（道路与铁道工程专业论文）厂拌热再生沥青混合料设计研究.pdf

摘要 随着交通量和汽车荷载不断增长，早期修建的高速公路已相继进入维修、改扩建阶 段。在沥青路面的维修、改扩建过程中将产生大量的废旧沥青混合料。以往是将其进行 废置处理，这不仅会造成资源浪费，也会占用大量土地。采用沥青路面厂拌热再生技术， 使旧沥青路面材料得到重新利用，这也是科研人员、工程技术人员面临的一个问题。沥 青混合料的再生利用，目前在国内还处于初级阶段。本文在借鉴国内外沥青再生技术研 究成果基础上，进行旧沥青路面性状、老化沥青再生和再生沥青混合料的研究。 本文通过试验分析了沥青路面材料的性状，利用沥青理论分析了沥青老化和再生机 理。在控制r a p 掺量的前提下，采用新沥青直接调和旧沥青对旧沥青进行再生。根据 室内试验结果，表明了再生沥青针入度和新沥青用量之问有较好的相关性。在此基础上， 采用了马歇尔设计方法进行再生沥青混合料配合比设计。通过对再生沥青混合料路用性 能的研究，表明再生沥青混合料的路用性能与新沥青混合料的相比差别不大。最后通过 经济效益和社会影响综合分析，表明沥青路面厂拌热再生技术是一种非常适宜的道路维 修改造方式，应该在高速公路沥青路面大修工程中，尤其是缺乏砂石材料的地区推广应 用。 关键词：沥青路面路面再生厂拌热再生沥青路面回收料 再生机理旧料掺配率施工工艺 a b s t r a c t w i t ht h ef r e e w a yv o l u m e sa n dl o a d sf a s t i n c r e a s i n g ，s o m ef r e e w a y ss h o u l d b e m a i n t a i n e da n dr e c o n s t r u c t e di ns u c c e s s i o n i ti ss t i l lan e w t o p i co nt h er e c y c l i n go fa s p h a l t m i x t u r ep r e s e n t l yi nc h i n a a sar e s u l t ，am a s so fo l da s p h a l tm i x t u r ew i l lb ep r o d u c e d t h e m a t e r i a l sw e r ed i s c a r d e di nt h ep a s ty e a r s t h i sn o to n l yr e s u l t e di na ne n o r m o u sw a s t eo f r e s o u r c e sb u ta l s oo c c u p i e dv a s te x p a n s e so fl a n d t h ei s s u et h a tr e s e a r c h e r sa n de n g i n e e r s s h o u l df a c ei sh o wt ou s et h eh o tm i xp l a n tr e c y c l i n gt e c h n o l o g yt or e u t i l i z eo l dp a v e m e n t m a t e r i a l s b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fh o ta s p h a l tr e c y c l e dm i x t u r ef r o mh o m ea n d a b r o a d ，t h ep a p e rs t u d i e st h ep e r f o r m a n c eo fo l da s p h a l tm i x t u r e ，a s p h a l t r e c y c l i n g m e c h a n i s m ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo fh o tr e c y c l e dm i x t u r e f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h et e c h n o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fo l da s p h a l tm i x t u r e t h r o u g ht e s t s s e c o n d l y , t h r o u g ha s p h a l tt h e o r yt h ep a p e ra n a l y z e st h em e c h a n i s mo fa g e da n d r e c y c l e da s p h a l t n e wa s p h a l tc o n c o c to l da s p h a l tu n d e rt h ep r e r e q u i s i t eo fc o