（道路与铁道工程专业论文）沥青路面热再生机理及应用技术研究.pdf

摘要 本文以旧沥青路面材料性状测试与分析评价为出发点，结合沥青路面熟再生利用的不同工艺特 征，选用相应适合理论并设计系列模拟试验，分析研究了沥青路面熟再生机理：进而再以沥青路面 再生机理为基础，针对不同的旧沥青路面材料性状特征和热再生工艺特点，对再生沥青混合料材料 配比设计方法和混合料工艺性能进行了研究，并结合部分研究成果铺筑了沥青路面热再生实体工程。 第一章，通过沥青路面再生利用情况调研和相关文献检索，分析了我国进行沥青路面再生利用 工程和研究的必要性和迫切性，对国内外沥青路面再生利用概况、研究进展以及尚需研究的问题进 行了总结和评价，确定了论文的研究内容和关键技术路线。 第二章，以旧沥青粘结剂和旧沥青回收料两个不同层次为切入点，利用常规沥青试验仪器、s i - i r p 仪具和d s c 方法等测试手段。对旧沥青路面材料性状及其变迁规律、再生利用适用性等进行了测试、 分析和评价，由宏观到微观初步建立起旧沥青混合料再生利用指标评价体系，为进行旧沥青路面再 生机理研究和再生沥青混合料配比设计提供了基础依据。 第三章，从沥青粘结荆再生机理、再生剂作用机理以及沥青路面再生工艺特点三个层面，针对 沥青路面再生利用的材料形成机理，工艺工序特征和现场条件特性等进行了较深入分析。在再生沥 青粘结剂形成机理方面，依据对流传质理论、f i c k 理论、溶液理论和性能复合理论设计实施了一系 列模拟试验，对沥青路面熟再生机理进行定性分析和定量表征。在再生剂作用性状方面，设计了修 正的针入度试验，表征再生剂与旧沥青作用的温度敏感性，并用d s c 方法对再生剂与旧沥青作用后 的微观焓变性状进行了测试和分析。 第四章，依据沥青路面热再生机理，特别是性能复合理论与f i c k 理论，结合旧沥青材料粘结剂 老化性状和集料细化特征，考虑到热再生方法中材料添加工序、受热特性和设备工艺水平的不同， 从工程应用，材料组成和工艺性能三个层面逐步深入，对再生沥青混合料材料设计方法进行了分析 和研究，总结得出针对针入度、粘度和s h i l l 沥青指标等再生指标的旧料掺配率及新添粘结剂组分 材料组配模型。 第五章，首先重点分析了厂拌热再生和就地热再生两种再生方法的关键工艺与工序特征。然后， 依据不同再生方法的工艺特性和适用特点，分析总结了其路面层面针对性和工程应用特点，并根据 沥青路面不同的结构特点和损坏特性，总结提出了适合我国情况的沥青路面再生方法。最后，结合 郑漯路就地热再生和广佛路厂拌热再生项目，依据室内外测试结果，从原材料检验、材料配比设计、 拌和关键工序控制以及现场施工控制等几方面，探索实体工程再生工艺技术。 焓变 关键词：沥青路面；熟再生；工艺特点；机理；评价体系；再生适用性：模拟测试；材料设计 a b s t r a c t s t a r t e dw i t ha s p h a l tp a v e m e n tm a t e r i a lc h a r a c t e rt e s ta n da p p r a i s a l a n dw i t l lt h ec r a f tc h a r a c t e r i s t i c s o fa s p h a l tp a v e m e n tr e c y c l i n g ，t h i ss t u d ya n a l y z e dt h em e c h a n i s mo fa s p h a l tp a v e m e n th o tr e c y c l i n gb y c o r r e s p o n d i n gt h e o r ya n ds c f i 嚣s i m u l a t i o nt e s t t h a nb a s e do nt h em e c h a n i s mo fa s p h a l tp a v e m e n th o t r e c y c l i n g t h ep a p e rs t u d i e dt h em e t h o d si nm i x 嘶ed e s i g na n dt h em f ip e r f o r m a n c ef o ra s p h a l tp a v e m e n t h o tr e c y c l i n gc o n s i d e r e do fd i f f e r e n ta s p h a l tp a v e m e n tm a t e r i a l c h a r a c t e ra n dh o tr e c y c l i n gc r a f t c h a r a c t e r i s t i c l a s t l y , p r o j e c te n g i n e e r i n gf o ra s p h a l tp a v e m e n th o tr e c y c l i n gw a sp u ti np r a c t i c ea c c o r d i n g a