（道路与铁道工程专业论文）沥青路面热再生技术研究.pdf

摘要 沥青混合料的再生利用，目前在国内还处于初级阶段。我国在八十年代曾进 行过低等级沥青路面的再生利用，本文在继承原有部分成果的基础上，继续对厂 拌热再生技术进行了研究，从当前国内外的研究现状出发，通过对沥青老化规律 和再生机理的分析，探明了沥青再生的科学途径。 文中进行了废旧沥青混合料的评价、矿料及沥青的再生研究，对再生沥青混 合料和普通沥青混合料配合比设计的异同做了比较，分析研究了再生料的路用性 能随旧料掺配率的变化规律及级配对其性能的影响，研究分析了影响再生效果的 诸多因素。在分析研究再生沥青混合料的施工工艺的基础上，提出了旧料回收和 处理的方法及提高旧料加热温度的建议。经试验证明，再生沥青混合料具有良好 的使用性能。 文中最后对热再生技术的经济效益进行了分析。 关键词：路面再生厂拌热再生沥青混凝土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 i ti san e wt o p i co nt h er e c y c l i n go fa s p h a l tm i x n 】r ep r e s e n t l yi nc h i n a l o w 孕a d ea s p h a l tp a v e m e n th a db e e nr e c l a i m e da n du t i l i z e di no u rc o u n t r yi n19 8 0 s 0 n t h eb a s eo ft h ep r e v i o u sp a r t i a lh a r v e s t ，t h i st h e s i sm n h e rs t u d i e st 1 1 eh o tm i x ( c e n t r a l ) p l a n tr e c y c l i n g1 i e c h n o l o g y b a s e do nt h ep r e s e ms i t u a t i o no ft l l ea s p h a l tc o n c r e t e s u r f k er e c y c l i n gt e c h l l o l o g y ，t 1 1 r o u g hm ea 1 1 a l y s i so fa s p h a l ta g i n ga 1 1 d r c c y c l i n g m e c h a n i s m ，as c i e n t i 6 ca p p r o a c ho f a s p h a l tr e c y c l i n gi sp r o v e du p t h ep a p e rs t l l d i e sh o wt oe s t i m a t eq u a i i t yo fo l dm i x t u r ea j l ds t u d i e sa g g r e g a t e r e c y c l i n ga i l da s p h a l tr e c y c l i n g n e x tt 1 1 et 1 1 e s i sc o m p a r e st l l ed e s i g n ss i m i l a r i t i e sa 1 1 d d i f r e r e n c e so fh o ta s p h a l tr e c y c l e di i l i x t u r ea n dc o m m o na s p h a l tm i x t u r e ，a n a l y z e sa g o o dm a n yf a c t o r s 血a t 斌b c tr e c y d i n ge f f e c ta n dr e s e a r c h e sm ev a r i e t yl a wo fm e p e r f o m l a n c eo fh o ta s p h a l tr e c y c l e dm i x t u r ed e p e n d e mo nt h ep r o p o n i o no fo l d m i x n l r ea n dm ei n f e c t i o no ft 1 1 eg r a d et om ep e r f b m a l l c e b a s e do nm ea l l a l y s i sa 1 1 d r e s e a r c ho ft l l ec o n s n u c t i o nt e c l l i l i c so fh o ta s p h a l tr e c y c l e dm i x t i l r e ，m ep a p e rp u t s f o n v a r dt l l em e m o d so ft l l e0 1 dm i x t u r