（道路与铁道工程专业论文）乳化沥青冷再生混合料技术性能研究.pdf

摘要 我国早期修建的沥青路面逐渐进入大中修期，随之会产生大量废旧沥青混合料。沥 青路面冷再生技术可重复利用旧沥青路面材料，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，沥青路面冷再生技术的研究具 有重要的现实意义。 本文在对旧沥青路面调查与评价的基础上，采用不同取样方法获取具有代表性的回 收沥青路面材料( r a p ) 样品，评价了r a p 的级配组成和回收沥青的老化程度；分析了乳 化沥青与r a p 的作用机理以及乳化沥青冷再生混合料的强度形成原理与影响因素。 本文借鉴国内外再生沥青混合料配合比设计的经验，推荐了乳化沥青冷再生混合料 配合比设计程序；并基于重型击实试验和裹附试验研究了再生混合料拌合用水量的确定 方法；提出以浸水劈裂强度最大，兼顾劈裂强度和劈裂强度比的原则来确定再生混合料 的最佳乳化沥青用量的方法。 针对不同材料组成的乳化沥青冷再生混合料，通过室内试验研究了级配组成对再生 混合料力学特性的影响及r a p 掺量和水泥掺量对再生混合料力学特性和路用性能的影 响。 最后铺筑了乳化沥青冷再生混合料试验路，总结了乳化沥青厂拌冷再生混合料施工 工艺、施工质量控制和施工质量验收标准，并对试验路进行了效益评价。 研究表明，乳化沥青冷再生混合料具有良好的结构承载力和路用性能，可用于高等 级公路的基层或下面层。该项技术用于我国沥青路面维修或改建工程中，具有显著的经 济效益、环境效益和社会效益。 关键词：冷再生技术；乳化沥青；回收沥青路面材料；强度形成原理；配合比设计；级 配组成；力学特性；路用性能；施工工艺 ab s 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 ne a r l yc h i n ai se n t e r i n gi n t om a i n t e n a n c ep 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 tp a v e m e n t t h et e c h n o l o g yo fa s p h a l t p a v e m e n tc o l dr e c y c l i n g ，w h i c hc a nr e u s et h eo l da s p h a l tm i x t u r e ，r a i s er e s o u r c eu t i l i z a t i o n r 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 sw i t ht h es t r a t e g i cp o l i c yo fd e v e l o p i n g r e c y c l ee c o n o m y a 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 nc h i n a s oi th a si m p o r t a n tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c ef o rt h es t u d yo ft h ec o l dr e c y c l i n gt e c h n o l o g y b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o na n de v a l u a t i o no fo l da s p h a l tp a v e m e n t ，t h i sp a p e ro b t a i n st h e r e p r e s e n t a t i v es a m p l e sw i t ht w od i f f e r e n tw a y sa n da s s e s s e st h eg r a d a t i o nc o m p o s i t i o no f r a pa n da g i n go fa s p h a l ti n 呲m e a n w h i l e t h em e c h a n i s mo ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n e m u l s i f i e da s p h a l ta n dr a pi sa n a l y z e da n dt h es t r e n g t hp r i n c i p l ea n di t si n f l u e n c ef a c t o r sa r e s t u d i e d t h i sp a p e rr e c o m m e n d sm i xd e s i g np r o c e s sb a s e do nf o r e i g na n dd o m e s t i ce x p e r i e n c e ， s t u d i e