n t r o l l i n gt h e p r o p o r t i o no f 啪t h i r d l y , b ym e a n so fi n d o o re x p e r i m e n t s t h er e l a t i o no fr e c y c l e da s p h a l t p e n e t r a t i o nb e t w e e np r o p o r t i o no fn e wa s p h a l ti s e s t a b l i s h e d i tp r o p o s e sm a r s h a l lm i x d e s i g nm e t h o da sd e s i g nm e t h o da n de v a l u a t i o ns t a n d a r do fh o tr e c y c l e dm i x t u r e t h e p e r f o r m a n c eo fh o tr e c y c l e dm i x t u r eh a sb e e ns t u d i e db ym a n yt e s t s t h et e s tr e s u l t ss h o w t h a tt h ep e r f o r m a n c eo fh o tr e c y c l e dm i x t u r eh a v en o tm o r ed e f e r e n c et h a nt h ep e r f o r m a n c e o fn e wa s p h a l tm i x t u r e f i n a l l y , t h ep a p e ra n a l y z e se c o n o m i c a la n ds o c i a li n f l u e n c eo fh o t r e c y c l e dm i x t u r e i ti n d i c a t e st h a th o tc 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 yi saf a v o r a b l e m e t h o df o rf r e e w a ym a i n t e n a n c ea n dr e c o n s t r u c t i o na n de s p e c i a l l ys h o u l db ea p p l i e di nt h e r e g i o nw h e r ei ss c a r c eo fa g g r e g a t e k e y w o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t h o tm i xp l a n tr e c y c l i n g r o a ds u r f a c er e c y c l i n g r e c y c l e dm i x t u r eo fa s p h a l tp a v e m e n t r e c y c l i n gm e c h a n i s m p r o p o r t i o no f o l dm i x t u r e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e s i l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：谒撤 如墨年6 月3 e l 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权 归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及 申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：辩馘 妒秒年月夕日 钠龇荔j 3 f 纠年6 月厂日 长安人学硕1 ：学位论文 第一章绪论 路面再生利用技术，是将需要翻修改造的旧沥青路面，经过翻挖、回收、破碎、筛 分后，再和新集料、新沥青( 必要时还要添加再生剂) 适当配合，重新拌和成满足道路 建设需要、符合国家和行业标准的再生沥青混合料，并应用于道路建设，铺筑路面面层 或基层的整套生产技术。 我国高速公路开始修建于1 9 8 4 年，在9 0 年代以后陆续建成的高速公路己进入大、 中修期，按照沥青路面的设计寿命( 1 5 2 0 年) ，每年约有1 2 的沥青路面需要翻修。由 于我国目前还没有完全掌握旧沥青混合料的再生技术，旧沥青废弃量将达到2 2 0 万吨之 多，如能加以利用，每年可节省材料费3 亿元以上，而且这个数字是以每年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。因此，旧沥青混合料的再生利用、沥青再生专用 设备的研究和开发，已是迫在眉睫。