（材料学专业论文）公路沥青路面预防性养护材料的试验及应用研究.pdf

摘要 近年来，沥青路面在各种自然因素和重载交通的作用下，出现了沥青路面老 化脱落、微裂缝、松散等早期病害。沥青路面的早期损坏影响了路面行驶质量， 缩短了沥青路面的使用寿命。如何有效利用有限的资金，延长沥青路面的使用寿 命，对沥青路面预防性养护材料进行深入研究和探索十分必要。 本论文在分析沥青路面早期病害的类型及成因的基础上，结合现有的预防性 养护措施，依据养护剂自身特点提出其使用时机及适用条件。通过对同一种沥青 分别采用薄膜烘箱试验( t f o t ) 、旋转薄膜烘箱试验( r t f o t ) 、压力老化容器试验 ( p a v ) 进行不同时间的长期老化，以老化后沥青残留物的常规性能指标和s h r p 高 低温性能及疲劳性能指标的各项试验测试结果来对比分析这3 种不同老化方法对 沥青老化的效果，在此基础上论证了三种老化方法的优缺点，提出采用r t f o t 加 速老化试验方法来实现沥青的长期老化，并使用这种老化方法来研究老化后沥青 的各项性能。 通过研究不同老化周期后养护剂掺量的变化对老化的基质沥青再生性能的影 响，分别从感温性能、高温性能以及低温性能等三个方面进行评价，得到养护剂 在沥青老化一个周期和两个周期后的最佳掺量为4 ，老化三个周期后的最佳掺量 为6 ，老化四个周期后的最佳掺量为8 ；将改性沥青加热老化1 6 0 m i n 、2 3 5 m i n 、 3 1 0 m i n 后，分析养护剂掺量对改性沥青老化后各项性能的影响，综合整体分析得 到，当养护剂掺量为4 时，老化后改性沥青的各项性能均有所提高。 将养护剂喷洒在实际使用的沥青路面上，通过测定施工前后路面的各项性能 得到路面的构造深度值平均降低了1 3 1 1 ，路面的摩擦系数抗滑摆值平均降低了 3 6 ，路面渗水系数平均降低了8 4 9 ，其渗透深度达到6 m m 左右，不仅改善了路 表外观，而且有效的激活路面老化沥青的活性，达到了预期的效果。同时，经过 养护剂处理后的沥青路面，不仅可以有效的延长沥青路面的使用寿命，还可以大 大节约沥青路面的维护成本，减轻环境污染，带来较大的经济效益和社会效益。 通过红外光谱仪观测了沥青老化前后和再生前后图谱的变化，从化学组成来 说，沥青的老化实际上是由羰基与亚砜基官能团含量的增加引起的，在老化机理 分析的基础上，从恢复化学性能、流变性能以及相容性三个角度来分析了养护剂 对老化沥青的再生作用机理。 关键词：沥青路面；养护剂；旋转薄膜烘箱试验；最佳掺量；渗透深度；机理 a b s t r a c t i nt h er e c e n ty e a r s ，b e c a u s eo ft h ev a r i e t i e so fn a t u r a lf a c t o r sa n dh e a v yt r a f f i c l o a d s ，a s p h a l tp a v e m e n ta p p e a r sm u c hp r e m a t u r ed a m a g e ，s u c ha ss h e d d i n ga s p h a l t a g i n gm i c r o c r a c k sa n dl o o s i n ga n ds oo n t h ep r e m a t u r ed a m a g eo f t h ea s p h a l t p a v e m e n tn o to n l yh a sb a di m p a c tt ot h er o a dp e r f o r m a n c e ，b u ta l s os h o r t e n s t h e l i f eo ft h ea s p h a l tp a v e m e n t h o wt oe f f e c t i v e l yu s et h el i m i t e df u n d sa n dp r o l o n g t h es e r v i c el i f eo fa s p h a l tp a v e m e n t ， p a v e m e n tm a t e r i a l st oc o n d u c ti n d e p t h o nt h ep r e v e n t i v em a i n t e n a n c eo fa s p h a l t s t u d ya n de x p l o r a t i o n i sn e c e s s a r y i nt h i sp a p e r , a s p h a l tp a v e m e n ti nt h ea n a l y s i so ft h et y p e sa n dc a u s e so fe a r l y d i s e a s e b a s e do nt h ec o m b i n a t i o no fe x i s t i n gp r e v e n t i v ec o n s e r v a t i o nm e a s u r e s , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n s e r v a t i o na g e n t so w n u s eo ft i m ea n d a p p l i c a b l ec o n d i t i o n s t h r o u g ht h ea s p h a l tw i t hat h i n - f i l mo v e n t e s ts e p a r a t e l y ( t f o t ) ，r o t a r yt h i nf i l mo v e nt e s t ( r t f o t ) ，p r e s s u r ea g i n g v e s s e lt e s t ( p a v ) f o r d i f f e r e n tt i m e so ft h el o n g - t e r ma g i n go fa s p h a l tt oa g i n gr e m n a n t so fc o n v e n t i o n a l p e 面加1 a n