sp a r t i a lr e s e a r c hr e s u l t si nt h i sp a p e r i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h r o u g hi n v e s t i g a t i o na n dl i t e r a t u r ea b o u ta s p h a l tp a v e m e n tr e c y c l i n g ，n e c e s s i t i e s o f t h en s eo f r e c y c l e da s p h a l tp a v e m e n tm a t e r i a l sw e r es t u d i e d i na d d i t i o n , d o m e s t i ca n do v e f s e a sp r o g r e s s a n dp r o b l e m st h a ts t i l ln e e d st os t u d ya b o u ta s p h a l tp a v e m e n tr e c y c l i n gw e r es u m m a r i z e da n de v a l u a t e d f i n a l l y , r e s e a r c hc o n t e n ta n dt e c h n i c a lr o u t e w e r ed e c i d e d i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h ed i s s e r t a t i o nt o o kt w od i f f e r e n tl e v e l so fa s p h a l tp a v e m e n t ，r e c y c l i n g m a t e r i a l sa n da g 酣a s p h a l ta st h eb r e a k t h r o u g hp o i n t ，a n dt h e nt e s t e da n da p p r a i s e dt h ec h a r a c t e r i s t i co f a s p h a l tp a v e m e n ta n da p p l i c a b i l i t yf o rr e c y c l i n gb ya s p h a l ti n d e x ，s h r pm e t h o da n dd s cm e t h o d t h e r e f o r ef o u n d e dp r e l i m i n a r i l yt h ei n d e xa p p r m s m gs y s t e mf o ra s p h a l tp a v e m e n tr e c y c l i n g , a n do f f e r e d t h eb a s l eb a s i sf o rt h es t u d yo fa s p h a l tp a v e m e n tr e c y c l i n gm e c h a n i s ma n dn d x t i l r ed e s i g no fr e c y c l e d a s p h a l tp a v e m e n t t i nt h et h i r dc h a p t e r , t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e dt h em i x t u r ef o r m i n gm e c h a n i s m , c r a f tm e c h a m s ma n d p l a c ec o n d i t i o nt r a i to i lt h r e ed i f f e r e n tl e v e l so fa s p h a l tb i n d e r , r e c y c l i n ga g e n t sa n dc r a f t a n dt h e n ， d e s i g n e das e r i e so f t r i a lf o rq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so na s p h a l tp a v e m e n tr e c y c l i n gm e c h a n i s m a c c o r d i n gt om a s st r a n s f e rt h e o r y , f i c k - t h e o r y , s o l u t i o nt h e o r ya n dc o m p o u n dt h e o r y ht h ef o u r t hc h a p t e r , b a s e do nt h em e c h a m s mo fa s p h a l tp a v e m e n th o tr e c y c l i n g , e s p e c i a l l yt h e c o m p o u n dt h e o r y , t h er e c y c l i n gi n i x t i l md e s i g nm e t h o d sw e s t u d i e d ，m e a n w h i l e 。