（道路与铁道工程专业论文）再生剂对就地热再生沥青混合料路用性能的影响.pdf

摘要 沥青混合料的再生利用，目前在国内还是一个比较新的课题。我国从9 0 年代开始了 大规模的高速公路建设，到目前为止，一方面许多沥青路面仍在开工建设，造成我国道路 沥青、砂石材料的紧缺；另一方面许多沥青路面相继进入了大修阶段，翻修下来的大量旧 料不但堆放困难，而且如果处理不当，就会对土壤、水源造成较严重的污染。凶此无论是 从能源角度，还是从环保角度，旧沥青路面再生利用在我国都应该得到足够的重视和发展。 本文从沥青混凝土路面再牛技术的发展及应用现状出发，首先阐述了发展沥青混合料 再生技术的必要性，并调研了目前国内外对沥青路面就地热再生技术的应用现状。在此基 础上，通过对沥青老化过程和再生机理的分析，提出了沥青再生的方法。同时对高等级沥 青路面再生混合料的性能与设计方法进行了总结和试验研究，其中试验研究主要是通过选 用两种不同类型( a 、b ) 的再生剂对回收沥青和旧沥青混合料进行再生研究，大量的试 验证明通过添加再生剂能改善回收沥青和旧沥青混合料的路用性能，且再生沥青混合料的 性能与旧料的掺配率、再生剂的用量有很大关系，试验表明a 型再生剂对旧沥青混合料 的再生效果要优于b 型再生剂。除此之外，在试验和理论研究的基础上，提出了再生剂、 再生沥青和再生沥青混合料的技术要求，希望这对就地热再生技术的推广和应用有一定的 推动作用。 此外，本文还对目前就地热再生的施工控制进行了研究，结合就地热再生的特点和质 量控制指标对沥青路面性能影响规律，在相关研究、应用成果调研的基础上，通过试验路 的施工和验证，研究了就地热再生处理沥青路面典型病害的施工工艺和再生效果。 关键词：沥青路面；沥青老化；就地热再生；再生剂；施工工艺 e f f e c to fa d d i t i v e so nt h et h ep e r f o r m a n c eo fh o ti n 。p l a c e r e c y c li n ga s p h a ltp a v e m e n t a b s t r a c t i ti san e w t o p i co nt h er e c y c l i n go fa s p h a l tm i x t u r ep r e s e n t l yi nc h i n a s i n c et h e19 9 0 s ， l o t so ff l e x i b l ep a v e m e n t sh a v eb e e nc o n s t r u c t e di no u rc o u n t r y ，w h i c hr e s u l t si nl a k eo f b i t u m e na n da g g r e g a t e m e a n w h i l e ，m a n yf l e x i b l ep a v e m e n t sh a v eb e c o m eo l da n dn e e dr e p a i r o l da s p h a l tm i x t u r e sn e e dl a r g ef i e l df o rp i l i n ga n da r ed i s p o s e dh a r d l y i f d i s p o s e di n c o r r e c t l y ， t h e yw i l lp o l l u t es o i la n dw a t e rs o u r c e s o ，i no r d e rt o s a v et h es o u r c e sa n dp r o t e c t e n v i r o n m e n t ，i ti si m p o r t a n tt od e v e l o pr e c y c l i n go l df l e x i b l ep a v e m e n t si no b rc o u n t r yn o w a tf i r s t ，b a s e do nt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fa s p h a l tc o n c r e t e s u r f a c er e c y c l i n gt e c h n o l o g y ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h en e c e s s i t yo fa s p h a l tc o n c r e t es u r f a c e r e c y c l i n gt e c h n o l o g y ，a n da n a l y s e st h er e c y c l i n gp r i n c i p l eo fa s p h a n tc o n c r e