（材料学专业论文）水泥乳化沥青冷再生混合料性能研究.pdf

摘要 近年来，我国公路建设发展迅猛，截至2 0 0 9 年9 月，我国已建公路里程已达3 7 0 万公里，采用沥青路面结构的占7 0 以上。但是，早期修建的高等级公路也陆续进入维 修或改扩建期，由此产生的沥青路面的旧料对环境造成的污染也日趋明显，沥青路面再 生技术对路面旧料进行再生利用，可提高资源利用率，保护生态环境，具有重要的研究 意义。 本文首先分析了常用的冷再生技术和方法，并对试验所用沥青面层旧料和半刚性旧 料等原材料性质进行了分析；通过室内试验，采用水泥和乳化沥青作为再生剂，以五种 不同质量比例的沥青面层旧料和半刚性材料旧料作为再生料，研究其冷再生设计方法。 试验表明：水泥乳化沥青冷再生混合料设计过程中采用最佳流体含量指标，并且分步骤 确定水泥用量和乳化沥青用量是比较合理的，并提出了修正马歇尔设计方法来成型和养 生室内试件，为保证水泥乳化沥青再生混合料的早期强度和水稳定性，水泥乳化沥青冷 再生混合料的最佳沥青用量按照1 5 c 湿劈裂强度和4 0 浸水马歇尔稳定度最大，兼顾 干劈裂强度的原则确定。 其次，介绍了不同再生剂的冷再生混合料强度形成机理，并通过微观试验，分析了 水泥乳化沥青冷再生混合料微观机理，并研究了随龄期增长，水泥水化产物与乳化沥青 形成的胶结物对再生混合料内部结构的影响。同时对再生混合料的路用性能实验表明， 水泥乳化沥青冷再生混合料具有良好的路用性能，并在室内研究的基础上提出了冷再生 设计参数范围和相应的结构组合设计方法。最后对冷再生的经济和社会效益做了初步分 析。 研究结果表明，水泥乳化沥青冷再生技术是一项经济环保并具有广阔前景的技术， 尤其适用于缺乏砂石材料地区的道路大修和改建工程。 关键词：乳化沥青，水泥，冷再生，配合比设计，微观机理，路用性能 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r sa sr a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h w a yc o n s t r u c t i o n ，u pt os e p t e m b e r2 0 0 9 ， c h i n ah a sb u i l t3 7m i l l i o nk i l o m e t e r sh i g h w a ym i l e a g ew i t hm o r et h a n7 0 o fa s p h a l t p a v e m e n t h o w e v e r ，t h ee n v i r o n m e n tp o l l u t i o ni sa l s ob e c o m i n gw o r s eo f fb e c a u s eo ft h eo l d a s p h a l tp a v e m e n tm a t e r i a lr e s u l t i n gf r o mt h ee a r l yc o n s t r u c t i o no ft h eh i g h w a yw e n ti n t ot h e r e p a i ro rr e c o n s t r u c t i o n i ti ss i g n i f i c a n tt or e s e a r c ht e c h n o l o g yo ft h eo l dm a t e r i a lo na s p h a l t p a v e m e n t , s ot h a tr e s o u r c ec a nb ei m p r o v e da n dr e c y c l i n ga n de c o l o g i c a le n v i r o n m e n tc a nb e p r o t e c t e d t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec o m m o nm e t h o da n dt e c h n i q u eo fc o l dr e c y c l i n g ，a n ds e m i r i g i d n a t u r eo ft h eo l dm a t e r i a ls u c ha so l da s p h a l tp a v e m e n tm a t e r i a l sa n dr a wm a t e r i a l si s a n a l y z e dw h a tw o u l db eu s e di nt h et e s t t h r o u g hl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s ，w es t u d yt h ec o l d r e c y c l e dd e s i g nm e t h o d ，u s i n gc e m e n ta n de m u l s i f i e da s p h a l ta sar e c y c l i n ga g e