st h em e t h o do fm i x i n gw a t e rc o n s u m p t i o nd e t e r m i n a t i o nw i t hh e a v yc o m p a c t i o nt e s t a n da d h e r e n c ec o n d i t i o no fm i x t u r ea n ds u g g e s t st h eo p t i m u ma m o u n td e t e r m i n a t i o np r i n c i p l e f o re m u l s i f i e da s p h a l t ，i nw h i c ht h ec l e a v a g es t r e n g t hi sm a i n l yc o n s i d e r e da n dt h er e t a i n e d s t r e n g t hi sar e f e r e n c ei n d e x a c c o r d i n gt ot h ec o l dr e c y c l i n gm i x t u r e so fd i f f e r e n tc o m p o s i t i o n s ，t h ei n f l u e n c eo f g r a d a t i o nc o m p o s i t i o no nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm i x t u r e si sr e s e a r c h e da n dt h ee f f e c t s o fc e m e n tc o n t e n to rr a pc o n t e n to nt h em e c h a n i c a la n dr o a dp r o p e r t i e so fm i x t u r e sa r e e x p l o r e db yt h ei n d o o re x p e r i m e n t s f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a lr o a di s b u i l t t h e nt h i s p a p e rs u m m a r i z e st h ec o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y , c o n s t r u c t i o nq u a l i t yc o n t r o la n dq u a l i t ya c c e p t a n c es t a n d a r d sa n de v a l u a t e st h e e c o n o m i cb e n e f i t so ft 1 1 i sr o a d t h er e s e a r c hs h o w st h a tt h ec o l dr e c y c l i n gm i x t u r ew i t he m u l s i f i e dh a ss u p e r i o r s t r u c t u r a lb e a r i n gc a p a c i t ya n dp a v e m e n tp e r f o r m a n c e ，w h i c hm a k e si tc a nb eu s e di nl o w e r l a y e r o rb a s eo fr o a d t h ec o l d r e c y c l i n gt e c h n o l o g y o fe m u l s i f i e d a s p h a l t u s e di n m a i n t e n a n c eo rr e c o n s t r u c t i o ne n g i n e e r i n gf o r a s p h a l tp a v e m e n ti n c h i n ac a np r o d u c e r e m a r k a b l ee c o n o m i cb e n e f i t s e n v i r o n m e n t a lb e n e f i t sa n ds o c i a lb e n e f i t s 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 ；r e c l a i m e da s p h a l tp a v e m e n t ； s t r e n g t hp r i n c i p l e ；m i xd e s i g n ；g r a d a t i o nc o m p o s i t i o n ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ； p a v e m e n