c ei n d i c a t o r sa n dt l l el l i g ha n dl o wt e m p e r a t u r es h r pp r o p e r t i e s a n d f a t i g u ep e r f o r m a n c eo ft h et e s tr e s u l t so ft h i sc o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h r e e k i n d so f d i 脏r e n tm e t h o d so fa s p h a l ta g i n ge f f e c t s o fa g i n g ，b a s e do nt h i sm e t h o d d e m o n s 仃a t e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h r e et y p e so fa g i n g ，t h eu s eo f a c c e l e r a t e da g i n gt e s tm e t h o dr t f o tt oa c h i e v ea s p h a l tl o n g 。t e r ma g i n g ，a n d a g i n gt h en s eo ft h i sm e t h o dt os t u d y t h ea g i n go ft h ea s p h a l tp e r f o r m a n c e b ys t u d y i n g d i f f e r e n ta g i n gc y c l ec u r i n ga g e n tc o n t e n to ft h ec h a n g eo n r e n e w a b l eb a s ea s p h a l ta g i n gp r o p e r t i e s ，r e s p e c t i v e l y ，f r o mt h ef l u - t e m p e r a t u r e p e r f o r m a n c e ，h i # t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e a n dl o w - t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e e v a l 删o no ft h r e ea r e a s ，t h ec o n s e r v a t i o na g e n ti na s p h a l ta g i n gc y c l ea n d t h et w o a n e rt h ec y c l et h eo p t i m u mm i xa m o u n tf o r t h e4 ，a f t e rt h r e ec y c l e so fa g i n g t h e o p t i m u mm i xa m o u n to f6 ，t h ea g i n gf o u rc y c l e st h eo p t i m u mm i xa m o u n to f 8 ；a n da f t e rm o d i f i e da s p h a l ta g i n gh e a t i n g16 0 m i n ，2 3 5 m i l l ，310 r a i n ，a n a l y s i so f c u r i n ga g e n t o nt h em o d i f i e da s p h a l t a f t e ra g i n gt h e p e r f o r m a n c e o fa c o m p r e h e n s i v eo v e r a l la n a l y s i s ，w h e nt h ec u r i n ga g e n ta m o u n to f4 ，t h ea g i n g o f t h ep e r f o r m a n c eo fm o d i f i e da s p h a l tw e r ei m p r o v e d c o n s e r v a t i o na g e n t sw i l lb es p r a y e da tt h ea c t u a lu s eo nt h ea s p h a l tp a v e m e n t ， b e f o r ea n da f t e rt h er o a dc o n s t r u c t i o nb ym e a s u r i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h e s t r u c t u r eo ft h er o a dr e d u c e st h ed e p t ho ft h ea v e r a g ev a l u eo f13 11p e r c e n t ，t h e r o a ds u r f a c ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ta g a i n s ts l i d i n gp l a c e dl o w e rv a l u eo na v e r a g eb y 3 6 ，s u r f a c ew a t e rs e e p a g et h ea v e r a g er e d u c e dc o e f f i c i e n t o f8 4 9 * 0 , t h e p e n e t r a t i o nd e p t ho fa b o u t6 m mt o a c h i e v en o to n l yi m p r o v e dt h er o a dt a b l e a p p e a r a n c e ，a n de f f e c t i v e a c t i v a t i o no ft h ea g i n ga s p h a