同时，这项技术也是保护环境、重复利用资源的“可 持续发展”战略在公路建设中的具体体现。 国外自4 0 - - 5 0 年代已经开始研究旧沥青路面的再生问题，近年来已有很大的发展， 并且己经有成熟的技术和新型的机械设备问世，可见，沥青路面再生是完全可行的。在 我国公路建设日益快速发展的今天，沥青路面再生技术的研究和相关机械设备的开发更 为重要。 1 1 本课题研究意义 从二十世纪五十年代开始，以美国为代表的发达国家开始大力发展公路建设，使其 远远超过铁路、水运和航空运输，公路开始成为国家经济发展的大动脉。在世界范围内， 修建成千上万公里的新路以满足同益增加的交通量的需要。这些道路中的相当一部分已 经使用了2 0 多年，基本上达到了路面的设计寿命，需要增加维护投入以保持其应有的 通行能力。交通量的增加，承载负荷的加重，使用年限的增长以及天气等大自然的原因， 均加速了沥青路面的变质和老化。 大多数国家的公路网都面临着类似的问题，与道路建设初期大量资金的投入相比， 人们往往忽略了对在建道路养护方面的考虑，从而导致路况的迅速恶化并导致最终不得 不采取较昂贵的修复措施以便恢复道路的性能。但在旧路修复过程中人们常把旧路面材 料当作垃圾处理，这样将产生复杂的经济问题，如必须将废料运到专门有害垃圾的倾卸 1 第一章绪论 场地进行处理，以避免造成环境污染；由于废料仍具有一定的利用价值，当作垃圾处理 必将造成极大的浪费。在这种情况下，许多国家开始对旧路面材料进行了研究，人们已 经认识到对旧沥青路面再生利用的重要性。 随着我国改革开放的不断深入和国民经济的飞速发展，公路建设作为我国经济建设 的重点项目，近十几年来得到了长足的发展。由于沥青路面具有足够的力学强度和一定 的弹性、塑性变形能力，有高度的减振性，行车平稳舒适、噪声低，且不扬尘等特点。 己修和待建的高等级公路大部分为沥青路面，特别是高速公路，9 0 以上为沥青路面。 如何管好、养好现有路面已是目前我国公路部门面临的重要课题。由于大修高速公路， 大量沥青路面废料的堆放将使资源的有效利用、废料存放的场地及环保等问题越来越突 出，沥青路面废料的再生利用将不单单是技术问题，而是一个社会问题。 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 得以利用，节约了大量的沥青和砂石材料，减少了新材料的开采，也不存在旧沥青混合 料的运输和废料弃放的问题。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，在公路建设中，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，并开发了相应的再生 设备，已在实践中大面积推广应用。当前，根据我国可持续发展的战略方针，沥青路面 再生技术的研究与沥青再生专用设备的开发、推广与应用被提上重要的议事日程，成为 我国高等级公路建设的一个新热点。 1 2 沥青路面再生技术研究现状 1 2 1 国外沥青路面再生技术研究状况 欧美等西方发达国家早已开始了旧沥青混合料再生技术的研究，开始时再生沥青混 合料主要用于轻型交通的路面和基层，后来逐渐在重交通道路上开始应用。近二十年来， 世界各国广泛进行沥青路面再生利用的试验和研究。美国、加拿大、德国、日本和前苏 联等国家都充分重视并迅速发展了再生技术的研究和应用。现在美国、加拿大生产的热 再生设备在许多国家己得到了广泛应用，并取得了良好的效果。 1 9 1 5 年美国首先开始了该项技术的研究工作，但由于各种原因，这项技术没有得 到足够的重视。直到1 9 7 3 年石油危机爆发后，1 9 7 4 年美国又丌始研究这项技术，并且 迅速在全国推广应用。据美国联邦公路局的统计，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；1 9 8 1 年4 0 个州使用的数量就达到3 5 0 万吨。到1 9 8 5 年再生沥 2 长安大学硕 ：学位论文 青混合料的用量就猛增到近2 亿吨，差不多为全部路用沥青混合料的一半。 由于沥青路面再生利用大有可为，美国积极推动再生技术的研究和应用且得到美国 联邦公路局的大力资助。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利用手册；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l ! l 卡i 当成熟的地步。 现在美国仍在继续进行研究，如全厚式沥青路面的再生利用。 日本从1 9 7 6 年开始进行沥青路面再生技术的研究。1 9 8 0 年厂拌再生的热拌混合料 累计已达5 0 万吨。日本高速公路多数经历的时间不长，需要翻修的数量不多，1 9 8 0 年 路面废料总产生量约为2 6 0 万吨，与同年全国沥青混合料总需求量7 0 0 0 万吨相比，仅 占3 5 0 。尽管如此，路面废料再生利用的数量己超过5 0 。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成了手册。 