e r a t i o n m e c h a n i s m ； p a v e m e n tp e r f o m a n c e ； e c o n o m i ca n de m c i e n c ya n a l y s i s l l l e v o t h c m 温拌i l f 牛沥青混合 ： 技术研究 插图索引 图2 1 沥青老化前后组分变化1 0 图2 2 拌和后的新旧集料1 8 图2 3 沥青调和图1 9 图3 1 温拌再生沥青混合料级配设计流程表2 3 图3 2 马歇尔试验结果图：3 0 图4 1 不同压实温度下沥青混合料的空隙率3 4 图4 2 不同压实温度下劈裂强度变化3 6 图4 3 三轮车辙试验仪3 9 图4 4 不同压实温度下的动稳定度4 0 图4 5 不同压实温度下的车辙变形总量4 0 图4 6 不同压实温度下破坏劲度模量变化图4 4 图4 7 不同压实温度下劈裂强度变化图4 4 图4 8 不同压实温度下沥青混合料水稳定性变化图4 7 图5 1 单独烘干筒预热旧沥青混合料设备示意5 0 图5 2 双滚筒原理预热旧沥青混合料设备示意图5 1 图5 3 圆锥式( 放射式) 堆放示意图5 3 图5 4 温拌剂e v o t h e m 典型的添加设备5 3 图5 5 温拌与热拌有害气体排放量5 6 图5 6 温拌与热拌有害气体排放比较5 6 图5 7 温拌与热拌沥青出料情景对比图5 7 图5 8 温拌与热拌摊铺过程中有害气体排放量5 7 v i 硕l j 学位论文 附表索引 表2 1 常用的沥青组分分析方法及组成8 表2 2 沥青老化前后的组分变化1 0 表2 3 沥青各组分老化前后的溶度参数变化1 2 表2 4 新集料石灰石的技术指标1 5 表2 57 0 号沥青的技术指标1 6 表2 6 回收沥青的技术指标1 6 表2 7 旧沥青的转移量1 6 表2 8 旧沥青的转移量1 7 表2 9 回收沥青的针入度指数1 9 表3 1 美国旧料分析取样频率和数量2 4 表3 2 旧沥青混合料的级配2 5 表3 3 旧沥青混合料中的沥青含量2 6 表3 4a c 2 0 密级配沥青混凝土的级配取值2 7 表3 5 旧沥青混合料添加比例2 7 表3 6 新集料的各个粒径添加比例2 8 表3 7 再生混合料新沥青的选择2 8 表4 1 不同压实温度下混合料的压实度3 3 表4 21 5 劈裂试验数据3 5 表4 3 不同压实温度下的劲度模量和劈裂强度3 6 表4 4 普通沥青混合料车辙试验动稳定度建议标准j 3 7 表4 5 车辙试验结果3 9 表4 6 劈裂试验试验使用的泊松比4 2 表4 7 1o 劈裂试验数据。4 3 表4 8 不同压实温度下的劲度模量和劈裂强度4 3 表4 9 不同压实温度下沥青混合料的水稳定性试验数据4 6 表5 1 温拌与热拌有害气体排放量5 5 表5 2 不同沥青混合料摊铺时有害气体排放量5 7 v i l 硕i ：学位论文 第1 章绪论 1 1 问题的提出 近十多年来，公路建设进入迅速发展阶段，特别是高速公路的建设。目前高 速公路主要采用沥青混凝土路面和水泥混凝土路面。在建设初期采用了较多的水 泥混凝土路面结构，主要在施工工艺、原材料及成本方面有较大的优势。但是沥 青路面在行车质量上有明显的优势，在后期的建设中沥青路面成为高等级公路的 主要路面结构。在城市道路的建设中，沥青路面一直处于主导地位。 我国高速公路沥青混凝土路面设计年限一般为1 5 年，实际使用年限大多数为 l o 年左右，有的甚至只有3 5 年。因此，每隔1 0 1 5 年，就需要对沥青混凝土 路面翻修一次。我国公路建设发展十分迅速，经过2 0 多年的建设，到2 0 0 9 年9 月底，高速公路总里程超过6 5 万公罩，跃居世界第二位。