t h ec h a r 础ro fa g e d a s p h a l tp a v e m e n tm a t e n a l ，e q u i p m e n tl e v e l s ，a n dt h ew o r k i n gw o c e d o r ew e r ec o n s i d e r e d f i n a l l y , t h e p a p e re d u c e dm a n ym o d e l sa b o u tt h em i x i n gr a t eo fa g e dm a t e r i a la n dv i r g i nm a t e n a l sf o rd i f f e r e n t r e c y c l i n gi n d e x i nt h ef i f t hc h a p t e r , t h et e c h n i c a lc r a f ta n dw o r k i n gp r o c e d u r eo fc e n t r a l p l a n tr e c y c l m ga n d h o t - i n - p l a c er e c y c h n gw e r es t u d i e df i r s t l y s e c o n d l y , t h er e s e a r c ha n a l y z e da p p l i c a b i l i t yo fd i f f e r e n t r e c y c l i n gm e t h o d so nd i f f e r e n tp a v e m e n tl a y e r sa n dp r o j e c ta p p l i c a t i o n , a n da c c o r d i n gt o t h ed i f f e r e n t s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd a m a g i n gc h a r a c t e r , t h ep a p e rs u m m a r i z e da s p h a l tp a v e m e n tr e c y c h n g m e t h o d st h a ts u i t e dm yn a t i o n a lc o n d i t i o n s f i n a l l y , b a s e do nt h et e s t i n ga n da n a l y t i cr e s u l t sa b o u ta s p h a l t p a v e m e n tr e c y c l i n g ，r e l yo nz h e n g - l u op r o j e c ta n dg u a n g f op r o j e c t , t h ed i s s e r t a t i o ne x p l o r e do n - t h e - s p o t p r o j e c tt e c h n o l o g yf r o ms e v e r a lr e s p e c t ss u c ha st h et e s to f v i r g i nm a t e n a l ，d e s i g no f m i x t u r ea n dc o n t r o lo f e r a f t s k e yw o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t ；h o tr e c y c h n g ；c r a f tc h a r a c t e r ；m e c h a n i s m ；e v a l u a t o rs y s t e m ； a p p l i c a b i l i t yf o rr e c y c l i n g ；s i m u l a t i n gt e s t ；m i x t u r ed e s i g n ；e n t h a l p yc h a r a c t e r 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：趣望日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 行业发展的可持续性迫切需要对沥青路面进行再生利用 近十余年来，我国公路建设事业迅速发展，截至2 0 0 4 年底”j ，公路通车里程已达1 8 5 6 万公里， 其中高速公路通车里程超过3 万4 千公里。