tp e r f o r m a n c e ；c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y 1 1 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，均已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：求一年6 刚日 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：冽奠 别雌轹1 一 岬年厂月占日 7 “肋日 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 沥青路面是我国高等级公路的主要路面形式，其设计年限一般为1 2 - - 1 5 年。随着 使用年限的增加，沥青路面会产生各种类型的病害。当路面病害发展到一定程度，将会 严重影响道路的正常使用。为了减小病害对交通的影响，路面养护维修显得尤为重要。 世界银行的研究表明i l j ，道路质量下降4 0 时花费1 美元的维修费将比道路质量下降 8 0 时花费的维修费节省3 , - - - , 4 美元，如图1 1 所示。因此，在适当的时期采取措施对路 面进行及时的养护维修，使路面性能保持在合理的服务水平，可延长其使用寿命，大幅 减少其寿命期内的维护费用，降低运营成本。 7 5 使用寿命再生后的路面 图1 1 路面损坏维修与时间的关系 根据养护目的可将沥青路面的养护分为预防性养护和纠正性养护。预防性养护措旆 包括各种封层处理、加铺薄层沥青混凝土罩面及再生处理后加铺薄层沥青混凝土等。纠 正性养护措施则指填缝、坑槽修补和车辙修补等。当路面病害发展到较严重的程度时， 则需进行维修。路面维修措施主要有厚层或薄层沥青混凝土罩面、重修及再生处理已损 坏的路面结构层并进行表面处治或加铺沥青混凝土层等。处理沥青路面病害时，可根据 路面的病害类型和程度、路面设计要求、路面结构层材料的分析结果、工程经济性和环 保性要求等选择合适的养护维修方案。 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、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 第一章绪论 性能要求的路面结构层的整套技术。采用再生技术不仅能提高沥青路面使用性能，延长 路面使用寿命：且可节省新集料和沥青资源，降低工程成本。美国联邦公路局的调查表 明【1 1 ，沥青路面再生利用可节约材料费超过5 0 ，路面造价降低约2 5 ，沥青节省约5 0 。 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。采用该技术可再生 利用沥青和石料等自然资源，减少由于开采资源而引起的环境破坏，降低工程造价，节 能环保；缩短工期，减轻施工对交通的影响：保持路面原有的几何形状，提高路面使用 性能等。因此，沥青路面再生技术是一种十分经济、实用的路面维修方法，应用前景非 常广泛。 在我国，随着高等级公路的迅速发展，沥青路面的总里程不断增加。我国在上世纪 9 0 年代后修筑的高等级公路沥青路面已逐渐进入大中修期，若采用常规的维修方法，大 量翻挖、铣刨的沥青混合料被废弃，过度开采新石料和沥青资源，这不仅会导致森林植 被减少，水土流失等严重的生态环境破坏，而且是一种极大的资源浪费。从2 0 0 0 年起， 每年约有1 2 的沥青路面需要翻修，产生的e l 沥青混合料约2 2 0 万吨每年，如果采用 再生技术将其循环利用，每年可节省材料费用3 5 亿元。根据经验，这个数字还将以每 年1 5 的速度增加，估计到2 0 1 5 年我国因公路改造所产生的废旧沥青混合料将达1 0 0 0 万吨每年，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，沥青路面再生 利用所产生的环境效益也更为显著 2 1 。 纵观世界各国，经济社会的全面发展与资源环境的保护之间的矛盾日趋严峻。在此 客观形势下，我国“十一五”发展规划中要求发展过程中资源利用率要显著提高，并制 定了发展循环经济、实现可持续发展的战略方针。沥青路面再生技术符合我国经济发展 的战略方针和规划要求。因此，深入系统的研究沥青路面再生技术中存在的问题和关键 技术，可提高资源利用率、降低公路建设成本及保护生态环境，对促进世界各国公路建 设的可持续发展具有重大的现实意义。 1 2 国内外沥青路面再生技术研究概况 沥青路面再生技术在国外的研究始于上世纪初，由于当时环保意识差和再生设备的 限制，该技术的发展较缓慢。直到1 9 7 3 年石油危机的爆发和1 9 7 5 年冷刨设备的快速发 展，沥青路面再生技术才逐渐受到人们的重视，应用规模不断扩大。 美国沥青路面再生技术发展较快，到2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初，已经进入大规 模应用阶段。在9 0 年代末，美国每年再生利用的沥青混合料约为3 亿吨，占全部路用 2 长安大学硕士学位论文 沥青混合料的5 0 ，材料重复利用率高达8 0 ，可直接节约材料费1 5 - 2 0 亿美元【3 1 。 