前苏联对沥青路面再生技术的研究进行得很早，而且1 9 6 6 年就出版了沥青混凝 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 土再生混合料技术准则，提出了适于各种条件下再生利用的方法，其中规定再生沥青 混合料只可用于高级路面的基层和低级路面的面层。1 9 8 4 年苏联又出版了再生路用 沥青混凝土一书。近年来俄罗斯在生产中广为应用该项技术。 欧洲一些国家对再生技术的研究开展于7 0 年代中期，联邦德国、法国、荷兰、芬 兰等国家相继进行小规模试验，并迅速推广应用。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： 1 ) 旧沥青混凝土路面的再生利用率为7 5 1 0 0 ； 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 3 第一章绪论 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区别，n c a t ( 美国国家沥青技术中心) 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，将热拌再生沥青混合料应用于条件苛刻的重交通道路( d 交通) 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。 纵观欧美国家沥青路面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 旧沥青再生技术的研究，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、 铣刨、破碎、拌和等机具的研制方面，都取得了很大成就，已经形成了一套比较完整的 再生实用技术，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 法等进行了卓有成效的研究，为沥青路面再生技术付之于实用提供了科学依据。 1 2 2 国内沥青路面再生技术研究状况 随着我国国民经济的发展，交通量的增长，重型车辆的日益增多，不少路段的沥青 路面实际都已处于超负荷工作状态。同时由于沥青路面使用年限的增长，沥青路面出现 了大面积的龟裂、网裂、坑槽、车辙等各种病害，路面相继进入改建和大修的阶段。但 由于能源短缺，沥青价格高昂且供不应求，沥青的供应量远不能满足对沥青的需求量。 我国目前大量的沥青需要从国外购买。并且在砂石材料缺乏的地方，砂石材料需要从外 地购买，原材料价格加上运输费用，使得成本较高。我国早期维修路面时，回收的大量 沥青混合料都白白废弃掉，这样不仅浪费了资源且由于填埋废旧沥青混合料对环境产生 污染严重。面对这些实际情况，开展沥青路面废弃混合料的再生利用技术的研究，就有 其必要性和重要性了。 我国在上世纪7 0 年代初，一些基层养护部门就己自发地进行废旧渣油路面材料再 生利用的尝试。如山西省长子县公路养护段，在1 9 7 2 年就曾利用回收的沥青路面材料 铺筑了两段试验路。1 9 8 0 年山西省公路部门将旧沥青路面材料再生利用作为重点科学 技术项目，开展了研究工作。1 9 8 1 年该课题又被山西省科委列为重点项目之一。与此 同时，湖北、河南、河北、山东等省也相继开展了广泛的试验研究。1 9 8 2 年，交通部 j 下式将沥青路面再生利用作为重点科技项目下达，从此对路面再生技术开展了较系统的 研究。1 9 8 5 年，建设部也开题进行过专题研究。1 9 9 1 年6 月发布了热拌再生沥青混 4 长，安入学硕i j 学位论文 合料路面施工及验收规程( c j j 4 3 9 1 ) ，指出再生沥青混合料所用矿料、沥青的品质及 混合料技术要求，应符合不用废料的普通沥青混合料的有关规定。但由于课题的不配套， 尤其没有可供实际施工使用的沥青再生设备，该规程无法推广使用。 2 0 世纪9 0 年代，我国进入高速公路建设高峰时期，沥青路面再生技术的研究与推 广却几乎被搁置。近年来，一批早期建成的高速公路路面陆续进入大修或改建阶段，沥 青路面再生技术重新引起各级决策者的重视。一些大学和科研机构也对再生路面混合料 路用性能、再生机理、再生设计方法、再生剂的开发等诸方面进行了更深入的研究，我 国沥青路面再生技术在全国范围内的应用有了新发展。在养护施工中，各施工单位也在 积极推广应用这项技术。1 9 9 9 年，在邯大线2 9 5 k m 大修工程中，河北邯郸市交通局公 路管理处引进了一台德国维特根公司生产的路面冷再生拌合机，在大量试验的基础上， 采用以水泥为添加剂的旧路面冷再生施工方法，取得了良好的使用效果和经济效益。 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 2 年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 青路面现场热再生设备，该机组在京津唐高速公路上进行现场热再生施工，再生效果令 人满意。2 0 0 3 年在广佛高速公路沥青路面大修中采用了厂拌热再生技术。2 0 0 3 年6 _ 8 月上海市利用维特根公司生产的r e m i x e r4 5 0 0 型热再生机组对沪宁高速公路上海段路 面进行了大面积的沥青路面现场热再生修复，施工面积达到2 0 万平方米。