n t ，f i v ek i n d o ft h eo l da s p h a l ts u r f a c em a t e r i a l sa n ds e m i - r i g i dm a t e r i a l so fd i f f e r e n tm a s sr a t i oa s r e c y c l i n g o l dm a t e r i a l t h er e s u l t ss h o wt h a tu s i n gt h eb e s ti n d i c a t o ro ff l u i dc o n t e n t , a n d s t e p b ys t e pt od e t e r m i n et h ea r n o u n to fc e m e n ta n da s p h a l tc o n t e n ti sm o r er e a s o n a b l ei nc e m e n t e m u l s i f i e da s p h a l tc o l dr e c y c l e dm i x t u r ed e s i g np r o c e s s a n di ta l s op r o p o s e da m e n d m e n t s t ot h em a r s h a l ld e s i g nm e t h o dt os h a p ea n dh e a l t hi n d o o rs p e c i m e n t oe n s u r et h e r e g e n e r a t i o nm i x t u r ee m u l s i f i e da s p h a l tc e m e n te a r l ys t r e n g t ha n dw a t e rs t a b i l i t y ，c o l d r e c y c l e da s p h a l tc e m e n tm i x t u r ee m u l s i f i e do ft h eb e s ta s p h a l tc o n t e n td e t e r m i n eb yt h em o s t s p l i t t i n gs t r e n g t ho f 15 ，w e ts o a k i n gm a r s h a l ls t a b i l i t yo f4 0 * ca n dd r y s p l i t t i n gs t r e n g t h t h e n , f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fc o l dr e c y c l e dm i x t u r es t r e n g t ha n do ft h ed i f f e r e n t r e g e n e r a t i o nd o s e sa r ed i s c u s s e d t h r o u g hm i c r o - t e s t ，w ea n a l y s et h em i c r o m e c h a n i s mo f c o l dr e c y c l e dm i x t u r e so ft h ee m u l s i f i e da s p h a l tc e m e n t w ea l s or e s e a r c ht h ee f f e c t ，a st h e a g eg r o w t h ，o fc e m e n th y d r a t i o np r o d u c t sa n dt h ef o r m a t i o no fe m u l s i f i e da s p h a l tc e m e n t m i x t u r eo nt h er e g e n e r a t i o ni n t e r n a ls t r u c t u r e t h ee x p e r i m e n t so nr e g e n e r a t i o nm i x t u r e p a v e m e n tp e r f o r m a n c es h o wt h a tc o l dr e c y c l i n gc e m e n ta s p h a l te m u l s i o nh a sg o o dr o a d p e r f o r m a n c e b a s e do ns t u d i e di nt h el a b o r a t o r y ，w ep u tf o r w a r dd e s i g nm e t h o d sa n d e x a m p l e so ft h ed e s i g np a r a m e t e r ss c o p eo ft h ec o l dr e c y c l e da n ds t r u c t u r eo ft h e c o r r