（道路与铁道工程专业论文）乳化泡沫沥青冷再生混合料技术性能深入研究.pdf

摘要 我国2 0 世纪8 0 年代修建的沥青路面已陆续进入大中修阶段，随之会产生大量废旧 沥青混合料。沥青路面冷再生技术可将旧沥青路面材料重复利用，提高资源利用率，保 护生态环境，符合国家发展循环经济和实现可持续发展的战略方针。因此，对沥青路面 冷再生技术进行研究具有重要的现实意义。 目前我国对于冷再生混合料的研究主要集中在原材料、混合料配合比设计及常规强 度等方面，而对于其耐久性能、抗剪特性和动态模量方面的研究较少。因此，本文通过 大量室内试验，针对乳化沥青再生混合料的永久变形特性、疲劳性能、抗剪特性及动态 模量展开深入研究，并与泡沫沥青再生混合料进行对比，从而促进该技术在我国的应用。 永久变形特性是乳化沥青再生结构层的重要性能之一。本文采用动态压缩蠕变试验 分析了不同材料组成对乳化沥青再生混合料永久变形特性的影响，结果表明：一定程度 增大水泥用量以及减少乳化沥青用量，可提高乳化沥青再生混合料的抗变形能力；泡沫 沥青再生混合料的抗永久变形性能优于乳化沥青再生混合料。 抗疲劳性能是乳化沥青再生混合料铺筑路面基层或下面层时必须优化设计的关键 性能。本文采用间接拉伸劈裂疲劳试验分析了不同材料组成对乳化沥青再生混合料疲劳 性能的影响，分析表明：在小掺量条件下水泥增多有助于提高乳化沥青再生混合料的抗 疲劳性能；最佳乳化沥青用量下再生混合料具有良好的抗疲劳性能以及强度与变形能 力；泡沫沥青再生混合料的应力敏感性要大于乳化沥青再生混合料；乳化沥青再生混合 料的抗疲劳性能介于半刚性基层材料与热拌沥青混合料之间。 本文采用贯入剪切试验研究不同材料组成对乳化沥青及泡沫沥青再生混合料2 5 和6 0 抗剪特性影响，结果表明：随着水泥掺量的增大，乳化沥青及泡沫沥青再生混合 料的各抗剪指标均显著增大；随着乳化沥青或泡沫沥青用量的增大，再生混合料的最大 剪应力和内摩阻角均减小，粘聚力先增大后减小；泡沫沥青再生混合料的最大剪应力大 于乳化沥青再生混合料；采用汉堡车辙试验对不同沥青特性冷再生混合料的高温抗剪性 能及水稳定性进行研究，结果表明冷再生混合料高温与水稳定性组合的综合排序为：壳 牌s b s 改性乳化沥青 泡沫沥青 壳牌普通乳化沥青 国产y 乳化沥青。 对再生混合料的动态模量进行研究可为将来的冷再生结构层设计及混合料性能评 价提供依据。本文采用动态三轴试验对乳化沥青及泡沫沥青冷再生混合料在不同材料组 成、不同温度及不同围压下的三轴动态模量进行研究，结果表明再生混合料的动态模量 均随着围压、水泥用量的增大、乳化( 泡沫) 沥青用量的减小、温度的降低而增大。 关键词：冷再生技术；乳化沥青；泡沫沥青；配合比设计；永久变形特性；疲劳性能； 抗剪特性；动态模量 a bs t r a c t t h ea s p h a l tp a v e m e n tc o n s t r u c t e di nt h e19 8 0 si no u rc o u n t r ye a r l yi se n t e r i n gi n t o r e h a b i l i t a t i o np e r i o d ，w h i c hp r o d u c e sal a r g ea m o u n to fr e c l a i m e da s p h a l tm i x t u r e t h e t e c h n o l o g yo fa s p h 甜tp a v e m e n tr e h a b i l i t a t i o n ，w h i c hc a i lr e u s et h eo l da s p h a l tm i x t u r e ，r a i s e r e s o u r c eu t i l i z a t i o nr a t i oa n dp r o t e c te c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，a c c o r d s 丽t 1 1t h es t r a t e g i cp o l i c y o fd e v e l o p i n gr e c y c l ee c o n o m ya n dr e a l i z i n gs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ti no u rc o u n t r y s ot h e s t u d yo f t h ec o l dr e c y c l i n gt e c h n o l o g yh a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e n l es t u d yo fc o l dr e c y c l i n gm i x t u r em a i n l yf o c u s e so nt h em a t e r i a lm i x t u r ed e s i g na n d c o n v e n t i o n a ls t r e n g t h c u r r e n t l