与此同时， 西安筑路机械有限公司、吉林省公路机械厂等国内工程机械行业知名企业也着力研究开 发适合我国国情的沥青路面再生设备。 尽管如此，旧沥青路面再生利用技术在我国仍处于初始阶段，对再生利用技术的研 究也是以实用技术为重点，对再生方法及再生设备研究不多，虽然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。而且国内业界对沥青路面再生技术的理解和期 望五花j k f - j ，在我国已经引入的国外沥青再生技术也大都是以沥青再生机械设备厂商为 前导。所以在旧沥青路面再生利用方面，我们需要做的工作仍然很多。 1 3 沥青路面再生技术分类 沥青路面再生利用技术按施工温度分为热拌再生法和冷拌再生法；按废旧料拌和场 地不同可分为集中厂拌再生法和现场再生法。目前沥青路面再生利用技术可分为：现场 热再生、厂拌热再生、厂拌冷再生、现场冷再生四种方法。 第一章绪论 1 3 1 现场热再生 现场热再生法是一种现场修复破损路面的技术。一般用一台大型“沥青路面热再生 联合机组”，先把沥青路面加热到要求的深度、翻松路面后，再将旧沥青层的混合料收 集起来输送到该机组中的连续搅拌机上，通过添加新骨料、补充新沥青，搅拌后排到机 组的摊铺器上，摊铺、捣实、熨平，再用压路机碾压而成路面的施工方法。 这种方法施工简单方便，多用于基层承载能力良好、面层因疲劳而龟裂的路段，特 别适用于老化不太严重，但平整度较差的路面。 现场热再生技术也称为表层再生技术。该技术通过现场加热、翻耕、混拌、摊铺、 碾压等工序，一次性实现就地旧沥青路面再生，具有无须运输废旧沥青混合料，工效高， 对公路运营影响低等优点。在2 0 世纪9 0 年代前期，该技术曾被认为是道路工业的一次 革命；但以后的实践证明，现场热再生技术存在诸多局限性，不适宜于高速公路路面再 生。局限性主要表现在： 1 ) 处理厚度小。仅适合处理车辙、泛油、麻面和磨光等表面缺陷。对需要进行结 构性再生( 中、下层以至基层损坏的情况) 的路面大修无能为力。 2 ) 由于不加入或加入很少新集料，无法有效调整配合比，对表面层集料级配不满 足的路面不适用。 3 ) 由于不加入或加入很少新沥青，必须利用专门的再生剂恢复沥青的性能，难以 保障路面的耐久性。 4 ) 无法处理采用改性沥青铺筑的表面层。 5 ) 对路面层厚不均匀或质量状况变化大的路面难以保证质量要求。因此，目前现 场热再生技术在发达国家也未得到普遍采用。 1 3 2 厂拌热再生 厂拌热再生是用铣刨机对旧沥青路面进行铣刨回收，运回拌和厂，然后利用厂拌热 再生设备，根据高速公路路面不同层次的质量要求进行配比设计，确定旧沥青回收料的 掺配比例进行拌和加工，以获得优良的再生沥青混合料，并可像新路一样，采用分层施 工满足高速公路沥青路面的技术施工要求。厂拌热再生是一种实用广泛、灵活、简单而 又能保证质量的旧沥青路面再生技术。据欧洲e a p a 公布的资料，厂拌热再生技术在欧 美发达国家是使用最多、应用最广、最为普及实用的路面再生技术。这种方法适用于路 面冷铣刨一热摊铺施工中，不仅可用于维修沥青路面的上、中、下面层，而且可以对基 6 长安大学硕 ：学位论文 层、路基进行补强。就目前而言，厂拌热再生法是沥青路面再生的主要方法。 我国早期沥青路面高速公路通常使用十年左右，路面结构承载力明显下降，路面出 现坑洞、龟裂、沉陷、车辙等破坏现象，而且考虑到早期施工的沥青混凝土路面病害状 况和程度离散性大，现场热再生和现场冷再生方式均难以满足高级路面的路用性能要 求。采用厂拌再生方式，合理调整集料级配和结合料的含量及其性能，是适合国情的沥 青再生路面方法。厂拌热再生技术具有较好的适应性，适用于各类破坏路面，经过严格 的配合比调整，再生沥青混合料能确保技术指标不低于使用全部新料拌制的沥青混合 料，路用性能满足高级路面的使用要求；而且，既可利用原路废弃材料重新铺筑路面， 也可以将回收材料再生后用于其他工程，能最大限度地发挥沥青混凝土路面废料的作 用，同样也是四种路面再生技术中最适合我国国情的沥青路面再生技术。 1 。3 。3 现场冷再生 路面的现场冷再生，也叫就地冷再生，是在自然环境温度下就地连续地用大功率路 面铣刨拌和机将旧沥青层现场铣刨、翻挖、破碎后，再加入稳定剂、水泥、水( 或乳化 沥青) 和骨料，同时现场拌和，利用平地机摊平、压路机碾压而成型路面的施工方法。 道路的现场冷再生是国外2 0 世纪8 0 年代后期发展起来的一项新技术，对设施要求较低， 生产成本不高，但再生路面的品质不是很好。目前主要用于等级低的道路或铺筑基层使 用，在国外多用于乡村道路的翻修。 就地冷再生的主要优点是节约成本、保证路面结构的完整性、不损坏路基、工期短。 现场冷再生主要有两种方式：一种方式是利用专用再生机在现场铣刨、破碎、加入 新料( 包括乳化沥青或其它再生剂、稳定剂和集料，必要时) 、拌和、摊铺和预压，再由 压路机进一步压实，这种再生路面主要用于低等级路面和高等级路面基层( 但将提高路 面高程) ，不适用于高级路面的面层，一般用于二级以下的道路；另一种方式是在旧路 面上洒布再生剂封层，再生剂能渗入5 - - - - 6 m m ，激活表层被氧化沥青的活性，并形成抵 抗燃油泄漏的封层，延长路面的使用寿命2 3 年，这种再生方式其实属于预防性养护 范畴，适用范围窄，并且应充分考虑其对路面抗滑性能的影响。 