er e c y c l i n ga n dd i s p o s i n g ，a i l db r i n g sf o n v a r d t h ea d v i c eo fi n c r e a s i n gt 1 1 et e m p e r a t i l r co ft 1 1 eo l dm i x t i l r e m a i l yt e s t ss h o wt l l a tt h e r e c y c l e dm i x n l r eh a sg o o dr o a dc h a r a c t e r s i ta l s oa n a l y z c st 1 1 ee c o n o m i c a la l l ds o c i a lr c s u l t so f t l l eh o tm i x ( c e n 订a 1 ) p l a n t r e c y c l i n gt e c l l i l o l o g ) ra t1 a s t k e y w o r d s ：r o a ds u r f a c er e c y c l i n g h o tm i xp l a n tr e c y c l i n g r e c y c l e dm i x t l l r co f a 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 i l i s m p m p o n i o no f o l d m i x t u r ec o n s t m c t i o nt e c h n i c s 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： 和橱 如。z 年占月f 毕日 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： 导师签名： 诺爝 够童磊 抑e 年月弹日 6 年月，p 日 第一章绪论 沥青路面经过一定年限的使用，受交通应力、循环应力等的影响，其使用性 能会出现衰减。因此，现己修筑好的高等级道路路面必须定期进行路网的养护及 改造。在路网的养护及改造过程中，由于原沥青路面中沥青老化、结构损坏，其 功能性使用性能( 即平整度、摩擦系数、构造深度、噪声等) 与结构性使用性能 ( 疲劳、车辙、低温开裂、水损害与老化) 的指标均不合格，需重新恢复。当病 害较轻时，我们可以使用局部修补、微表处或者罩面等处理方式，但当病害较重 时，这几种处理方式已经不能满足养护需要，我们维护处理的方法就要对出现病 害的沥青路面部分进行铣刨( 刨除的厚度视具体情况而定) 后重新铺筑沥青混凝 土。但刨除旧路面，用新沥青混合料重新铺筑成本太高，且造成对旧沥青混合料 的巨大浪费，同时会造成对环境的污染。因此，如何更有效地利用这些废弃物即 废旧沥青混合料的再生技术就成了当今世界的一大课题。 1 1 课题的提出及研究意义 近几年来我国许多道路进入大修期，而那些十几年前甚至几十年前铺筑的沥 青混合料已超期服役，严重老化。如何处理和利用好这些堆积如山的废1 日沥青混 合料是国内有关部门所面临的重大问题。能够合理有效地利用好这些废旧沥青混 合料这对我国是有着重大的政治和经济意义的。 再生沥青混合料应用技术，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。 研究该技术意义重大，可以从下面两个方面进行说明： 一、节约资源 沥青再生技术能最大限度利用废旧混合料，直接节省大量的砂石料和沥青资 源：同时有效节约开采砂石料和废弃旧料占用的大量土地资源。我国石油沥青人 均产量很低，仅相当于美国的六十分之一( 1 9 9 6 年统计数据) ，而且利用国产原 油炼制的沥青普遍存在沥青质低、蜡含量高、胶质多、芳香分少、饱和分多的特 点，大多满足不了重交通石油沥青的路用性能技术要求。因此，适用于高级路面 的国产沥青的缺口很大，需大量进口沥青和适宜炼制沥青的原油，而且价格居高 不下，进口沥青价格达到国际市场的两倍以上。可见重复利用沥青，节约沥青资 源在我国具有非常重要的意义。在我国许多地区，适用于铺设高级沥青混凝土路 面的玄武岩、辉绿岩、安山岩等石料也是非常稀缺的资源，为保证工程质量，有 时不得不到数百公里以外开采，远途运输大大提高了石料单价，如果不重复利用 这些昂贵的石料，每次翻修路面将带来沉重的经济负担。同时沥青再生技术在节 约土地资源方面的作用也不容忽视。此外，经济发达地区的公路密度大，交通量 也较大，因此沥青混凝土路面翻修的频率较高，产生的废料相对较多，如果不利 用沥青再生技术重复利用沥青混合料，废弃旧料和新开采砂石料将占用经济发达 地区大量寸土寸金的土地。 特别是我国在上世纪9 0 年代以后陆续建成的高速公路己进入大、中修期。 