e s p o n d i n gc o m b i n a t i o n i nt h ee n d ，w em a k eap r e l i m i n a r ya n a l y s i so fe c o n o m i ca n d s o c i a lr e g e n e r a t i o no ft h ec o l dr e c y c l e d f i n a lc o n c l u s i o ni st h a tt h ee m u l s i f i e da s p h a l tc e m e n ti sak i n do fc o l dr e c y c l i n g t e c h n o l o g ya n db r o a dp r o s p e c t sf o re c o n o m i ce n v i r o n m e n t a lt e c h n o l o g y ，e s p e c i a l l yf o rt h e h i g h w a yr e c o n s t r u c t i o na n d e x t e n s i o ni nt h er e g i o nl a c ko f r o a dg r a v e lm a t e r i a l k e y w o r d ：e m u l s i f i e da s p h a l t ；c e m e n t ；c o l dr e c y c l i n g ；m i xd e s i g n ； m i c r o - m e c h a n i s mp e r f o r m a n c eo nr o a d 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 截至2 0 0 9 年9 月，我国已建公路里程已达3 7 0 万公里，其中高速公路里程也即将 突破6 万公里，采用沥青路面结构的占7 0 以上，而全国沥青路面结构的公路约有6 0 以上已有1 0 年以上寿命，按照沥青路面1 0 1 5 年的设计寿命，它们当中的大多数已经 进入到大修、中修或改扩建阶段。大量的翻挖、铣刨旧有沥青路面，将会产生大量的废 弃沥青混合料。据统计，到2 0 1 5 年，我国沥青路面的大、中修工程每年将会产生约8 0 0 0 万吨旧沥青混合料，这些旧料将会占用大量空地堆放，造成环境污染。我国公路建设的 不断发展，采用半刚性材料修筑的路面结构基层和底基层已经得到广泛的推广和应用。 9 0 年代至今，每年约有上万公里的公路建成通车，其中包括上千公里的高等级公路。 在这期间半刚性材料占各等级公路路面基层材料用量的9 5 以上【l 】。半刚性基层沥青路 面已经成为我国公路主要的结构类型。 道路的修筑需要大量的石料、水泥沥青等原材料，为了获取原材料，每年开山采石、 开采石灰岩烧制水泥导致大面积的山脉和森林减少，造成水土流失、河流污染等一系列 严重后果。同时，近年来国际市场原油价格一路飙升，与此对应的沥青价格也越涨越高； 而我国由于经济近年来的快速发展，人民群众对交通出行的要求也越来越高，这就造成 了一方面沥青原材料价格不断上升，另一方面我国作为优质沥青资源极为匮乏的国家， 又必须不断大量建设各级道路以满足交通运输和经济发展的需要。为了缓和这对矛盾， 要求国内的道路工作者既要保证国内道路建设，又要努力降低道路工程的造价。到2 0 0 9 年，我国道路沥青需求总量已经突破1 0 0 0 万吨。图1 1 即为我国近几年和将来几年根 据道路修筑规划的沥青需求量的增长趋势。 图1 1 近几年道路沥青需求量表 路面在使用一段时间后，其整体性能将不能满足路用要求，以前沥青混凝土路面在 l 第一章绪论 达到使用寿命或发生结构性破坏后，一般将旧沥青混合料铣刨废弃掉后再重新铺筑新路 面。这种作法虽然能保证道路的使用性能，但是废弃的旧料没能用作其他用途。旧料只 是在功能上有所降低，除了其中的沥青在环境和荷载作用下部分老化外，砂石等粗细材 料作为路用材料仍有很高的再利用价值。通过再生技术，可以使这些材料重新铺筑道路 上，既能满足甚至提高路用性能要求，又可以节省大量材料资源和资金，也可以避免环 境污染，实现循环经济发展模式和可持续发展1 2 1 。 路面再生技术，即是将需要返修或废弃的路面，经过铣刨、回收、破碎、筛分，添 加新集料、再生剂或者结合料，适当配制并重新拌和，形成具有满足路用性能要求的再 生混合料，用于铺筑路面面层或基层。它基本适用于各种沥青路面修筑，其使用效果与 新混合料相当或相近。沥青再生技术按照施工场合和工艺的不同分为厂拌再生和就地再 生；按照再生混合料拌制和施工温度的不同主要分为热再生和冷再生【3 】，其中热再生主 要采用道路石油沥青作为再生结合料，必要时掺加再生剂，热再生主要应用于沥青路面 铣刨料再生为沥青面层；冷再生则主要采用乳化沥青、泡沫沥青、无机结合料( 如石灰、 水泥、粉煤灰等) 作为再生结合料，用于冷再生的路面材料可以是沥青路面铣刨料，也 可以是无机结合料稳定层的铣刨料。