（道路与铁道工程专业论文）乳化沥青冷再生混合料技术研究.pdf

摘要 交通是资源占用型和能源消耗型行业，公路建设意味着要长期占用大量的土地，因 此，公路事业的可持续发展必须按照国家的要求，走资源节约型、环境友好型之路，处 理好交通发展与资源节约和保护环境的关系。而沥青路面再生技术可以使得旧路面的材 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。 沥青路面再生技术是指将旧沥青路面材料经铣刨加工后重复利用，并根据铣刨料的 级配情况，适当加入部分新骨料或细集料，按比例加入一定量的外掺剂和适量的水，拌 和后重新形成具备一定路用性能的新材料。本文主要研究利用水泥和乳化沥青两种稳定 剂再生沥青混合料修筑路面基层的可行性与怎样提高冷再生路面路用和力学性能等技 术问题。 本文从冷再生技术的特点出发，分析了路面冷再生技术的优越性，并通过室内试验 的方法阐述了再生混合料的强度形成机理。室内试验分别对三种级配混合料进行路用性 能和力学性能研究，在上述研究的基础上探讨了原材料性能及组成对再生混合料性能的 影响，得出了适宜的再生材料级配范围、抗压强度、抗压回弹模量、冻融劈裂强度等主 要设计参数值，通过现场铺筑试验段检测，室内分析的方法，检验室内试验结论，以用 于对室内试验结论的修正补充及完善。同时介绍了冷再生技术的施工工艺、质量控制及 其经济效益和社会效益。 总而言之，冷再生技术具有节约资金、减轻环境压力等诸多优点，它的推广应用必 将带来不可估量的经济效益和社会、环境效益。 关键词：沥青路面冷再生路用性能经济效益 a b s t r a c t t r a f f i ci sap r o f e s s i o no ft h er e s o u r c eo c c u p y i n gt y p ea n de n e r g yc o n s u m p t i o nt y p e ，t h e h i g h w a yc o n s t r u c t i o nm e a n st oo c c u p yt h el a n df o ral o n gp e r i o d t h e r e f o r ea c c o r d i n gt o c e n t r a l r e q u i r e m e n t t h ec o n t i n u e d d e v e l o p m e n t o fh i g h w a ym u s tg ot ot h ew a yo f e c o n o m i z i n gr e s o u r c ea n dp r o t e c t i n ge n v i r o n m e n t ，d e a l 谢t 1 1t h e r e l a t i o no ft h et r a f f i c d e v e l o p m e n t ，e c o n o m i z i n g r e s o u r c ea n dp r o t e c t i n ge n v i r o n m e n t t h e a d o p t i o no fc o l d r e c y c l i n gt e c h n o l o g yw h i c hc o u l dr e u t i l i z ep a v e m e n tm a t e r i a l si si na d v a n c e 、析t l lt h ep r e s e n t t r e n dt o w a r d ss u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ，a n dt h e r e f o r ei sab u r n i n gi s s u el y i n gb e f o r et h e r e s e a r e h e r sa n de n g i n e e r s c o l dr e c y c l i n gt e c h n o l o g yo fa s p h a l tp a v e m e n tw i l lan e wk i n do ft e c h n i q u et h a t r e p e a t e du s i n gt h eo l da s p h a l tm a t e r i a lo ft h er o a ds u r f a c e ，a c c o r d i n gt o t h es t m c t m a lf e a t u r eo f r e c y c l i n g s t r u c t u r a ll a y e rp r o p e r l yjo i n i n gp a r t i a ln e w a g g r e g a t i o no rf i n ea g g r e g a t ea n d p o u r i n gi n t ot h ep r o p e rw a t e ra n ds t a b l ea d d i t i o n a l t h i n g st of o r mas t