如果按照沥青路面的 设计寿命15 年，从现在开始，我国许多高速公路都已进入大、中修期，每年翻修 开挖出来的旧沥青混合料将超10 0 0 万t ，而且呈上升的趋势。目前对旧沥青混合 料处理是一个必须考虑的问题，若果不加以有效利用，不仅占用有限的土地资源， 引发环境污染，还将会造成资源的巨大浪费。研究发现，废旧沥青混合料只是在 功能上有所降低，除其中的沥青存在部分老化外，砂、石性能并未失效。因此， 通过对废旧沥青混合料进行回收，掺入适量新沥青或再生剂和新集料，加热拌匀 后完全可作为新拌沥青混合料用于路面结构。如此，可以节省大量的砂石材料和 有限的石油资源。重复利用沥青、节约砂石材料和沥青资源在我国有十分重要的 意义卜引。 旧沥青混合料的再生利用主要有沥青路面原地热再生、沥青路面原地冷再生、 厂拌热再生、厂拌冷再生等方法。这些方法在一定程度上使得沥青混合料的性能 有所恢复，但是还存在一些缺点和问题1 1 。就地热再生沥青路面一般是用于低等 级公路的路面或者作为高等级公路的基层，路面质量的离散性较大，质量很难得 到保障。就地冷再生沥青混合料，一般会添加一定量的乳化剂，乳化剂中含有较 多的水分，会影响再生沥青混合料的水稳定性，同时沥青混合料的拌和不是很充 分，路面再生质量较差。厂热热再生沥青路面质量比较容易得到保障，再生沥青 混合料的级配稳定性好，质量能达到高等级公路路面面层的技术要求。厂拌热再 生沥青混合料在生产过程中，集料加热温度和出料温度都明显高于普通热拌沥青 混合料，所以能耗较大。在再生沥青混合料的拌和过程中，要防止旧沥青进一步 老化和沥青浓烟的产生，沥青烟会污染环境损害人体健康，因而再生沥青混合料 e v o t h e m 温拌再生沥青混合料技术研究 的拌和不能有明火出现，随着生产技术的发展，部分问题已经得到解决。厂拌冷 再生沥青混合料在拌和过程中也会添加乳化剂，乳化剂中的水分会影响到沥青混 合料的水稳定性，与热拌再生沥青混合料相比，厂拌冷再生沥青混合料的质量较 差，一般只能用于高等级路面的基层。随着人们对环保要求的不断提高，需要寻 找一种较好的方法来合理利用这些旧沥青混合料。温拌再生沥青技术的应用可以 降低混合料的拌和温度，既节约沥青、集料和燃油，又能减少污染物的排放，满 足人们对资源的利用和环保的要求，是沥青混合料的一个发展方向。 1 2 国内外研究概况 旧沥青路面的再生是将旧沥青混合料通过一定措施处理以后重新利用的技术。 19 l5 年美国最先开始对旧沥青再生技术进行研究，对废旧的沥青混合料进行热拌 重新利用。但是当时处于公路建设的高峰期，因此这项技术暂时被搁浅，技术发 展十分缓慢。随着公路网络的基本建成和石油价格的上涨，直到1 9 7 3 年这项技术 才重新受到人们重视。美国联邦公路局和材料与试验协会等单位经常召开有关旧 沥青路面再生利用的各种学术会议，推动了路面再生技术的发展。l9 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。 原苏联对旧沥青路面再生利用技术的研究也比较早。19 6 6 年出版了沥青混 凝土废料再生利用技术的建议，但实际应用不多。1 9 7 9 年出版的旧沥青混凝 土再生混合料技术标准中详细介绍了各种再生方法，并规定了再生混合料只可 用于高等级路面的基层和低等级路面的面层，这说明当时的再生混合料再生效果 还不是很好。19 8 4 年又出版了再生路用沥青混凝土，详细阐述了就地再生和 工厂再生的方法。同本从1 9 7 6 年开始进行再生沥青混合料应用技术的研究。日本 道路协会于1 9 8 4 年出版了路面废料再生利用技术指南，并且就有关厂拌再生 技术编成了手册。 虽然西欧国家起步相对较晚，但十分重视沥青路面再生利用这项技术。