y h o w e v e r , s t u d i e s a b o u tt h e p e r m a n e n td e f o r m a t i o n p e r f o r m a n c e ，t h er e s i s t a n c et os h e a rp e r f o r m a n c ea n dd y n a m i cm o d u l u sa b o u tc o l dr e c y c l i n g a s p h a l tm i x t u r eh a v ea l i t t l ea tp r e s e n t t h r o u g hal o to fl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s ，t h ep a p e r a i m st os y s t e m a t i c a l l ys t u d yp e r m a n e n td e f o r m a t i o np e r f o r m a n c e ，f a t i g u ep e r f o r m a n c e ， r e s i s t a n c et os h e a rp e r f o r m a n c ea n dd y n a m i cm o d u l u so ft h ec o l da s p h a l tr e c y c l i n gm i x t u r e 谢t 1 1e m u l s i f i e d ，a n da l s oc o m p a r e d 嘶mf o a m e da s p h a l tm i x t u r e t h ep e r m a n e n td e f o r m a t i o no fe m u l s i f i e da s p h a l tr e c y c l e dp a v e m e n t si sv e r yi m p o r t a n t f o rp a v e m e n ts t r u c t u r e t h ep a p e ra d o p t e dt h ed y n a m i cc o m p r e s s i o nc r e e pt e s tt oa n a l y z et h e e f f e c to fm i xc o m p o s i t i o no np e r m a n e n td e f o r m a t i o n i tw a sf o u n dt h a ti n c r e a s i n gaa m o u n t o fc e m e n to rd e c r e a s i n ge m u l s i f i e da s p h a l tc o n t e n ta tac e r t a i nd e g r e e ，i tc a ni m p r o v et h e d e f o r m a t i o nr e s i s t a n c eo ft h ec o l dr e c y c l i n gm i x t u r ew i t l le m u l s i f i e da s p h a l t f o a m e da s p h a l t r e c y c l e d m i x t u r eh a s s u p e r i o rd e f o r m a t i o n r e s i s t a n c eo v e re m u l s i f i e d a s p h a l tr e c y c l e d m i x t u r e f a t i g u er e s i s t a n c ei sap a r a m o u n tp e r f o r m a n c en e e d e dt ob eo p t i m i z e df o rc o l dr e c y c l i n g m i x t u r ew i t he m u l s i f i e da s p h a l t , w h i c ha r eu s e df o rb a s eo rs u b b a s el a y e r si np a v e m e n t s t h i s p a p e ra d o p t st h ei n d i r e c tt e n s i l ef a t i g u et e s tt os t u d yo ft h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tm a t e r i a l c o m p o s i t i o n so nf a t i g u ep r o p e r t i e so f e m u l s i f i e da s p h a l tr e c y c l e dm i x e s t h er e s u l t ss h o w e d t h a