r u c t u r a ll a y e ra g a i n t h e m a j o rr e s e a r c ho ft h ep a p e ri sat e c h n o l o g yp r o b l e mt h a taf e a s i b i l i t ys t u d yt h a tr e c y c l i n g b i t u m i n o u sm i x t u r e 、析t l lc e m e n ta n de m u l s i f i e da s p h a l tt ob u i l dt h ep a v e m e n tb a s ea n dh o w r a i s i n gc o l di n p l a c er e c y c l i n gh i g h w a yp e r f o r m a n c ea n dm e c h a n i c sp e r f o r m a n c e b a s eo nt h ec h a r a c t e r i s t i co fc o l dr e c y c l i n gt e c h n o l o g y , i t sa d v a n t a g ei sa n a l y z e di nt h i s p a p e r d e s i g n i n g as e r i e so ft e s tt or e s e a r c ht h eh i g h w a yp e r f o r m a n c ea n d m e c h a n i c s p e r f o r m a n c eo ft h et h r e ek i n d so ft h eg r a d a t i o na n dc o m p a r ew i t hr e c y c l i n gp e r f o r m a n c eo f t h e s e ，b a s eo n a b o v e m e n t i o n e dr e s e a r c hd i s c u s st h ei n f l u e n c eo fp e r f o r m a n c ea n d c o m p o s i t i o no fl a wm a t e r i a l t or e c y c l i n gm i x t u r ep e r f o r m a n c e t h ep a r a m e t e rv a l u eo f f e a s i b l es c o p e ，r e s i s t i n t e n t i o n ，r e s i s t i n t e n t i o ne l a s t i cm o d u l ea n dc r a c ki n t e n t i o ni sg i v e n o u t e x p e r i m e n tr e s u l ti st e s t e dt h r o u g hi n - p l a c ee x a m i n eo fe x p e r i m e n tr o a da n da n a l y s i st o t o r r e n ta n dp e r f e c tt h ee x p e r i m e n tc o n c l u s i o n ，a t t h es a m et i m e h a v i n gi n t r o d u c e d c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n dq u a l i t yc o n t r o l ，e c o n o m i cb e n e f i t sa n ds o c i a lb e n e f i t i naw o r dc o l dr e c y c l i n gt e c h n o l o g yh a sm a n ya d v a n t a g e st h a te c o n o m i z i n gc a p i t a la n d a l l e v i a t i n ge n v i r o n m e n t a lp r e s s u r e ，i ti sp o p u l a ra p p l i c a t i o nt h a tm u s tb r i n gu ne c o n o m i c b e n e f i t s s o c i a la n de n v i r o n m e n t a lb e n i f i t k e yw o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t c o l dr e c y c l i n gp e r f o r m a n c ee c o n o m i cb e n e f i t s 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 公路作为国民经济和社会发展的重要基础设施，在新中国成立后得到了迅速恢复和 发展，尤其在实行改革开放政策以后，随着社会主义市场经济体制的建立和完善，中国 公路交通事业进入了快速、健康的发展轨道。