目前的工程实践中，沥青路面冷再生技术在道路再 生中具有明显的优势，主要有： ( 1 ) 节省成本，冷再生相比于热再生可节省大量能源，相比于新建工程可以减少 材料和运输成本，总投资可节省4 0 5 0 ； ( 2 ) 保护环境，节约土地，将旧路面材料重新利用，可减少甚至无须开采新集料， 具有重大的环保效益，还可避免旧料堆积占用土地资源； ( 3 ) 在不损坏路基的前提下，提高旧路等级，且可以根据需要控制再生层厚度； ( 4 ) 再生机械一般都具有封闭式自动控制添加系统，可以实现合理配比，防止粉 尘飞扬，改善了施工环境【3 】，同时冷再生在常温下就可施行，降低了施工条件。 1 1 课题的提出和研究意义 我国是人口大国，经济发展处于上升时期，人流物流带来的交通压力很大，近年来 我国每年都在加大道路建设投资，但是，前期修建的道路有相当一部分已进入维修、养 护和翻修重建阶段，所以说当前我国公路重心已经有原先的建设为主进入到建设与维修 并重的阶段。在这个阶段，建设、养护维修和翻修交互在一起，这也是道路交通事业自 身发展的客观要求。 2 长安大学硕士学位论文 受制于我国道路建设“强基薄面方针，我国早期修建的道路面层薄、等级较低， 设计交通量小，在交通日益繁重的今天，这些道路往往还没到设计年限就已经产生严重 的病害，如车辙，裂缝、松散、坑洞等。在保持原有线路的改扩建中，对旧路面往往采 用铣刨后补强路基的方式。对于铣刨料，由于铣刨路面面层薄，往往旧沥青混合料和部 分旧基层料混杂在一起。对于这种旧料，由于旧基层料的存在，即时是掺以新料采用再 生技术再生为面层也是很难满足高等级公路面层要求的，但是可以再生作为高等级公路 的基层或底基层，再生料的路用性能可以达到甚至超过新料路用性能，变废为宝，节省 投资。本论文即是研究采用旧沥青混合料和旧基层料作为再生料，以乳化沥青和水泥作 为结合料，采用冷再生方法，再生为高等级公路基层的方法。 掺加水泥作为稳定剂，再生得到的混合料作为路面的基层使用。目前国内冷再生 较多采用这种方案，水泥的用量一般控制在3 6 之间 4 1 。掺加乳化沥青或泡沫沥青作 为稳定剂再生后的混合料可以作为沥青碎石基层或沥青下面层使用。 乳化沥青已经有近百年的应用历史，早在1 9 0 6 年已有乳化沥青的生产，1 9 1 4 年乳 化沥青第一次应用于铺筑路面。欧洲是最早使用乳化沥青的地区。美国与1 9 3 0 年开始 使用乳化沥青。2 0 世纪2 0 年代末期，乳化沥青的生产及应用技术已经趋于成熟。1 9 3 7 年国际乳化沥青委员会制定了乳化沥青试验方法，大大促进了乳化沥青的发展，但早期 生产的乳化沥青多为阴离子乳化沥青。2 0 世纪5 0 年代，法国研制出阳离子乳化沥青， 并探究阳离子乳化沥青的各方面性能，因其凝聚速度快，并可改善许多集料与沥青的粘 结性，弥补了阴离子乳化沥青的缺陷和不足。1 9 6 0 年日本乳化沥青协会制定了“阳离 子乳化沥青的规格标准 ，从而使乳化沥青迈向标准化。我国自1 9 3 5 年第一次使用乳化 沥青，但当时所用乳化沥青多为进口。1 9 5 1 年研制出阴离子乳化沥青。1 9 5 4 年研制成 功阳离子乳化沥青，并先后在天津、北京、上海、沈阳等地修筑了试验路段。后来还研 制出快裂、慢裂和中裂的乳化沥青，用于路面建设和养护中。近几十年来，由于再生技 术和施工机械的发展，乳化沥青在道路建设中得到更广泛的应用。 水泥在建设领域使用广泛，现成的水泥标准和规范也较为完善，水泥应用于道路领 域中也已有上百年的历史。和沥青相比，水泥具有价格低廉、易于生产、强度高并且形 成速度快、运输和施工方便等优点。但是水泥因为其材料固有的特性在水化过程总不可 避免的会产生收缩裂缝，从而给以后道路的长期性能留下隐患。 在冷再生技术中，由于采用乳化沥青作为结合料，再生料中含有较多的水分，需要 时间使混合料中的水分逐渐蒸发出去，混合料从摊铺成型到达到一定的强度需要一定时 3 第一章绪论 间，一般在4 8 小时，并且早期的水稳定性也较差，可向混合料中掺加一定剂量的水泥 提高早期强度，改善早期水稳定性，并且可以尽早开放交通。在路面再生技术中，用乳 化沥青或者乳化沥青加水泥制成的结合料，已经成为主要的道路冷再生结合料之一【5 1 。 1 2 目前国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外沥青路面再生技术的研究最早于1 9 1 5 年始于美国，但当时并没有进行大规模 的研究。至1 9 7 3 年石油危机爆发，原油价格大升，美国开始对再生技术进行广泛研究。 到8 0 年代末期美国每年全部路用沥青混合料有近一半为再生沥青混合料，并且在再生 剂的开发，再生混合料的设计、施工设备等方面进行了全面的研究。沥青路面的再生利 用在美国已经是常规实践，并且出台了一系列的沥青路面再生技术手册与指南，目前其 重复利用率高达8 0 ，相比全部使用新沥青混合料的路面，可节约成本1 0 3 0 【6 1 。 2 0 世纪9 0 年代后期，美国的伊利诺斯州、印第安纳州、密歇根州、明尼苏达州、 密苏里州和威斯康辛州联合开展了再生沥青混合料研究。他们对美国中北部地区的各种 材料进行反复试验，认为新拌沥青混合料可以掺加4 0 5 0 的再生沥青混合料，仍然 可以满足美国沥青及沥青混合料路用性能规范。 