1 3 4 厂拌冷再生 厂拌冷再生工艺是先铣刨沥青路面材料，运回稳定土搅拌厂，经过破碎作为稳定土 骨料，再加入水泥或石灰、粉煤灰、乳化沥青等稳定剂和新料( 必要时) 进行搅拌，然后 铺筑于基层或底基层。这项技术虽未充分利用废弃材料中的旧沥青，但其生产过程几乎 7 第一章绪论 不需要专用设备就可实现：其不足之处是再生的沥青混合料仅能用于基层或底基层，经 济性不理想；而且基层极少大规模翻修，少量修补难于压实，一般被水泥混凝土或沥青 混合料代替，市场空间很小。 厂拌冷再生对于不能热再生回收的旧料( 如改性沥青混合料、老化严重难于再生的 混合料) ，可以有效解决旧料废弃和环境污染问题，在国外被普遍采用，实践证明具有 相当重要的应用价值。 1 4 论文的主要研究内容 本论文的主要研究内容包括废旧沥青混合料的评价，沥青的老化规律和再生机理， 再生沥青混合料的配合比设计，再生沥青混合料的路用性能评价及其抗老化性研究，再 生沥青混合料的施工工艺、厂拌热再生设备的关键技术分析以及对厂拌热再生技术经济 性能进行评价。 1 ) 废旧沥青混合料的评价 要达到良好的再生效果，废旧沥青混合料的评价是相当重要的，它是进行再生的第 一步。废旧沥青混合料的评价包括旧混合料的评价、旧沥青的评价和旧集料的评价。 2 ) 沥青路面老化和再生原理 沥青路面经过一定的使用年限，其路用性能指标有所下降，大部分原因是沥青老化 所致。本文从沥青材料化学组成角度详细分析沥青老化机理，通过分析说明沥青再生是 老化的逆过程。 3 ) 再生沥青混合料的配合比设计 该部分是本论文的重点，本文采用调和方法对旧沥青进行再生；并结合某地区对再 生沥青混合料的要求，选择再生沥青混合料类型为a c 2 0 ，尝试通过马歇尔试验方法对 再生沥青混合料进行设计。 4 ) 再生沥青混合料的路用性能及耐久性评价 良好的路用性能和耐久性是衡量沥青混合料再生成功与否的重要指标。本节主要研 究了旧料在不同掺配率的情况下对再生沥青混合料路用性能的影响，并通过对再生沥青 混合料进行长期老化模拟，对比老化前后的再生沥青混合料路用性能指标，考察了其耐 老化性能。 5 ) 施工工艺及厂拌热再生设备的关键技术分析 良好的施工工艺可以最大限度的利用废旧沥青混合料，可以生产出具有较好性能的 r 长安大学硕 ：学位论文 再生沥青混合料，并能较大限度的提高旧沥青混合料再生的经济性。本文研究厂拌热再 生的施工工艺特点，并对厂拌热再生设备及其技术要点进行分析，指出提高厂拌热再生 经济效益的技术关键之处。 沥青路面厂拌热再生技术可以节省大量的沥青和砂石材料，减少工程投资，非常适 合我国国情，同时它又是一项绿色环保技术，有很好的应用前景。本文最后进行了厂拌 热再生技术经济效益及社会影响评价，让人们更清楚地了解此项技术的优越性。 9 第二章沥青的老化及i 咎生原理 第二章沥青的老化及再生原理 沥青路面的老化主要指沥青路面材料中沥青结合料的老化和骨料的细化。沥青在自 然因素，i ：l - , p n 热、氧、光和水的作用下，产生不可逆的化学变化，导致路用性能的劣化， 通常称之为老化。老化后的沥青通过适当的工艺，能使其性能恢复甚至超过原来的性能 即所谓的再生。 2 1 沥青的组成和结构 沥青的使用性能与其化学组成和结构有密切的关系，研究沥青中各个化学成分和结 构，对于搞清楚沥青性质的变化原因、改进沥青质量、延长沥青寿命和开展沥青的再生 研究都有十分重要的意义。 2 1 1 沥青的化学组成 沥青一般可分为石油沥青和天然沥青。石油沥青是石油经过各种炼制工艺加工得到 的产品；天然沥青是地壳中石油在各种自然因素的作用下，其轻质油分蒸发，经浓缩、 氧化形成的产品。道路沥青主要是石油沥青。 1 ) 元素组成 沥青是由多种碳氢化合物以及非金属( 氧、硫、氮) 的衍生物组成的混合物，它的 主要元素是碳( 8 0 8 7 ) ，氢( 1 0 1 5 ) ，其次是非烃元素，还含有少量的微量的 金属元素。沥青是由多种化合物组成的混合物，由于其组成结构的复杂性，以及目前分 析技术的限制，要将沥青分离为纯粹的化合物单体，存在许多困难，也没有必要。因此， 目前针对沥青化学组成的研究主要围绕沥青的化学组分开展。 2 ) 化学组分 化学组分分析是利用沥青在不同有机溶剂中的选择性溶解或在不同的吸附剂上的 选择吸附，而将沥青分离为几个化学性质与路用性能有一定联系的组，这些组就称为沥 青的组分，每一种组分反映了沥青的不同性质。进行组分分析的主要原因： 化学组分与沥青的胶体结构有密切的联系； 化学组分与沥青的流变性质有密切的关系； 化学组分与沥青的技术性质和路用性能有密切的联系。 1 0 长安大学硕l ：掌位论史 对于沥青的化学组分，许多学者曾提出过不同的分析方法。常见的分析方法如表 2 1 所示。 