改革开放3 0 年来，我国公路建设发展迅 速，公路通车总里程由8 9 万公里增长到3 5 8 万公里，增长了3 倍多；公路建设年投资 规模由1 9 7 8 年的4 9 亿元增长到2 0 0 7 年的6 4 9 0 亿元，提前1 3 年实现了总长3 5 0 0 0 公 里的“五纵七横”国道主干线的基本贯通。从1 9 8 4 年国务院正式批准建设的我国第一条 高速公路一京津塘高速公路到1 9 8 8 年l o 月底上海沪嘉高速公路建成通车，实现了我国 大陆上高速公路零的突破；根据中国高速公路网统计，到2 0 0 9 年底，全国高速公路总 里程已经达到6 5 万公里，居世界第二。近年来，我国的公路基础设施已由建设为主， 转为建设、养护并重，公路的养护技术和养护管理得到人们越来越多的重视【1 】。 改革开放的新时期，国家提出走资源节约型、环境友好型的可持续发展之路。而交 通建设是资源占用型和能源消耗型行业，公路的建设要长期占用大量土地。因此，交通 事业的可持续发展必须处理好交通发展与环境保护和节约资源的关系。大量实践证明， 加强养护管理可以发挥公路的最佳效能，一定程度上弥补了公路总量的不足，保持了公 路与周边自然环境的和谐，符合环境友好型的要求。加强公路养护管理需要有一定的前 瞻性和主动性，积极适应形势的发展和条件的变化，不断提高养护管理的科学性、创新 性和规范性，把资源节约和环境友好的要求落在实处。 1 1 问题的提出及研究的意义 由于沥青路面行车平稳舒适、噪声低，且不扬尘等诸多优点；且具有足够的力学强 度和一定的变形恢复能力。目前已修和待修的高等级公路基本上都是沥青路面，可以看 出沥青路面已逐渐成为我国道路的主要结构形式。按照我国沥青路面1 5 - 2 0 年的设计 寿命，从现在起，我国每年需要翻修的沥青路面大约有1 2 ，而产生的废旧沥青混合料 量达到约2 2 0 万吨，对于这些被铣刨下来的材料，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。为了解决这个问题，研究人员提出了再生技术一就是将旧路面的材 料重新利用。如果这些旧沥青路面材料加以利用，每年可节省材料费约3 5 亿元，应此， 我们认为再生技术是项符合可持续发展规律的有效措施，也是摆在工程技术人员面前 第一章绪论 的一个实际的问题。2 0 0 5 年1 1 月国际可再生能源大会在北京隆重开幕，国家主席胡锦 涛在大会致词中指出，加大可再生能源的开发，对合理利用资源、降低建设成本、保护 生态环境以及促进我国公路建设都有着极其重大的意义。 对旧沥青混合料进行再生利用，可以节约大量的沥青和砂石等公路建设材料，节省 了工程投资。特别是在缺乏砂石材料的地区，由于砂石材料都是从外地运输过来的，成 本非常高，运用沥青路面再生技术，所节约的工程投资是十分可观的。即使在砂石材料 比较丰富的地区，也能大量节约材料费用。据美国联邦公路管理局的调查，沥青混合料 再生利用，可节约材料费用约5 3 4 ，公路建设造价可降低2 5 左右。而且冷再生技术 在施工过程中不会产生粉尘和废气等污染，因而沥青混合料的冷再生利用，具有显著的 经济效益和社会、环境效益，被称为“绿色”施工技术。特别是如今人们一直强调可持续 发展，旧筑路材料的再生利用，能减少开山取石和占用土地，避免了水土流失和环境污 染，有利于树立公路建设良好的社会形象。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 随着公路建设慢慢地进入养护和改建的高峰期，废旧路面材料的再生利用是我们面 临着的主要问题之一。一些较早运用再生技术的发达国家已经证实了这一点，再生技术 在发达国家己经受到了普遍的重视，得到广泛的应用，并被纳入了可持续发展的范畴。 根据国际经济合作组织1 9 9 7 年的调查结果，表明欧美主要发达国家的废旧路面材料再 生利用率都达到7 5 ，比利时、荷兰等国家甚至还实现了1 0 0 完全再生利用。 美国对废旧沥青路面材料的再生利用技术研究最早是从1 9 1 5 年开始进行，但后来 由于大规模的新路建设，再生混合料的性价比与新拌混合料差距较大以及施工设备不能 满足人们的期望等原因而使得再生技术研究进展缓慢。直到1 9 7 3 年石油危机的爆发， 燃油供应比较困难，而且由于严格的环保法制，使得砂石材料生产受到了限制，导致了 公路建设资金的减少和筑路材料的供应不足，废旧沥青路面材料的再生技术又重新引起 了人们的重视。随后美国重新开始研究再生技术，并迅速在全国进行了推广应用。根据 美国联邦公路管理局统计，1 9 9 5 年仅2 5 个州的再生沥青混合料的用量就达到2 亿吨， 这几乎是全国道路建设沥青混合料用量的一半。由于废旧沥青路面材料的再生利用的前 景可观，这项技术的研究工作得到了美国联邦的协助，有力地推动了该项研究工作的进 展和交流。到1 9 8 1 年美国交通运输研究委员会编制出版路面废料再生指南，同年美 长安大学硕士学位论文 国沥青协会也出版了沥青路面热再生技术手册，以及1 9 8 3 年又出版了沥青路面冷 拌再生技术手册等，都表明美国的沥青路面再生技术已经达到了非常成熟的地步。 