同时，美国在再生剂的开发、再生混合料的设计与施工及再生设备等方面的研究也逐渐 深入。美国联邦公路局、沥青协会和沥青再生协会等机构曾先后颁布了一系列沥青路面 再生技术手册和指南，如表1 1 所示。这些研究的不断深入和技术手册的制定，促进了 该技术在美国的发展应用。 表1 1 美国的再生技术手册 时间 出版机构手册指南 1 9 8 1 年 美国交通运输研究委员会路面废料再生指南 1 9 8 1 年沥青协会沥青路面热拌再生技术手册 1 9 8 3 在 沥青协会沥青路面冷拌再生技术手册 1 9 9 8 在 美国联邦公路局州和地方政府用路面再生指南 2 0 0 1 年 沥青再生协会 沥青路面再生技术手册 在欧洲，沥青路面再生技术也备受关注。德国是最早使用该技术的国家。在2 0 世 纪8 0 年代末，该国废旧沥青混合料的回收利用率就已达1 0 0 。前苏联对沥青路面冷再 生技术的研究始于上世纪6 0 年代。1 9 8 4 年再生路用沥青混凝土的出版，标志着苏 联在该技术领域取得了较大的发展。法国现在也逐渐开始注重该项技术，大力推广其在 高等级公路修复工程中的应用。随着再生技术的快速发展，芬兰对该项技术的应用范围 不断扩大，从过去主要应用于低等级公路的面层和基层，逐渐转向高等级公路的应用。 最近，欧洲沥青路面协会( e a p a ) 在互联网上公布，其成员国的废旧沥青路面材料以 实现全部回收利用。 日本对沥青路面再生技术进行研究始于1 9 7 4 年。经过十年的发展，日本道路协会 出版了路面再生利用技术指南。到2 0 0 0 年，日本再生混合料产量约为4 7 0 0 万吨， 占全部沥青混合生产总量的3 0 左右p j 。 从沥青路面再生技术在欧美等发达国家的发展历史中可知，欧美等国家一直重视再 生技术的实用性研究，而对沥青路面再生机理的研究较少。他们在再生混合料的拌制、 摊铺和碾压工艺及相应施工设备的研究方面较为深入，也取得了显著成效，促使欧美等 国家形成一套完整的再生实用技术，并达到规范化和标准化的成熟程度。同时，欧美等 国家对再生剂使用效果、再生混合料力学性能和路用性能的评价等领域也进行了系统的 研究，取得较丰硕的成果。这些研究工作的经验和成果极大的促进了沥青路面再生技术 迅速发展和大规模的应用。 我国在上世纪5 0 到7 0 年代就开始回收利用废旧沥青混合料，但由于当时缺乏工程 第一章绪论 经验和相关的再生设备，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，交通部科技局将沥青路面再生技术作为重点科研项目，在山西、湖北、河南、 河北等省市和一些科研机构的协调与配合下，对其进行了系统的研究。1 9 8 3 年，在建设 部的组织下，上海、天津、武汉、南京等市政部门和苏州市公路局等单位进行了“废旧 沥青混合料再生利用”专题研究。该研究的主攻方向是加入适当轻油使旧沥青混合料软 化，以获得再生混合料用于路面基层。1 9 9 1 年6 月我国发布了热拌再生沥青混合料路 面施工及验收规程( c j j 4 3 9 1 ) ，该规程对原材料和再生混合料的技术要求做出了规定。 进入2 1 世纪以来，在国家发展循环经济，走可持续发展道路战略方针的指引下，全国 多个省市对沥青路面再生技术进行了大量的工程实践。2 0 0 1 年，华北高速公路公司率先 采用再生技术对京津塘高速公路和北京市道路实施养护作业；2 0 0 3 年，沪宁高速采用沥 青路面现场热再生技术进行大修，实现旧沥青材料全部回收利用：2 0 0 5 年陕西省在西宝 高速公路大修中工程中采用厂拌冷再生技术铺筑了2 公里泡沫沥青结合水泥冷再生混合 料试验路，取得了非常好的效果；2 0 0 5 - 2 0 0 6 年，辽宁省采用水泥就地冷再生技术完成 了黑大线、沈营线、庄林线和营口外环线等二级公路大修工程，维修面积约6 0 万平方 米；2 0 0 7 年，我国引进德国生产的w r 4 2 0 0 型就地冷再生机，在京沈高速公路大修工 程中完成了2 8 万平方米的就地冷再生施工。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 ) ，该规范提出了沥青路面再生技术对原材料的要求、 再生混合料设计、施工工艺、施工质量控制和验收标准。 这些研究工作的开展和工程应用的实施，均取得了较好的效果，为沥青路面再生技 术在我国的推广应用积累了宝贵的资料和工程经验。但是，由于我国在沥青路面再生技 术方面的相关研究起步较晚，无成熟经验可借鉴，尚缺乏系统研究成果。在沥青路面再 生技术施工关键技术、施工设备、跟踪研究及技术研发等方面，我国与国外先进水平还 存在较大差距。如何借鉴国外先进研究经验和成果，并紧密结合我国的实际情况，解决 沥青路面再生技术应用过程中所面临的混合料设计、性能评价、施工工艺、质量控制及 相关设备研发等关键技术问题，还需进行系统深入的研究。 1 3 沥青路面再生方法的分类 我国习惯将沥青路面再生技术分为四大类，包括厂拌热再生、现场热再生、厂拌冷 再生和现场冷再生。 