t e o nt h i sb a s i s ，i t m a i n l ys t u d i e sh o ti n - p l a c er e c y c l i n go fa s p h a l tc o n c r e t e ( h i p r ) a n dp u t sf o r w a r dt h em e t h o d o fa s p h a l tr e c y c l i n gt h r o u g ht h ea n a l y s i so fa s p h a l ta g i n ga n dr e c y c l i n gm e c h a n i s m a tt h e s a m et i m e ，t h ep e r f o r m a n c ea n dd e s i g nm e t h o do fh i g hg r a d ea s p h a l tp a v e m e n th a v eb e e n s t u d i e sb ym a n yt e s t s d i f f e r e n tc h a r a c t r e so f t w ok i n d sr e c y c l i n ga g e n t ( a 、b ) w e r et e s t e db a s e do n t h ea n a l y s i so ft h ea g e da s p h a l ta n da g e da s p h a l tm i x t u r e ，a n dt h et e s t ss h o wt h a tr e c l a i m e da s p h a l t h a v eg o o dr o a dc h a r a c t e r sb ya d d i n gr e c y c l i n ga g e n t ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo fr e c y c l e dm i x t u r e i sd e p e n d e n tm o s t l yo nt h ep r o p o r t i o no fo l dm i x t u r ea n dr e c y c l i n ga g e n t b a s e do nt h ea s p h a l t p a v e m e n tm a i n t e n a n c e ，t h et h e s i sa n a l y z e sc o n s t r u c t i o nm e t h o d 、c o n s t r u c t i o np r o c e d u r eo f h i p ra n dt h ec r i t i c a lt e c h n o l o g i e so fh i p r ，a n di ts h o w st h a tt h ear e c y c l i n ga g e n th a sb e t t e r p e r f o r m a n c ef o ri m p r o v i n gr e c y c l e da s p h a l tm i x t u r e l a s t l y ，b a s e do nt h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h eh o ti n p l a c er e c y c l i n g ，p l u st h ei n f e c t i o no f t h eh o ti n - p l a c er e c y c l i n g c h a r a c t e r i s t i ca n dt h eg u i d e l i n eo fa s p h a l t 。o nt h eg r o u n d so ft h e a p p l i a n c ea n dr e s e a r c h ，i ta l s or e s e a r c ht h ec o n s t r u c tt e c h n i c sa n dq u a l i t yc o n t r o l i n g k e y w o r d s ：f l e x i b l ep a v e m e n t ；a s p h a l ta g i n g ；h o ti n - p l a c er e c y c l i n g ；a d d i t i v e s ；c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者c 本人签名，：毒严 2 叫降月2 争日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密d 。 ( 请在以上方框内打“ ”) 学位论文作者( 指导教师( 节夕 月月 纱 致谢 谨以此感谢所有帮助、指导和关心我的人! 本文是在我的导师王大明副教授的悉心指导下完成的，从最初课题的选择、开题报告 的完成，到最终论文的完成，王大明老师都给予我很多的帮助和指导，王老师还为我提供 了实习的机会，使得我的工作能力有了很大的提高，在此，衷心地感谢王老师。 同时衷心感谢赵尘教授、王元纲教授、杨平教授、黄新教授、李国芬副教授、邵光辉 老师、王泉中老师，感谢他们在研究生期问对我的教导和帮助。 在论文研究期间，本人得到了江苏省交通科学研究院的很多前辈的热心指导，在这里 感谢江苏省交通科学研究院道路工程研究所所长曹荣吉高工给我论文的完成提供了各试 验设备和实体工程，感谢试验人员在大量的试验完成过程中给予我的帮助和指导，感谢江 苏省交科院的叶勤工程师、吴春颖工程师在论文完成过程给予我的帮助和指导，特别是白 崎峰前辈在论文的结构和主要内容上都给了我很大的帮助，在此表示我衷心的感谢。 此外，还要感谢我的师弟周键炜在论文完成期间对我的的帮助。 除此之外，还要感谢我的同门兄弟姐妹们：樊辛华、赵殿鹏、抑芒英、居俊、程庆， 还有我的同班同学，0 6 硕士7 班，感谢每一个同学，感谢所有帮助过我的人，希望他们 今后可以幸福快乐。 最后感谢我的父母二十几年来对我的教导和关心，感谢我的兄弟姐妹给予我的支持和 鼓励，我将在以后的道路上更加努力。 李严 二o o 九年二月 1 前言 1 1 概述 1 1 1 研究背景 在过去5 0 年里，世界各国基础设施建设特别是道路建设都取得了史无前例的发展。 世界范围内，每年完成的铺面道路超过1 0 0 0 万公里，而我国公路建设也进入了一个高速 发展的时期，截至2 0 0 7 年底，全同高速公路通车总里程已达5 3 6 万公里，仅次于美国， 居世界第二【l 】。而这其中相当一部分沥青路面已经接近或达到了其设计寿命，需要增加养 护投入以维持这些道路应有的通行能力和安全性。但目前来说很多沥青路面的修复得不到 足够的重视，从而使道路路况迅速恶化并导致最终不得不采取更为昂贵的修复或重建措施 来恢复道路的性能。此外，在旧路修复或重建过程中，还将产生大量废旧路面材料，不妥 善处理这些废旧沥青混合料将造成严重的环境污染，且这些废料仍具有一定的利用价值， 作为垃圾处理也必将造成巨大的资源浪费。 目前大多数国家的公路建设均面临着以上的问题，这种现状也给道路工作者带来了巨 大挑战。世界银行的调查研究表明，沥青路面在服务几年后，其破坏速度会大大加快，但 如果能够及时维修，包括重新罩面、再牛利用等可以保持路面的质量并延长道路的使用寿 命，而沥青路面再生利用是一种经济、有效的路面维修方法【2 】。 随着路面养护、维修项目的增多，工程界对再生技术的研究力度加大，产生了多利- 再 生的方法和工艺，其巾就地热再生技术的主要特点主要表现为如下几个方面： ( 1 ) 环保。采用就地热再生技术，一方面一般不需要添加砂、石、沥青等原材料， 节省自然资源；另一方面由于实现了旧路混合料的l o o n 用，减少了废弃材料对环境的 影响，可带来显著的社会效益和环境效益。 ( 2 ) 节约投资。沥青路而的就地热再生技术百分之百利用了废旧沥青混合料，再生 维修时只添加再生剂和部分新的沥青混合料，使得路而的维修成本显著降低，根据国外的 经验和京津塘高速公路2 0 0 2 年中修的经验，其费用仅占传统罩面维修方式的7 0 - - - 8 0 。 因此，就地热再生技术可带来显著的经济效益。 ( 3 ) 交通干扰小。沥青路面的就地热再生技术可以只对一个车道进行维修，维修时 只需堵塞一个车道，不影响其它车道通行，最大限度地减少了路面维修给交通带来的干扰 和影响，对于收费高速公路，其优越性更加显著。 ( 4 ) 热接缝处理。接缝处理是多车道路面维修的一个难题，传统的维修工艺多采用 冷接缝，接缝两侧粘结效果不理想，往往成为路面的薄弱环节，而就地热再生技术能直接 对接缝处混合料实施深层加热，有效地保证了接缝处的粘结效果。 ( 5 ) 采用就地热处理技术，对原路面混合料级配和结构层损伤小。传统的维修多采 用冷铣刨法，容易造成混合料中集料的破碎，且会对下层结构带来不同程度的损伤，影响 下层结构与铺装层的粘结。就地热再牛对路面实施加热后再进行耙松或铣刨处理，对混合 料级配和下层结构的破坏都较小，可以最大限度的减少对原路面混合料级配和结构层的破 坏。 ( 6 ) 不能用于处理结构性破坏。就地热再生技术是以路面面层为施工对象，适于基 层承载力良好，因面层疲劳而龟裂、车辙破损的路面。损坏波及到基层以下时，原则上不 适用，或必须首先对基层进行处理，因此就地热再生一般不能处理结构上的破坏。 ( 7 ) 国内外研究表明，再生路面的抗车辙性能优于相同等级及相同集料组成的新沥 青混合料路面【3 1 。 1 1 2 沥青路面再生技术分类 沥青路面再生技术是将需要翻修或者废弃的i 几沥青路面，经过翻挖、回收、破碎、筛 分，再添加适当比例的新集料、新沥青材料和再生剂，重新拌和，形成具有一定路用性能 的再生沥青混合料，用于铺筑路面面层或基层的整套工艺技术。