表2 - 1 常用的沥青组分分析方法及组分 分析方法组分 马而痒松一埃克曼二组分法 软沥青质、沥青质 哈巴德斯坦菲尔德三组分法油分、树脂、沥青质 壳牌石油公司四组分法饱和分、芳香分、沥青质、胶质 科尔贝特四组分法饱和分、环烷芳香分、极性芳香分、沥青质 罗斯特勒斯特恩伯格五组分法链烷分、第二二酸性分、第一酸性分、氮基、沥青质 我国习惯用四组分分析方法将沥青分为饱和分、芳香分、胶质、沥青质，通常用s 表示饱和分、表示芳香分、r 表示胶质、舡表示沥青质。这四个组分相对含量的多 少将直接的影响沥青的物化性质和路用性能，下面是沥青的各个组分的相关性质。 沥青质 沥青质为黑褐色到黑色易碎的粉末状固体，平均相对分子质量可达数千到一万，是 高度缩合的芳香烃，相对密度大于1 ，没有固定的熔点，加热时会首先膨胀，到达3 0 0 时会分解成气体和焦炭。沥青质是沥青胶体体系的核心，在沥青中的含量一般为8 1 5 。沥青质有很强的极性，其含量对沥青的流变性能、热稳定性和粘性有很大的影响。 其含量越高，沥青的软化点越高，粘度也越大，沥青就相应的越硬、越脆。相反沥青质 的相对含量越低，沥青的流变性会增加。 胶质 胶质也称树脂或极性芳烃，平均相对分子质量在1 3 0 0 1 8 0 0 ，相对密度在1 0 1 0 8 之间，在沥青中胶质的含量一般为2 0 4 0 。胶质对沥青的粘结力、延度有很大的影 响。胶质的化学组成和性质是介于沥青质和油分之间，但是更加的接近沥青质，一般为 半固体状态或粘稠状物质。有很强的极性，影响了沥青的分散效果，具有很强的粘附力， 胶质和沥青质之间的比例决定了沥青的胶体结构的类型。胶质的化学稳定性比较的差， 在吸附剂的影响下稍稍加热，甚至在室温的条件下，在有空气存在时( 特别是有光照的 作用下) 很容易氧化缔合，部分变为沥青质。 芳香分 第一二章沥青的老化及再生原理 芳香分是一些带环烷和长链烷基的芳香烃，平均相对分子质量在8 0 0 - 1 0 0 0 ，它是 溶解沥青质的分散介质，在沥青中的含量一般为3 3 - - - 4 8 。芳香分是由沥青中分子量 最低的环烷芳香化合物组成，粘稠状液体，呈棕色，对其他高分子烃类物质有较强的溶 解能力。 饱和分 饱和分主要由直链和支链饱和烃、烷基烃和一些烷基芳香烃组成，平均相对分子质 量在5 0 0 , - - 一8 0 0 之间。饱和分是一种非极性的稠状油类，颜色比较的浅，在沥青中的含 量一般为1 8 - 2 5 。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。 随饱和分的增加沥青的稠度降低，温度的感应性加大。表2 2 表示出了沥青四组分分析 法中各组分的性状，各个组分对沥青性质的影响可以简单地表示在表2 3 中。 表2 2 沥青四组分分析法的各组分性状 相对平均分 芳烃指 环数分子( 平均) 化学结构 组分微观特征 密度 子量 数f a 环烷环芳香环 p 4 2 0 ( m 。) ( 纯链烷烃) + ( 纯环烷) 饱和分无色液体 0 8 96 2 50 0 03 00 0 + ( 混合链烷一环烷烃】 黄色至红 ( 混合链烷一环烷一芳 芳香分 0 9 97 3 00 2 53 52 0 香烃】+ ( 芳香烃】+ ( 含 色液体 s 化合物) 棕色粘稠 ( ( 链烷一环烷一芳香 胶质 1 0 99 7 0o 4 23 67 4 。 烃) 多环结构) + ( 含s ，o n 液体 化合物) 深综色至 ( ( 链烷一环烷一芳香 沥青质 1 1 53 4 0 00 5 烃) 缩合环结构) + ( 含 黑色固体 s ，0 ，n 化合物) 表2 - 3 各组分对沥青性质的影响 组分感温性延度对沥青质的分散度粘度 饱和烃好差差差 芳香烃 好好 好 胶质差 好 好差 沥青质好稍差好 1 2 k 鸯 学碰l 。学位论文 212 沥青溶液的结构 目前对于沥青溶液的结构主要有两种观点：第一种观点认为，沥青溶液表现为系 列的胶体性质。沥青溶液中存在着三种成分：即憎液的沥青质颗粒；包围着憎液颗粒避 免其发生聚合的亲液颗粒胶质，胶质包围着沥青质形成胶团：而芳香分和饱和分则组成 悬浮胶团的油相。当它们的相对含量和性质相配伍时，就形成了相对稳定的胶体溶液。 按照沥青胶体状态的不同，沥青可以分为三种胶体结构：溶胶型、凝胶型以及溶一凝胶 型。这是在沥青结构研究中早期提出来的沥青胶体结构理论。第二种观点认为，沥青是 以沥青质为溶质，而以软沥青质( 沥青中除沥青质以外组分的总称) ，按三组分分析法， 即为油分与树脂之和为溶剂的高分子浓溶液。这是近年来在沥青结构研究中出现的溶液 理论。 1 ) 沥青胶体结构理论 现代胶体理论认为，沥青的胶体结构以固态微粒的沥青质为分散相，液态的芳香 分、饱和分为分散介质，半固态的胶质起着胶溶剂的作用。若干沥青质微粒聚集在一起， 吸附极性的胶质，形成“胶团”，胶溶于分散介质中，形成稳定的胶体。由于沥青质分 子量高、极性很强，所以不能直接胶溶于分子量低、极性弱的芳香分、饱和分组成的分 散的胶溶，而极性较强的胶质则在二者中间起到了过渡的作用。因此在沥青的胶体结构 中从沥青质到胶质、乃至芳香分、饱和分，极性逐步递减。从这种意义上来讲，各组分 的含量必须相匹配才能形成稳定的胶体。根据沥青中各组分的化学组成和相对含量的不 同，胶体结构可分为三种类型：溶胶结构、溶一凝胶结构和凝胶结构。 