4 长安大学硕上学位论文 1 3 1 厂拌热再生 厂拌热再生是指在工厂采用专用设备将r a p ( r e c l a i m e da s p h a l tp a v e m e n t ，简称 r a e ) 、新集料、沥青和再生剂( 如需要) 集中拌合，并经摊铺和碾压工艺形成路面结 构层的一项技术。该技术使用传统的方法软化r a p 使其与新集料、沥青和再生剂混合， 并采用专门设计或改进的用于热拌沥青混合料的间歇式或连续式拌和设备拌制混合料。 一般，采用间歇式拌和设备时，r a p 的掺量大约为1 5 - 2 5 ；采用连续式拌和设备 r a p 的掺量可达3 0 - 5 0 。厂拌热再生技术能修复路表的变形及裂缝类病害，有效 改善路面的结构特性，形成的再生路面与传统的热拌沥青混凝土路面性能相当。 1 - 3 2 就地热再生 就地热再生是指在施工现场采用专门的再生列车将原沥青路面加热软化，并铣刨至 预定深度，然后根据铣刨料的实际情况加入适当的新材料和再生剂，经拌和、摊铺和碾 压工艺而形成新路面结构层的一种技术。采用该技术能消除路表裂缝及波浪、车辙、拥 包等变形类破坏，提高路面摩擦系数，减少施工中的交通中断，节省运输成本。一般， 就地热再生使用的列车包括预热机、加热机、翻松机、拌和机、摊铺机和压路机等设备。 由于受再生设备的限制，就地热再生工艺的再生深度约为2 0 m m 一- - 5 0 m m 。 1 3 3 厂拌冷再生 厂拌冷再生是指在工厂采用专门的设备将回收的r a p 进行破碎筛分，并与一定比 例的新集料( 如需要) 、再生稳定剂、活性填料和水在常温下进行拌和、摊铺和碾压，形 成路面结构层的一项技术。厂拌冷再生技术具有如下几个显著优点： ( 1 ) n - i 在不改变路面纵横线形的前提下处治多种类型的路面病害，改善路面结构承载 力； ( 2 ) 与传统的路面维修技术相比，该技术可减少路面施工过程中对集料、沥青和能源 等资源的消耗，从而降低工程成本； ( 3 ) 该技术可节约自然资源的消耗，解决废物堆置问题等，可以减少环境污染，具有 重要的环保意义。 1 3 4 就地冷再生 就地冷再生是指在施工现场采用专门的再生列车将原路面铣刨破碎至预定深度，然 后根据实际情况加入适量的新集料( 如需要) 、稳定剂和水，并在常温下经拌和、摊铺 和碾压形成路面结构层的一项技术。该项技术施工速度快，对交通影响较小，且减少材 第一章绪论 料的运输费用，降低工程成本。一般，就地冷再生技术的处理深度为7 5 m m - - - 一1 0 0 m m 。 1 3 5 沥青路面再生方法的适用性 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。而不同的再生方法 又具有各自的特点，应用时需调查原路面的损坏类型、损坏程度及相关配套工程条件， 从而确定合理的再生方法和实施方案。基于路面调查和病害分析，a r r a 提供了再生方 法选用指南为沥青路面再生技术的工程应用提供有益指导，如表1 2 所利4 1 。 表1 2 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 1 4 沥青路面冷再生稳定剂 沥青路面冷再生混合料中加入再生稳定剂能提高待稳定材料的强度和稳定性，从而 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主要有物理稳定 剂、化学稳定剂和沥青类稳定剂。 物理稳定是指在回收的路面材料中添加一定量的碎砾石，以改善再生材料的整体强 度和稳定性。采用物理稳定剂成本低，但再生混合料强度小，耐久性较差。 化学稳定剂主要包括水泥、粉煤灰和石灰等。采用水泥再生处理旧路面材料时，宜 采用稀浆形式添加，避免粉尘污染。水泥再生混合料价格低廉，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，再生混合料中水泥的添加量般应 6 长安大学硕士学位论文 小于6 。石灰作为一种再生剂，可有效降低混合料塑性，改善再生混合料的强度和稳 定性。 沥青类稳定剂主要指乳化沥青和泡沫沥青。经沥青类稳定剂再生处理的混合料不仅 具有较好的强度特性和水稳定性，而且更具柔性，可获得较好的抗疲劳性能。在研究过 程中，一些道路科研工作者尝试将沥青类稳定剂与少量的化学类稳定剂结合使用，取得 了较好的效果。如在乳化沥青冷再生混合料中加入少量的水泥，可提高其抗水损害能力 和早期强度，缩短工期。乳化沥青与水泥结合使用时，为了防止再生混合料产生干缩开 裂，水泥掺加量一般不应大于2 。此外，水泥和乳化沥青类型的选择应该慎重，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【5 】。 沥青路面冷再生稳定剂的选择应结合旧路面材料的性质、工程特点和环境因素等慎 重选取。如旧路面材料塑性较大，则宜采用石灰进行再生处理，从而将其塑性控制在合 理的范围内：对于拟将再生混合料用于高等级公路基层或下面层的工程，应采用沥青类 再生稳定剂，以保证再生结构层具有较好的结构承载力和使用性能。此外，在水泥再生 混合料易产生收缩开裂的低温地区，应采用沥青类稳定剂进行再生处理。 1 5 乳化沥青冷再生技术 乳化沥青冷再生是利用专用机械设备先将原沥青路面铣刨、翻挖、破碎，再加入适 量的乳化沥青、新集料( 如需要) 、稳定剂和水等，按一定比例拌和成混合料，然后经 摊铺和碾压工艺形成路面结构层的一种技术。 