原联 邦德国沥青路面再生技术的研究与应用处于领先水平，1 9 7 8 年，旧沥青混合料的 回收利用率已接近lo o ，并率先将再生沥青混合料应用于高速公路的路面维护。 在芬兰，几乎所有的城镇都组织进行旧沥青混合料的收集和储存工作，再生沥青 混合料也由以前的主要用于低等级公路的面层和基层，发展到应用于重交通道路 路面。法国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再 生技术。欧洲沥青路面协会( e a p a ) 宣布，其成员国的旧沥青路面材料已l0 0 通 过再生进行重复利用。 在上世纪8 0 年代前，旧沥青混合料的再生普遍采用厂拌热再生，将旧沥青路 面通过铣刨等方法进行回收，然后进行破碎筛分，通过添加一定量的新沥青和新 2 硕上学位论文 集料在较高的温度下进行拌和，形成热再生沥青混合料。美国一般是通过添加新 沥青来恢复老化沥青的性能，很少使用再生剂来改善旧沥青的性质。冷再生沥青 混合料技术在欧美国家应用较少，主要是再生沥青混合料的质量很难达到规范要 求。近年来，就地热再生技术发展较为迅速，采用现场热再生设备将旧沥青路面 加热、耙送、经过翻挖后加入再生剂、新沥青、新骨料送进搅拌缸拌和，从而获 得优良的再生沥青混凝土，铺筑成再生沥青路面，在国外已有部分应用。m a r t e c 公司生产的就地再生设备比较先进，设备比较比较昂贵，一般都在千万美元以上。 欧美国家通过对再生沥青混合料长时间的研究和实际应用，结果表明：选用 恰当的再生方法和设备，严格控制好再生沥青混合料生产的各个环节，再生沥青 路面与普的沥青路面相比，路面的使用性能和使用寿命没有明显区别，部分再生 沥青路面的抗车辙性能比普通的沥青路面要好。 从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，在再生沥青混合料的拌制工艺，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，都取得了很大成就，形成了一套 比较完善的再生利用技术，达到了规范化和标准化的程度。 在我国，1 日沥青路面的再生技术起步较晚，直到上世纪七十年代才开始对j 日 沥青路面再生利用技术的可行性、经济性和实际应用进行试验研究。一般只用于 轻交通道路、人行道或道路垫层。19 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。1 9 9 1 年建设部发布了热拌再生沥青混合料路面旅 工及验收规程( c u 4 3 9 1 ) ，规定了再生沥青混合料所需的集料、沥青的品质和混 合料的技术要求应符合不用废料的普通沥青混合料的有关规定。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。近些 年来，随着旧沥青混合料的增加，对旧沥青混合料的回收利用再一次得到了广泛 的关注。2 0 0 0 年，东南大学和常州市化工研究所合作，研制出了针对高等级沥青 路面的新型再生剂；2 0 0 3 年在沪宁高速公路上海段大中修工程采用了沥青路面现 场热再生技术，维修后路段的旧料的利用率达到1 0 0 ；2 0 0 3 广佛高速公路大修 工程采用厂拌热再生技术，将再生沥青混合料用于沥青路面中、下面层，再生沥 青混合料性能表现良好。相关试验和工程实践证明，厂拌热再生沥青混合料的路 用性能能够满足实际的需要，而且高温稳定性有所提高呻叫。2 0 0 8 年交通部颁布 了公路沥青路面再生技术规范( j t gf 4 1 2 0 0 8 ) 2 1 ，主要内容包括旧沥青混合 料的回收处理及试验要求、再生混合料设计及技术要求、各种再生方法的施工工 艺及质量控制等方面。 国内的沥青混合料再生技术基本是吸取了国外的研究成果，根据国内实际情 况进行了部分修改，取得了一定的科研成果。