按照沥青的设计寿命( 1 5 2 0 年) 计算，从现在起，第5 年有1 2 的沥青路面 需要翻修，旧沥青废弃量将达到每年2 2 0 万吨，如能加以利用，每年可节省材料 费3 5 亿人民币，而这个数字是以每年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。目前我国还没有完全掌握旧沥青混凝土的再生技术，这些为数 巨大的沥青混凝土层翻挖后只能白白的废弃掉，这不仅浪费了资源，也对环境造 成了严重的污染。 二、环境保护 沥青再生技术通过重复利用沥青混合料，防止沥青混凝土废料对弃置场所及 其周边环境的污染，同时通过减少石料的开采，能有效保护林地，维护自然景观 和生态环境。目前普遍用于路面工程的石油沥青是利用原油炼制的碳氢化合物， 具有优良的粘附性、防水性和耐久性，其主要元素除碳和氢外，硫的含量占第三 位。虽然有关资料显示石油沥青不含致癌物质，但其化学惰性使其难于降解，长 期影响堆填区及其周边的生态和居民食物和饮水健康。因此，不妥善解决沥青混 凝土废料的处置问题，就无法满足环保要求。在经济发达地区，随着环保要求的 提高，石料开采场被陆续关闭，以防止破坏环境，如果不发展沥青再生技术，重 复利用石料，上述措施将难以奏效。在欧、美、日等发达国家，对环保的要求已 超越鼓励、倡导的层面，而上升到强制性的法律、法规上，例如，日本的再生 资源利用促进法、美国的矿山开采法等。我国虽属发展中国家，但也应有 未雨绸缪的环保意识。事实上，在经济发展的同时带来的生态环境破坏己引起了 社会各界的高度关注，环保和可持续发展已成为我国的重要国策之一。 1 2 国内外的研究与应用现状 1 2 1 国外的研究现状 沥青路面再生利用试验研究最早始于1 9 1 5 年，开始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研究和试验，并且在道路建设中大面积推广 应用，取得了丰硕的成果。 美国1 9 1 5 年首先开始该项技术的研究工作，但由于以后大规模的公路建设 而忽视了对该技术的研究。1 9 7 3 年石油危机爆发后美国对该技术才引起重视， 并在全国范围内进行广泛研究，到1 9 8 0 年，2 5 个州才共使用了2 0 0 万吨的热拌 再生沥青混合料，但随后由于技术日趋成熟，到1 9 8 5 年再生沥青混合料的用量 就猛增到近2 亿吨，几乎占全部路用沥青混合料的一半。并且在再生剂开发、再 生混合料的设计、施工设备等方面的研究也日趋深入。沥青路面的再生利用在美 国已是常规实践，目前其重复利用率高达8 0 ，相比常规全部使用新沥青材料 的路面，节约成本1 0 3 0 。 日本是资源缺乏的国家，特别是石油资源严重依赖从中东国家进口，他们从 1 9 7 6 年开始进行再生沥青混合料应用技术的研究，1 9 8 0 年厂拌再生沥青混合料 累计达5 0 万吨，到2 0 0 2 年再生沥青混合料已达4 1 6 7 1 万吨，占全年沥青混合 料产量的5 4 7 7 。 欧洲一些国家对沥青路面再生技术的研究开展的相对较晚，7 0 年代中期， 联邦德国、荷兰、芬兰等国家相继进行小规模试验，并迅速推广应用。相比之下， 联邦德国在再生技术研究方面发展较快，已拥有路面现场再生技术，居欧洲之首。 芬兰现在几乎所有的城镇都在组建沥青路面废料的收集和储存工作。法国现在也 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这项技术。 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路面相同，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的区别，n c a t 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。 近年来，世界各国广泛进行沥青路面再生利用的研究和试验，而且进行了技 术成熟的再生机械的开发和利用，由于各种材料的相继问世，技术性能已达到了 较高的水平。过去再生材料主要用于低等级公路的路面和基层，近几年来沥青混 合料再生技术发展的较为成熟，有资料表明，发达国家在高速公路和一些重交通 道路的路面修复工程中已开始逐步推广这项技术。纵观欧、美、日国家对再生沥 青混合料应用技术的研究及其发展的状况，可以看到，他们在再生沥青混合料拌 制工艺以及与之配套的各种破碎、拌和等机具的研制方面，都取得了很大的成就， 经过近3 0 年的大规模生产实践，已证明了沥青再生利用在技术上的可行性，已 经形成了一套完整的沥青再生利用技术，达到了规范化和标准化的程度。 1 2 1 国内的研究现状 我国的沥青再生研究开始得比较晚，发展得也较欧美国家慢。我国在2 0 世 纪5 0 7 0 年代，曾在不同程度上利用过废旧沥青混合料来修路，但均作为废物 利用考虑，所得的成品一般只用于轻交通道路、人行道或高等级公路的垫层。 1 9 8 2 年山西省结合沥青路面的大中修工程铺筑沥青再生试验段8 0 余公里。 湖北省对各种等级的路面、不同交通量、地形气候条件、路面结构类型的旧沥青 面层的再生利用进行了系统的试验研究，铺筑试验路8 8 公里。