在已通车里程中，沥青混凝土路面里程占到7 5 以上。 高等级沥青路面的设计寿命为1 5 年，但从我国实际情形看，大部分沥青混凝土路面在运营后，短的 2 3 年，长的8 1 0 年就进入大面积维修和改造期1 2 j 。因此，我国即将进入一个高等级公路大规模 维护期，并将持续相当长的时间。 目前，我国经济建设虽有了很大发展，但实力仍不雄厚，公路建设资金不能满足公路交通运输 事业迅速发展的需求。同时，国内生产的道路沥青供不应求，供应量还不足需求量的3 4 “。而常 规的沥青路面大修、重建等改造维护方法，耗用大量新沥青及砂石等限量资源，占用较多的公路工 程建设资金。从材料性状角度，无论将沥青视为具有可调合的多相平衡体系的胶体结构，还是具有 溶解、沉淀等热力学可逆过程的高分子聚合物1 4 ，老化没有改变沥青的结构特征本质，由此赋予了 旧沥青材料是一种可以进行再生设计与利用的材料资源。因此，对沥青路面进行再生利用的改造方 法是可行的，是缓解公路建养资金短缺矛盾，提高和完善公路网络服务水平的有效途径。 以高等级公路沥青路面面层使用寿命为8 年计，那么现在翻修的高等级沥青路面里程则为8 年 前新增加的通车里程1 6 万公里【3 】，折合为旧沥青材料约8 0 0 0 万吨。如果将这些旧料全部作为垃圾 处理，政府每年仅支付垃圾消纳费就超过2 0 亿元，而如果将这些沥青旧料加以再生利用，按每吨节 省成本3 0 元计则能够节省直接费用约2 4 亿元，而且该数字还在以1 0 以上的速度增加。另外， 如果再考虑大量城市道路沥青路面和较低等级沥青路面的再生利用，经济效益更趋显著。 根据国外的经验【6 】，对旧沥青路面进行厂拌热再生利用，当旧料掺加比例为2 0 5 0 ，节省 费用相应为1 4 3 4 ；采用就地热再生工艺时，费用节省为1 7 5 0 l ，j ；采用就地冷再生工艺 时，节省的费用一般在6 6 7 闻。我国在2 0 世纪8 0 年代的经验表明m ，与铺筑新沥青路面相比 较，铺筑再生沥青路面，其材料费平均节约4 5 5 0 ；考虑翻挖路面、破碎、过筛、添加再生剂 等需要增加的费用时，工程造价降低2 0 2 5 。 可以看出，对旧沥青路面进行再生利用，蕴含巨大的经济效益，顺应交通行业建设可持续发展 的战略举措。由此，在我国高等级公路大规模维护初期，针对沥青路面再生应用技术进行相关研究， 对促进该技术在我国的成功运用、推广和普及，意义重大、影响深远。 1 1 2 对沥青路面再生利用也是生态环境可持续性的战略体现 遗弃废旧的沥青混凝土，不仅占用大量的场地，而且沥青材料属于不可降解物质，由此会造成 大面积的环境污染和地表水污染；如果将其废置于公路沿线，还会对公路的边坡及绿化环境造成长 期的危害。同时，为了获取新的砂石材料，又得大规模的开山挖地，或从几百公里以外运输砂石料。 这不仅消耗了大量人力、物力和财力，也破坏了生态环境。而沥青路面再生利用技术，使用大量的 旧料，有利于生态环境的保护，能够产生良好的社会效益，是应该值得大力应用和推广的。 交通部文件( 交公路发 2 0 0 4 1 4 5 号) 【l q 中明确指出，公路建设总体设计应“明确各专业间设计 界面与衔接方式：提出运营期工程结构的耐久性、车辆行驶的安全性、养护维修的可行性，防灾减 灾的有效性等问题的解决方案；优先采用有利于生态保护的建设方案。”，在交通科技发展战略方面， 也指出了“耐久再循环使用和合成材料道路”以及“绿色交通技术”的发展方向。这从社会效益全 局的高度阐明了公路建设方案的指导思想。而进行沥青路面再生利用及其应用技术研究，不仅能增 加路面结构的耐久性，使路面养护维修更加方便可行。而且更有利于生态环境保护，是社会经济效 东南大学博士学位论文 益极大化指导思想下公路建设的具体实践。 1 1 3 合理利用旧沥青料特性，改善沥青路面相应使用性能 沥青混凝土路面的使用性能为一多指标综合体系，许多性能指标之间相互抵触，并且受交通荷 载、气候条件等影响较大。掺有旧沥青材料的再生沥青混合科的生产工艺、性状、性能与常规沥青 混合料存有不同。文献 1 l 】表明。再生沥青路面的温度敏感性较低，并且，沥青混合料中少量的回 收旧路面材料可以大大改善路面的抗变形能力。资料 1 2 1 也显示。美国最初对旧沥青路面再生利用 感兴趣的原因之一是再生后道路结构性能的改善。美国s u p e r p a v e ( s u p e r i o rp e r f o n m n ga s p h a l t p a v e m e n t ) 路面中使用回收旧料的原因中也提到旧沥青材料有自已独特良好的性能，如果进行针对 性设计会提高再生沥青路面的使用性能b 3 。因此，如果能根据具体气候和荷载条件下路面材料的性 能要求，充分设计、利用旧料某些特性，如旧沥青较好的高温稳定性能、温度敏感性能等，无疑将 能够改善沥青路面材料诸如高温抗变形能力等的特定性能，使其更加适应特定地区条件的使用需求。 