美国德克萨斯州交通协会和德克萨斯农机大学化学系的研究人员对旧沥青抽提过 程中的些问题进行了深入的研究，着重研究了在回收过程中旧沥青的老化、溶剂的分 离、各种溶剂回收沥青的能力以及再生剂组成等。他们用不同的溶剂对旧沥青进行抽提， 研究表明旧沥青在回收过程中会存在不同程度的老化与硬化现象，硬化程度取决于溶剂 类型、试验方法等因素。同时，回收沥青中的残留溶剂对沥青也有硬化的作用【8 】。 2 0 世纪9 0 年代后期，美国北部几个州的交通部联合开展对再生沥青的研究。他们 对美国中北部地区的各种材料进行反复试验，认为新拌沥青路面中可以参加4 0 5 0 的再生混合料，仍可满足美国沥青及沥青混合料路用性能规范的要求。但由于旧沥 青混合料中细料含量较多，在新混合料设计时应重新进行级配设计。 日本从1 9 7 6 年就开始了沥青路面再生技术的研究，1 9 8 0 年路面废料总产量约为2 6 0 万吨，厂拌再生的沥青混合料累计达5 0 万吨。到2 0 世纪9 0 年代，有关研究表明日本 的路面废料再生利用率已超过5 0 。日本道路协会于1 9 8 4 年7 月出版的路面废料再 生利用技术指南，对路面废料的再生用材料、配合比设计、施工与质量控制等各个方 面均作出了一些指导性的建议与规定。 2 0 世纪7 0 年代中期，欧洲一些国家如芬兰、荷兰和德国等也相继进行了小规模的 试验研究，并且迅速推广应用。在芬兰，现在几乎所有的城镇都组织了废旧路面材料的 收集和储存相关工作。过去的路面废旧材料主要做为轻型交通的面层和基层来使用，近 年来在高速公路和一些重交通道路的修复工程中也逐步开始推广应用。相比之下，德国 沥青路面再生技术的发展最快，德国是首先将厂拌再生技术应用于高等级公路的路面养 护中，到了1 9 7 8 年已经能够1 0 0 的再生利用废旧沥青路面材料。法国公路管理局现在 对再生技术的研究也颇为重视，在高速公路和一些重交通道路的路面修复工程中逐步推 广应用这项技术。 前苏联最早在2 0 世纪6 0 年代就开始对沥青路面再生技术进行相关的研究，而且在 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，可是实际应用却较少。 1 9 7 9 年又出版了旧沥青混凝土再生混合料技术准则，提出了适用于不同条件下的沥 青路面材料再生利用方法，其中规定了再生沥青混合料只可用于高等级公路的基层和底 基层。1 9 8 4 年出版的再生路用沥青混凝土详细地阐述了路拌和厂拌两种不同的再生 方法。近年来，俄罗斯再生利用技术也发展较快，并在生产中广为应用【8 】。 第一章绪论 纵观国外发达国家沥青路面再生技术的发展状况，我们可以看出这些发达国家非常 重视再生技术的研究。他们在再生沥青混合料的制备工艺，以及与之配套的各种铣刨、 破碎、拌和、摊铺等机具的研制方面也都取得了较大的成就，形成了一套比较完整的再 生技术，并达到了规范化和标准化的成熟程度。虽然欧美国家对沥青再生机理的理论研 究并不是很多，但对再生剂的再生效果以及再生沥青混合料的物理力学性能的评价方法 等，进行了较大的研究，并取得了一定的成果，为废旧沥青路面材料再生技术提供了科 学依据。国外不同国家在不同时间段出版的有关资料规范如下表1 1 所示： 表1 1国外沥青再生方面资料规范 时间 国家 出版物 1 9 6 6前苏联沥青混凝土旧料再生利用的建议 1 9 7 9 前苏联前苏联旧沥青混凝土再生混合料技术 1 9 8 1 美国路面废料再生指南 1 9 8 1 美国美国再生路面热拌再生技术手册 1 9 8 1德国热拌再生沥青混凝土施工规范 1 9 8 3德国沥青路面冷拌再生技术手册 1 9 8 4 日本路面废料再生利用技术指南 1 9 8 3 英国热拌沥青混凝土基本规范 1 9 9 4 德国再生沥青混凝土施工指南 1 9 9 7澳大利亚沥青混凝土路面再生指南 1 9 9 7 美国州和地方政府路面再生指南 2 0 0 4 德国 维特根冷再生技术手册 2 0 0 6 美国沥青路面再生技术手册 不同时期对于不同的再生技术偏重点约有不同，在2 0 世纪8 0 年代之前，沥青路面 的再生基本上都是采用厂拌再生工艺；8 0 年代以后，由于路面加热设备和就地材料试验 技术的逐步完善，沥青路面就地再生技术开始受到各国的重视。就地再生技术是将旧路 面的铣刨、新材料的定量掺配、加热、拌和以及摊铺和碾压等作业就地连续完成。目前， 许多发达国家都已逐步采用了这种再生工艺。可是，我们发现就地再生工艺虽具有施工 速度快等特点，但对比厂拌再生技术而言，其再生混合料的拌制质量控制难度比较大， 而且再生设备价格也非常昂贵，因而厂拌再生仍是目前沥青路面再生的主要方法，并且 两种再生技术并存。总之，欧美等发达国家的沥青路面再生技术己日趋成熟，不同的再 生工艺形成了不同的再生机械设备，实现了全套机械化作业。今后的发展方向是机械的 高效能、低成本以及综合施工功能，并通过机械设备的不断创新来提高再生路面的使用 性能。 4 长安大学硕士学位论文 1 2 2 国内的发展状况 我国的沥青路面再生技术起步相比发达国家来说比较晚，山西、湖北、河北等省的 公路养护单位是国内较早利用废旧渣油路面材料的部门，大约在七十年代初期开始将废 旧油面层材料在维修养护时用于铺作基层使用，这对我国早期的沥青路面再生技术试验 研究以及应用推广奠定了一定的基础。 