1 9 8 3 年建设部下 达了废旧沥青混合料再生利用的研究项目，由上海市政工程研究所、武汉市市政 工程设计研究院、天津市市政工程研究所等单位承担，当时的主攻方向是把旧渣 油路面加入适当的轻油使之软化，来代替常规沥青混合料，铺筑层次是解决用量 最多的面层下层，拌和设备方面则应用现有设备作适当改装，经过三年的努力在 苏州、武汉、天津、南京四个城市铺筑了3 0 0 0 0 m 2 以上的试验路。湖南省将乳化沥 青加入旧渣油表处面层料，并分别用拌和法和层铺法修筑了再生试验路。甘肃省 兰州公路总段从1 9 8 3 年以来采用阳离子乳化沥青作再生剂对夏兰三路、兰包路、 甘川路进行冷法再生沥青路面，同时对兰空一榆中机场专用道路、中川路、西兰 路、兰三路进行热法再生路面”1 工作。云南省1 9 8 3 1 9 8 8 年分别对昆洛、昆畹、 贵昆路进行再生沥青路面试验研究，这些旧沥青路面再生利用工作都取得成功为 我国旧沥青路面再生提供了宝贵经验，但这些旧沥青路面再生利用都是在旧渣油 路面或中轻交通量公路上进行的，对于高等级公路( 或重交通量公路) 上研究不足。 从8 0 年代中后期我国由于经济建设的需要，全国开始进行大规模的公路建 设，特别是高速公路建设的展开，人力、物力的不足及对沥青再生技术不够重视， 致使我国在旧沥青路面再生技术研究的深化方面基本上处于停滞状态。加之当时 生产工艺不成熟，没有合适的再生机械和足够的资金支持，多数生产采用人工操 作，部分工序使用简陋的通用设备代替，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。基于当时的历史条件，在技术、政策、 资金技术投入等方面面临重重阻碍，因此该项技术没有推广起来，甚至上海、南 京、青岛、成都、苏州、济南、沈阳、大连等厂家将已建成的再生设备相继拆除， 停止再生沥青混合料的生产。随着环保的要求及再生路面潜在的经济性优势，近 几年某些公路单位又开始尝试着将旧沥青路面简单再生后用于中轻交通量公路 面层或道路基层，如1 9 9 2 年同济大学在淮阜路采用阳离子乳化沥青进行冷法再 生沥青路面试验，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，取得了一定效果。目前在我国再生旧沥青路面并没有在工程中得到广泛应用。 随着我国高等级沥青路面维修养护量的不断增加，对沥青路面旧料再生技术有必 要进行深入、系统的研究。如2 0 0 0 年沈大高速公路营口段再生试验，黄晓明等 针对克拉玛依a h 一7 0 沥青研制出a 型再生剂( 轻油与增粘树脂的混溶物) 等，表明 我国公路科研、生产单位也开始重视高等级公路旧沥青路面再生技术的研究。 综上所述，我们应该积极开展对再生沥青混合料技术的研究。 1 3 本文的主要研究内容 本论文的主要研究内容包括沥青的老化规律和再生机理研究，废旧沥青混合 料的评价，矿料的再生和沥青的再生，热再生沥青混合料的配合比设计，再生料 的耐久性、高温稳定性和低温抗裂性评价，施工工艺和检测评价方法及经济性分 析。 一、沥青的老化规律和再生机理研究 沥青路面经过一定的使用年限其使用性能下降，关键就是沥青的老化所致， 对旧沥青混合料的再生关键就是沥青的再生，沥青的再生是沥青老化的逆过程， 本文在对沥青的老化规律进行了必要研究的基础上，参考国内外的研究成果对沥 青的再生机理进行了分析研究。 二、废旧沥青混合料的评价及成分再生 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。沥青混合料的再生包括矿料的再生和沥青的再生，两者中有一个不 能再生则整个沥青混合料就无法再生。本文探讨了矿料和沥青的再生方法。 三、热再生沥青混合料的配合比设计 该部分是本文的重点，本文在分析热再生沥青混合料强度形成机理的基础 上，分析研究了再生过程中遇到的关键问题，给出了解决办法。研究了旧料不同 掺配率、不同级配、不同成型方式对热再生沥青混合料路用性能的影响。 四、再生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。通过 试验比较旧料不同掺配率、不同级配再生沥青混合料与新沥青混合料的高温稳定 性、低温抗裂性、抗水损害性和耐久性，并对再生沥青混合料和新沥青混合料分 别进行了老化，考察了再生料的耐老化性能，确定再生沥青混合料与新沥青混合 料的差异性。 五、施工工艺和检测评价方法及经济性分析 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 性能的再生沥青混合料，并能较大限度的提高经济性。充分研究其施工工艺是提 高热再生技术的关键。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性能评价，让人们从量的角度 认识此项技术的优越性。 