沥青路面再生利用技术按 施工温度分为热拌再生法和冷拌再生法；按废旧料拌和场地不同可分为厂拌再生法和就地 再生法。所以沥青路面再生利用技术可分为：厂拌冷再生、厂拌热再生、现场冷再生、现 场热再生四种施工方法【4 1 。 ( 1 ) 厂拌冷再生法 厂拌冷再生法是用乳化沥青或热态的低粘度沥青与常温的废旧沥青混合料、新集料拌 合成再生混合料，运到工地后，经摊铺、压实而成型路面的施工方法。这种方法用粘度较 低的沥青材料，稍予加热，和常温的旧料、新集料拌和成混合料，即冷料热油的再生施工 方法，由于旧集料不加热，这样旧沥青混合料只能当作骨料处理，再生效果不好，目前很 少采用。 ( 2 ) 厂拌热再生法 厂拌热再生法是将旧沥青路面经过铣刨、翻挖后运回拌和厂，再集中破碎，根据路面 不同层次的质量要求，进行配比设计，确定旧沥青混合料、再生剂、新沥青材料、新集料 等材料的比例，然后在拌和机中混合、搅拌形成新的混合料，以铺筑成沥青路面的施工方 法。 这种方法适用于路面冷铣刨一热摊铺施工，不仅可用于维修沥青路面的上、中、下面 层，而且可以对基层、路基进行补强。就目前而言，厂拌热再生法是沥青路面再生的主要 方法。 ( 3 ) 现场冷再生法 现场冷再生法是用大功率路面铣刨拌和机将沥青层现场铣刨、翻挖、破碎后，再加入 稳定剂、水泥、水( 或乳化沥青) 和骨料同时现场拌和，利用平地机摊平、压路机碾压而成 型路面的施工方法。 该方法主要用于冷法施工，且新添加的结合料是乳化沥青，这种方法对设备要求较低， 生产成本不高，但再生路面的品质不是很好，目前该方法使用较少，主要用于等级低的道 路或铺筑基层，在国外多用于乡村道路的翻修。 ( 4 ) 现场热再生法 现场热再生法是一种现场修复破损路面的过程，一般用一台大型“沥青路面热再生联 合机组”，先把沥青路面加热到要求的深度，翻松路面后，再将旧沥青层收集起米输送到 2 该机组巾的双卧轴连续搅拌机上，通过添加新骨料、补充新沥青，搅拌后输送到机组的摊 铺器上，对混合料进行摊铺、捣实、熨平，再用压路机碾压而成路面的施工方法。 这种方法施工简单方便，多用于基层承载能力良好、面层因疲劳而龟裂的路段，特 别适用于老化不太严重，但平整度较差的路面。 在8 0 年代之前，沥青路面的再生基本上采用厂拌再生工艺。8 0 年代后，随着路面加 热设备和现场材料试验检测技术的逐步完善，路面现场再生技术开始受到各国的重视。这 种工艺是通过旧路而的加热、铣刨、新材料的定量掺配、拌和、铺筑和碾压等作业现场完 成的【5 】。虽然与厂拌再生工艺相比，其再生混合料的拌和质量控制难度较大，再生设备价 格也比较昂贵，但现场再生具有施工速度快、旧料利用率高、减少了旧料的运输与储存等 优点。目前，许多工业发达国家己逐步采用这种工艺方法，随着我国公路交通行业的发展， 公路通车里程的迅速提高，公路维修量的迅速增加，采用现场热再生技术进行大面积公路 维修是沥青路面维修的发展趋势。 1 1 3 沥青路面典型病害传统处理方法 ( 1 ) 变形 变形包括波浪、车辙和推挤等不同类型。波浪是指在路表面产生横向波纹的损坏现象。 车辙是高等级公路沥青路面的主要损坏形式之一，在正常情况下，沥青路面的车辙有两种 类型，一是由路面基层及路基变形引起的，二是在温度较高的季节，沥青面层经车辆反复 碾压，由于产生了永久变形和塑性流动而逐渐形成的测向流动变形【6 】，图1 1 为车辙病害。 我国的沥青道路大都采用半刚性基层材料，这些材料具有较高的强度和刚度，行车荷 载通过半刚性材料层作用后在土基项面的应力相当小；同时，半刚性材料本身具有较高的 高温稳定性和抗剪切变形能力。这些因素的综合影响使得我国高等级道路上沥青路面的车 辙病害主要以第二种为主，即车辙是由沥青面层的永久变形引起的。这种永久变形由两部 分组成，一部分是沥青面层在行车荷载反复作用下进一步压密产生的，- 口j 称为压密变形； 另一部分是因为沥青混合料在高温时强度不足以抵抗重轮荷载的反复作用，沥青混合料产 生剪切变形并逐渐被挤压到两侧而引起的侧向流动。 对于车辙病害，传统处治方式为：对发生车辙的段落进行铣刨，再重新铺设新的路面 结构层，但是这种处治方式会形成两条纵向冷接缝，也容易在铣刨过程中形成薄弱夹层， 并且传统处理方法材料用量大、工序多、进度慢、耗资大、交通干扰大。 目前对于车辙病害可以采用就地热再生的方法进行处治，即采用沥青路面热再生设备 对发生车辙的路段进行加热、耙松，根据标高加铺少量新料，碾压成型，其施工工艺简单， 处理效果好。 对于桥头跳车病害，传统处治方式也是铣刨重铺的方法。而采用就地热再生的方法处 治桥头跳车可以更方便，先对桥头一定范围的路面进行加热、耙松，然后根据标高要求加 铺新料，碾压，即可恢复桥头的平顺线形。对于路面沉陷病害，可采用和处理桥头跳车相 同的就地热再生工艺进行修复。 圈卜1 高速公路严重车辙 ( 2 ) 表面损坏 这种类型的损坏包括松散、泛油和磨光等。松散是由于集料的散失而导致道路表面的 进一步损坏造成的。