1 9 8 2 年，交通部将废旧沥青路面材料再生利用作为重点科技项目下达给同济大学， 并由山西、湖北、河南、河北等省参加研究，对沥青混合料路面再生技术开展了比较系 统的试验分析。同年，山西省结合沥青路面的大中修工程铺筑了8 0 余公里的试验段， 湖北省公路局也动员全省各公路养护单位进行了再生利用的相关试验研究。主要的研究 方向是在旧渣油路面加入适量的轻油使之软化，并做为常规的沥青混合料来铺筑路面结 构的下面层，其拌合设备是应用现有的设备作适当改装后使用，经过约三年多的实验研 究，在南京、武汉、苏州、天津等四个城市铺筑了约3 0 0 0 m 2 以上的试验路。通过后期 使用效果观测证明，再生路面的综合使用质量不低于常规热拌沥青混凝土路面嘲。 1 9 8 3 年，云南省在省干线公路上结合大修工程，开展了沥青路面旧料再生利用技术 的研究，分四个阶段先后在昆洛、昆畹、贵昆等几条主要国道干线上进行了试验研究， 包括对旧沥青混合料的性能评价，再生沥青抗高温、低温等试验，以及再生混合料矿料 掺配试验等。研究表明，再生沥青路面与常规热拌沥青混凝土路面相比，可节省沥青 4 0 , - 5 0 ，节省矿料5 0 , - - 6 0 ，降低造价2 0 0 0 - 4 0 ；只要合理设计，认真施工，再生 路面可以有常规路面的使用效果。 长期以来，我国沥青路面的设计和施工标准较低，路面的养护工程和翻修工程量都 比较大，工程材料的需求量也被大大提高，其价格提升也很快，特别是沥青材料的价格 成倍增长。同时，大量废弃的沥青路面材料给自然环境也带来越来越大的影响。因此， 废旧沥青路面再生技术引起了广泛的重视。国家在“七五”、“八五”计划中都将这一技术 列入了重点科研项目。经过多年的努力，我国的沥青路面再生技术已逐步形成了自己特 有的再生工艺，并且发展了一批与之相适应的再生机械。 2 0 0 4 年，辽宁省在营大一级公路大修工程中，首次成功使用了乳化沥青就地冷再 生技术，再生沥青混合料主要作为基层使用，后期观测路面情况使用效果较好。多年来， 河北、山东、吉林、黑龙江、天津等地在旧沥青路面改造中曾采用以水泥为结合料的全 深式再生技术，也取得了良好的使用效果。2 0 0 4 - - - 2 0 0 5 年，江苏省在沪宁高速公路改扩 建工程中采用乳化沥青厂拌冷再生技术对旧沥青路面进行了再生处理，并取得了较好的 第一章绪论 使用效果；2 0 0 6 年江西省昌一九高速公路改造工程中也采用乳化沥青厂拌冷再生技术对 旧沥青路面进行再生处理，使用效果也较好。 我国早期沥青路面的冷再生技术研究比较注重实践，并以直接的应用为特点，带有 一定的经验性。随着实践的发展，室内试验研究逐步得到重视，许多学者对冷再生沥青 路面材料试验作了较深入的探讨。 王海峰p j 通过试验分析说明了水泥一乳化沥青再生混合料强度形成机理，主要对比 研究了修正的马歇尔设计方法和s u p e r p a v e 设计方法的优缺点，并验证了再生混合料具 有较好的的初期和后期路用性能。肖杰【l2 j 对试验养生方法进行了试验分析，通过不同的 养生条件对比分析，认为试件脱模后6 0 恒温养生三天是比较合适的，代表了乳化沥青 冷再生混合料最终强度。李艳春 r l 等通过试验分析说明了废旧沥青路面材料作为底基层 来使用能完全满足路用材料的力学性能要求。李型1 3 】等通过劈裂拉伸和控制应力的方式 对冷再生沥青混合料的疲劳性能进行了室内试验研究，分析了温度对疲劳性能的影响， 拟合了疲劳曲线和疲劳方程，并与相同试验条件下水泥稳定类材料的疲劳试验进行了对 比分析；研究表明，随着温度的降低再生混合料的抗疲劳性能有所提高，同时其疲劳寿 命对应力水平的敏感程度也有所增强，在高应力水平下沥青路面再生混合料具有比一般 水泥稳定类材料更为优越的疲劳性能。董泽蛟【2 0 l 等基于美国s h r p ( s t r a t e g i ch i g h w a y r e s e a r c hp r o g r a m ，夏普计划) 计划成果，针对乳化沥青冷再生混合料的级配设计，通 过实验室试验，提出了修正s u p e r p a v e ( s u p e rp e r f o r m a n c e a s p h a l tp a v e m e n t ，高性能沥 青路面) 体积设计法，取得了良好效果。2 0 0 6 年由拾方治、马卫民编著的沥青路面再 生技术手册根据国内外的沥青路面再生技术的研究成果，较详细的介绍了各种路面再 生技术的原理、再生材料的设计方法，现场施工工艺、施工设备构成和工程应用情况以 及沥青路面的再生原理和技术途径，阐明了废旧沥青路面再生的重要意义；同时，针对 沥青路面再生的常用方法，比较分析了不同再生方法的特点，提出了根据沥青路面的损 坏情况分别采用不同再生方法的建议。2 0 0 8 年，交通部发布了公路沥青路面再生技术 规范说明我国在沥青路面再生技术方面取得了一定的研究成果。但是与发达国家相比， 我国的废旧沥青路面再生技术，无论从再生利用方式、材料性能、再生设备还是到施工 技术的研究均处于起步阶段。这都要求我们后来的研究工作人员能充分利用国外的先进 研究成果来不断完善我国在这方面的技术，其中有很多内容需要进行深入研究。 