在沥青再生剂方面的研究，取得了 e v o t h e r n l 温拌再生沥青混合料技术研究 丰硕的成果。许多工程试验表明，通过添加一定量的再生剂，能使旧沥青恢复原 有的性能。但是现阶段对旧沥青混合料再生没有进行大规模的应用，大多数是应 用于路面小范围的维修与改造。4 0 年前的美国就是今天的中国，旧沥青再生具有 广阔的发展前景。 温拌沥青技术起源于1 9 9 5 年，是在能源紧缺、全球气候变暖的大背景下快速 发展起来的路面材料新技术。1 9 9 7 年通过的京都议定书要求，在2 0 1 0 年温室气 体的排放量比19 9 0 年减少5 2 。欧盟是重要的缔约者，并且承担了最大比例的 排放消减任务，因此温拌沥青技术因此在欧洲发端并迅速进入应用阶段。目前， 温拌沥青混合料主要有4 种生产方式，每种生产方式都有各自的特点n 3 1 引： ( 1 ) 泡沫沥青技术，比较典型的是壳牌公司的两组分温拌沥青( w a m f o a m ) 技术，结合料分两阶段加入，即先将软沥青与集料混合，然后加入发泡的硬质沥 青，将产生大量泡沫，降低沥青在拌和时的粘度； ( 2 ) 德国a s p h a m i n e 温拌沥青混合料技术，利用沸石矿物的吸水性，加入到 沥青中发泡，从而降低沥青粘度，可使混合料生产拌和温度降低3 0 左右； ( 3 ) 利用德国s a s o lw a x 公司生产的降粘剂得到温拌沥青混合料，通过加入 s a s o b i t ，能显著降低沥青的高温粘度，从而降低混合料拌和温度，沥青混合料的 生产温度一般可以降低1 0 3 0 。c 。同时会提高沥青软化点和降低沥青针入度， a s p h a l t a n b 是此类性质的温拌剂； ( 4 ) 美德维实伟克公司( 简称为美德公司) 研究开发的基于乳化沥青分散技 术的e v o t h e r m 温拌沥青混合料。 温拌剂w a m f o a m 的成功在很大程度上要依靠对于软化沥青及合料和硬化 沥青结合料的精心选择。拌和分为两阶段，在第一阶段的拌合过程中，集料的沥 青裹覆情况十分关键，如果裹覆不好，会使得第二阶段中注入适量水分通过柔化 沥青和集料的结合面进入集料内部，从而影响到最终的沥青混合料质量和性能。 拌和过程中注入的水分对新旧沥青混溶和沥青与集料的粘附性有较大的影响，可 能会影响到再生沥青混合料的水稳定性。温拌剂a s p h a m i n e 在拌和过程中也同样 存在上述问题。添加温拌剂s a s o b i t 的温拌沥青混合料水稳定性较好，但s a s o b i t 添加剂会提高沥青结合料的软化点降低其针入度指标，再生沥青混合料的的低温 稳抗裂性能较差，所以添加s a s o b i t 后会进一步降低沥青混合料的低温抗裂性。 n c a t 技术研究中心等其它机构研究表明，在相同的拌和与压实温度下，温拌剂 e v o t h e r m 对沥青混合料孔隙率的降低效果最明显。温拌剂e v o t h e r m 主要包括一 些可以提高沥青对于集料的覆盖能力和工作性能的添加剂，以及一些粘结增强剂 ( 如防剥落剂) 和乳化剂，但是其中也含有3 0 水分，可能会影响到再生沥青混 合料的水稳定性，由于其中有乳化剂成分，可以降低旧沥青的粘度，有利于新旧 沥青的混溶。美德公司声称，通过调节温拌剂中的成分，能提高温拌沥青的水稳 4 硕j ：学位论文 定性，所以本文选自温拌剂e v o t h e r m 作为温拌再生沥青混合料的添加剂。 e v o t h e r m 是由几种化学成分组成的添加剂，以分子的形式分散在沥青中，高 残留，残留率为7 0 ，能提高沥青的裹覆能力、降低粘度，可将混合料的压实温 度降低2 0 6 0 ，对拌和与摊铺没有特别的要求。