泛油是由于沥青用量过商，使得过多的沥青从混合料中挤出。道路表 面磨光是由于集料被磨光而使得路表面变光滑，带米一定的安全隐患。 针对这类病害传统方法是采用局部挖补的方式进行维修而在进行维修里，往往由 丁工作面小，大型机械设备无法正常发挥作用，导致维修质量不高，出现“补丁套补丁” 的情况，如图1 2 所示。 豳卜2 路面坑槽病害传统修补后上升的痛害 就地热再牛能有效地处理表面损坏，采用沥青路面热冉生修补车对发牛病害的区域和 痛害周闸一定范围的路面进? ? j j n 热、耙橙，视需要再添加新科经整平、碾压即可完成修 复上作，由于对病害周围i 苎域也进行了加热，保证r 修补区域和周围区域的热枯结，可极 大地提高修补质垡，如图1 3 。 图1 - 3 就地热再生技术处理松散凳痛窖示意图 ( 3 ) 裂缝 裂缝类病害，尤其是半刚性基层沥青路面的反射裂缝，是一直困扰我国道路行业的难 题。一般高速公路通车一两年后，半刚性基层的裂缝就会反射到沥青面层，有的时候沿行 车方向几十米就会出现一道反射裂缝。 针对反射裂缝，传统的处理方法一般为： 1 ) 对于裂缝宽度比较小的，采用灌缝的方法进行处理，但是这种处理方法维持时间 比较短，需要经常进行灌缝； 2 ) 对于裂缝宽度比较大的，只能采取开挖的方法进行处理工作量很大。 根据对裂缝的观测高速公路遥车一两年后半刚性基层干缩裂缝的宽度将不会再发 展，半刚性基层温缩裂缝的宽度也是随温度的变化在某一个范围内变化，对于这类己趋于 稳定的裂缝，可以用现场热荐生的方法进行处理，采用专用设备一现场热修补车，该修朴 车有长条形的加热扳，可以在一个车道宽度范围内对裂缝两侧一定宽度范围内的沥青面 层进行加热，然后将上面层和l | _ l 面层上部 c m 范围内的路面结构耙松整平后碾压，经 过这样的处理，裂缝的发展得到很大的缓解，可以显著延长裂缝反射的时间【“q 。 采用就地热再生技术，可以快速地进行路面修复，恢复路表性能。对于单条裂缝采片j 专门的热再生修补车进行处理，可缓解和消除裂缝的发展：对于龟裂、网裂等可采用就地 热再生机组进行整车道或整幅路面的连续维修，效果好、速度快，费用低。 就目前我国沥青路面典型病害的处理方法可以看出，传统的处理方法往往材料用量 大、进度慢、耗资多，而采用就地热再生技术，不仅可以提高路面的维修质量，而且进度 快、节约资源和保护环境，因此就地热再生是目前一种比较有效的处理沥青路面病害的养 护维修方法。 1 2 就地热再生技术的研究及应用现状 1 2 1 国外研究及应用现状 随着路面材1 s 资源的短缺和节能、环保等要求的不断提高，利用沥青混合料再生技术 进行高等级公路维修、养护的课题受到了各国的高度重视。 混合料再生利用的试验研究，最早是1 9 1 5 年在美国开始的。但此后由于太规模的新 路建设，再生技术的发展缓慢。直到1 9 7 3 年，石油危机的爆发，使得沥青供应紧张，再 5 加上严格的环保法制，使得砂石材料的开发受到限制，筑路用的砂石材料供不应求，以致 砂石材料价格上涨，1 9 7 4 年美国开始大规模研究和推广沥青混合料再生技术。沥青路面 在美国是最大的再生产品，根据美国联邦公路局报道，每年使用铣刨料9 1 0 0 万吨中的7 3 0 0 万吨旧沥青路面材料( r a p ) ，重复利用率达8 0 。由于沥青混合料再生利用大有可为， 为此相关的研究工作得到了美国联邦公路局的大力资助。此外，美国交通运输研究委员会、 美国材料与试验协会、美国沥青路面工程师协会，也经常主持召开有关沥青混合料再生利 用的各种学术会议，有力地推动了该项研究工作的进展和交流。1 9 8 1 年美国交通运输委 员会编制出版了路面废料再生指南；同年，美国沥青协会出版了沥青路面热拌再生 技术手册，1 9 8 3 年出版了沥青路面冷拌再生技术手册：2 0 0 1 年，美国沥青路面再生 协会( a r r a ) 在联邦公路局资助下又出版了b a s i ca s p h a l tr e c y c l i n gm a n u a l 例。 1 9 9 9 年美国密西西比交通局和联邦公路局发表了就地热再生评价报告，包括就地热 再生的建造、经济性评价、路面性能测试结果等。路面性能检测包括、i 整度、f w d 测试、 回弹模量等，最终得出其路面研究所用回收沥青混合料磨耗层的表面性能与普通沥青混合 料的性能基本相同，且造价也基本相同的结论。 西欧国家也十分重视这项技术，其中联邦德国再生技术研究的发展较快，居欧洲之首。 联邦德国是最早将再生材料应用于高速公路路面养护的国家，该国1 9 7 8 年就已将全部废 弃沥青路面材料加以回收利用。法国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t 程中开始逐步推广应用这项技术。 前苏联对沥青路面再生技术的研究较早，而且在1 9 6 6 年就出版了沥青混合料废料 再生利用技术的建议，1 9 7 9 年出版了旧沥青混合料再生混合料技术准则，提出了适 用于各种条件下的再生方法。