6 长安大学硕上学位论文 1 3 主要研究内容及技术路线 乳化沥青厂拌冷再生技术是将废旧的沥青路面材料( 黜谨) 和乳化沥青相混合进行 再生后作为基层混合料的一种技术。该方法是将旧沥青路面铣刨、破碎、筛分，然后在 特定的冷拌设备中与乳化沥青拌和并加入少量水泥，形成一种介于半刚性和柔性的特殊 基层材料。 本文在国内外已有研究成果的基础上，特别是借鉴江西昌九冷再生技术改造的成功 经验研究了乳化沥青冷再生混合料技术相关问题，试验中采用制备的乳化沥青作为再生 剂，利用铣刨的江西九景高速公路路面材料进行厂拌冷再生，乳化沥青再生混合料主要 应用于改建工程的基层使用，并根据室内试验和现场施工总结出室内外的质量检测标准 和厂拌冷再生的相关施工工艺。本文研究的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 旧沥青路面的路况调查和铣刨料的级配、物理指标等； ( 2 ) 老化沥青的相关指标及成分分析； ( 3 ) 用于厂拌冷再生的阳离子乳化沥青的反应机理； ( 4 ) 水泥一乳化沥青的再生机理以及不同水泥用量对冷再生混合料性能的影响分 析研究； ( 5 ) 概述了国内外主要的乳化沥青厂拌冷再生设计方法，并提出本工程采用的设 计方法及评价指标； ( 6 ) 乳化沥青厂拌冷再生混合料路用性能的研究； ( 7 ) 乳化沥青厂拌冷再生施工工艺及现场质量控制指标的研究； ( 8 ) 乳化沥青厂拌冷再生技术经济与社会效益的分析。 本文采取的关键技术路线如下： ( 1 ) 收集国内外关于沥青路面再生技术方面的资料，总结了国内外在该领域内的 发展情况及研究现状； ( 2 ) 借鉴国内外乳化沥青冷再生混合料的设计经验，提出了本文乳化沥青冷再生 混合料的设计方法和评价指标； ( 3 ) 按照相关技术规范，进行了室内再生混合料配合比设计和性能测试，评价其 相关路用性能； ( 4 ) 根据九景改造工程试验路的铺筑状况，总结乳化沥青冷再生的施工工艺、现 场质量控制指标和相关技术规范。 7 第二章乳化沥青冷再生混合料的再生机理 第二章乳化沥青冷再生混合料的再生机理 2 1 稳定剂的选择 沥青路面经过交通荷载和各种自然因素的长期作用，逐渐脆硬老化，直到最后破坏， 需要挖除重新铺筑，这样就产生了大量的废旧沥青材料。为了解决旧沥青路面材料的回 收问题，可以考虑将旧沥青路面材料破碎加工后作为路面材料中的矿质骨料重新利用， 同时添加部分新矿料来改善旧沥青路面材料的级配组成。而在这个过程中我们需要重新 添加一定量的新结合料，也就是我们通常所说的稳定剂，使旧沥青路面材料形成一个整 体，作为路面的结构层来使用。应此，对于稳定剂的选择，是冷再生所面临的第一个问 题。 稳定剂发展至今尽管已经有多种类型，但工程中使用时必须考虑到其经济性及材料 性能等。当前对于沥青类稳定剂和水泥类稳定剂国内外应用的都比较广泛，并且用于确 定最佳的配合比设计的标准试验方法和质量控制要求均比较成熟。另外，沥青和水泥类 材料在公路建设中比较容易得到，因而成为了最常用的稳定剂。下面主要对这两类稳定 剂进行介绍。 ( 1 ) 沥青类稳定材料 现在乳化沥青和泡沫沥青类稳定剂应用的最为广泛，越来越受到人们的欢迎。相比 水泥稳定类材料，沥青稳定材料没有其所特有的干缩和温缩裂缝，而且由于沥青与集料 颗粒间具有一定的黏结强度，再生混合料不会因车轮碾压而松散，应此，提早开放交通 基本上不会对沥青路面结构造成破坏，但一般在沥青路面获得强度的第一周内，不能将 重型车辆停放在再生结构层面上。沥青类稳定材料能有效地提高路面的强度和抗水性 能，同水泥类稳定材料相比，柔性的沥青稳定层还具有良好的抗疲劳性能，从而使路面 结构的厚度有所减少，而且结构能力也没有下降。 ( 2 ) 水泥类稳定材料 水泥类稳定剂的主要特点是能发生水泥作用，而且在这个过程中所释放的c a ( o h ) 2 与塑性土壤中的粘土颗粒发生反应使其塑性降低来获取强度。其强度大小主要取决于所 添加的稳定剂数量，同时也与被稳定的材料类型有关。但是，并不是说稳定剂的用量越 多就越好，过高的水泥用量会使稳定过的材料接近于半脆性，在提高强度的同时会使其 脆性增加，同时也降低了稳定后基层的抗疲劳性能。最后，在交通荷载的作用下路面容 8 长安大学硕士学位论文 易出现裂缝并逐渐扩展。因此，我们必须明确再生混合料的路用性能要求，并取得具有 代表性的样品，进行适当的配合比设计来确定正确的稳定剂用量。 这两种类型的稳定剂均可用于冷再生，工程中对稳定剂的选取一般是根据其路用性 能的侧重点来进行的。虽然水泥类稳定剂的应用远远超过其它各种稳定剂的总量，但是 水泥稳定土作为半刚性基层特有的收缩裂缝是我们遇到的一大难题，因此，最终我们采 取乳化沥青作为稳定剂，并掺加少量水泥以提高其路用性能。而且乳化沥青也具有许多 的优越性，其主要优点为： ( 1 ) 冷态施工、节约能源：乳化沥青可以冷态施工，现场无需加热设备和能源消 耗，扣除制备乳化沥青所消耗的能源后，仍然可以节约大量能源。 ( 2 ) 利便施工、节约沥青：由于乳化沥青粘度低、和易性好，施工方便，可节约 劳力。此外，由于乳化沥青在集料表面形成的沥青薄膜，不仅提高沥青与集料的粘附性， 而且可以节约沥青用量。 ( 3 ) 保护环境、保障健康：乳化沥青施工不需加热，故不污染环境：同时，避免 了劳动操作人员受沥青挥发物的毒害。 并且再生混合料中加入少量的水泥后能形成一种新型的水泥一乳化沥青再生混合 料。在旧沥青路面材料中加入一定量的乳化沥青和水泥作为稳定剂，经过进一步的拌和、 碾压成型并且养生后，其强度特征接近水泥类稳定半刚性材料，但却具有一定的柔韧性 和良好的抗疲劳特性，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、减小温缩裂缝和改善早期强度。 2 2 乳化沥青再生混合料强度形成机理 2 2 1 乳化沥青的破乳 乳化沥青破乳是指沥青乳液与集料接触后，沥青微珠从乳液中分裂出来的过程，并 且在破乳过程中，沥青乳液中的水份挥发了。有关研究表明，乳化沥青破乳过程的影响 因素主要有以下几个方面： ( 1 ) 水的蒸发作用：由于路面施工环境气温、相对湿度和风速等因素的影响，乳 液中水的蒸发，破坏乳液沥青的稳定性，而造成分裂。 ( 2 ) 集料的吸附作用：由于集料的矿物构造空隙对乳液水份的吸收，同样能破坏 乳液的稳定性造成分裂。 ( 3 ) 集料物理化学作用：乳化沥青中带电荷的微滴与不同化学性质的集料接触后 9 第二章乳化沥青冷再生混合料的再生机理 产生复杂的物理化学作用，而使乳化沥青分裂并在集料表面形成薄膜。 ( 4 ) 机械的激波作用：在施工过程中压路机的碾压和开放交通后汽车的行驶，各种 机械对路面的震颤而产生激波作用，也能促使乳化沥青的稳定性的破坏和沥青薄膜结构 的形成。 在工程实践中，乳化沥青破乳的影响因素是比较复杂的，如矿料级配、拌和温度、 拌和方式、乳液稳定性、外加水量及工作时自然环境条件等等。但为了把问题简化便于 研究，工程人员假设其他条件都固定不变，主要考虑乳化剂成份和集料种类这两个影响 因素来研究其破乳过程。 2 2 2 乳化沥青再生混合料强度形成过程 为了能更好了研究乳化沥青再生混合料强度形成过程，我们可以将其强度形成过程 分为四个不同的阶段。首先乳化沥青在常温条件下是一种具有良好流动性的液态悬浮混 合物，也就是说乳化沥青颗粒在重力和表面电荷排斥力的共同作用下悬浮于水中，这时 乳化沥青处于一种自由流动状态。在乳化沥青与再生混合料拌和时，乳化沥青分子表面 的电荷与旧沥青混合料表面的电荷发生中和反应，但是沥青微珠颗粒表面的电荷并没有 完全消失，因而还没有行成具有一定强度的沥青薄膜，这时再生混合料处于一种粘稠状 态。然收经过压路机的碾压作用，以及水泥水化作用、水分蒸发和沥青颗粒电荷完全中 和后，沥青颗粒进一步相互结合，部分沥青颗粒已经开始连接成为沥青薄膜。此时，冷 再生混合料的强度已经达到了开放交通的要求，但是却还没有达到最终强度，这时再生 混合料处于一种半固态状态。在经过一段时间的交通碾压、温度条件等养生作用后，沥 青颗粒进一步结合，最终形成完全固态的沥青膜。这时再生混合料强度达到了最大值， 同时混合料结构也变得相对稳定。根据这四个不同的阶段我们可以归纳出乳化沥青再生 混合料强度形成的影响因素： 1 养生条件 养生条件主要是指温度、风等自然环境因素。在强度形成过程中，温度越高、风力 越大，水分蒸分越快，乳化沥青破乳速度也越快，同时强度形成也越快。 2 拌和总用水量 在满足拌和时间和均匀裹覆条件下，拌合用水量不宜过多。用水量过多，再生混合 料过稀，容易产生离析、流淌，而且不易压实：而用水量过少，不易拌和均匀、破乳过 快，也不易压实。 i 0 长安大学硕士学位论文 3 水泥用量 水泥是乳化沥青再生混合料路用性能的重要影响因素。乳化沥青混合料中的水泥， 不但起到了再生剂作用，同时也能起到矿料的作用。加入水泥之后，无论对乳化沥青混 合料早期强度还是后期最终强度都有较大的提高，说明由于水泥的存在能促使乳液尽快 破乳，有效提高了混合料早期强度，并改善了混合料的高温稳定性。 4 乳化沥青 用性能良好的乳化沥青拌制的混合料相应较好，也能够满足施工中各项要求。 5 集料级配 骨架一密实结构对早期和后期强度都有利，r a p 料的性能对混合料强度也是一个重 要影响因素。 6 压实 由于混合料中有较多水分和初始粘结力较低，必须采用一种合理的压实方式。试验 室中分两次击实，在施工中先轻压后重压。 2 2 3 水泥在乳化沥青再生混合料中的作用 研究表明，在乳化沥青冷再生中加入少量的水泥能有效的改善再生混合料的路用性 能，特别是提高路面早期强度，主要是因为水泥的粘结作用和水泥石的形成在初期几乎 已经完成，并且由此产生的强度在混合料强度中占相当大部分，后期强度主要是由沥青 粘结作用的继续发挥强度继续增大。因此，为了更直观的验证水泥在再生混合料初期的 作用，实验室做了如下对比试验： 试验条件：采用固定3 的油石比，分别掺加0 和2 的水泥用量； 养生条件：常温6 h 养生和7 天养生； 性能指标：肯塔堡飞散试验和马歇尔稳定度试验。 试验中进行6 h 养生是根据水泥的终凝时间确定，使水泥发生了一定水化作用后才 能更好的验证水泥的作用。 l 、肯塔堡飞散试验 借鉴评价热拌沥青混合料由于集料与沥青的粘结力不足而引起的集料脱落、掉粒、 坑槽等路面损坏时所采用的肯塔堡飞散试验，同时针对冷再生混合料的特点，对该试验 进行修正改。将试件直接放入洛杉矶磨耗试验机内进行试验，试验时间为5 m i n ，即洛 杉矶磨耗试验机以3 0 r r a i n 的速度旋转1 5 0 r 。