tw i t hi n c r e a s yo fc e m e n ta tas m a l la m o u n t , t h ei m p r o v e m e n to ff a t i g u er e s i s t a n c ef o r e m u l s i f i e da s p h a l tr e c y c l e dm i x t u r e s t h er e c y c l e da s p h a l tm i x e sa to p t i m u me m u l s i f i e d a s p h a l tc o n t e n th a v er e l a t i v e l yg o o df a t i g u er e s i s t a n c e ，s t r e n g t ha n df l e x i b i l i t y t h es t r e s s s e n s i t i v i t yo ff o a m e da s p h a l tr e c y c l e dm i x t u r ei sh i g h e rt h a nt h ee m u l s i f i e da s p h a l tr e c y c l e d m i x t u r e f a t i g u er e s i s t a n c eo fe m u l s i f i e da s p h a l tr e c y c l e dm i x e si sb e t w e e ns e m i - r i g i d m a t e r i a la n dh m a t h ep a p e ru s e st h ep e n e t r a t i o ns h e a rt e s tt os t u d yo ft h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tm a t e r i a l c o m p o s i t i o n so ns h e a rr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eo fe m u l s i f i e da s p h a l ta n df o a m e da s p h a l t r e c y c l e dm i x e sa tt h et e m p e r a t u r eo f 2 5 。ca n d6 0 。c i tw a si n d i c a t e dt h a ti n c r e a s eo fc e m e n t i sb e n e f i c i a lt ot h ei n c r e a s eo fs h e a ri n d e xf o re m u l s i f i e da s p h a l ta n df o a m e da s p h a l tr e c y c l e d m i x e s w i t ht h ei n c r e a s i n go fe m u l s i f i e da s p h a l ta n df o a m e da s p h a l tc o n t e n t ，t h em a x i m u m s h e a rs t r e s sa n di n t e r n a lf r i c t i o na n g l ea r ed e c r e a s e d ，b u tt h ec o h e s i o ni si n c r e a s e da tf i r s tt h e n d e c r e a s e d t h em a x i m u ms h e a rs t r e s so ff o a m e da s p h a l tr e c y c l e dm i x e si s l a r g e rt h a n e m u l s i f i e da s p h a l tr e c y c l e dm i x e s t h eh a m b u r gr u t t i n gt e s ti su s e dt oa n a l y s i sw a t e rs t a b i l i t y o fc o l dr e c y c l e dm i xw i t hd i f f e r e n ta s p h a l tp r o p e r t i e s t h ew a t e rs t a b i l i t yo fa s p h a l tm i x t u r ei s r a n k e da sf o l l o w s ：s h e l ls b sm o d i f i e de m u l s i f i e da s p h a l t f o a m e da s p h a l t s h e l lg e n e r a l e m u l s i f i e da s p h a l t d o m e s t