1 9 8 4 年前苏联又出版了再生路用沥青混合料，该书详细 地阐述了路拌( 现场) 再生和厂拌再生的方法【l0 1 。 国外早在2 0 世纪五、六十年代就开始有沥青路面再生剂( b i t u m i n o u sp a v e m e n t r e j u v e n a t o r ) 的文献报道，迄今为止，国外特别是美国已经有多种再生剂应用于沥青路 面再生，形成了一套比较完整的再生利用技术，并且在再生剂的性能和使用上都达到了规 范化和标准化的程度。 1 2 2 国内研究及应用现状 我国沥青混合料再生利用技术的发展过程大体可以划分为两个大的阶段，第一阶段为 2 0 世纪8 0 年代末之前，第二阶段为2 0 世纪9 0 年代以后。 我国自6 0 年代就开始推广铺筑渣油路面，黑色路面里程逐年增加，7 0 年代以后，陆 续修建了各种结构的沥青路面，进入8 0 年代，随着沥青生产数量的增加，渣油路面逐渐 减少，沥青路面的比重逐年增加。在当时，由于交通量迅速增长，重型车辆日益增多，不 少沥青( 黑色) 路面实际已处于超负荷工作状态，以致路面的病害日趋严重，道路的大修 和改建任务日益繁重。然而，虽然当时我国许多油出得到开发，石油化工有了很大的发展， 但生产的沥青仍然供不应求，沥青的供应量尚不到需求量的一半；而且我国当时公路建设 投资有限，不能满足公路交通运输事业迅速发展的需要。在这种背景下，为了节约投资、 重复利用沥青，沥青混合料再生利用技术的研究第一次提到了我国公路工作者的工作日程 6 当中。 1 9 8 2 年，交通部科技局正式将沥青混合料再生利用列为重点科技项目，由同济大学 负责该课题研究的协调工作。研究工作采取由科研单位、高等院校以及生产部门相互协作 的方式，分别确定主攻方向，开展比较系统的试验研究，使研究深度和广度有了较大的进 展。 同济大学对旧沥青混合料的再生机理和再生设计方法进行了深入的研究。他们从化学 热力学和沥青流变学的原理出发，研究沥青作为高分子浓溶液其溶质与溶剂之间的相容 性，以及沥青在老化过程中其流变行为的变化规律。还研究了再生剂的作用和质量技术指 标。此外，还在室内就再生沥青混合料的物理力学性能进行了系统的评价性试验。通过理 论研究，对沥青再生的本质有了深刻的认识，探明了老化沥青再生的科学途径，并在此基 础上建立了沥青混合料的再生设计方法。 1 9 8 3 年建设部下达了“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，其他省份如山东、 河北、辽宁、广东、安徽等在八十年代初也曾先后进行过旧渣油路面的再生利用研究。 到了8 0 年代中后期，我国开始了大规模的公路建设，尤其是高速公路建设。1 9 8 8 年 1 0 月3 1 日上海到嘉定1 8 5 k m 高速公路建成通车，标志着我国大陆高速公路实现了零的 突破，此后全程3 7 5 k m 的沈大高速公路、全长1 4 3 k m 的京津塘高速公路相继建成通车。 9 0 年代起，全国高速公路的建设步伐明显加快，每年建成的高速公路由几十公里增加到 上千公里，其发展速度迅猛。而新路建设的迅猛发展，带来了大量急需解决的新困难、新 问题，如何克服这些新凼雉、新问题成为这个时期公路科研的主题，大量的人力、物力和 财力投入其中。沥青混合料再生利用技术的研究冈而被搁置到了一边，致使我国路面再生 方面的研究在这个时期基本处于停滞状态，尤其是8 0 年代前期我国相当一部分道路是采 用贯入式等薄层沥青路面方案，就地热再生技术难以实施，从而使得这个方面的研究更少。 近十年来我国修筑的高等级路面大多为沥青路面，而且所用沥青中进口沥青占很大比 例，价格昂贵。此外我国许多地方石料匮乏，单价也口趋上升，原材料成本在整个路面工 程中的比例也越来越大。大量的使用新石料、开采石矿也造成森林植被减少、水土流失等 严重的生态环境问题。近年来我国很多路面，特别是高等级路面已经或即将进入维修或改 建期，大量的废旧沥青混合料被废弃，一方面造成环境污染，另一方面也是资源的极大浪 费。于是沥青混合料再生利用技术再一次被提到公路工作者的工作日程当中，成为当前公 路科研热点问题之一。而就地热再生技术凭借其特有的优势赢得了很多工程人员的青睐。 就地热再生技术是为了对废旧的沥青混合料直接回收利用。通过加热机和移动式再生列车 加热并铣刨旧的沥青路面，添加沥青再生剂或少量的新混合料，经过拌和、摊铺、压实， 形成新的路面。就地热再生技术在国内应用时间相对较短，目前在就地热再生的混合料设 计方法、工艺要求、质量控制和验收标准等方面还缺少相应的标准要求，对于混合料的高 温稳定性、抗水损害、抗疲劳性能，特别是材料的力学性能，如动态模量等，缺乏深入的 研究，这些将是本研究的重点。 7 1 3 本论文主要研究内容 ( 1 ) 国内外应用现状调查 调查国内外沥青路面的典型病害及其相应处理措施的现状、施工工艺、配套的施工设 备等，并综合分析就地热再生技术处治沥青路面病害的效果。 ( 2 ) 沥青老化及再生机理分析 包括沥青老化的几种不同的机理分析以及相关的再生理论的总结，其中老化机理主要 是从沥青组分构成和沥青相容性角度来进行分析，而再生机理则包括组分协调理论、相容 性理论和以性能为基础的沥青再生理论。 ( 3 ) 就地热再生混合料设计研究 包括再生剂类型的选择及用量设计，混合料配合比设计标准的研究等内容，以及确定 再生剂的技术指标，推荐系统的再生混合料设计方法等。 ( 4 ) 就地热再生混合料的室内性能评价 进行就地热再生沥青混合料的室内试验研究，包括马歇尔稳定度试验、高温、低温性 能试验、水稳定性试验、疲劳性能试验等。一方面对再生混合料的性能进行评价，为提出 就地热再生技术施工质量控制标准提供试验依据，另一方面通过室内试验评价不同就地热 再生工艺的性能差异，便于根据不同病害处理的需要选择合适就地热再生工艺。 ( 5 ) 就地热冉牛施工工艺和质量控制 对就地热再牛的施工工艺、施工设备和质量控制进行研究，主要是通过就地热再生对 沥青路面整体病害的再生效果进行分析。 ( 6 ) 就地热再生试验路观测 对就地热再生处治典型病害的使用效果进行定期观测，并与传统沥青路面典型病害处 治的效果进行比较，为沥青路面就地热再生技术的改进和完善积累经验。 8 2 沥青老化及再生机理分析 沥青路面在使用过程中，经受行车和各种自然因素的作用，逐渐脆硬老化，其实质是 路面材料中的沥青结合料发生了变化。因此，旧沥青路面的再生实质上就是旧沥青的再生。 1 1 3 沥青的再生就是在老化沥青中加入一定量的适当再生剂以恢复旧沥青路而的路用性能。 了解沥青材料的老化过程有助于理解再生剂的再生作用及再生机理，有助于选择适宜的材 料配制性能优良的再生剂产品。 沥青是在自然界中经过长期、综合的作用并由现代工艺提炼加工而成的，其化学构成 和性能特点极为复杂。目前沥青自身成分和性能等的研究尚在不断完善中，对其老化和再 生机理的认识更是有待于进一步探讨。为更好的进行就地热再生技术的研究，本章首先对 沥青老化过程和再生机理进行了分析。 2 1 废旧路面回收沥青老化规律 沥青的老化直接影响了路面的寿命和性能。在路面施工中沥青始终处于高温状态，受 热会产生短期老化；而在路面使用过程中，由于沥青长期裸露在自然环境中，同时还要受 到汽车荷载等的作用而产生长期老化【1 1 】。 从沥青的使用过程而言，沥青的老化可分为三个阶段： ( 1 ) 运输、储存、加热过程中的老化 沥青从炼油厂炼制出来后，一直装在保温的沥青罐内，经历热态储存、热态运输、储 油罐内预热、配油罐内调配等过程，受热使沥青中的轻质油分不断挥发，使得沥青变硬、 变脆、粘结性降低。若与空气接触，还会使沥青发生氧化反应，使其针入度下降、延度减 小、软化点升高。 ( 2 ) 沥青加热拌和及铺筑过程中的老化 沥青在拌和机内与热矿料混合，其温度一般高达1 6 0 1 8 0 ，沥青一方面突然经 受高温，一方而又接触热空气，加速了沥青组分挥发和沥青氧化，因此沥青在此阶段的老 化是最严重的。表2 1 是拌合前后沥青性质变化的实测值，针入度卜降幅度超过了2 0 。 表2 - 1 拌和前后沥青性质的变化 ( 3 ) 沥青在路面使用中的老化 沥青在路面使用过程中由于受环境和荷载的影响，特别是水分、紫外线、氧气的长期 作用，也会引起老化。在沥青路面使用早期，沥青老化较快，针入度急剧变小，其后继续 变小，但趋于缓慢。沥青的长期老化主要是在使用过程中发生氧化、挥发、聚合、触变、 胶体脱水收缩、分离和析出等，最终使得沥青的粘度增加、针入度和延度下降【1 2 】。 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比分析，其试验结果见表2 - 2 。 o 表2 - 2 美国回收沥青的物理性质 从表列数据可以看出，沥青路面不同位置的沥青老化程度是不同的，同时，同一深度 的沥青，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，老化不断加重。 2 2 沥青老化机理 为了弄清楚沥青再生的机理，下面将分别从沥青组分变化、相容性理论和橡胶理论出 发，研究沥青在老化过程中其性质的变化规律，从而为老化沥青的再生找到适宜的途径和 方法。 2 2 1 沥青老化的组分变化理论 1 、沥青化学组成与路用性能的关系 沥青是由多利一化合物组成的混合物，成分复杂，从化学元素构成来看，主要是碳氢 ( c h ) 化合物。另外含有少量的硫( s ) 、氮( n ) 以及一些金属元烈1 3 】。由于沥青成分 的复杂性，目前还不能准确地研究沥青的各元素在沥青性能中发挥的作用，而且这种研究 也没有必要。为便于分析，人们利用沥青不同组成对不同溶剂的溶解性，按照化学成分和 物理性质相近的原则将沥青分离成几个部分，称为沥青的组分。 l w c o t b e t t 将沥青分为4 个组分，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。从表2 - 3 可以看出，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【1 们。 