1 1 4 充分调配与使用沥青旧料，提高整个公路网络服务质量 沥青路面不同老化程度的沥青旧料，经过试验研究，掺加适合的，必要的粘结剂和骨料，既可 再生用于沥青面层混合料，也可再生用于基层混合料，包括形成碎石含量较高、配比适当，整体性 能较好的半刚性基层材料，以及抗裂、防水等性能较好的柔性基层路面结构，由此构造适用于不同 等级、不同性能要求的沥青路面。另外，高等级沥青路面过剩的和老化较严重的旧料经回收与再生 利用，可铺筑用于邻近中低级道路路面面层及基层，大幅度地、及时地改善相邻路网中低级路面的 路况。以充分利用现有资源，节省建设及维修资金，提高整个公路网络服务质量。 当人类进入新千年的时候，能源供给正逐渐枯竭，各个行业加紧寻求节约能源策略和替代能源， 以谋求行业和社会的可持续发展。1 9 9 7 年，位于巴黎的智囊组织国际能源机构( i n t e r n a t i o n a l e n e r g ya g e n c y ，l e a ) 预言，到2 0 1 0 年，世界石油的需求会上涨3 0 ，亚洲，尤其是中国将是世界 石油的头号消费者，此后不久，是石油供应趋于停滞”q 。因此，作为石油副产品的沥青的供应 形式同样不容乐观，我们应大力发展沥青再生应用技术，节约能源，保护环境，最大限度地促进公 路交通行业的可持续发展。鉴于以上原因，国家科技部在8 6 3 科技攻关项目新材料技术领域设立了 沥青路面再生应用技术研究课题透水性路面用复合改性沥青及再生沥青混合料技术( 项目编 号2 0 0 2 从3 3 5 l o o ) ，这也是本论文研究的依托课题。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 沥青路面再生利用概况 ( 1 ) 国外沥青路面再生应用概况 对沥青路面有文字记载的再生利用，可追溯到美国人w a r r e nb r o t h e r s 在1 9 1 5 年进行的工厂内 对旧沥青层块的加热与重新利用。并“取得了较好使用效果以及节省了可观的费用” 1 5 1 。 1 9 5 6 年以后。随着美国州际公路网络的初步形成以及原油价格的上涨，沥青路面养护与再生技 术逐渐被重视起来l j 。1 9 7 4 年，美国再生利用了约5 0 0 0 吨回收旧料。1 9 8 1 年，美国4 0 个州共使 用了3 5 0 万吨再生沥青混合料。到1 9 8 5 年，美国使用了近2 亿吨再生沥青混合料，占全部路用沥青 混凝土的1 2 1 9 j 。随着铣刨、破碎等机械装置的发展，旧沥青路面一次铣刨深度在逐步增加。同时， 新技术的进步也使得在不太高的温度下能使新旧科拌和充分l l ”。所有这些更加促进了再生技术的推 广和应用。九十年代，美、德等国旧沥青混凝土的再生利用率都在9 0 以上，1 9 9 4 年美国各州使用 回收旧沥青而节约的费用达3 亿美元l l “。美国联邦公路局( f h w a ) 1 9 9 8 年公布的资料表明，所有 5 0 个州的政府公路局几乎都将沥青路面旧料作为骨料及粘结料的代替材料，用以生产与传统沥青混 凝土品质相同的热拌再生沥青混凝土，其中旧料的添加量随各州政府规范而异，一般在l o 至5 0 2 第一章绪论 之间。近年来，加利福尼亚州在厂拌热再生中，应用了微波技术和高速热气流传热再生新技术， 旧料的掺加率达到了9 0 l o o l j 7 】1 1 9 o 日本从1 9 7 6 年开始对旧沥青路面材料进行再生利用1 9 j ，由于能源相对匮乏，政府很重视这项技 术的研究与应用，还根据使用旧沥青材料数量的多少，给施工企业予以资金补助。1 9 0 3 年，全日本 旧沥青路面材料的再生利用率为7 8 ，2 0 0 0 年再生利用率已达到9 0 。全日本近两千台沥青混合 料拌和设备中，一半以上可以生产再生沥青混合料。2 0 0 2 年，日本再生的热拌沥青混合料达4 1 6 7 万吨，占路面沥青混合料应用奄的5 5 w 。 西欧国家也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 年州，沥青路面旧料回收利用率已接近1 0 0 ，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路面材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 ) 已通过互联网宣布【，其成员国的旧沥青路面材料1 0 0 通过再生进行重复利用。 前苏联很早就对沥青路面再生技术进行了研究，但实际应用相对较少。1 9 7 9 年前苏联出版了旧 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 】。近年来，俄罗斯沥青路面再生利用技术发展较快， 并在生产中广为应用，仅圣彼得堡市因推广沥青路面再生技术每年就可节约沥青达1 4 0 0 吨之多o 。 在节省费用方面，比利时的统计表明，再生沥青混合料比普通沥青混合料节省直接费用在1 2 左右；日本的统计资料显示是5 1 0 【”。