谘k 型结构 溶胶型沥青 懈凝歧型站构 凝腔型结构 图2 - i 沥青的胶体结构示意囤 第二章沥青的老化及 f f 生原理 当沥青质的含量不多( 1 0 以下) ，相对分子质量也不很大，同时有一定量的胶质， 这样胶团就可以完全胶溶而分散在芳香分和饱和分的介质中，这样的沥青在实际上可视 为真溶液或分散度非常高的近似真溶液。这种溶液具有牛顿液体的性质，其粘度与应力 成比例。此时胶团相距比较的远，它们之间的吸引力比较的小，沥青的粘附力主要是由 于范德华力和偶极力引起的。这类沥青对温度的变化很敏感，在沥青的分子中没有相对 分子质量很大或很小的物质，即相对分子质量的分布范围较窄，分散相和分散介质之间 的化学组成及性质比较接近。这类沥青在路用性能上，具有较好的自愈性和低温的变形 能力，但是温度感应性比较的差。 溶一凝胶型沥青 沥青中沥青质含量适当( 1 5 2 5 之间) ，并有较多数量芳香度较高的胶质。这样 形成的胶团数量增多，胶体中胶团的浓度增加，胶团距离相对靠近，它们之间有一定的 吸引力。这是一种介于溶胶与凝胶之间的结构，称为溶一凝胶结构，这种结构的沥青称 为溶一凝胶型沥青。这类沥青在高温时具有较低的感温性，低温时又具有较好的变形能 力。修筑高等级沥青路面所使用的沥青，都属于这类胶体结构类型。 凝胶型沥青 当沥青质的浓度增大( 大于3 0 ) ，同时可溶质没有足够的芳香族组分，分散介质 的溶解能力不足，生成的胶团较大，或由于分子聚集体的形成而生成网状结构，具有结 构粘度，表现出非牛顿流体的性质，这类沥青一般为凝胶型沥青。这类沥青的特点是弹 性比较好，温度的感应性比较的低，低温变形能力比较差。氧化后发生老化的沥青，多 属于这种结构。 2 ) 沥青溶液理论 近年来，随着高分子溶液研究理论的不断深入，某些学派已经开始采用高分子溶液 来研究沥青的结构。这种理论认为沥青是以高分子量的沥青质为溶质，溶解在以低分子 量的软质沥青脂为溶剂中的一种高分子溶液。 在沥青高分子溶液里，分散相沥青质与分散介质沥青脂( 胶质和饱和分、芳香分) 具有很强的亲和能力，而且在每个沥青质分子的表面上紧紧的保持着一层沥青脂的溶剂 分子，形成高分子溶液。沥青高分子溶液的特点是对电介质稳定性较大，而且是可逆的， 也就是说，在沥青的高分子溶液中加入电解质并不能破坏沥青的结构。沥青脂减少时， 沥青质含量相对增加为浓溶液；如果增加沥青脂就可以变为较稀的溶液。凝胶型沥青， 1 4 k 宜人学硕1 ：学位论文 沥青质的含量高，为较浓的高分子溶液；溶胶型沥青，沥青质含量较少，为稀的高分子 溶液；而溶一凝胶型沥青就是位于二者之间。 用高分子溶液理论来分析沥青结构，一般情况下采用溶解度参数指标来衡量溶液的 稳定性，溶解度参数之间的差值越小，溶液的相容性越好。沥青老化的过程可以认为是 溶解度参数之间的差值增大，使溶液的相容性下降所造成的。所以研究沥青再生机理时， 就是在此基础上减小其溶解度参数之间的差值。 2 1 3 沥青的化学组成与胶体结构的关系 沥青的使用性能与其化学组成有着密切的关系。石油沥青的化学组成对使用性能的 影响，通常表现在化学组成对沥青的各项技术指标和沥青混合料路用性能的影响，如石 油沥青中的饱和分、芳香分、胶质和沥青质对石油沥青的针入度、软化点、延度和粘度 的影响。由于石油沥青是一个胶体分散体系，其分散相是以沥青质为核心吸附部分胶体 而形成的胶束。因此，沥青的物理化学性质和使用性能很大程度决定于其胶体体系的性 质，而能否形成稳定的胶体体系又与其化学组成有密切的关系。 沥青的化学组成与胶体性能存在如下的关系： 1 ) 沥青中饱和分的含量不能过多，饱和分过多，将使沥青中分散介质的芳香度过 低，不能形成稳定的胶体分散体系。 2 ) 沥青中芳香分的存在是必需的，它的存在提高了沥青中分散介质的芳香度，使 胶体体系易于稳定。 3 ) 胶质本身具有良好的塑性和粘附性，是沥青中必不可少的组分，它能使沥青质 稳定地胶溶于体系中。 4 ) 沥青质的存在可改善沥青高温性能，但沥青质含量过多会使沥青的延度大大减 小，而且在低温情况下易于脆裂。 2 2 沥青的老化及再生 沥青的老化是指沥青从炼油厂被炼制出来后，在储存、运输、施工和使用过程中， 经受各种环境因素如受热、氧气、阳光和水的作用下，发生一系列的挥发、氧化、聚合， 乃至沥青内部结构发生变化，同时发生性质变化的过程。沥青路面的破坏或路用性能的 下降很大程度上是因为沥青老化后，失去了胶结能力和延度降低，变硬变脆，从而导致 沥青混凝土产生裂缝、松散等，最终失去抗剪切、抗冲击的能力。 第二章沥青的老化及再生原理 2 2 1 沥青的老化 与原样沥青相比，严重老化的沥青结合料路用性能的劣化主要体现为二方面：一是 粘性过高；二是柔韧性不足。引起沥青老化的原因是多方面的，如沥青中轻质组分( 饱 和分和芳香分) 的挥发，以及氧、光引起的氧化、缩合作用等。沥青的老化机理目前主 要有两种理论，即组分迁移理论和相容性理论。 1 ) 组分迁移理论 组分迁移理论认为，沥青发生氧化、缩合作用时，总的趋势是小分子量的化合物向 大分子量的化合物转化，高活性、高能级的组分向低活性、低能级的组分转移，即低分 子化合物向高分子化合物转变。在沥青组分中，油分( 饱和分和芳香分) 属于低分子化 合物，经过氧化、缩合作用后，其中的芳香分向胶质转变，胶质向沥青质转变；而饱和 分由于分