i ce m u l s i f i e da s p h a l ty t h es t u d yo nd y n a m i cm o d u l u so fc o l dr e c y c l i n gm i x t u r ec a l lp r o v i d et h eb a s i sf o rc o l d r e c y c l i n gl a y e rd e s i g na n dm i x t u r ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n t h ep a p e ru s e sd y n a m i ct r i a x i a l t e s t st os t u d yt h ed y n a m i cm o d u l u so fd i f f e r e n tm a t e r i a lc o m p o s i t i o n s ，t e m p e r a t u r ea n d c o n f i n i n gp r e s s u r eo f e m u l s i f i e da s p h a l ta n df o a m e da s p h a l tr e c y c l e dm i x e s t h er e s u l t ss h o w s t h a tt h ed y n a m i cm o d u l u si n c r e a s e s 谢t 1 1t h ei n c r e a s eo fc o n f i n i n gp r e s s u r e ，c e m e n ta m o u n t a n dt h ed e c r e a s eo fe m u l s i f i e d ( f o a m e d ) a s p h a l ta m o u n ta n d t e m p e r a t u r e k e yw o r d s ：c o l dr e c y c l i n gt e c h n o l o g y ；e m u l s i f i e da s p h a l t ；f o a m e da s p h a l t ；m i xd e s i g n ； p e r m a n e n td e f o r m a t i o np e r f o r m a n c e ；f a t i g u ep e r f o r m a n c e ；s h e a rr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c e ； d y n a m i cm o d u l u s 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 沥青路面再生技术研究的背景和意义 截至2 0 0 9 年底，我国高速公路通车里程达6 5 万k m ，稳居世界第二位。在我国经 济持续快速发展、交通量日益增大、轴载不断增加的背景下，越来越多的公路进入维修 期。我国道路工作的重心也将从新修建设向大中修养护转移。 随着公路建设的不断发展，公路养护与维修任务日益繁重。而我国现阶段的公路养 护技术相对公路建设技术来讲还比较落后。主要体现为：维修方式比较单一，无法根据 道路的损坏情况选择合理的维修方法；养护技术含量及施工效率低，无法满足大规模养 护工作的需要；养护维修方法偏重于短期的经济效益。因此，寻求经济有效的养护维修 方法，选取科学的公路养护维修技术成为公路养护管理部门的重要任务。 我国道路结构的主要形式为半刚性基层沥青路面，而目前采用的主要道路维修方案 为直接加铺和翻挖重建。这两种施工工艺均有很大的缺陷。翻挖重建会在施工过程产生 大量废料，这不仅造成资源浪费，而且占用大量的土地资源，对环境将造成直接危害。 直接加铺的施工方法则会将路面标高抬升，使路面结构更加复杂，且给之后的维修工作 带来不便。正是由于传统维修手段中存在的种种弊端，使得能将旧料回收利用的路面再 生工艺逐步发展起来。近年来，随着公路养护事业的发展、资源供应的日益紧张以及人 们环境保护意识的不断增强，沥青路面再生技术越来越引起公路养护部门的重视。 沥青路面再生技术是指将旧沥青路面经过铣刨、翻挖、回收、破碎和筛分后，加入 一定比例的沥青( 或无机结合料) 、新集料( 如需要) 和水，并经过拌和、摊铺和碾压 等工艺，形成满足性能要求的路面结构层的一种路面养护维修技术。再生技术处理后沥 青路面使用性能大幅提高，路面使用寿命得到延长，且可节省新集料和沥青资源而降低 工程成本。美国联邦公路局的调查表吲1 1 ，沥青路面再生利用可节约材料费超过5 0 ， 降低路面造价约2 5 ，节省沥青约5 0 。因此，将沥青路面再生技术用于公路的养护 维修中具有重要的现实意义。 按照工艺的不同，沥青路面再生技分为热再生技术和冷再生技术。热再生技术通过 恢复老化沥青的粘结性能，重新发挥沥青的胶结料作用后将沥青和集料再生利用。其使 用的材料只能是沥青面层铣刨料。冷再生技术将原有的路面铣刨料作为骨料重复利用， 它不仅可以使用面层铣刨料，还可以利用无机结合料稳定的基层铣刨料。