1 5 1 乳化沥青冷再生技术的特点 从目前的工程实例中可以发现，乳化沥青冷再生在沥青路面再生技术中具有明显的 优势，主要表现为： ( 1 ) - 孚l 化沥青与旧路面材料的粘结力强。乳化沥青中沥青微粒带有电荷，能稳固、均 匀地吸附在旧路面材料颗粒表面，从而提高路面的强度特性和结构承载能力。 ( 2 ) 乳化沥青冷再生技术是在常温下施工，不需加热沥青，避免沥青的高温老化引起 的性能衰减，从而提高路面的抗疲劳性能，延长路面的使用寿命。同时，该技术可在不 损坏路基情况下，精确控制铺层厚度，改善路面使用性能，提高旧路等级。 ( 3 ) - 孚l 化沥青冷再生施工方便，采用传统的沥青混合料摊铺和碾压设备即可。同时， 由于乳化沥青无毒、无臭、不易燃烧，且施工过程中不需加热原材料，避免了施工人员 第一章绪论 烧伤、沥青中毒等安全事故的发生，从而大大的改善了施工条件。 ( 4 ) 采用乳化沥青冷再生技术可循环利用沥青和矿料等材料，降低新材料的用量，可 节省大量的材料成本和运输成本。与其他传统的修护方法相比，采用该技术总投资可节 省4 0 , - - - 5 0 1 6 】； ( 5 ) 该技术可降低因废弃旧沥青路面材料、开发新的自然资源和使用大量燃料所引起 的环境污染问题，具有重大的环保效益； 乳化沥青冷再生技术的诸多特点，使其在路面再生工程中的应用很广泛。该技术可 用于沥青路面车辙、荷载类裂缝和非荷载类裂缝等病害的处治及路面大修工程。乳化沥 青冷再生技术可大幅度提高公路整体质量，降低公路寿命周期内的建设成本；节约大量 土地和矿产资源，有利于保护生态环境；且施工简单，进度快，开放交通早，对交通的 影响较小，特别适用于交通繁重的旧路改造升级。在工程应用中，乳化沥青冷再生混合 料结构层可用于高等级公路的基层和下面层，以及其它等级公路的各结构层。 1 5 2 乳化沥青冷再生技术的研究现状 国外有关乳化沥青冷再生技术的研究开始较早。从1 9 2 1 年进入工业化生产以后， 乳化沥青便用于沥青表面处治与常温铺筑工艺，1 9 5 0 年起作为路拌材料使用。到2 0 世 纪8 0 年代乳化沥青开始用于沥青路面冷再生施工。随着乳化沥青冷再生技术应用范围 的不断扩大，欧美等发达国家对该项技术的研究也日趋深入。美国先后在乳化剂的开发、 再生混合料配合比设计及施工设备等方面的研究取得显著成效。德国在冷再生设备的研 发方面发展较快，其生产的现场和厂拌冷再生设备应用非常广泛。南非也在乳化沥青冷 再生技术的研究与应用方面做了大量的工作。这些研究和应用的不断深入，促进了该项 技术迅速发展。 近年来，随着我国经济社会的全面发展，人们逐渐重视沥青路面冷再生技术，开始 从国外引进设备和技术对沥青路面乳化沥青冷再生技术进行研究和应用。一些科研机构 和高校在混合料配合比设计、性能评价以及再生剂的开发等方面进行了探索，取得了一 定的成果。江苏省交通科学研究院结合工程实践对乳化沥青冷再生技术进行了室内试验 和施工工艺研究；介绍了冷再生拌合楼设计制造的关键技术，并对其生产性能进行了验 证。同济大学研究了乳化沥青冷再生混合料设计方法；提出了采用肯塔堡飞散试验评价 再生混合料的初期抗松散性以及采用修正的冻融劈裂试验分析成型过程中水对其初期 路用性能的影响。东南大学基于微观力学方法研究再生混合料中r a p 的掺加量，应用 长安大学硕士学位论文 有限元分析了老化沥青层在再生混合料中的作用机理。哈尔滨工业大学针对乳化沥青冷 再生混合料初期易松散破坏的特点，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， 通过试验验证取得了较好的效果。 随着研究的不断深入，乳化沥青冷再生技术的应用范围也逐渐扩大，曾先后在京沪 高速公路、京哈公路、沪宁高速公路、西汉( 西安汉中) 高速公路、和惠河( 惠州 河源) 高速公路等大修工程中铺筑试验路段，取得了较好的效果。2 0 0 8 年陕西省在铜黄 ( 铜川皇陵) 高速公路大修工程中采用乳化沥青冷再生技术将再生混合料用于高速公 路上基层，对1 8 公里的沥青路面进行改造升级，目前该路段使用状况良好。这些工程 应用为乳化沥青冷再生技术在我国的研究和应用积累了丰富的经验。 乳化沥青冷再生技术的研究在我国起步较晚。国内一些科研机构对该项技术开展了 较深入的研究，虽然取得一些成果，但与欧美等发达国家相比，还存在差距。特别是在 乳化沥青再生机理、混合料配合比设计、混合料级配优化设计、混合料性能及再生设备 等方面的研究急需进一步的完善。因此，系统深入的研究乳化沥青冷再生技术，对促进 该项技术在我国的推广应用，具有深远的意义。 1 6 本文研究的主要内容 综上所述，乳化沥青冷再生技术的应用前景广泛。但由于我国在该领域起步晚及相 关研究较少等原因，致使该项技术在应用过程中面临一些急需解决的技术问题，限制了 其大面积推广。鉴于此，本文系统的研究乳化沥青冷再生混合料的材料特性，优化再生 混合料设计方法，改善再生混合料的相关工程性能，从而推动该项技术在我国的推广应 用。