根据剂量( 浓度) 的不同，分 为e v o t h e r m e t 和e v o t h e 册一d a t 两种，最新的产品在以前的基础上添加了一 些新的化学成分，各个组分的比例和含量可以调节。沥青一般在1 10 一1 3 0 之间 拌和，压实温度为9 0 1 2 0 9 2 2 船1 。 2 0 0 3 年1 1 月，温拌沥青技术e v o t h e r m 正式应用于实践中，随后在欧美等发 达国家迅速发展，应用十分广泛，技术日趋成熟。截至2 0 0 7 年底，e v o t h e r m 温 拌沥青技术已经在美国、加拿大、欧洲、南非、中国等地总共实施了7 0 个以上 项目( 其中包括参加著名的n c a t 试验环路项目) 。在美德公司的大力支持下，进 行了许多试验路的铺筑。2 0 0 5 年8 月，采用e v o t h e r m 温拌剂生产的温拌沥青混 合料，在加拿大安大略湖进行了试验路的铺筑，同时也进行了相关试验研究；2 0 0 5 年9 月，采用e v o t h e r m 温拌沥青技术的试验路，在加拿大卡尔加里市的东北部铺 筑了试验路；同年1 0 月，采用e v o t h e r m 温拌沥青技术在拿大罗摩镇4 6 号道路铺 筑了3 公里的试验路，也进行了相关的试验。 美德公司对三条试验路的研究结果进行了分析，采用e v o t h e r m 温拌沥青技术， 与普通热拌沥青混合料相比，温拌沥青混合料拌和与压实的温度都比普通热拌沥 青混合料要低2 0 一4 0 ，虽然拌合与压实温度较低，试验结果表明温拌沥青混合 料路用性能良好，各项测试指标都能满足加拿大当地的技术标准，有小部分试件 的水稳定性略低于当地规范要求。通过对温拌再生沥青混合料进行回收，测试回 收后的旧沥青性质，与普通的热拌沥青混合料相比，其回收沥青针入度指标值较 大，采用e v o t h e r m 温拌沥青技术可以减少沥青在拌和过程中的老化。2 0 0 6 年l o 月，美国沥青技术中心( n c a t ) 完成了针对包括e v o t h e r m 等主流温拌沥青技术的 综合性应用研究工作，标志着温拌沥青技术的成熟。 2 0 0 5 年9 月，交通部公路科学研究院与北京路兴物质公司合作，在北京1 1 0 国道上完成了国内首段温拌试验路，2 0 0 6 年6 月，上海建设机场道路工程有限 公司在上海中心城区铺设了4 0 0 米的温拌沥青试验段，2 0 0 6 年7 月，壳牌沥青 ( 中国) 推动在北京实施了第二条试验路。2 0 0 6 年9 月2 2 同，在主要承担重载 交通的北京六环辅道上，北京全球首次成功实施了温拌s m a 路面试铺。2 0 0 7 年 全年，在北京、上海、江苏、河南、辽宁、河北、四川、浙江8 个省区实施了l 6 个项目，成功应用于城市道路、高速公路和城市快速道路薄层铺装、低温季节和 高海拔地区施工、桥面超薄层、隧道路面等路面类型心3 。2 引。 近年来，国外已经开始将温拌沥青技术引入到沥青混合料的再生利用方面。 r a j i bb m a l l i c k 等人对此进行了一些研究妲玑驯，分别采用s a s o b i t 和e v o t h e r m 乳 e v o t h e m 温拌再生沥青混合料技术研究 化剂，验证了温拌再生沥青混合料的可行性，对不同的温拌沥青技术进行了比较， 取得了一定的研究成果，但也是处于起步阶段。 关于温拌沥青技术的应用，国内一些院校、研究机构在这方面也做了一些研 究工作，主要是研究普通温拌沥青混合料的路用性能，秦永春、黄颂昌等人对采 用e v o t h e r m 技术温拌沥青混合料在拌和过程中沥青老化程度和节能减排做了一 定的研究，但将温拌沥青技术应用到再生沥青混合料中还比较少见。因此，还有 很多方面需要进一步的研究和分析，将这项技术应用到沥青再生的实践中来。 