第二章沥青老化规律及再生机理研究 沥青混合料的性质好坏与其中沥青结合料的性质好坏有密切关系，沥青路面 的破坏很大程度上都归因于沥青结合料的老化，我们进行废旧路面再生的关键就 在于恢复其中老化沥青的性质，使其满足路用要求，那么研究沥青的老化规律及 再生机理就必不可少，本章就对这个内容进行详细的阐述。 2 1 沥青老化规律 2 1 1 废旧路面回收沥青老化规律 沥青路面随着使用年限的增长，会逐步脆硬老化，其实质是其中的沥青结合 料发生老化。沥青在自然因素( 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，即所谓再生。沥青的老化机理以及旧沥青 的再生技术，是当前沥青材料科学研究的重要课题。在进行旧料再生前，沥青随 时问老化的规律是我们必须通晓的重要问题。根据收集的大量有关沥青路面回收 利用的技术资料，我们认为对沥青路面废料进行研究是解决再生的关键。 美国曾在使用4 年和6 年的沥青路面车道不同深度挖取试样，进行沥青抽提 试验，测试指标，然后与原沥青材料进行对t e 分析，其试验结果见表2 1 。从 表列数据可以看出，沥青路面中不同位置处沥青的老化程度是不同的，就同一深 度而言，使用6 年的旧沥青要比使用4 年的针入度小、软化点高，说明沥青随着 时间的推移，老化不断加深。 表2 1美国回收沥青的物理性质 取样位置 使用年数 指标 原样 0 0 5o 5 2 52 5 4 5 针入度( 0 1 m m ) 9 53 35 25 2 4 年 软化点( )4 5 6 0 25 25 3 针入度( o 1 m ) 2 4 84 7 54 3 5 6 年 软化点( ) 6 3 75 55 5 3 我国在“七五”期间修筑了许多试验路，对这些路面的使用状况进行了长期 跟踪检测并在现场挖样分析。表2 2 为江苏六一杨一级公路跟踪挖样分析结果。 表2 2 原始沥青及回收沥青性质 针入度软化点 延度( c m )四组分分析 项目 ( o 1 m m ) ( ) 1 5 饱和分芳香分 胶质沥青质 原沥青 8 64 7 5 1 2 0 1 8 6 3 0 24 7 53 7 7 年后5 35 35 51 6 82 5 14 6 01 2 1 1 0 年后 3 06 781 6 02 1 2 4 8 11 4 7 根据以上两个表中的观测结果，沥青材料经过长期自然因素作用后，回收沥青 的化学组分与原沥青相比较有明显的变化，表现为：各组分之间配伍的失调，油分 减少，胶质和沥青质增多。沥青组分变化的主要原因是氧化、缩合作用。在沥青中， 油分的分子量较小，氧化缩合作用的结果使油分中芳香烃分子量增大，向胶质转化， 而饱和烃由于分子比较稳定，变化不大，胶质向沥青质转化，而沥青质本身则聚合 成更大的分子。随着沥青路面使用年限增加，旧沥青中的油分就愈少，胶质和沥青 质就愈多，因而旧沥青的针入度愈小，沥青材料愈向脆硬方向转化。 课题组对西安市现有沥青路面进行了调查，调查的结果是：现存的沥青道路 多数是1 9 8 0 年以后建成的路面，材料以使用兰炼一9 0 沥青为主。为检测沥青路 面废料中旧沥青的性质，我们对不同年代、不同路面深度的旧沥青路面进行取料， 回收沥青的方法是先使用沥青混合料分离机在旧料中加入溶剂三氯乙烯使沥青 和骨料分离，再使用旋转减压蒸发仪把三氯乙烯从沥青中分离出去。测得回收沥 青的指标，并与新沥青进行性能对比。 对张家堡北广场使用6 年的沥青路面进行了分层铣刨，每层大概1 c m 的厚度， 分为8 层，分别做了抽提试验。测试指标后与新沥青材料进行了性能对比，沥青 指标如下： 表2 3 不同层位的回收沥青指标 测试取样层位 项目l234567 8 2 0 62 5 82 7 62 8 o2 8 83 2 83 2 33 3 5 针入度 ( o 1 m ) 2 2 02 5 8 2 7 7 2 8 22 8 93 2 73 2 33 4 1 2 1 72 6 22 6 72 8 42 8 23 2 83 2 33 4 7 平均 2 1 42 5 92 7 32 8 22 8 63 2 83 2 33 4 1 5 85 0 5 34 34 45 35 86 5 延度( m ) 5 85 15 44 44 55 65 96 5 6 05 2 5 54 3 54 65 95 8 56 5 平均5 8 7 5 15 44 3 54 55 65 8 56 5 续表2 3 测试取样层位 项目1234 5 678 软化点 6 8 56 8 16 7 56 796 8 66 5 06 3 86 62 ( ) 6 8 9 6 9 o6 836 8 5 6 8 2 6 5 2 6 3 8 6 6 2 平均 6 8 76 8 66 7 96 8 26 8 46 5 16 3 86 6 2 1 9 6 5 1 6 2 01 6 6 0 1 6 8 01 7 2 0 1 4 8 0 1 3 8 01 2 6 5 旋转粘度 ( 1 3 5 ) 1 9 7 01 6 2 51 6 6 5l6 8 51 7 l o1 4 7 01 3 8 51 2 7 0 1 9 6 0 1 6 1 5 1 6 6 51 6 9 01 7 1 51 4 7 51 3 8 01 2 6 5 平均 1 9 6 51 6 2 01 6 6 31 6 8 51 7 1 51 4 7 51 3 8 21 2 6 7 4 0 舅3 5 3 0 蜊2 5 妥2 0 1 5 产一 r ， _ l2345678 沥青取样层数 8 0 ，营6 0 逼4 0 艘2 0 0 l2345678 沥青取样层数 图2 1 不同取样层回收沥青的针入度变化图2 2 不同取样层回收沥青的延度变化 7 0 ： 塑 6 0 k j 。