此外，泠再生 第一章绪论 还具有节约能源和资源，完全利用旧沥青混合料，延长施工季节，改善施工条件，减少 环境污染等优点。 我国于2 0 世纪8 0 年代末开始大规模的公路建设。沥青路面设计年限按8 1 5 年， 从2 0 0 0 年起，每年需进行大中修或重建的沥青路面约1 2 。而目前我国沥青路面的真 正使用年限远未达到设计寿命，一般在通车后3 5 年便需要翻修面层。因此，每年将产 生约2 2 0 万吨的旧沥青混合料，若采用常规的维修方法，由于旧沥青混合料的废弃以及 新石料和沥青资源的过度开采，不仅会导致严重的生态环境破坏，而且还极大的浪费了 资源。若采用再生技术循环利用这些翻挖、铣刨的旧料，每年可节省材料费用3 5 亿元。 而且这个数字还将以每年1 5 的速度增加，估计到2 0 1 5 年我国因公路改造产生的废旧 沥青混合料将达1 0 0 0 万吨，对其进行再生利用将可产生1 5 亿元的直接经济效益。同时， 产生的环境效益也很显著【2 】。 针对全球经济社会的发展面临的越来越突出的资源和环境代价问题，我国在“十一 五 发展规划中要求发展过程中要显著提高资源利用率，并提出了发展循环经济、实现 可持续发展的战略方针。沥青路面再生技术可提高资源利用率、降低公路建设成本、保 护生态环境，符合我国经济发展的战略方针和规划要求。因此，对沥青路面再生技术中 存在的问题和关键技术进行深入系统的研究，对促进公路建设事业的可持续发展具有重 大的现实意义。 1 2 国内外沥青路面冷再生技术研究概况 1 2 1 国外冷再生技术研究现状 美国的c s a n y i 教授于1 9 世纪6 0 年代首次发明了泡沫沥青的制备方法【3 】。1 9 6 8 年 澳大利亚m o b i l 公司对原有泡沫沥青制备工艺进行了改进【4 】，使泡沫沥青技术得以广泛 推广。早在2 0 世纪6 0 年代，澳大利亚就引进了泡沫沥青技术【5 1 ，但直到2 0 世纪9 0 年 代才具备了完善的再生设备及成熟的施工经验。澳大利亚9 5 以上的冷再生工程均采 用泡沫沥青冷再生技术，乳化沥青冷再生技术使用相对较少，且泡沫沥青冷再生混合料 主要用于铺筑路面基层和底基层。美国同期也铺筑了几百公里的泡沫沥青再生基层路 面，并开始对泡沫沥青展开专项研究。另外，南非、新西兰、日本、德国也在实体工程 中应用了泡沫沥青冷再生技术。 乳化沥青在道路工程中的应用是在2 0 世纪3 0 年代发展起来的，起初主要是以水作 稀释剂而制成的阴离子沥青乳液。5 0 年代一些国家相继又研制出阳离子沥青乳液，从 2 长安大学硕士学位论文 而使沥青乳液在各国迅速发展起来。目前，乳化沥青的应用在欧洲许多国家较为普遍， 乳化沥青在加拿大约占沥青总用量的一半，在美国已将乳化沥青用于铺筑洲级公路，日 本1 9 7 3 年道路用沥青3 5 0 万吨，沥青乳液用量7 0 万吨，法国1 9 7 3 年沥青用量约2 8 0 万 吨，沥青乳液用量近1 1 0 万吨，美国沥青年用量为2 0 0 0 2 5 0 0 万吨，沥青乳液用量约为 2 9 万吨；西班牙1 9 7 8 年路用沥青乳液占沥青总用量的3 6 ，其它如西德、英国等沥青 乳液的用量也在迅速增长。 随着泡沫沥青和乳化沥青的生产日趋成熟，许多国家公路部门对将其作为稳定剂用 于路面再生展开了积极的试验研究和应用推广。美国、南非、澳大利亚等国在泡沫沥青 再生混合料室内设计及工程应用方面进行了大量的研究工作并积累了宝贵的经验。同 时，各国研究者对泡沫沥青和乳化沥青冷再生混合料的工程特性也进行了相关研究并取 得了一定的成果。 b i s s a d a d e 6 】的研究表明泡沫沥青混合料的疲劳性能不如热拌沥青混合料。l i t t l e 7 】 等人研究也表明，泡沫沥青混合料的疲劳性能不如热拌沥青混合料，但优于乳化沥青混 合料。l e e 与k i m 8 】通过对不同类型沥青路面旧料的研究提出，级配组成较粗且老化沥 青含量较少的旧料组成的再生混合料抗疲劳性能较好，而级配组成较细且残留的老化沥 青含量较大的旧料组成的再生混合料疲劳性能较差。h eg u i - p i n g 9 】采用间接拉伸疲劳 试验对泡沫沥青冷再生混合料的疲劳性能进行了研究。 l e e 与k i m 8 】采用动态蠕变试验对不同类型的旧料进行了研究，发现，残留沥青含 量较大的旧料组成的再生混合料抗车辙性能较好；残留沥青越硬的旧料组成的再生混合 料抗车辙性能越好。h eg u i - p i n g 9 】采用动态压缩蠕变试验研究了由不同类型旧料形成 的再生混合料永久变形性能，指出采用粘度较小的沥青制备泡沫沥青再生混合料的抗永 久变形变形性能较好；旧料的老化程度以及再生混合料中旧料的掺量对再生混合料的永 久变形性能影响不显著；泡沫沥青再生混合料的抗永久变形性能相对优于密级配沥青混 合料。 综上所述，国外对沥青路面再生技术的研究起步较早，已经形成了一个完成的体系。 一些交通部门和组织机构对冷再生沥青路面材料评价与混合料设计进行了大量研究，并 积累了丰富的数据资料和实践经验，为合理设计与使用泡沫沥青和乳化沥青冷再生混合 料提供了有益的指导。 第一章绪论 1 2 2 国内冷再生技术研究现状 我国回收利用废旧沥青混合料始于上世纪5 0 到7 0 年代，但当时再生混合料只用于 轻交通道路、人行道或高等级公路的垫层。