1 3 研究的主要内容及意义 1 3 1 研究的主要内容 本文从旧沥青混合料的回收、破碎、筛分、拌和及拌和机械的选择、拌和温 度的设定、混合料路用性能等各方面开展研究，主要研究内容如下： ( 1 ) 对旧沥青混合料的回收、破碎、筛分、堆放等前期工作进行分析和评价， 从理论和实践的角度进行优化设计。 ( 2 ) 旧沥青混合料在再生沥青混合料中所处的状态，新旧沥青的混合程度是 值得研究的问题。美国沥青混合料再生推荐指南中采用新旧沥青调和理论，但是 这种理论是建立在新旧沥青混溶程度较高的情况下，而且在沥青的回收过程中， 强制将新旧沥青完全融合，与沥青混合料中的新旧沥青的实际状态有较大出入， 很多研究者认为新旧沥青是属于部分融合的。 ( 3 ) 对于温拌再生沥青混合料，拌和与压实温度是一个重要的指标，直接关 系到温拌再生沥青混合料的路用性能。混合料的压实温度也是检验温拌剂效果好 坏的重要指标。 ( 4 ) 确定温拌再生沥青混合料级配和最佳沥青含量，对温拌再生沥青混合料 的路用性能进行评价。主要评价沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定 性和抗疲劳性。通过实验验证混合料的性能能否满足道路使用性能的要求。 ( 5 ) 由于旧沥青混合料的存在，还要考虑温拌剂e v o t h e r m 的加入，温拌再 生沥青混合料拌和设备应有一定的改进，同时对采用温拌沥青技术的沥青混合料 经济效益进行分析。 1 3 2 研究的意义 本文旨在对旧沥青混合料的处理、温拌沥青混合料级配设计、拌和机理与拌 和设备、混合料的路用性能、混合料的施工工艺及经济性等方面进行研究和分析， 对温拌再生沥青混合料的实际应用具有指导意义，促进温拌再生沥青混合料的应 用。 在新建高速公路和城市道路中，主要采用沥青路面结构，经历过道路建设的 6 硕l i 学位论文 高峰期后，路面的翻修和改建势在必行。在翻新和改建过程中，将产生大量的旧 沥青混合料。从经济和环保的角度来考虑，将这些旧料进行再生是最好的办法， 既可以节约石料、沥青、燃油等自然资源，又可以减少环境污染和土地的占用。 温拌再生沥青混合料具有以下几个优势口卜3 3 1 ： ( 1 ) 旧沥青混合料的利用，可以节约社会资源，有一定的经济效益。 ( 2 ) 与热拌再生沥青混合料相比，温拌再生沥青混合料能够降低拌和温度， 既减少r a p 材料的老化，也可减少拌和过程中沥青烟的产生。温拌再生沥青混合 料的摊铺和压实温度较低，可以在环境温度较低的情况下压实，增加了沥青路面 施工时间段。在城市道路中摊铺，可以减少沥青烟的排放，降低对周围居民和环 境的影响。拌和温度的降低可以节约一定的燃料，节约混合料的生产成本。 将温拌沥青技术与再生沥青技术相结合，充分发挥两种技术的优势。在利用 旧沥青混合料的同时，降低再生沥青混合料的拌合温度，保证再生沥青混合料的 质量，减少污染物的排放，节约了大量的不可再生资源，温拌再生沥青混合料具 有巨大的应用空间。 7 e v o t h e m 温拌再生沥青混合料技术研究 第2 章沥青老化及再生机理 沥青混合料的再生主要是使再生沥青混合料能够满足路面使用性能和相关规 范的要求。在大多数情况下，是指混合料中的旧沥青的再生。沥青路面在使用过 程中，路面材料受到行车荷载和自然环境的影响，随着时间的推移，路面变硬， 出现开裂、剥落等破损情况，这些大都是因为沥青逐渐老化。改善再生沥青混合 料的性能就要从了解旧沥青混合料的性质开始，深入地研究沥青老化和再生的机 理。 2 1 沥青的化学组分 沥青是由碳氢化合物性质的分子含少量结构上类似杂环的分子形式含有硫、 氮、氧原子官能团组成的复杂混合物，还含有微量的金属引。沥青的内部结构、 形态主要取决于分子形式的化学成分。