日本自1 9 7 4 年开始对沥青路面再生技术进行研究，并与1 9 8 4 年出制定了路面废 料再生利用技术指南，对路面再生料的设计、再生所用材料、配合比设计、拌和设施、 施工与质量检测等方面作出了一些指导性的建议和规定。2 0 0 0 年后日本的再生沥青混 合料已达5 0 万吨，占全年沥青混合料产量的5 8 。 欧洲一些国家对沥青路面再生技术的研究大多始于2 0 世纪7 0 年代中期，德国在 1 9 7 8 年已将全部废弃沥青路面材料加以回收利用，并且以法律形式加以执行，1 9 8 3 年 出版了沥青路面冷拌再生技术手册。芬兰几乎所有城镇都组织回收和储存旧沥青路 面材料。法国近年来也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再生技 术。最近，欧洲沥青路面协会e a p a 在互联网上宣布，其成员国的旧沥青路面材料应 1 0 0 通过再生方式得以利用。 关于水泥乳化沥青冷再生混合料方面，意大利的帕尔玛大学通过实验室试验从微观 材料结构观察分析和宏观物理力学试验两个方面对水泥在乳化沥青冷再生混合料中所 起的作用进行了研究，对水泥与沥青的相互关系、混合料的微观物理结构模型、水泥对 混合料物理性质的影响等方面做了详细的阐述【7 】。南非p r e t o r i a 大学和c o n c o r 道路公司 4 长安大学硕士学位论文 根据试验阐述了包括水泥在内的集中水硬性填料对乳化沥青和泡沫沥青冷再生混合料 干燥和浸水劈裂抗拉强度以及残留劈裂强度的影响【8 】。 1 2 2 国内研究现状 我国国内的沥青路面再生研究最早始于1 9 8 2 年，交通部将沥青混凝土路面再生利 用作为重点科技项目下达，由同济大学负责，山西、湖北、河南、河北等省市参加，对 沥青混凝土路面再生技术开展了比较系统的试验研究。1 9 8 3 年建设部下达了“废旧沥 青混凝土再生利用 的研究项目，当时的主要研究方向把旧渣油路面加入适当的软油使 之软化来代替常规的沥青混合料，根据所铺筑试验路的观测结果，表明再生路面的综合 路用性能不低于常规沥青混凝土。 交通部于1 9 9 1 年颁布了热拌再生沥青混合料路面施工及验收规程，用于指导热 再生施工。1 9 8 3 年，甘肃兰州公路总段采用阳离子乳化沥青作再生粘结料对夏兰三路、 兰宝路、甘川路进行冷再生沥青路面施工。1 9 9 7 年淮阴市公路处用乳化沥青冷法再生 旧料后修筑路面并取得了一定效果。 近年来，许多省份开展了以乳化沥青和泡沫沥青冷再生为主的研究与应用。2 0 0 4 年5 月辽宁省营大路采用乳化沥青就地冷再生技术进行大修，工程量超过4 3 万平方米。 2 0 0 5 年陕西省在西安至宝鸡高速路大修工程中采用厂拌冷再生技术修筑了2 0 0 0 k m 水 泥泡沫沥青冷再生混合料实验路。2 0 0 6 年，辽宁省采用水泥就地冷再生技术对黑大线、 沈营线、庄林线和营口外环线等大修工程2 0 0 6 年7 月，浙江平湖市在路面大修工程中 采用厂拌法铺筑了4 k m 的水泥泡沫沥青再生基层【9 】。 2 0 0 8 年交通部颁布了公路沥青路面再生技术规范，主要内容包括：再生混合料 材料技术要求，旧沥青路面材料的回收处理及试验要求，再生混合料设计及技术要求， 各种再生方法的施工工艺及质量控制、验收标准及相关试验方法等。长安大学的权登州 硕士针对向r a p 中掺加不同质量比例的新集料，通过室内试验研究了级配组成对乳化 沥青冷再生混合料力学特性及r a p 掺量和水泥掺量对再生混合料路用性能的影响，并 通过铺筑的实验路，总结了乳化沥青厂拌冷再生混合料的施工工艺、施工质量控制及验 收标准。 国内再生技术的研究工作的开展，均取得了一定的成绩，总体上对我国道路事业走 节约型道路的发展起到了很大的推动作用。但是由于我国再生技术研究起步较晚，和国 外再生技术相比还存在较大的差距，尤其是对于冷再生混合料的设计，目前全球范围内 第一章绪论 还没有统一的得到广泛认可的设计方法，所以，开展对水泥乳化沥青冷再生技术的研究， 对于新型环保道路的发展还是很有必要的。 1 3 本论文研究内容 目前国内外乳化沥青冷再生混合料设计方法中大多是将水泥作为一种填料加入，选 定不同的水泥、乳化沥青用量进行正交试验来分析水泥和乳化沥青用量对再生料路用性 能的影响规律，以确定对应的水泥和乳化沥青的最佳用量，或者是从级配方面着手研究 路用性能较佳的级配范围，而没有具体研究乳化沥青再生料室内设计时合适的养生方法 和最佳流体含量以及水泥用量的具体确定方法。不管是厂拌冷再生还是就地冷再生，国 内外研究者采用铣刨后的回收料时没有区分原沥青面层旧料( i 乙心) 和原基层旧料( 多 是半刚性基层旧料，简称r c p ) 的比例，常向回收料中添加部分新集料以改善道路的 结构性能，提高承载力。但是新集料的添加将会使成本增加，在再生层上部不铺筑新结 构时使道路标高升高，给路桥衔接处、隧道口的平整度造成很大的困难。由于r a p 和 r c p 不管从材料组成成分还是物理性能指标上来说都存在一定的差异，其不同比例组 成下的混合料其性能会存在一定的差距。 针对目前水泥乳化沥青冷再生中存在的问题，本论文研究再生料采用l o o 旧料， 对不同质量比例的r a p 和r c p 组成的再生料的室内配合比设计方法、路用性能试验和 微观反应机理进行研究，并结合室内试验结果，改进水泥乳化沥青冷再生混合料合适的 室内养生方法和最佳流体含量的确定；根据室内路用试验结果针对冷再生的特点，提出 相应的结构组合设计方法，给出不同旧路结构的结构设计算例，并进行了技术经济、社 会环境效益分析。 