一 7 、 l 2 3 45 678 沥青取样层数 。 商 e 魁 据 浆 瑙 1 、 12345678 沥青取样层数 图2 3 不同取样层回收沥青的软化点变化图2 4 不同取样层回收沥青的粘度变化 试验结果表明：回收沥青的针人度比原样减少5 0 7 0 ，软化点增加1 5 左 右，延度减少超过了1 0 0 c m ，显然延度降低最明显。从上表看，由于沥青中存在 少量未除净的矿粉，有些数据规律性不是很明显。但总体来看针入度和软化点指 标的规律性还是比较明显的，从表层到底层针入度呈增大趋势，从表层试样的 2 1 4 增大到底层试样的3 4 1 ：软化点呈降低规律，但第八层又有所增大，这是因 为表层的沥青老化最严重软化点最大，底层沥青与基层接触，造成轻祖分被吸收， 软化点又有所增大。延度的规律性不很明显可能是由于其中含有少量的未除净的 矿粉所致。其中第四层和第五层的老化与相邻层相比明显严重，分析认为是由于 第四层和第五层所受到的行车剪应力较大，加上较高的温度老化所引起的。另外 对这些回收沥青都做了旋转粘度试验，其规律性和延度的一致。 对第三章和第四章所用的旧沥青混合料做了回收抽提试验，其指标如下 表2 4 实验用沥青指标 沥青名称针入度( m )软化点( )1 5 延度( m m )沥青含量 兰炼9 0 # 3 6 26 5 39 344 6 2 1 2 实验室设备模拟沥青老化规律 本文通过对中海9 0 # 沥青进行了8 5 分钟、3 h 、5 h 和8 h 的r t f o t t 老化及p a v 老化来模拟实际路用沥青的不同老化程度，测出的指标如表2 5 所示 表2 5沥青老化不同时间的指标对比 、 指标针入度延度( c m ) 软化点( ) 中海沥青磊高( 2 5 ) l o 1 5 基质 8 94 6 5 1 5 0 1 5 0 8 5 分钟r 1 下o t 老化 6 25 11 6 91 2 9 1 3 小时r t f o t 老化3 85 43 6 6 3 3 4 5 小时r t f o t 老化 3 2 5 93 5 37 8 8 小时r t f o t 老化 2 56 4 2l - 25 0 p a v 老化2 66 1 21 55 8 l i | 、 | |i |l | | t - ：= o24681 0 r t f o t 老化时问( h ) 图2 5 沥青延度与旋转薄膜烘箱老化时间的关系 咖啪m啪m寻o _ _ 一 - 。， _ 一 y = 2 1 9 3 9 x + 4 7 4 1 7 r = o 9 8 6 6 o2468 r t f o t 老化时间( h ) 1 0 图2 6 沥青软化点与旋转薄膜烘箱老化时间的关系 一一，一一，一一 7 “。j ”“1 “”。 “2 ”0 0 4 。 、 r 1 024681 0 r t f o t 老化时间( h ) 图2 7 沥青针入度与旋转薄膜烘箱老化时间的关系 由上面的数据图表可以看出，在同等的外界条件下，沥青的老化程度是随时 间的延长逐渐增加的。 ( 1 ) 从延度图上可以明显看出，l o 延度经过8 5 分钟r t f o t 短期老化后从 1 5 0 c m 以上急剧降低到1 6 9 c m ，3 小时短期老化后下降到6 6 c m ，其后延度随时 间变化不是很大。 ( 2 ) 软化点的变化规律很明显，基本随时间变化是线性升高的。 ( 3 ) 针入度的变化规律和延度一致，呈三次式递减规律，相关性相当好，在 3 小时内的短期老化间，针入度值下降较快，3 小时后变化比较平缓。 ( 4 ) 经r t f o t 老化6 小时后的沥青指标和经r t f o t 老化8 5 分钟再p a v 老化 2 0 小时后的指标相当，p a v 老化是模拟沥青路面正常使用5 1 0 年的效果，从这 加蚰加m 0 一p 一芒铎 他如m 0 一目io一趟菇p器 儿可以看出r t f o t 老化的小时数基本可相当于沥青路面使用的年数。 ( 5 ) 从试验数据可以得出结论，沥青的老化速度在最初的几年内较快，尤其 是从拌和到施工摊铺这一阶段老化速度最快，其后几年的老化速度明显变缓。沥 青的老化随时间的延长在指标上表现为针入度变小，软化点变大，延度变小。 沥青路面在使用过程中逐步脆硬老化，其实质是其中的沥青结合料发生老 化。引起沥青组分变化的原因是多方面的，如沥青中的轻质组分( 饱和分和芳香 分) 挥发，以及由氧及光照引起的氧化、缩合作用等，主要原因是氧化缩合作用。 