1 9 8 2 年，交通部立项对沥青路面再生机理、 再生混合料的设计方法展开了比较系统的试验研究。1 9 8 3 年，建设部下达“废旧沥青 混合料的再生利用 课题，并在苏州、武汉、南京铺筑了3 万多平方米的试验路段。1 9 9 1 年6 月，我国发布了热拌再生沥青混合料施工及验收规程( c j j - 4 3 9 1 ) 。该规程规定 了热再生中原材料和再生混合料的技术要求。2 0 世纪9 0 年代，随着我国进入高速公路 建设高峰时期，沥青路面再生技术的研究与推广几乎被搁置。进入2 1 世纪以来，我国 一批早期建成的高速公路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。2 0 0 1 年，新颁布的公路沥青路面养护技术规范论述了再生沥青混合 料的条款，但由于技术陈旧，缺乏先进的再生设备，没有跳出陈规。近年来，许多省市 相继引进了各种形式的大型沥青路面再生设备，并结合各自高速公路的维修工程，对路 面冷再生技术重新展开研究。2 0 0 8 年4 月1 日，我国颁布了公路沥青路面再生技术 规范( j t gf 4 1 2 0 0 8 ) ，使我国再生技术的推广应用有据可循。 我国早期的沥青路面冷再生技术以直接应用为特点，并带有一定的经验性。随着试 验路的铺筑及实践的发展，室内试验研究得到了重视。一些高校和科研机构在再生混合 料的配合比设计、性能评价以及再生剂的开发等各个方面进行了研究，并取得了一定的 成果。 河北工业大学李艳春【l l 】等通过试验分析说明了沥青路面冷再生混合料用于底基层 完全能满足力学性能要求。同济大学杨宇引1 2 】等采用正交设计方法对冷再生混合料的影 响因素进行分析，得出了各因素之间的关系，提出修正的马歇尔试验作为冷再生混合料 的配合比设计方法。长沙交通学院曹翠星1 1 3 】等对泡沫沥青的应用情况进行了介绍，并分 析了泡沫沥青冷再生技术的现状和有待研究的问题。河北工业大学王丽【1 4 j 等对冷再生混 合料进行了抗压强度、抗压回弹模量与劈裂强度试验，并在此基础上研究了冷再生沥青 混合料力学性能变化规律及其影响因素。东南大学李强1 1 5 等采用室内间接拉伸劈裂试验 对冷再生沥青混合料的疲劳性能进行了研究，总结了疲劳方程，分析了温度对再生混合 料疲劳性能的影响，并与一般水泥稳定类材料的疲劳性能进行了对比；结果表明，再生 混合料的疲劳阻抗随温度降低而提高，疲劳寿命对应力水平的敏感程度随温度降低而提 高。应力水平较高时，其疲劳性能优于一般水泥稳定类材料。天津市政设计研究院王海 4 长安大学硕士学位论文 燕【l6 】等结合大量实体工程，研究了沥青路面现场冷再生的结构和材料组成设计方法。哈 尔滨工业大学谭忆秋【1 7 】等针对乳化沥青冷再生混合料的特点，提出了s u p e r p a v e 体积设 计法和新的性能评价方法，并通过试验验证了其效果良好。江苏省交通科学研究院余兆 宇【1 8 】等结合工程实践对乳化沥青冷再生混合料的施工工艺进行了研究，指出了冷再生拌 和楼设计制造的关键技术，并验证了其生产性能。同济大学提出了采用肯塔堡飞散试验 评价乳化沥青冷再生混合料的初期抗松散性和采用修正的冻融劈裂试验分析成型过程 中水对再生混合料初期路用性能的影响。东南大学基于微观力学方法对再生混合料中的 旧料掺量展开研究，并采用有限元对老化沥青在再生混合料中的作用机理进行了分析。 同济大学拾方治等【1 9 2 3 】通过总结国外的一些研究成果与施工经验，并在对泡沫沥 青冷再生技术进行了大量研究的基础上，提出了泡沫沥青冷再生混合料的设计原理，并 通过试验研究得出泡沫沥青再生混合料作为路面基层的可行性；通过分析不同养护方 法、水泥用量及泡沫沥青用量与抗拉强度的关系，提出了确定最佳泡沫沥青用量的控制 指标；通过分析泡沫沥青再生混合料的力学特性对湿度的依赖性，得出基于水稳定性的 泡沫沥青再生混合料配合比设计方法。并结合试验路工程，对泡沫沥青就地冷再生的施 工工艺进行了研究。 长安大学徐金枝【2 】对泡沫沥青的发泡特性、分散性状，泡沫沥青冷再生混合料的拌 和用水量、级配组成、力学性能、永久变形特性、疲劳性能及泡沫沥青冷再生混合料的 施工质量控制等进行了深入系统的研究，并系统提出了泡沫沥青冷再生混合料的配合比 设计方法，推荐了泡沫沥青冷拌混合料的技术指标与标准，以及泡沫沥青冷再生施工检 测内容、检测方法与质量控制标准，为泡沫沥青冷拌混合料设计与施工相关规范及规程 的制定奠定了基础。长安大学权登州【2 4 】对乳化沥青冷再生混合料的配合比设计方法、力 学特性及路用性能等方面也进行了深入研究，并推荐了乳化沥青冷再生混合料的配合比 设计程序及配合比设计方法。 随着乳化沥青冷再生技术研究的不断深入，其应用范围也逐渐扩大，京沪高速、京 哈高速、沪宁高速、西汉高速、铜黄高速和惠河高速等大修工程中均铺筑了乳化沥青冷 再生试验路段，并取得了较好的效果。 这些研究工作的开展和工程应用的实施，为沥青路面冷再生技术在我国的推广应用 积累了宝贵经验。然而，我国乳化沥青及泡沫沥青冷再生技术的研究起步较晚，无成熟 经验可借鉴，尚缺乏系统研究成果。国内一些科研机构虽然取得了一些研究成果，但与 欧美等发达国家相比，还存在差距。