在服务寿命方面，美国认为i l q ，就地热再生为4 8 年，厂拌热再生路面1 0 2 0 年，就地冷再生路面l o 1 5 年。 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，其中沥青路面再生利用的基本情况为j ： 旧沥青路面材料的再生利用率为7 5 l o o ； 热再生技术应用最为普遍，再生材料主要用于路面面层结构，极少用作回填材料和其他用途； 不论是集中厂拌还是就地方法，冷再生技术推广程度较低； 就地热再生技术得到较多国家采用，但只有少数国家推广程度较高。 从欧美等发达国家沥青路面再生利用技术状况来看，他们都特别重视沥青路面再生技术实用性 的研究和推广，在再生剂开发以及实际工程应用中的各种挖掘、铣刨、破碎、拌和等机械设备的研 制方面都取得了很大的成就，正逐步形成一套比较完整的、适合自己情况的沥青路面再生实用技术。 ( 2 ) 国内沥青路面再生应用概况 二十世纪五十到七十年代，我国曾在不同程度上利用过旧沥青材料，但一般只用于轻交通道路、 人行道或道路的垫层。七十年代初期，山西、湖北等省的公路养护部门，将开挖的旧沥青面层用于 维修改造时的基层。湖南省公路部门将乳化沥青加入旧渣油表处面层材料，并分别用拌和法和层铺 法修筑了试验路，证明了旧路材料再生利用的技术可行性和经济可行性例。1 9 8 2 年，交通部设立沥 青渣油路面再生利用课题，对沥青路面的再生机理、再生设计方法与工艺等进行了研究。1 9 8 3 年建 设部下达的“废旧沥青混合料再生利用”项目研究中，把旧渣油路面加入适当的轻油使之软化，采 用适当改装的普通设备进行混合料的拌和，并在苏州，武汉，天津、南京四个城市铺筑了三万多平 方米的试验路【9 】。但是，由于当时的生产工艺很不成熟，没有合适的再生机械，更没有足够的资金 支持，造成沥青路面再生利用投资大、收益慢，而且再生沥青混合料的质量得不到保证，因此该项 技术没有推广起来，甚至许多地方将已改装建成的再生设备相继拆除。 八十年代后期，我国开始进行大规模的新修公路建设，沥青路面再生利用技术研究的深化与延 伸也一直处于停滞状态。直到九十年代中后期，早期建成的大量高等级沥青路面陆续进入大修或改 建阶段，沥青路面再生利用技术才重新引起广泛重视。如，1 9 9 2 年同济大学在槐阜路采用阳离子乳 化沥青进行冷法再生沥青路面试验埘】；1 9 9 6 年，湖南省公路部门在低等级旧路改造中使用废机油 东南大学博士学位论文 作为再生剂进行了沥青路面再生利用的应用研究；1 9 9 7 年，江苏淮阴市公路处用乳化沥青冷法再生 旧料后铺筑路面等。随着我国高等级沥青路面维修养护量的不断增加，对沥青路面旧料的再生技术 研究正逐步深入化，系统化。如，2 0 0 0 年沈大高速公路营口段沥青路面再生试验 2 4 1 ；黄晓明等o j l 针对克拉玛依 1 1 - 7 0 沥青研制出 、b 型再生剂。2 0 0 3 年，广佛高速公路路面大修中。沥青下面层 设计采用了旧料掺量为2 0 的再生沥青混合料【2 l 】；同年6 月至8 月口”，上海浦东路桥建设公司利用 就地热再生技术对沪宁高速公路上海段的沥青路面上面层进行了再生修复。 我国政府相关部门对沥青路面的再生利用也相当重视，原国家经贸委办公厅转发的财政部，国 家税务总局联合发布的文件中明确规定，自2 0 0 1 年1 月1 日起，掺加不少于3 0 的旧沥青路面材 料而生产的再生混合料，可以享受增值税即征即退的优惠政策【，j 。新近颁布的公路沥青路面养护 技术规范已提及再生沥青混合料级配及技术标准等相关内容。 可以看出，我国早期对旧沥青路面进行再生的研究和应用，只是限于当时的渣油低级路面，方 法也多为冷再生方法。另外，由于缺乏必要的理论指导及合适的再生剂和机械设备的支持，没有形 成指导性的标准及规范。如今，高等级路面比重迅速增加，其中的沥青质量、集料质量都大大提高， 相应的材料技术、机械设备、施工技术、复合改性技术等也都有较大发展。故针对目前情况，结合 引进的再生设备特点与水平，考虑到普通沥青生产设备进行改装的方向及可行性，研究大掺量、高 性能、适合我国国情的沥青路面再生利用技术是紧迫的、可行的。较为系统的研究，将为制订沥青 路面再生利用的技术标准和施工规范提供依据，为该项技术的应用和推广提供技术支撑，达到节省 有限工程资金，节约限量能源与资源，保护生态环境的课题立项目的。 1 2 2 沥青路面再生利用研究现状 ( 1 ) 旧沥青材料老化性状及再生适用性评价 沥青老化的微观性状及性能评价 材料组分微观构成的变化会导致使用性能的变化，对沥青也是如此。但是，研究表明，沥青的 微观组分构成与其路用性能仅有大致的对应关系“。故而，由老化沥青的组分构成及掺加再生剂后 组分构成的变化很难较准确判断沥青的路用性能，并且沥青组分构成的测试也较为繁琐。在沥青质 和软沥青质的溶解度方面，虽然有文献提出0 7 6 的溶解度差作为沥青性能优劣的界限”1 ，但从测试 手段及准确程度等方面出发，离真正将其应用于实际工程还有较大距离。 当沥青用作路面材料时，沥青粘结剂的热特性对混合料的力学特性产生非常重要的影响。其中， 和沥青的低温性能有关的玻璃化转变点的测定尤为重要”。