由于沥青路面中矿质集料对沥青中轻质组分的吸附，促使高分子化合物的增加， 沥青中饱和分比较稳定，变化不大，而芳香烃分子量增大，向胶质转化，胶质向 沥青质转化，沥青中的低分子聚合为更大的分子。这种组分转化从对旧沥青路面 材料的抽提试验可以看出，表现为芳香分减少，胶质和沥青质增加。由于沥青化 学组分的移行，因而引起沥青物理、力学性质的变化，通常表现为针入度变小、 延度降低、软化点和脆点升高，沥青变硬、变脆、延伸性降低。 随着沥青路面使用年限的延长，沥青质的浓度相对增大，老化加重，沥青材 料各组分之间配伍失调，其胶体结构发生了变化。作为溶剂的软沥青质和作为溶 质的沥青质溶度参数也发生变化，这就破坏了它们之间的兼容性，造成沥青性质 的变化。和性能优良的初始沥青结合料相比，老化严重的沥青结合料在常规路面 性能上的差距主要体现在两方面：一是粘性过高：二是柔韧性不足。其中，柔韧 性不足是沥青结合料路用性能不良的主要原因。 2 2 老化沥青的再生 2 2 1老化沥青的再生机理 旧沥青再生的机理研究目前有两种理论一组分调节理论和兼容性理论，分 别对应着对沥青溶液认识的两种不同的观点。对于沥青溶液，一种观点认为，沥 青溶液表现有一系列的胶体性质，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，这是胶质，胶质包围着沥青 质形成胶团；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。另一种观点则认为，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) 为溶剂的高分子浓溶液。但对于沥青再生这两 种理论并没有冲突，而是相互补充的。 l w c o r b e t t 将沥青分为饱和分、芳香分、胶质和沥青质四组分，然后再按 一定比例两两调和，以考察化学组成对沥青理化性能的影响。他发现各组分单独 存在时，饱和分和芳香分的针入度极大，软化点很低，粘度也小，可以认为它们 是沥青中的软组分，起塑化剂作用；而胶质、沥青质的针入度为零，软化点都很 高，胶质的粘度比饱和分和芳香分大三、四个数量级，因此可以认为它们是硬组 分，在沥青中起稠化剂作用。故此他认为：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。 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。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。沥青质的存在可改善沥青的高温性 能，但沥青质含量过多，会使沥青的延度大大减少，易于脆裂。各组分对沥青性 质的影响见表2 6 。 表2 6 各组分对沥青性质的影响 组分感温性延度 对沥青质分散度 高温粘度 饱和烃好差差差 芳烃好好好 胶质差好好差 沥青质好稍差好 组分调节理论就是从化学组分出发，认为如将老化沥青和原沥青的组分进行 比较，向老化沥青中加入所失去的组分( 沥青再生剂) ，使组分重新协调，就能恢 复沥青的原有性能。这一过程是根据石油工业中生产调和沥青的工艺原理，所以 再生沥青实际上是一种调合沥青。组分调节理论从沥青化学结构的角度来阐述再 生的机理，物理化学意义明确，尽管从理论上讲调节组分是再生的基本途径，然 而根据旧沥青组分，对照优质沥青的组分，来确定旧沥青应该补充的组分及其数 量，以获得品质优良的再生沥青的生产工艺却难以实现，并且最佳组分比例事实 上也难于确定。 一种沥青能否形成稳定的溶液，不决定于溶质颗粒的大小，而决定于溶质( 沥 青质) 在溶剂( 软沥青质) 中的溶解度和溶剂对溶质的溶解能力，这就是所谓兼容 性理论。兼容性理论从化学热力学出发，认为如能掺入一定的再生剂使沥青组分 间溶度参数差减小，则沥青就可实现再生。这一由希尔布兰德提出的溶度参数理 论，也常被作为沥青再生的理论依据。这种理论认为，当溶质的溶度参数与溶剂 ( 由胶质、油分构成的软沥青质) 的溶度参数的差值d 小于某一定值时，沥青即 能形成稳定的溶液。用公式表示为： d = d a 。一d m k 式中：d 为沥青质与软沥青质溶度参数差值( c a l c m 3 ) “5 ： d 。为沥青质的溶度参数( c a l c m 3 ) “5 ： d 。为软沥青质的溶度参数( c a l c m 3 ) “： k 为规定的溶度参数差值的限值( c a l c m 3 ) “5 。 根据有关研究，国产沥青的沥青质溶解度参数与软沥青质溶解度参数的差值 d 的限值为0 7 6 。当d 0 7 6 时，可得到较好的兼容性。 由于兼容性理论所采用的溶度参数指标与沥青的宏观物理性能( 如流变参数 指标等) 有较好的相关性，从沥青力学行为的角度描述了再生的机理，在实际应 用中可操作性强。所以，采用兼容性理论作为老化沥青再生的指导理论具有很高 的研究和应用价值。 从化学的角度来看，沥青再生就是老化的逆过程，以组分调和作为方法依据， 以兼容性理论作为理论依据，具体措施通常是掺加新沥青材料以及再生剂。 