主要研究内容如下： 一目前常用的冷再生技术方法和原材料性能检验； 二水泥乳化沥青冷再生混合料设计方法研究：其中再生料全部采用r a p 和r c p ， 按照不同的路面结构，拟定出两种集料5 种不同质量比状况，分别是沥青旧料：稳定 层旧料：1 ：0 、1 ：1 、1 ：2 、2 ：1 、0 ：1 ，分别命名为混合料a 、b 、c 、d 、e ，为了消除级配 对混合料性能的影响，5 种混合料采用同一种级配： 三通过采用微观观测方法观测五种冷再生混合料不同龄期的试件内部反应情况， 进一步研究不同掺配比例旧料下水泥、乳化沥青和集料三者之间的反应机理； 四通过室内试验，研究水泥乳化沥青冷再生混合料的路用性能： 6 长安大学硕士学位论文 ( 1 ) 不同龄期的饱水无侧限抗压强度试验； ( 2 ) 刚度试验； ( 3 ) 抗冲刷试验。 ( 4 ) 劈裂强度试验。 五根据试验结果，提出冷再生混合料的合适设计参数范围，结合沥青路面结构的 不同，选择合适的铣刨深度，进行结构组合设计； ( 1 ) 再生层作路面下面层； ( 2 ) 再生层作为路面基层； 六在目前公路大修工程中，对水泥乳化沥青冷再生方法进行了经济性分析和社会 环境效益分析。 7 第二章沥青路面冷再生技术方法与原材料性能检验 第二章沥青路面冷再生技术方法与原材料性能检验 我国大约是从八十年代初开始沥青路面再生研究的，但是由于经济的快速发展，公 路建设的重心转移到新建工程上面，养护工作得不到足够的重视，路面再生技术的研究 也处于停滞状态，外加当时的公路等级都较低，交通量小，旧沥青路面再生的问题不是 很突出。到今天大量的沥青路面陆续进入大修和改扩建阶段，客观上也促进了再生技术 的开发研究。另外，再生机械的发展也推动了该技术的进步，我国近年来从国外引进了 再生设备1 0 0 余台，主要用于公路与城市道路等沥青混凝土面层再生和清除拥包、车辙、 网裂、松散等病害，路面铣刨机具有工作效率高、施工工艺简单、铣刨深度易于控制、 操作方便灵活、机动性能好等优点，广泛应用于沥青路面冷再生工程中。 2 1 沥青路面冷再生常用技术 沥青路面在经过长时间的使用后，沥青由于长期经受太阳光的紫外线辐射外加在车 轮荷载作用下，承受着压应力，剪应力和拉应力等，同时沥青路面长期暴露于大自然， 会受到各种自然因素如氧、阳光、温度、水、风等的作用，致使混合料中的沥青、骨料 的性能发生物理、化学变化，并最终表现为沥青混合料使用品质下降。同时半刚性基层 材料的结合料如水泥、石灰、粉煤灰等也都已完全反应失去活性。所以沥青路面的再生 就需要在旧料中加入一定量的新结合料，将旧的路面材料重新粘合在一起，恢复混合料 的路用性能。 沥青路面冷再生按照再生技术主要分为两大类：厂拌冷再生和就地冷再生。 2 1 1 厂拌冷再生 厂拌冷再生是将路面铣刨的旧料集中到专门的场地，通过对再生料就行分析，确定 其级配和筛分后，根据工程要求，可选择是否掺加一定数量的新集料，何种再生稳定剂、 活性填料和水等，在常温下进行拌和、运输、摊铺和碾压。 8 长安大学硕士学位论文 图2 1 厂拌冷再生 相比于就地冷再生，厂拌冷再生具有明显的优点，主要有： ( 1 ) 可以在不改变路面标高的情况下向旧料中添加部分新料，以提高路面结构的 承载力； ( 2 ) 可预先对旧料筛分，以降低再生过程中旧料级配的变异性； ( 3 ) 采用集中厂拌法，旧料与再生稳定剂的拌和均匀性好，可整体提高再生技术 质量； ( 4 ) 厂拌冷再生不受铣刨厚度的影响，可以按照要求，灵活调节再生厚度。 2 1 2 就地冷再生 就地冷再生是指在施工现场使用一系列再生机械将路面铣刨后，现场添加一定数量 的新集料( 当需要时) 、再生稳定剂、活性填料和水，常温拌和均匀即摊铺压实，一次 性实现旧沥青路面再生的技术。 连凌藐化褥舌避草 连接冰避车 饔球甄 璺圆_ 匕。，霸蔫黑：二盏鎏塞一 j j 惩享乳化沥首惩车， 捧兰攫组 图2 2 乳化沥青就地冷再生工艺 冷再生的主要优点是施工速度快，对交通影响小，并且可减少材料的运输费用，降 9 第二章沥青路面冷再生技术方法与原材料性能检验 低工程成本。但是就地冷再生对再生深度有一定限制，目前的再生深度一般为 7 5 2 0 0 m m 。 2 1 3 全厚式冷再生 全厚式冷再生是将旧路面沥青材料层和非沥青材料层( 基层、底基层和路基) 统一 铣刨，将软弱底层材料加固处理后再将再生层逐层铺筑，需要时还可在再生层上加铺新 面层，所以此种再生方法对路面结构层中下层处出现病害的情况特别适用。全厚式冷再 生再生厚度深，可以大量利用回收材料，并能有效提高路面结构尤其是基层的承载力， 是路面再生技术发展的一个重要方向。 面层 基层 土基 2 2 沥青路面冷再生方法 面层 再生层 土基 图2 3 全厚式冷再生示意图 在对旧路面材料进行再生过程中通常需要加入一定量的稳定剂，其主要目的是代替 原旧料中的性能减弱或已经失效的稳定剂，以提高再生料的强度和稳定性，增强其抗水 损害能力和耐久性。目前使用的沥青路面冷再生稳定剂主要有物理类稳定剂、化学稳定 剂和沥青类稳定剂。 盈 敷怼 固 + 磁 馨! 