而且我国已经进行的研究主要是针对原材料、混合 第一章绪论 料配合比设计及常规强度方面，对于乳化沥青及泡沫沥青再生混合料的耐久性能、抗剪 特性等研究甚少。同时乳化与泡沫沥青冷再生混合料的1 5 c 劈裂强度、4 0 稳定度均 相差不大，且都能满足规范的要求。而对于其后期路用性能有无差别国内研究相对较少。 因此，系统深入的研究乳化沥青及泡沫沥青冷再生技术，特别是对其耐久性能、抗剪特 性及动态模量的研究对促进该项技术在我国的推广应用，具有深远的意义。 1 3 本文主要研究内容 鉴于冷再生混合料在耐久性等方面研究不足，本文拟通过系统试验研究乳化( 泡沫) 沥青冷再生混合料的耐久性能及抗剪特性等路用性能，进而优化材料组成，促进其相关 性能的改善，从而推动这两种冷再生技术在我国的推广应用。因此，本文从以下几个方 面展开深入的试验研究： ( 1 ) 乳化沥青再生混合料永久变形特性研究 大量已有研究认为，乳化沥青冷再生混合料具有和热拌沥青混合料相似的沥青包裹 集料的结构形式，在重复荷载作用下，会产生不可恢复的粘性变形而导致永久变形破坏。 本文采用动态压缩蠕变试验，从材料组成的角度研究不同水泥用量、不同乳化沥青用量 及不同沥青特性下的乳化沥青再生混合料的永久变形特性，以分析乳化沥青再生混合料 的永久变形特性，从而有效控制乳化沥青冷再生结构层的变形。 ( 2 ) 乳化沥青冷再生混合料疲劳性能研究 乳化沥青冷再生混合料通常用于铺筑路面的基层或底基层，抗疲劳性能是其需要重 视的一个关键问题。本文采用间接拉伸劈裂疲劳试验，从材料组成的角度考虑研究不同 水泥用量、不同乳化沥青用量、不同旧料掺量及不同沥青特性下乳化沥青再生混合料的 疲劳性能，并建立相关的疲劳方程，为乳化沥青冷再生混合料路面结构的疲劳设计方法 提供指导。 ( 3 ) 乳化沥青及泡沫沥青再生混合料的抗剪特性研究 近年来，由于交通量的迅速增大及沥青混合料设计过程中对材料抗剪性能的忽视， 出现了抗车辙能力不足和早期破损增多的现象，因此高温抗剪性能的研究就显得十分必 要。目前，乳化沥青及泡沫沥青再生混合料主要用于基层或下面层，材料内部所受的剪 应力较小。如果将其层位上提，材料内部势必存在较大的剪应力。因此研究其抗剪强度 无疑是确定其层位可否上提的重要指标。本文从材料组成的角度，采用贯入剪切试验对 不同水泥用量、不同乳化沥青用量、不同旧料掺量及不同沥青特性下乳化沥青再生混合 6 长安大学硕士学位论文 料的抗剪性能及不同水泥用量、不同泡沫沥青用量下泡沫沥青再生混合料的抗剪性能进 行研究。同时，本文还采用汉堡车辙试验对乳化沥青及泡沫沥青再生混合料在浸水条件 下的水稳定性进行了试验研究。 ( 4 ) 乳化沥青及泡沫沥青再生混合料的动态模量研究 目前，乳化沥青及泡沫沥青冷再生混合料已用到了路面的下面层，我国公路沥青路 面结构计算采用的模量为相当于静态荷载作用下测定的静态模量，这显然与路面结构承 受车轮动载的受力状况存在很大差异，而沥青混合料动态模量参数与路面实际工作状态 比较接近。因此，研究动态荷载作用下沥青路面结构的动态参数和动力特性是十分必要 的。本文从材料组成的角度，采用动态三轴试验对不同水泥用量、不同乳化沥青用量、 及不同沥青特性下乳化沥青再生混合料在不同温度、不同围压下的动态模量及不同水泥 用量、不同泡沫沥青用量下泡沫沥青再生混合料在不同温度、不同围压下的动态模量进 行研究。以期为将动态模量作为沥青路面设计参数和混合料性能评价指标提供参考。 7 第二章冷再生混合料强度形成原理分析 第二章冷再生混合料强度形成原理分析 2 1 沥青路面再生技术的分类 我国公路沥青路面再生技术规范( j t gf 4 1 - 2 0 0 8 ) 中将沥青路面再生技术分为 厂拌热再生、现场热再生、厂拌冷再生和现场冷再生。 与传统的沥青路面养护维修方法相比，再生技术具有诸多优点。四种再生方法又具 有各自的特点，选择再生方案时需根据原路面的损坏状况及相关配套工程条件来确定合 理的再生方法和实施方案。a r r a 基于路面调查和病害分析提出了再生方法选用指南， 为再生技术的工程应用提供了指导，如表2 1 所示【2 6 】。 表2 1 再生方法选用指南( a r r a ) 路面病害类型厂拌热再生就地热再生厂拌冷再生就地冷再生 松散 表面类泛油 磨光 波浪 变形类浅车辙 深车辙 龟裂 裂缝类 纵向裂缝 ( 荷载型) 路缘裂缝 滑动裂缝 网裂 裂缝类 纵向接缝 ( 非荷 载型) 横向裂缝 反射裂缝 2 2 沥青路面冷再生的原理及冷再生稳定剂 2 2 1 沥青路面冷再生的原理 沥青路面冷再生的原理，即流变逆转原理。从化学角度分析，沥青路面冷再生原理 就是老化的逆过程。即使老化沥青中的各组分重新协调，恢复沥青的原有性能。沥青混 合料的再生过程，实际上就是通过添加各种再生剂( 稳定剂) 来改善已老化旧沥青混合 料的粘稠性，提高沥青薄膜的粘结力，使其路用性能恢复的过程。旧沥青在理论上可以 获得完全的再生，但在实际中，沥青的流变逆转是不能充分实现的。因此，冷再生混合 8 长安大学硕士学位论文 料在高等级公路上主要用做基层，在低等级道路上可用做面层。由于旧沥青混合料主要 用作基层材料，只要具有一定的强度、刚度、水稳性就能满足规范要求。因此，冷再生 往往不涉及到旧沥青材料本身性能的恢复。 