为了实现以上研究目的，本文拟从如下几方面进行深入的试验分析： ( i ) - 孚l 化沥青冷再生混合料的配合比设计方法研究 ( 2 ) 乳化沥青冷再生混合料的级配组成研究 细料组成对再生混合料性能的影响 沥青路面乳化沥青冷再生混合料属于沥青稳定类材料，要形成密实的结构和较高的 承载力需要一定的细集料。为研究细料组成对再生混合料性能的影响，本文拟在相同粗 集料组成的条件下，设计不同细料组成的再生混合料，并通过室内试验，探索乳化沥青 冷再生混合料的性能与细料组成的关系，从而掌握细集料在再生混合料强度形成中的作 用和优化级配组成。 粗料组成对再生混合料性能的影响 9 第一章绪论 乳化沥青冷再生混合料用于路面结构层，应具有一定的骨架作用以承受车辆荷载。 因此，粗集料组成对再生混合料性能有重要影响。本文拟在相同细集料组成的条件下， 设计不同粗集料组成的再生混合料，并通过室内试验，研究粗料组成对乳化沥青冷再生 混合料性能的影响，以明确粗集料在再生混合料强度形成中的作用和优化级配组成。 合成级配组成对再生混合料性能的影响 在适当的粗集料与细集料的组合下，乳化沥青冷再生混合料才能形成较理想的骨架 密实结构，从而具有较好的使用性能。研究中将粗集料与细集料的n 法设计参数之比称 为级配形状系数，并采用该指标对不同粗集料与细集料的组合情况加以量化。为了掌握 粗集料与细集料的组合对再生混合料性能的影响，本文设计不同级配形状系数的再生混 合料，并进行室内性能试验，以期探明级配形状系数对再生混合料性能的影响，为乳化 沥青冷再生混合料配合比设计和深入研究提供参考依据。 ( 3 ) - 孚l 化沥青冷再生混合料的力学特性研究 乳化沥青冷再生混合料作为一种路面下面层或基层材料，应具有良好的强度和刚度 等力学特性。而再生混合料的力学特性与其内部的材料组成密切相关。因此，本文拟从 材料组成的角度出发，设计不同r a p 掺量和不同水泥掺量的再生混合料，并通过室内 试验研究其力学特性。 ( 4 ) - 孚l 化沥青冷再生混合料的路用性月- 匕i - - , 研究 良好的路用性能是乳化沥青冷再生混合料用于路面结构层的必要条件。本文拟对不 同r a p 掺量和不同水泥掺量的再生混合料，分别进行高温稳定性、低温抗裂性和温度 敏感性的试验分析。研究不同材料组成对再生混合料路用性能的影响规律。 1 0 k 虫大# 顾l 学位论文 第二章旧沥青路面的调查评价与r a p 材料的分析 2 1 路况调查与评价 2 1 1 历史信息调查 历史信息调查是为路面养护维修提供基础资料其内容主要包括修建资料调查、养 护维修记录调查、交通量和自然条件调查等。修建资料调查应掌握原路面的设计资料和 竣工验收资料( 包括原材料检验、配合比设计、混合料性能检验及施工工艺等) 。养护 维修记录调查需收集原有路面在通车运营期间的养护资料、维修资料和路面检测资料 ( 病害的类型和规模、维护措旌和使用效果等) 。交通量和自然条件调查包括该路段内 的年平均日交通量、交通量增长率；年降雨量和平均气温等。 2 12 现场调查与评价 历史信息调查完成之后，需通过现场调查掌握原路面的详实资料。现场调查包括视 觉调查和路面状况调查。视觉调查是通过肉眼观察原路面破坏情况，从而确定路面病害 类型，并评价路面破坏的严重程度。典型的沥青路面破坏类型有以下几类： ( 1 ) 表面破坏：泛油、集料磨光和松散，如图21 所示： ( 2 ) 裂缝破坏：龟裂、块缝、轮迹裂缝、路缘裂缝、滑移裂缝、纵向连接裂缝、横向 裂缝和反射裂缝，如图2 2 所示； ( 3 ) 变形破坏：车辙、拥包和波浪，如图2 3 所示； ( 4 ) 行驶质量及基层、路基问题。 ， 曲泛油 图2 1 表面共破坏 b ) 格散 第= 章| 日沥青路面的谓壹评价与r a p 的分析 町块状裂缝 n 横向裂缝 0 1 车辙 田2 0 裂缝娄硅坏 j 圈2 3 变形类破坏 龟裂 m 纵向裂缝 b ) 拥包 路面状况调查主要是对原路面结构组成、材料组成和使用状况做现场调查。一般通 过现场钻芯取样和室内试验，掌握原路面各结构层的厚度，分析其材料组成及特点。同 时，采用路面状况指数p c i 、国际平整度指数u 、路面强度系数s s i 和车辙深度等指 标评价原路面的使用状况。 2 1 _ 3 修复方案选择 根据历史信息调查和现场调查掌握的资料，分析原沥青路面的病害类型及其形成原 长安大学硕上学位论文 因，明确路面各结构层材料组成及特点，并对原路面状况做出评价。从而为路面修护方 案的选择提供依据。路面修复方案的选择可按如图2 4 所示的程序进行。 2 2r a p 的取样方法 图2 4 路面修复方法选择程序 采用铣刨或开挖等方式将原有沥青路面破碎，所获的粒状材料称为回收沥青路面材 料( r e c l a i m e da s p h a l tp a v e m e n t ，简称姐) 。通过随机取样的方式获得有代表性的r a p 样品，用于原沥青路面材料的性能分析，是再生混合料配合比设计的重要步骤，也是保 证再生混合料路用性能的基础。r a p 料的取样包括现场取样和料堆取样两种形式。 现场取样就是采用铣刨、钻芯取样或机械切割等方式，从原沥青路面现场获取具有 代表性r a p 试样的方法。通常，现场取样适用于就地热再生与就地冷再生工程的前期 调查、再生混合料配合比设计及厂拌热再生和厂拌冷再生工程的前期调查所用r a p 料 的获取。