表2 - 3 中的数据还表明，化学组成与沥青的胶体性能之间存在着如下联系： 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。 1 0 日本c o s m o 公司的田中晴等人也对沥青的化学组成与沥青物理性质的影响进行了深 入的研究，考察沥青的针入度、软化点、高温粘度等指标与沥青组分及相对分子质量的关 系。试验得到的道路沥青指标与沥青组分及沥青平均相对分子质量的关系见表2 4 。 表2 - 3 沥青的两组分调和试验结果 抖 府d l g p = 7 5 1 5 0 11 6 a ，+ 0 0 6 0 s o 1 2 3 r 0 9 3 3 f i 、，叉l l g p = 7 9 1 3 1 0 11 6 a ，+ 0 0 5 6 1 s 一0 1 2 6 1 r 一0 0 0 0 2 m 0 9 3 4 瓦口= 2 0 8 2 + 1 4 0 a ，一o 5 6 s + 0 8 9 r 0 9 8 2 软化点t 啪 靠占= 2 3 4 4 + 1 3 8 8 a ，一0 5 8 9 s + 0 8 8 3 r 一0 0 0 2 m 0 9 8 2 互垦三! q ! ：! z q ：垒! 丝：二! ：兰! 苎二q ：z 璺丝q ：! ! 1 1 2 0 粘度n l g ( 刁1 2 0 ) = 5 6 3 0 + 0 1 0 a , 一0 0 6 2 s + o 0 4 7 r o 9 4 0 l g ( 7 7 1 2 q ) = 2 0 2 1 + 0 1 0 9 么。一0 0 2 8 s + 0 0 5 1 r + 0 0 0 3 m 0 9 6 9 1 5 0 粘度r 1 ， l 咖5 。) = 4 6 8 3 + 0 0 7 5 a r 一0 0 5 0 s + 0 0 2 9 r o 9 2 3 l g ( 7 7 l5 q ) = 1 6 5 8 + 0 0 8 4 a ，一0 0 2 2 s + 0 0 3 2 r + 0 0 0 2 m 0 9 8 1 1 8 0 粘度r l 姗 l 如8 。) = 3 6 2 4 + 0 0 6 5 a , 一o 0 3 8 s + o 0 2 4 r o 9 0 3 l g ( r 1 8 0 ) = o 6 3 1 + o 0 7 3 a ，一0 0 1 0 s + o 0 2 7 r + 0 0 0 2 m 0 9 8 7 由表2 4 中的关联式可以看出沥青指标与各组分、平均相对分子质量之间的关系： 重质成分( 沥青质和胶质) 使针入度变小，轻质成分( 芳香分和饱和分) 使针入度变 大。 沥青软化点与饱和分或芳香分、胶质、沥青质的3 个参数回归的相关系数都很高， 且重质成分( 沥青质和胶质) 使软化点升高，轻质成分( 饱和分或芳香分) 使软化点降低。 沥青在1 2 0 。c 、1 5 0 。c 、1 8 0 c 高温条件下的粘度与饱和分或芳香分、胶质、沥青 质的3 个参数回归的相关系数都大于0 9 ，且重质成分( 沥青质和胶质) 使高温粘度升高， 轻质成分( 饱和分或芳香分) 使高温粘度降低。 对针入度和高温粘度来说，它与沥青组分的关系是对数关系，所以组分的很小变 化都会对针入度和粘度有很大的影响。 2 、沥青在老化过程中组分的变化情况 沥青在使用中由于空气、温度和阳光的作用会老化变质，究其原因主要是由于化学组 成发生变化而使其胶体性质变化所致。表2 5 为孤岛原油沥青经薄膜烘箱老化试验前后组 成和性质的变化，表2 - 6 为美国某沥青在道路上使用1 8 年以后组成和性质的变化 1 0 】。这 两个表中数据所反映的规律是很一致的，这就是沥青老化后针入度降低、软化点增高、延 度减小。化学组成的主要变化是芳香分含量减少，沥青质的含量增多。 表2 - 5 孤岛原油沥青薄膜烘箱试验前后性能及组分变化 表2 - 6 美国某沥青在道路上使用1 8 年后性能及组分变化 我国在“七五”计划期间也修筑了许多试验路，对这些路面的使用状况进行了多年的 跟踪观测并在现场进行取样分析。表2 7 为沈大高速公路经1 0 年的跟踪观测结果，表2 8 为江苏某一级公路跟踪取样分析结果【l4 1 。根据两个表中的观测结果，沥青在性质和组分 的变化规律与表2 5 、表2 6 的是相同的。 本文研究就地热再生工艺，主要针对上面层，考虑到目前上面层大多采用改性沥青， 为此，进行了改性沥青老化前后组分分析。选用s b s 改性沥青，采用s h r p 体系中p a v 试验模拟沥青长期老化过程，结果如表2 9 及图2 1 。 1 2 表2 _ 7 沈太高速公路的回收沥青韵某些性质 表2 - 8 江苏某一级公路原始沥青及回收沥青性质 圈2 - i 服样沥青与老化沥青组分分析 综合以上沥青老化前后组分变化情况，虽然老化前后沥青各组分比例变化情况不尽相 同，但是还是可以看出一定的变化规律： 饱和分：小幅度增加或减少： 芳香分：大幅度减少； 胶质：小幅度减少或增加； 沥青质：大幅度增加。 国内外研究表明，大多沥青老化过程中组分变化