霜 缝斌舞商 国 乳化蓊焉嘲 圄 瞧江瀚青 一 图2 4 常用冷再生技术中常用再生剂 1 0 长安大学硕士学位论文 2 2 1 物理类稳定剂 物理类稳定剂主要是指在旧料中添加一定量的新集料，以改善旧料级配从而提高再 生料整体强度和稳定性。该方法成本较低，但是所形成的再生混合料强度增长不易持久， 再生效果不太理想。 2 2 2 化学类稳定剂 化学稳定剂主要是指无机结合料，如水泥、石灰、粉煤灰等，水泥是目前最常用的 化学稳定剂，价格便宜且可以增强再生混合料早期强度和抗水损害能力，但是水泥稳定 类材料收缩系数大，易产生收缩裂缝，一般为控制收缩开裂水泥的添加剂量不应超过 6 。石灰对于塑性指数大于1 0 的材料稳定效果好，但是早期强度较低，且不适用于酸 性环境，酸性环境下要求很高的石灰剂量才能达到碱性环境下较低石灰剂量的稳定效 果，因为石灰水化需要在一个碱性环境内。粉煤灰作为一种工业废料，作为稳定剂可以 废物利用，但是和石灰一样，粉煤灰的早期强度也很低，但是后期强度增长幅度高，有 时候为了兼顾早期和后期性能，常采用两种稳定剂综合稳定的方法。 2 2 3 沥青类稳定剂 冷再生中采用的沥青稳定剂主要有乳化沥青和泡沫沥青两种。沥青类稳定剂可有效 增强粒料之间的粘结力，提高再生料整体强度，并且使再生料更具柔性，提高其疲劳性 能。 1 泡沫沥青 泡沫沥青是将热沥青和水在专用的发泡装置内混合、膨胀，形成含有均匀分散气泡 的沥青材料。1 9 5 6 年d r l a d i sh c s a n y i 教授在爱荷华州立大学工程试验站发现了用泡 沫沥青稳定土的可能性，1 9 6 8 年，美孚石油公司改进了最初的工艺，在较低的压力系 统下把冷水注入到热沥青中，使泡沫沥青技术变得实际而适用。泡沫沥青并不是一种新 的沥青结合料类型，而仅是采用一种特殊方法制备的普通沥青结合料，目前在欧美等国， 已经将泡沫沥青广泛应用在公路改建和养护中，我国也已经修筑多条采用泡沫沥青作为 稳定剂的再生混合料实验路。但是泡沫沥青需要专门的沥青发泡机械，我国国内尚没有 成熟的发泡机械，目前主要是采用德国维特根公司的沥青发泡机，在一定程度上限制了 泡沫沥青的应用。 2 乳化沥青 乳化沥青，是将沥青加热融化后，经过机械的作用，以细小的微滴状态分散于含有 l l 第二章沥青路面冷再生技术方法与原材料性能检验 乳化剂的水溶液中，形成水包油状的沥青乳液。使用乳化沥青应用于道路上时，无须加 热，常温下即可进行喷洒或搅拌，也可以做为透层油、粘层油以及用于各种稳定基层的 保护。 乳化沥青国内最早应用于建筑业，有现成的标准试验方法和规范。用乳化沥青稳定 过的材料具有粘弹性的特性，可以提高材料的抗变形能力。乳化沥青罐车与再生机相连， 在铣刨后直接将乳化沥青喷洒旧料上一起拌和，或者在专门的拌和站内拌和均匀后即可 运输碾压，施工工序相对简单【l o l 。乳化沥青主要有沥青、乳化剂、稳定剂和水等组成。 ( 1 ) 沥青 沥青是组成乳化沥青的主要材料，沥青的质量直接关系到乳化沥青的性能。为降低 乳化过程难易程度，应选择易乳化的沥青，一般来说，对于同样油源和加工工艺的沥青， 针入度越大的沥青越易于乳化。 ( 2 ) 乳化剂 乳化剂是一种表面活性剂，它主要有易溶于油的亲油基和易溶于水的亲水基组成。 乳化剂能吸附在沥青颗粒与水的界面处，从而显著降低沥青与水界面的自由能，使沥青 和水构成均匀稳定的溶液。三者作用如下图， 图2 5 乳化剂作用示意图 沥青乳化剂的分类，按照离子的类型可分为阳离子型、阴离子型、两性离子型和非 离子型。按照乳化剂的类型可分为有机型乳化剂和无机型乳化剂。目前应用较多的是阳 离子和阴离子乳化剂，但是阴离子型乳化剂的抗硬水能力较差，阳离子型乳化剂乳化的 沥青微粒带正电荷，与湿润集料表面所带的负电荷异性相吸，可以使沥青较快黏附到集 料表面，所以其应用更为普遍。但是不管是按什么类型分类，何种乳化剂，判断其乳化 性能好坏的标准都是看其是否能使沥青分散成的微小颗粒稳定地分散在水中，形成稳定 的乳状液。 ( 3 ) 助剂 为了提高沥青材料的乳化性能，增加乳化沥青的存储稳定性和改善其使用和施工性 能，有些乳化剂可能需在乳化过程中加入一定的助剂，常用的为酸碱助剂。 1 2 长安大学硕士学位论文 ( 4 ) 水 水的硬度和离子特性对乳化沥青生产有很大的影响，其中有有利的一面也有不利的 一面。总体来说，水中心“、c a 2 + 的存在对生产阳离子乳化沥青是有利的，所以在制 备阳离子乳化沥青时常向乳液中加入国c f 2 作为稳定剂。但是在制备阴离子乳化沥青时 尥2 + 、c a 2 + 的存在又会成为不利的因素，阴离子乳化剂大多是以可溶性钠、钾盐形式 在水中存在，当水中同时也存在大量的m g “、c a 2 + 时由于置换作用会形成不溶物，影 响乳化剂的乳化能力。另外当水中粒状物质较多时，由于粒状物质多带负电荷居多，会 吸附阳离子乳化剂微粒，对于稳定阳离子乳化沥青不利，因此应该根据乳化沥青的离子 类型选择符合要求的水。 2 3 原材料性质检验 由于旧料的性能对再生路面的性能有直接的影响，因此应对旧料的性能进行测试， 从而选择合适的稳定剂剂量以满足要求。对于旧料的级配目前也有不同的观点，目前最 普遍的观点是将旧料中的廿和半刚性材料旧料一样作为一种碎石来对待，只不过将 r a p 称为“黑色碎石 。