现场取样之前，需分析原沥青路面的结构组成、各结构层的材料组成和路面维 修记录。根据原路面结构组成、材料组成及维修历史相同或接近的原则，将施工路段划 分为若干个再生子路段，并在每个再生子路段内，分别进行现场取样、再生混合料设计 和施工组织。 现场取样时，按照公路路基路面现场测试规程( j t ge 6 0 - - 2 0 0 8 ) 中规定的随机 取样方法确定取样点位置，并根据需要获取足够数量的r a p 料。一般，对于不同的再 生工艺，r a p 的现场取样方法也不相同，如表2 1 所示。 料堆取样是采用一定的随机取样方法，从拌和厂的r a p 料堆中获取具有代表性试 样的取样形式。该方法适用于厂拌热再生和厂拌冷再生工程的前期调查及再生混合料设 计所用r a p 料的获取。一般按照公路工程集料试验规程( j t ge 4 2 - - 2 0 0 5 ) 中规定的 第二二章旧沥青路面的调查评价与r a p 的分析 料堆取样法获取足够数量的r a p 料。为了避免料堆表面部分离析或由于外部环境引起 的结块对取样的影响，取样前应去除料堆表面以下1 5 2 5c m 深度范围内的r a p 料。 表2 1 不同再生工艺的现场取样方法 再生工艺现场取样方法 可采用机械切割的方法取样，每个子路段每个行车道分别l 处，样品取回后根 就地热再生 据需要将要求深度范围的混合料切割使用。 可采用机械铣刨的方法取样，每个子路段每个行车道分别1 处，铣刨的深度应 就地冷再生 与再生深度一致。 厂拌冷再生、厂拌 可采用铣刨、钻芯取样和机械切割等方法取样，每个子路段取样断面不少于8 个。如通过钻芯取样时，每个取样断面转芯不少于3 个：获取的芯样或机械切 热再生 割样品，在室内破碎( d 1 0 0 4 6三1 8 0 回收沥青的物理指标测试结果表明，回收沥青的针入度和延度大幅减小，软化点和 粘度增大，其中粘度增大较明显，可以推断r a p 中沥青老化较严重。 第二章i f l 沥青路面的调查评价与r a p 的分析 2 4 本章小结 ( 1 ) 总结了历史信息调查和现场调查的内容，给出了沥青路面修护方案选择程序。 ( 2 ) 分别阐述了r a p 料的现场取样和料堆取样的方法和取样频率，并分析了不同取 样方法的适用性。 ( 3 ) 采用离心抽提仪对r a p 进行了抽提试验，将抽提前后的集料进行了筛分分析， 结果表明r a p 发生了较明显的结团现象。 ( 4 ) 采用阿布森法回收r a p 中的沥青，试验表明r a p 的沥青含量为4 9 。同时， 测试了回收沥青的物理指标，发现其针入度和延度大副减小，软化点和粘度增大，其中 粘度增大较明显，可以推断r a p 中沥青老化较严重。 1 6 长安大学硕士学位论文 第三章乳化沥青与r a p 的作用机理分析 3 1 乳化沥青的分类 乳化沥青是指采用机械作用将热融状的沥青分裂为0 s u m 2 0 u m 的细微颗粒，并使 其分散于含有乳化剂和稳定剂的水溶液中，形成的沥青乳状液。它呈褐色、具有良好的 流动性和粘附性，可冷态施工，是公路工程中常用的一种粘结材料。 按照沥青微粒所带的电荷类型，可将乳化沥青分为阳离子型、阴离子型和两性离子 型。阳离子型乳化沥青中乳化剂分子的亲水基团带有阳电荷；阴离子型乳化沥青中乳化 剂分子的亲水基团带有阴电荷；两性离子型乳化沥青中乳化剂分子的亲水基团既带有阳 电荷又带有阴电荷。 亲水基和亲油基的平衡值( h l - b ) 是表征沥青乳化剂的吸附薄膜被水和沥青湿润 程度的一个指标。按h l b 的不同取值，可将乳化沥青分为油包水型和水包油型两种。 当h l b 在4 6 时，亲油基的基数大，亲水基的基数小，乳化沥青为油包水型。当h l b 在8 1 8 时，亲水基的基数大，亲油基的基数小，乳化沥青为水包油型。 按照分解破乳的速度，乳化沥青可分为快裂型、中裂型和慢裂型。大量工程实践表 明，慢裂型或中裂型阳离子乳化沥青用于沥青路面冷再生工程具有较好的使用效果。 3 2 乳化沥青与凡心的作用机理 3 2 1 集料的电性分析 沥青路面乳化沥青冷再生混合料中所用的集料包含r a p 和新矿料( 如需要) 。为了 明确再生混合料拌和过程中各种集料表面的电荷分布情况，本文以冷再生工程中常用的 r a p 及公路工程中常用的碱性矿料石灰石和酸性矿料花岗岩为例，分析水环境中集料表 面的电离反应。一般工程中采用的水为自然水，其p h 值约在6 5 8 5 之间。在这样的 水环境中，矿料表面会发生弱电离反应，如式3 1 3 3 所示。 石灰石的主要成分为c a c 0 3 ，在自然水中发生反应为： c a c 0 3 + h 2 0 h c a 2 + + h c 0 3 一十o h 一( 式3 1 ) 如水中含有c 0 2 时，电离反应方程转化为： c a c 0 3 + c 0 2 + h 2 0 h c a 2 + + 2 h c 0 3 一( 式3 2 ) 花岗岩的主要成分为s i 0 2 ，在自然水中发生反应为： 第三章乳化沥青与r a p 的作用机理 s i 0 2 + h 2 0 h h s i 0 3 一+ h + , - s i 0 3 2 + 2 h +( 式3 3 ) 由于s i 0 3 2 和c a 2 + 决定着矿料表面的