s c m i d t 和s a n t u c c i 利用测出的5 2 种道 路沥青的玻璃化转变温度及w l f 经验式，求出了沥青在2 5 、5 、4 时的粘度。 沥青路面再生主要是沥青粘结剂的再生，而据以上分析，玻璃化转变温度是沥青性状较为重要 和易于测试的微观表征指标。并且，在再生过程中，沥青低温性能的恢复非常关键，因此，研究原 始沥青、老化沥青、再生沥青甚至再生剂的玻璃化转变温度等焓变规律有较好的实际意义。 氧和温度是影响沥青老化的主要因素。试验表明1 4 j ，沥青路面长时间处在日光照射之下，光对 表征沥青老化指标的相对羰基指数影响明显。但根据m a t i n 的研究结果p j ，即使是5 5 0 m 波长的 紫外线，射入沥青的深度也只有0 i n u n 左右，就算考虑到老化了的沥青分子会向内部扩散，紫外线 对沥青老化的影响也只能发生在沥青表层的l m m 范围内。因此，室内短期老化和长期老化试验没 有考虑光的影响，是符合实际情况的。但是，道路沥青在使用过程中经常遇到雨水及地下水的作用， 该作用一般贯穿整个沥青面层，所以在沥青的长期老化试验中考虑水的影响是有实际意义并值得研 究的。鉴于目前尚无水分对沥青老化性能影响的报道，本文拟设计试验，进行水分与热、氧综合老 化方面的探索。 沥青老化性能的评价主要是通过比较沥青老化前后性质变化的幅度进行的。目前，室内短期老 化和长期老化模拟试验已相对成熟，国内在应用模拟试验测试沥青常规指标变化规律方面较多，而 4 第一章绪论 测试沥青老化过程中s h r p 沥青指标变化规律方面较少。本文试用s h r p 系列仪器进行道路沥青老化 指标的测试与评价，并且，试图设计考虑到热、氧和水分因素的综合老化方法。 路面旧料的再生适用性评价 郭忠印印1 等人研究分析认为，由于沥青路面结构一般分为上面层、中面层和下面层，各层的厚度和 材料组成都可能不一样，所用的集料品种也不相同，在进行旧料再生利用时，没有可能也没有必要将各层 分开使用。由此，对旧料进行评价时，应是对整个旧沥青面层混合料进行取样评价。在具体评价指标上， 对旧沥青有软化点、针入度和6 0 c 粘度等，对旧集科有级配组成、颗粒形状、压碎值和毛体积密度等。 1 9 9 2 年通车的江苏宁连公路马武段，原始沥青为克拉玛依a h 7 0 ，1 9 9 9 年回收沥青的2 5 ( 3 针入 度为3 5 4 2 ，1 5 c 延度为2 0 4 0 c m 。北京市对不同年代修建的城市道路旧料进行沥青抽提检测表明 【3 “，运营1 0 1 5 年旧路的沥青针入度一般在3 0 4 0 ，软化点一般在5 0 6 0 c ，2 5 ( 2 延度离散较大， 一般在1 0 5 0 c = 。单纯从性能指标来看，无论是公路，还是城市道路，1 日料中旧沥青的可利用价值 都比较高。 同济大学吕伟民等人的研究测试表明【9 】，回收的旧集料中，矿质颗粒都明显地发生破碎，粉料增多。 但是。矿质颗粒的细化并不随路面使用年限的增加而加剧，而是随着时间的延长而减缓。集料的细化在路 面使用的前期就已经完成，其随时间细化的程度逐渐减缓，是因为集料一旦破碎，就使颗粒之间的接触点 增加，接触应力减小。另外，不同的铣刨回收方式也会对集料的细化产生一定的影响。 美国s u p e r p a v e 相关路面再生利用的设计方法中，与旧料评价相关最大的是旧沥青粘结剂高、 中和低控制温度的测试。式卜1 所示为旧沥青高温控制温度计算式。 丁( 胁助) ：l o g ( 1 0 0 ) - l o g ( g i ) - i - 正 ( 卜1 ) 一 k a 。 式中：g 1 g s i n 艿在温度为正时对应的数值，h a ； z g 。s i n 占值最接近1 0 0 k p a 时的测试温度5 口g s i n 5 曲线在温度为z 点的斜率。 利用旧沥青的高、中和低控制温度指标值，可进行新沥青等级或旧料掺配率的计算。 p e d r o “1 1 研究认为，回收旧料颗粒的最大粒径应受到一定限制，并满足混合料相关规范。同时， 监控料场旧料的含水量和离柝情况，以及旧沥青粘度情况非常重要。另外，旧路芯样状况及其毛体 积密度的测试也会对评价旧料有一定的帮助。 国外多数国家认为对新集料级配的要求同样适于旧回收集料。荷兰【1 q 等国家规定用于再生的旧沥青 集料中的水泥块、基层材料，砖块等杂物含量小于5 ，塑料、木块等致污物含量小于0 1 ( 体积比) 。 欧洲一些国家对旧沥青集料的均匀性作目测检查，通过均匀性检查后，再进行旧沥青含量、旧集料级配、 旧沥青针入度和针入度指数的测试。德国甚至认为，旧科均匀性决定着其掺配率的大小。 综合来看，国内外对旧沥青混合料性状的测试较多，但评价落脚点基本偏重于旧料性状关联其在原路 中的服务特性，如旧沥青针入度衰减程度与路面抗裂特性等，针对再生利用方面的指标评价体系很不完善。 从材料组成方面讲，再生沥青混合料与普通沥青混合料的区别主要表现在两方面：一是其粘结剂中相当一 部分是老化沥青，二是由于养护、铣刨、料源的变异，致使其组成组分有较大的变异和不可控性。由此， 根据回收旧料特性，从再生利用角度分析其再生适用性，并针对再生应用特点和要求。