同时，旧料的压碎值反映了其力学性能，也在侧面反映混合料 的力学性能。 2 3 1r a p 性能检验 ( 1 ) 廿级配 本文中所用的r a p ( r e c y c l e da s p h a l tp a v e m e n t ) 来源于深圳的面层铣刨料，采用 直接筛分方法对r a p 进行筛分，分析r a p 料的颗粒组成情况，从下表筛分结果看出， 4 7 5 r a m 通过率达6 3 5 ，级配偏细，可能是铣刨机破碎时候将部分粗集料打碎的缘故， 同时，o 0 7 5 m m 通过率只有1 3 ，这是由于铣刨料中含有少量沥青，细集料粘附在上 结成团粒所致。 表2 1r a p 筛分结果 l 筛孔( m m 1 91 6 1 3 29 54 7 52 3 61 1 8 o 6 0 3 0 0 7 5 l 通过率( ) 9 5 99 3 39 1 98 6 16 3 53 7 82 0 8 1 4 0 6 3 1 3 ( 2 ) r a p 中的沥青老化检测 对从r a p 中回收的旧沥青进行性能检测，其技术指标见下表， 第二章沥青路面冷再生技术方法与原材料性能检验 表2 2 回收旧沥青常规试验结果 项目 旧沥青试验标准 针入度( 2 5 ，0 1 m m ) 2 0 5t 0 6 0 4 2 0 0 0 延度( 5 c m m i n ，15 c ，c m ) 3 5t 0 6 0 5 一1 9 9 3 软化点6 8 8t 0 6 0 6 2 0 0 0 密度( 1 5 ，g c m3 ) 1 0 6 4t 0 6 0 3 1 9 9 3 由抽提结果可以看出，r a p 中旧沥青的针入度和延度都比较小，而软化点高，这 说明沥青已经严重老化。通过离心式抽提法检测，旧沥青混合料中的沥青油石比 p o a = 4 8 。 ( 3 ) r a p 料的压碎值 用于道路上的材料，由于长期承受车轮的磨耗和荷载压力，要求材料具有优良的力 学性质。集料的压碎值是集料在连续增加的荷载下抵抗压碎的能力，它作为衡量石料强 度的一个相对指标，用来评价公路路面和基层用集料的质量f l l 】。按照公路工程集料试 验规程中t 0 3 1 6 2 0 0 0 试验方法对r a p 料进行压碎值试验，结果如下表， 表2 3r a p 压碎值试验结果 l 技术指标 规范要求 12 3平均值 l 压碎值( ) 丰3 01 9 71 7 41 8 61 8 6 从上表看出，集料的压碎值能满足规范要求。 2 3 2 r c p 料性能检验 试验所用半刚性材料旧料为甘肃某路段基层铣刨料，该路段基层为水泥稳定砂砾， 因当时铺筑基层时技术水平低，再加当时集料要求低，很多超尺寸的集料包含其中，且 现场铣刨后为较大块集料，后在试验室用破碎机破碎备用，其压碎值检测如下表： 表2 4r c p 压碎值试验结果 技术指标规范要求 l23平均值i l 压碎值( ) 牛3 02 3 62 5 12 2 22 3 6 2 3 3 水泥 冷再生所用水泥要求初凝时间不能太短，因为在再生后还要整平，距碾压成型还有 一定间隔时间，若为厂拌冷再生还要考虑再生料的运输时间。本试验所用水泥采用陕西 耀县水泥厂生产的秦岭牌普通硅酸盐水泥，标号为4 2 5 ，各项指标见下表。水泥的各项 指标符合规范的要求。 1 4 长安大学硕士学位论文 表2 5 水泥性质试验结果 细度筛余量( )3 天强度( m p a ) 指标初凝时间终凝时间 ( 8 0 1 t m 方孔筛)抗压抗折 4 2 5 # 水泥 7 1 2 时4 9 分3 时5 0 分 2 7 o5 7 2 3 4 乳化沥青 ( 1 ) 乳化剂 试验所用乳化剂为一种阳离子慢裂、木质素胺沥青乳化剂，易溶于水和酸溶液，可 作为主乳化剂，也可作为稳定剂及缓破剂。在冷再生混合料中通常根据不同石料的性质 采用阳离子或阴离子乳化剂，选择慢裂乳化剂配制的慢裂乳化沥青具有最大的拌和能 力，适用于稳定密集配或细料含量较高的再生料。配制乳化沥青时乳化剂占乳化沥青比 例为1 5 2 5 ，本实验乳化剂用量为2 5 ，乳化环境为p h 范围2 3 。 ( 2 ) 沥青 考虑基质沥青的乳化的难易性，制备乳化沥青所用的沥青标号不能太低，采用9 0 号基质沥青，试验室测得该沥青的各项指标如下表， 第二章沥青路面冷再生技术方法与原材料性能检验 表2 6 基质沥青指标检测结果 试验项目原沥青标准试验标准 针入度 9 78 0 _ 一1 0 0t 0 6 0 4 2 0 0 0 ( 2 5 c ，o i m m ) 针入度指数p i - 0 7 8 3 1 5 + 1 ot 0 6 0 4 2 0 0 0 延度( 5 c m m i n ，1 0 c ，c m ) 3 4 6 术2 0t 0 6 0 5 19 9 3 延度( 5 c m m i n ，15 c ，c m ) 1 0 0 女1 0 0t 0 6 0 5 1 9 9 3 软化点( ) 4 7 8 5 女4 5t 0 6 0 6 2 0 0 0 6 0 c 动力粘度( p a - s ) 1 9 5 1 7术1 6 0t 0 6 2 0 2 0 0 0 密度( 1 5 ) g c m 3 1 0 2 8 实测 t 0 6 0 3 - 19 9 3 ( 4 ) 助剂 助剂采用