采用该试验方法对所设计的乳化沥青冷再 第二章乳化沥青冷再生混合料的再生机理 生混合料进行初期抗松散性评价，试件的成型采用旋转压实，一组试件的数量不少于4 个。试验结果取平均值见表2 1 表2 1 肯德堡飞散试验结果 6 h 养生7 天养生 水泥用量 实验前质量试验后质量质量损失率 试验前质量 试验后质量质量损失率 0 4 9 4 3 21 2 4 0 57 4 9 4 8 8 7 1 3 9 4 6 41 9 2 2 4 9 5 0 62 0 6 3 95 8 3 4 8 9 6 4 4 1 5 4 11 5 2 从表中试验结果我们可以看出，不掺加水泥的试件经过6 h 养生后进行肯塔堡飞散 试验，试件基本上完全破碎，掺加2 水泥减少约1 4 的质量损失，这时候混合料的粘 结力主要依靠的是水泥水化作用后形成胶结物，由于水泥用量较少，所以强度提高不大； 7 天养生后，乳化沥青破乳形成一定的强度，不掺加水泥时，飞散试验质量损失约1 9 2 ， 掺加2 水泥后，对比不加水泥质量损失约减少2 1 3 ，因此，可以认为掺加水泥后， 能提高试件一定的初期抗松散能力。 2 、马歇尔稳定度试验 试验参照公路沥青与沥青混合料试验规程的“沥青混合料马歇尔稳定度试验 ， 将试件在常温下直接进行马歇尔试验，试验结果见表2 2 马歇尔稳定度( k n ) 水泥用量 6 h 养生7 天养生 0 9 62 36 7 2 3 19 6 从试验结果中，我们得出在不掺加水泥时，初步进行6 h 养生的试件强度较小，主 要来源于骨料的嵌挤和少量乳化沥青破乳产生的沥青微粒，掺加2 水泥后强度提高了 约3 4 5 ；经过7 天养生后，强度增长较快，掺加2 水泥的强度对比不加水泥提高了 约4 3 2 。因此，掺加一定量的水泥对冷再生混合料来说是有必要的，能提高再生料的 早期强度，能有效的缩短施工工期。 虽然水泥也是一种粘结料，但其在乳化沥青混合料中起到的作用不仅仅局限在粘结 作用，更对再生混合料的结构起到重大影响。因此，将水泥看作乳化沥青混合料的一种 添性剂更为合适。有关研究表明，水泥在再生料中所起的作用可以分为以下几个部分： ( 1 ) 水泥的水化作用 大部分水泥吸收再生混合料中的水分发生水化反应，并产生水化热，加速了乳化 沥青破乳和强度形成，缩短了强度形成时间，提高了再生混合料的早期强度，有效的缩 短了交通开放时间。而且水泥水化作用形成的主要产物是碱性的硅酸钙、铝酸该和氢氧 化钙，这些产物是主要的胶结成分，粘结、形成强度和体积变化主要由它们来控制，各 1 2 长安大学硕士学位论文 种水化产物可继续硬化并在混合料形成水泥石骨架。因此，水泥水化反应与乳化沥青破 乳形成沥青膜粘这种空间结构既保证了混合料具有足够的强度，又防止了高温情况下沥 青软化时混合料产生过大的变形。同时随着水泥水化反应的不断进行，生成的水化物切 断了混合料内部相连的空隙，形成均匀、密实、孔隙闭合的整体结构，提高了混合料的 总体强度和抗水剥落性。化学反应机理过程如下所示： 2 ( 3 c a o s i o z ) + 6 h 2 0 = 3 c a o 2 s 1 0 2 3 h 2 0 + 3 c a ( o h h 2 ( 2 c a o s i 0 2 ) + 4 h 2 0 = 3 c a o 2 s 1 0 2 3 h 2 0 + c a ( o h ) 2 3 c a o a j 2 0 3 + 6 h 2 0 = 3 c a o a 1 2 0 3 6 h 2 0 4 c a o a 1 2 0 3 。f e 2 0 3 + 2 c a ( o h ) 2 + 1 0 h 2 0 = 3 c a o a 1 2 0 3 。6 h 2 0 + 3 c a o f e 2 0 3 6 h 2 0 3 c a s 0 4 + 3 c a 0 。a 1 2 0 3 + 3 2 h 2 0 = 3 c a o a 1 2 0 3 3 c a s 0 4 3 2 h 2 0 关于水泥在再生混合料中作用机理，有国外学者对此进行了研究，虽然还有待进一 步深入，但目前的研究结果具有一定的参考价值。在 r e c y c l e dc r u s h e dc o n c r e t e s t a b i l i z e dw i t hc e m e n t a t i o n sb i n d e r ) ) 书中认为，在废旧沥青混合料中，旧沥青结合料己 经受过氧化作用，性能趋于稳定，再生利用后不会迅速变质；水泥水化时，水泥与旧沥 青层除物理吸附和化学吸附外，还可能发生化学反应。水泥的水化作用，主要是利用水 泥水化产物和其它可能的水泥沥青生成物形成的凝结力、旧沥青结合料的粘聚力组成复 合力，使再生材料能够满足路用性能的要求。 ( 2 ) 水泥在再生料中充当“矿粉 的作用 再生混合料中由于水分不足，一小部分水泥不能发生水化反应，在再生混合料中起 活性矿粉作用，使骨架更加合理化，并提高矿粉与沥青的粘结面积，形成一种薄膜结构， 大大提高了沥青与再生料间的粘附性。而且薄膜结构的存在起着隔离作用，能降低和阻 止沥青组分选择性的渗入矿物颗粒的微孔中，延缓再生沥青混合料的老化。因此，加入 水泥后再生混合料中乳化沥青用量比不加水泥时要少，一般情况下，普通乳化沥