2 2 2 老化沥青的再生 沥青材料是由油分、胶质、沥青质等几种组分组成的混合物，而且沥青的某 一种组分，如油分，也同样是由分子量大小不等的碳氢化合物组成的混合物。根 据沥青材料是混合物的原理，将几种不同组分进行调配，可得到性质各异的调和 沥青。用这种方法所生产的沥青，在石油工业中称之为调和沥青。 旧沥青材料再生，就是根据生产调和沥青的原理，在旧沥青中加入某种组分 的低粘度油料( 再生剂) 或适当粘度的沥青材料。进行调配，使调配后的再生沥青 具有适当的粘度和所需的路用性质。所以，再生沥青实际上是由旧沥青与新沥青 材料、必要时添加再生剂，经过调配混合而组成的一种调和沥青。当然在实际施 工中，旧沥青与再生剂、新沥青材料的混合是在伴随有砂石材料的情况下进行的， 并不是专门抽提出旧沥青再进行调和，远不及石油工业中生产调和沥青调配得那 么好，但它们的理论基础是相同的。 沥青老化的过程在组分上表现为各组分之间配伍的失调，胶质和沥青质增 多，油分减少：在性能上表现为针人度减少，软化点增加，延度降低；在使用性 能上表现为由柔韧变得脆硬。 从某种意义上说，旧沥青再生就是沥青老化的逆向过程，具体方法就是调节 旧沥青组分达到以下目的：将旧沥青粘度调节到所需的粘度范围，使旧沥青重获 良好的流变性质。 为了恢复旧沥青的使用性能，沥青的再生常用的两种方法： ( 1 ) 使用标号较低的新沥青与旧沥青混合，让较软的新沥青与已老化的旧沥 青掺配后达到路用沥青标准。 ( 2 ) 使用添加剂与旧沥青混合，添加剂既可以调节旧沥青的粘度，同时又能 补充旧沥青所失去的化学组分，恢复原沥青性能，甚至还能超过原沥青性能。 2 2 2 1 添加新沥青再生 选用经过旋转薄膜烘箱( r t f o t ) 8 5 分钟短期老化后再经压力老化箱( p a v ) 长 期老化的中海一9 0 沥青模拟老化沥青( 下表中的中海p a v 即为老化沥青) ，与西 石化一9 0 沥青按l ：9 、3 ：7 、5 ：5 、7 ：3 、9 ：1 的比例在1 3 5 下加热充分混合，然 后测定三大指标，如表2 7 所示： 表2 7 不同比例的新旧沥青混和后的三大指标 、 指标针入度( o1 m延度 软化点( ) 掺配高卜 1 5 2 5 3 0 ( m m 1 5 ) 1 0 0 ( 中海p a v ) 1 63 55 3 5 8 26 7 9 0 1 74 05 75 6 o 1 9 0 7 0 2 25 0 7 4 5 4 6 7 5 8 5 0 2 86 49 1 5 2 49 4 3 3 0 3 37 5 1 1 25 1 91 5 9 5 1 0 4 39 01 4 45 0 31 8 0 9 0 ( 西石化原样) 4 69 91 5 34 9 61 9 1 6 西石化r t f o t 3 05 7 7 46 0 o1 5 1 3 西石化p a v 1 93 84 96 9 66 3 1 2 0 1 0 0 一 重8 0 e 蜊 一 1 5 0 三 o v 赵 一 蠡 ，一 一一一 一 y = 一3 5 7 9 x 2 + 3 8 0 8 7 x + 3 4 9 0 4 ，r r 2 = 0 9 9 9 7 o 4 8 1 2 1 6 2 0 2 4 2 8 3 2 3 6 4 0 4 4 再生剂掺配比例 图2 1 1 老化沥青针入度随再生剂掺配比例变化的曲线 如加鲫如加0 p v 衄： 鼍 蛹 2 5 0 2 0 0 51 5 0 u 倒1 0 0 鼎 5 0 0 y = 一5 1 6 6 2 l n ( 2 5 x + 1 ) + 5 7 9 8 1 r = 0 9 8 7 0 4 8 1 2 1 6 2 0 2 4 2 8 3 2 3 6 4 0 再生剂的掺配比例 图2 1 2 老化沥青软化点随再生剂掺配比例变化的曲线 ， ：8 0 8 8 2 l n ( 2 5 x + 1 ) + 5 0 13 r 2 。0 9 8 9 2 j 0 4 8 l2 1 6 2 0 2 4 2 8 3 2 3 6 4 0 再生剂的掺配比例 图2 1 3 老化沥青延度随再生剂掺配比例变化的曲线 从图2 一1 1 、2 1 2 、2 一1 3 中可以看出，针入度与再生剂的掺量间存在着良好 的二次式关系，其回归方程为y = 一3 5 7 9 x 2 + 3 8 0 8 7 x + 3 4 9 0 4 ，r 2 = o 9 9 9 7 ， 相关性相当好，随着再生剂掺量的加大，针入度增大的速率是变慢的，开始时针 入度增大较快，后来逐渐变慢。软化点和延度与再生剂的掺量间都存在着较好的 对数关系，和针入度一样，都是再生剂掺量较小时数值变化较快，后来渐趋平缓。 2 3 小结 本章研究分析了老化沥青的老化规律及老化沥青的再生机理，主要结论如 下： ( 1 ) 沥青路面中不同深度处的老化程度是不同的，整体上而言，沥青的老化 是从上而下递减的，上层老化较严重，下层老化较轻：但路面深度为4 c m 左右 时沥青老化也较为严重，可能是因为该位置所承受的行车剪应力较大同时温度较 高所致。 ( 2 ) 沥青路面沥青老化程度可用旋转薄膜烘箱老化模