从集料和沥青粘结 剂等方面分析和建立旧料性状指标评价体系非常重要，这也是论文该部分研究的目的所在。 ( 2 ) 旧沥青粘结剂及混台捌再生机理 再生过程中粘结剂的混溶情况 在再生沥青混合料性能方面，以及路面使用性能方面，国外诸多研究”钲明了r a p 的“非黑石“ 作用，其中的旧沥青仍起到粘结剂作用，与新沥青、再生剂一起构成再生沥青混合料的粘结剂。如 5 东南大学博士学位论文 图i - i 所示，新沥青混合料与旧料混合后的性能更接近新粘结剂与旧粘结剂完全混溶后再与骨料拌 和后混合料的性能。 0 0 4 制o 0 3 爿 暴o 0 2 剥 00 1 0 ，一一， 厂一f 曩一l 三二纛。 旷 - 一咄a c t u a 】m i 础a c t 。l c e ol o 2 0 0 03 0 0 04 0 0 0 5 0 0 0 荷载作用次数( 次) 圈1 - 1 不同情形下再生沥青混合料的荷载试验结果( r a p 掺量4 0 ) 然而，美国田纳西州大学b a o s h a n h u a n g 删经过室内试验表明，拌和后，在旧集料表面粘结剂薄膜内 侧仍有5 0 左右的沥青性质接近旧沥青性质。b a o s h a n h u a n g 综合分析得出，旧料基本在起着“填充黑石” 的作用。r o b e r tk j 分析了当前的研究现状后指出，直到现在，新沥青和旧沥青在整个再生应用过 程中的机理还远没有弄清楚。 旧沥青的再生可通过三种方法来进行p 9 1 ：分散沥青质；增加软沥青质的溶解能力；解聚 沥青质。m o h a m e d 在进行了大量的试验后指出，再生时旧料中老化沥青的再生速率难以测知，估计通过 受热、搅拌以及接触时间等工艺的控制，可以较好地完成再生过程。 美国田纳西州大学b a o s h a nh u a n g 4 0 1 灏j 试表明，在旧沥青混合料再生过程中，只有一小部分( 约1 l 左右) 旧沥青混合到新添粘结剂中，其余大部分仍以较粘稠的形式裹覆在旧集料表面。 可以看出，拌制条件( 包括工序、再生剂类别、温度等) 是再生沥青混合料粘结剂形成的影响 因素，但每个因素所提供的影响有多大，如何最化，有必要设计试验进行测试与分析。鉴于此，依 据沥青再生过程的工艺工序，设计模拟试验或进行现场实测，测试在不同工艺条件下再生粘结剂的 混溶、组成情况，判断粘结剂能否达到混溶、怎样达到混溶，对探讨再生机理、指导再生混合料设 计及施工工艺设计等都非常有实际意义。 再生剂的作用特征 从高分子溶液的角度来看，沥青再生就是老化( 沥青溶度参数发生变化) 的逆过程，也就是调 合沥青溶液溶度参数的过程。也即，采取一定的技术措施，使已老化的沥青中沥青质的溶度参数与 软沥青质溶度参数的差值减小最终使老化沥青的路用性能得到改善和恢复。 考虑剑不同性质沥青及其沥青质密度的差异，以及软沥青质和稀释剂粘度的不同，为方便工程 应用，吕伟民p 1 等人根据s t o k e 定理提出采用“当量直径”( 见式i - 2 ) 指标来表征新、旧沥青及 再生剂之间的相容性，为在再生过程中选用再生剂及新沥青提供依据。 d = 2 式中：d 沥青粘结剂当量直径，c m ； u 沉降速度，c m s ； 刀软沥青质加稀释剂混合后的粘度，d p a s ； 6 ( 1 - 2 ) 第一章绪论 g 重力加速度； 几、见沥青质、软沥青质的密度，g c m 3 。 d a v i d s o n 4 2 等人将再生剂的作用视为“稀释”的过程，他们在再生剂中掺加少量在紫外线下发 荧光的粉剂，然后将适量再生剂浇洒到经过烘箱老化的马歇尔试件上，在紫外线下观测再生剂对沥 青混合料的浸透、稀释情况。测试结果表明，整个试件浸透平衡的时间与再生剂用量成反比，在再 生剂用量占沥青量1 3 5 2 范围，整个浸润过程需要时间1 4 4 h 到4 8 h 。 r o b e r tk a r l s s o n 1 等人采用傅立叶红外电镜方法研究了再生剂在不同品种沥青中的扩散情况， 并得出：环境温度、沥青膜厚和沥青组分构成等是影响扩散速率的因素；沥青中极性键c = 0 性状 的变化对研究扩散很有意义；扩散过程可用f i c k 定律模型来表征。 一定的高温和短暂的拌和仅使再生剂对旧沥青料裹覆均匀，而接下来扩散的时间是真正均匀的 外因，溶液相容性是真正均匀的内因。c a r p e n t e r 4 3 1 的研究表明，再生沥青混合料试件的回弹模量 随放置时闻不同有较大的变化，这从宏观性能方面证明了再生剂对旧沥青的扩散作用随时间的延长 而发生变化。 但是，可以看出，无论从溶度参数角度、。当量直径”方法还是傅立叶红外电镜方法，都需要特 殊仪器才能进行，一般试验室难以做到。因此，针对具体工程实际应用，应寻找相对简单易行的测 试方法。 沥青组分构成的改善与再生 在沥青的组成中，沥青质和胶质是构成沥青的骨架，饱和分和芳香分是沥青质和胶质的软化剂， 四组分各有各的功能，都是构成沥青的必不可少的组分。进一步研究表明“”，在沥青组分构成方面， 单一组分对沥青路用性能指标有单调定性的影响关系，沥青适宜的路用性能对应一定的组分配比范 围。但由于沥青基属、油源的不