2 2 2 沥青路面冷再生稳定剂 旧料中加入冷再生稳定剂可提高材料的强度和稳定性，进而提高再生结构层的承载 力。目前，沥青路面冷再生技术中使用的稳定剂分为物理稳定剂、化学稳定剂和沥青类 稳定剂。 ( 1 ) 物理稳定剂 物理稳定法是指在回收的路面材料中添加一定量的碎砾石，以改善回收材料的级 配，进而改善再生材料的整体强度和稳定性的再生方法。其优点是：1 ) 改善回收材料的 级配，进而改善材料的整体稳定性；2 ) 7 ) 1 ：1 入新骨料可以改善原路面材料沥青含量较大的 状况，进而增强稳定性；3 ) 加入新骨料或者其它回收旧料可以提高路面标高；4 ) 可与路 面拓宽同时完成。通常物理稳定剂成本较低，但再生混合料强度小，耐久性较差。 ( 2 ) 化学稳定剂 化学稳定剂是指用来稳定回收材料的粉状或液浆态的化学外加剂，主要包括水泥、 粉煤灰、石灰、氯化钙和氯化镁等。稳定后材料的强度主要取决于旧料本身及稳定剂的 种类和掺量。水泥价格低廉，可提高再生混合料的早期强度和抗水损害性能，但易产生 干缩裂缝，因此，水泥剂量宜小于6 。石灰可有效降低混合料塑性，改善再生混合料 的强度和稳定性。氯化钙和氯化镁除了可提高再生混合料强度外，还可降低基层材料的 冰点，减少基层材料的冻融循环作用。 ( 3 ) 沥青类稳定剂 包括乳化沥青和泡沫沥青。沥青稳定旧料后可提高其强度及抗水损坏能力，且沥青 稳定材料的柔性和疲劳性能均较好。另外，由于沥青材料的特殊性能，它还可以与其它 稳定材料，如骨料、水泥、石灰等共同使用。如在乳化沥青和泡沫沥青冷再生混合料中 加入少量的水泥，可提高混合料抗水损害能力和早期强度，缩短工期。但水泥和乳化沥 青类型应慎重选择，以避免水泥的水化作用使乳化沥青过早破乳，影响再生混合料的施 工和易性【2 7 1 。 乳化沥青使用简单，且经乳化沥青稳定的材料柔性较好，具有较强的抗疲劳和开裂 性能。其价格较水泥或泡沫沥青高一些，养护时间也较长。且当回收材料自身的含水量 9 第二章冷再生混合料强度形成原理分析 较大时，加人乳化沥青会使混合料含水量超过最佳值而造成压实困难，影响再生效果。 将少量的常温水( 质量为沥青质量的2 一4 ) 和空气注入热沥青( 1 7 0 1 8 0 左右) 中。此时，水遇高温沥青即迅速蒸发，形成饱和蒸汽，使热态沥青产生爆炸泡沫，体积 迅速膨胀，形成泡沫沥青。泡沫沥青价格低于乳化沥青，并具有乳化沥青稳定材料的所 有优点，且强度发展很快，可立即开放交通。但泡沫沥青稳定材料对细料要求较高， 0 0 7 5 m m 筛孔通过率需要达到5 1 5 ，且需要专用的泡沫沥青发生装置。 冷再生稳定剂的选择应综合考虑回收材料的性质、工程特点和环境因素等确定。如 对温度较低的地区进行路面再生处理时，选用水泥等作为稳定剂容易出现收缩开裂问 题，故更适于选用沥青类稳定剂；对需要尽快开放交通的情况，选用水泥或乳化沥青作 为稳定剂则不太合适，泡沫沥青则为较好的选择。 2 3 乳化沥青及泡沫沥青冷再生混合料强度形成原理 2 3 1 乳化沥青冷再生混合料强度形成机理 乳化沥青冷再生混合料是以乳化沥青作为稳定剂，添加少量的水泥等以改善其力学 性能。在水润条件下，发生电离反应的矿料和旧料的表面均带有电荷，形成吸附性薄膜。 当乳化沥青和湿润的集料接触时，乳化剂的极性亲水端总倾向于吸附极性的矿料表面。 同时，沥青颗粒自身形成的正、负电荷载体与极性的集料表面产生相互吸咐作用。这种 吸附作用使沥青颗粒迅速排列在矿料表面，形成单分子层。在适当的外界环境下，乳化 沥青开始破乳。乳化剂亲水端的水颗粒逐渐被吸收、排出和蒸干，最终只有沥青颗粒留 在集料表面，形成类似于热拌沥青混合料的沥青薄膜完全包裹集料的结构。同时，一些 科研工作者通过研究指出在旧料表面一定厚度范围内，乳化沥青对旧沥青还具有化学软 化作用，使其恢复部分性能，从而使乳化沥青与被再生的旧沥青共同形成能够完全包裹 r a p 颗粒的有效沥青薄膜。这种有效沥青薄膜具有一定的粘结力，它是形成乳化沥青 冷再生混合料强度的重要因素【2 4 】。乳化沥青混合料强度构成因素同样是材料的内聚力和 内摩阻力，不同的是内聚力和内摩阻力有一个变化过程，在混合料初期和后期各自对强 度的贡献不同。内聚力主要是由沥青的粘聚力及沥青与矿料的粘附力组成，内摩阻力主 要是由骨料之间的嵌挤和摩擦构成。 2 3 2 泡沫沥青冷再生混合料强度形成机理 泡沫沥青冷再生混合料是以泡沫沥青作为稳定剂，添加了少量的水泥等以改善其力 学性能，其强度形成机理与普通热拌沥青混合料是不同的。沥青发泡以后，物理性质发 1 0 长安大学硕士学位论文 生了变化，其粘度显著降低，形成的泡沫沥青体积急剧增加，表面张力减小，可以在常 温下方便地与不加热的集料( r a p ) 拌和均匀。在泡沫沥青拌和过程中，当泡沫沥青与 集料接触时，沥青泡沫瞬间化为数以百万计的“沥青微粒”粘附于细料( 特别是粒径小 于0 0 7 5 r a m ) 的表面，形成粘有大量沥青的细料填缝料，经过拌和压实，这些细料能填 充于湿冷的粗料之间的空隙并形成类似砂浆的作用，使混合料达到稳定。即泡沫沥青冷 再生料的初期强度主要由泡沫沥青裹覆铣刨料中的细料，形成的沥青“玛蹄脂”再粘附 粗料而形成。最终强度由三部分组成，即r a p 中集料之间的嵌挤力与内摩阻力、r a p 中旧沥青与