如果将其作为化合物来分离，由于其结构 比较复杂而且种类繁多，对实际的应用作用不大，不能充分地反应沥青的性质。 因此，许多研究者就致力于沥青化学组分的分析研究。化学组分分析就是将沥青 分离为几个性质相近而且路用性质有一定联系的组，这些组就称为“组分”。组分 分析方法有许多种口副，如表2 1 所示。在我国，应用最为广泛的是四组分分析法。 这四组分是饱和分( s ) 、芳香分( 彳，) 、胶质( r ) 、沥青质( 彳) 。 表2 1 常用的沥青组分分析方法及组成 分析方法组分 马尔库松一埃克曼二组分法 哈巴德一斯坦菲尔德三组分分析法 壳牌石油公司四组分法 科尔贝特四组分法 罗斯贝特一斯特恩伯格磊组分法 软质沥青、沥青质 油分、树脂、沥青质 饱和分、芳香分、胶质、沥青质 饱和分、环烷一芳香分、极性芳香分、沥青质 链烷分、第二酸性分、第一酸性分、氨基、沥青质 不同的组分在沥青中所体现的性质也不同h 蚓，沥青的性质是不同组分的多面 性的体现。 ( 1 ) 沥青质。在常温下，沥青质是一种温感性的脆性固体，是沥青强度和弹 性的主要来源。沥青质是复杂的芳香坏物质，具有很强的极性，相对密度一般大 于l ，沥青质在沥青中的含量通常为5 2 5 ，一般认为沥青质含量会影响沥青 的流变特性。如果沥青质含量增加，则沥青稠度增加，软化点上升。同时沥青质 的含量对沥青的温度稳定性和粘结能力也有较大影响。沥青质对沥青中的饱和分 硕i ：学位论文 和芳香分具有较强憎液性，但对胶质具有亲液性，所以沥青是一种由胶质包裹沥 青质形成胶团悬浮在饱和分和芳香分中的胶体溶液。胶体溶液的稳定性取决于沥 青质含量的多少。 ( 2 ) 胶质。胶质也称为树脂，常温下表现为感温性的粘性半固态或固态，可 以与沥青油性成分相容且具有良好的粘结能力，比沥青质有着更强的极性，相对 密度在1 o 1 0 8 之间。胶质的含量一般在15 3 0 之间。胶质对沥青的粘结 力、延性有较大影响。一般认为胶质含量的增加可使沥青延度增大，胶质是沥青 的胶溶剂，胶质和沥青质的比例决定了沥青胶体的类型。 ( 3 ) 芳香分。芳香分在沥青四组分中分子量最低，它是胶溶沥青质的分散介 质，在沥青中它的含量一般为4 0 6 5 之间。 ( 4 ) 饱和分。饱和分是一种非极性油分，在沥青中的含量一般为5 2 0 。 饱和分和芳香分统称为沥青中的油分。对沥青有润滑和软化作用。因此，油分越 多，沥青的软化点越低、针入度越大，同时也会降低沥青的粘度。 通过以上的分析可以看出，沥青是各个组分性质的综合体现。现代研究分析 认为n 7 ，3 8 1 沥青是一种胶体体系，是以高分子量的沥青质吸附了附近半固念的胶质， 形成胶团，这些胶团是极性较大的可溶质形成的复合物。由于胶团的溶胶作用， 而使胶团弥散或溶解在分子量较低的芳香分和饱和分组成的介质中，形成稳固的 胶体。 根据沥青中各组分的含量和性质，沥青可以有三种胶体状态：溶胶型结构、 溶凝胶型结构和凝胶型结构。当沥青质的含量油分较少和胶质足够多时，形成溶 胶型沥青，其特点是沥青的粘结性好，但温度敏感性较强；当沥青质浓度增大， 油分和胶质很少时，形成凝胶型沥青，其特点是具有较好的温度感应性，但低温 变形能力较差。介于两者之间就形成溶凝胶型沥青，其特点是粘结性、温度稳定 性、弹性都比较好。所以路用沥青一般是选用溶凝胶型沥青。 2 2 沥青的老化机理 沥青路面随着使用年限的增加，路面逐渐变硬，主要是沥青的老化。沥青在 自然因素的作用下，产生了不可逆转的化学反应。沥青的老化主要是氧及光引起 的氧化、缩合作用。沥青随时间的老化次序为饱和族一芳香一树脂一沥青质，老 化的结果是沥青质的含量越来越高，油性成分等轻质成分含量越来越低，而且此 化学反应在自发条件下是不可以逆的。从沥青的性质来看，随着沥青的老化，针 入度减少，软化点升高，延度降低，粘度增大。 沥青的老化在组分上的变化十分明显，表2 2 、图2 1 是某沥青老化前后的组 分变化。 9 i ：v o i h c r m 泓 t | i 生澌青混合料披术研究 图2 1 沥青老化前后组分变化 沥占组分的变化比较明显，粘度较大分予量较大的沥青质含髓增加较多，胶 + 薯的含量也在一定的平罕度 二增加。分了量较低芳香分含景减少很多，饱和分禽量 j p 了1 所降低。沥青质含龟的增加使得沥青的枯度增人，降低了沥青的感温性；饱 分的减少使沥青j 占度增人：从以上组分的变化看出，沥青的老化使得沥菏粘度 ，垮人，谚i 度增加，沥青混合料的低温抗裂能力下降，路_ f i 容易j f ：裂。 沥青的老化f i 仪仪足在路面使川过程中，在沥青的运输、沥青混合料的拌和 与摊铺过程中都对沥青彳r 彳：i 司程度的老化。引起沥青老化的凶素也有所1 if 州。f ；将从沥青混合料的乍，沁、运输、压实、使用等过科水分析沥。箭的老化，从原理 j ，：米分析，沥青老化的主要原凶如下： f1 ) 氧化作用：沥肯窄气中的氧气，特别足高温情况下，容易与油性成分 r f = j 的芳香分和饱和分发乍反心，逐步转化为分子量较高的胶质和沥青质组分。胶 质和沥青质通过分了力义组? 成史人的分子团，山于阴揣。没有化学键，加热的时 候这个过年翟是i l j 以恢复的。 f2 ) 挥发作j j ：沥f + 州一的较轻的分了存温度升高时从沥f 宁中挥发术，特别 誓， z 扔t i 的拌和和摊铡过秤t ，j 温度较- i n 部分分r 挝较少的轻质绀分容易 “段m 来，沥f ，的拌和摊钠过槲| 】：j ( 寸沥青的老化作 j 很强。 硕i ：学位论文 ( 3 ) 聚合和凝聚作用：性质相似的分子结合成更大分子量的分子结构，形成 聚合硬化。从化学的角度来分析，就是使分子趋于更加稳定的状态，使得分子的 熵值下降。 ( 4 ) 分离及凝析作用：分离作用是沥青组分之间的离析现象，由于各个组分 之间的密度以及相互的溶解性能有所差异。凝析作用是指沥青中油性成分自沥青 面层渗出。 在沥青的不同阶段，各种老化可能都同时存在。在沥青运输过程中，沥青容 易产生离析现象，般在混合料的生产前对沥青进行搅拌。沥青在拌和与摊铺阶 段，温度很高，且与空气中的氧气接触明显，沥青氧化老化严重，在高温情况下， 沥青的挥发作用加大，所以在拌和摊铺的时候，容易看到沥青烟。在沥青混合料 的使用过程中，长期暴露在空气中，同时受到水分光照等影响，很容易氧化。在 行车荷载作用下，当路面温度较高时，沥青会从下面层向上面层迁移引，这也是 沥青凝析的一种反映。 通过以上各个方面分析可以看出，沥青是沥青的各个组分性质的综合体现， 在沥青的老化过程中，随着沥青中各组分的变化，沥青性质也随着变化。 2 3 沥青的再生机理 沥青混合料的老化最主要就是沥青的老化，因此混合料的再生就是沥青的再 生，通过一定方法使沥青恢复老化前的性能。关于旧沥青的再生理论有两种：一 是相容性理论，二是组分调节理论。 2 3 1 相容性理论 现代胶体理论认为，沥青是种高分子溶液，高分子量的沥青质为溶质，低 分子量的轻质组分为溶液引。沥青的老化使沥青胶体溶液中的组分发生改变，导 致沥青组分问溶度参数差增大，溶液对溶质的溶解度降低，破坏了沥青质与软质 沥青的溶解平衡性。该理论认为可以采取一定的措施调节沥青中组分溶度参数差， 可以使沥青恢复原来的性质。 2 3 1 1 沥青的相容性 相容性理论认为，溶液是否稳定，不决定于溶质的粒径大小，而是决定于溶 质在溶剂中的溶解度和溶剂对溶质的溶解能力。根据希尔布兰德提出的“溶解度参 数”理论，溶液趋于稳定，则溶质的溶解度参数与溶剂的溶解度参数的差值要小于 某一定值，用公式( 2 1 ) 表示。 6 = 颤c 一翰 k ( 2 1 ) 式中：江沥青质与软沥青质溶液溶