l tp a v e m e n ta c t i v i t y ， r e a c h i n gt h ed e s i r e dr e s u l t s a tt h es a m et i m e ，a f t e rac o n s e r v a t i o na g e n td e a la f t e r t h ea s p h a l tp a v e m e n t ，n o to n l yc a ne f f e c t i v e l ye x t e n dt h es e r v i c el i f eo fa s p h a l t p a v e m e n tc a na l s ob es u b s t a n t i a ls a v i n g si nm a i n t e n a n c e c o s t so fa s p h a l tp a v e m e n t ， r e d u c i n ge n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n , c a u s e d i n c a l c u l a b l ee c o n o m i ca n ds o c i a l b e n e f i t s t h r o u g hi n f r a r e ds p e c t r o m e t e rw a so b s e r v e db e f o r ea n da f t e ra g i n ga n d r e g e n e r a t i o no fb i t u m e nb e f o r ea n da f t e rt h em a pc h a n g e s ，f r o mt h ec h e m i c a l c o m p o s i t i o n ，t h ea s p h a l ta g i n gp r o c e s sa le i nf a c tc a r b o n y la n ds u l f o x i d ef u n c t i o n a l g r o u p b a s e dc o n t e n ti n c r e a s e d ，t h ea g i n gm e c h a n i s ma tt h eb a s i so ft h ea n a l y s i s ， f r o mr e c o v e r yt h ec h e m i c a lp r o p e r t i e s ，r h e o l o g i c a lp r o p e r t y ，弱w e l la st h e c o m p a t i b i l i t yo ft h et h r e ei nt e r m so fa l la n a l y s i so f t h ec o n s e r v a t i o na g e n tf o rt h e r e g e n e r a t i o no ft h ea g i n gm e c h a n i s m o fa s p h a l t k e yw o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t ；c u r i n ga g e n t ；r o t a r yt h i nf i l mo v e nt e s t ；o p t i m u m m i xa m o u n t ；p e n e t r a t i o nd e p t h ；m e c h a n i s m 重庆交通大学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，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。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标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：粥1 街日期：少砷年夸月7 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 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。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信 息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：柰禾l 萍 日期：炒c 年节月7 日 指导教师签名：壹怔 日期：2 闪尸年婶月7 日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位算文作者签名：亲禾i 滓 日期：少叶年节月7 e t 。 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 沥青作为道路建设的主要材料之一，已经大量的应用于高等级路面建设。它 有一定的弹性和塑性，具有足够的力学强度，有高度的减振性，行车平稳舒适、 噪声低且不扬尘等特点，可以适应车辆对路面的作用力、与汽车轮胎有足够的摩 擦力，从而减少汽车的滑动，尤其在雨天，增加了汽车行驶的安全性。因此，世 界各国高等级公路路面绝大多数采用沥青路面，己修和待建的高等级公路路面大 部分为沥青路面，特别是高速公路，9 0 以上路面为沥青路面。 自1 9 9 8 年沈沪高速公路建成通车至2 0 0 7 年的1 0 年，我国高速公路年均通车 里程超过4 9 0 0 公里，是前1 0 年的1 0 倍多。京哈、京沪、京珠、沪昆等一批横贯 东西、纵贯南北的高速公路相继建成通车，长江三角洲、珠江三角洲、环渤海等 经济发达地区的城际高速公路网络基本形成。目前，除西藏外，各省、自治区和 直辖市都已拥有高速公路，全国有1 1 个省份高速公路里程超过2 0 0 0 公里。我国 用了不到2 0 年时间，走过了许多发达国家一般需要3 0 年到4 0 年才能走完的路， 伴随着高速公路的发展，我国的交通车辆也迅猛增长，高速公路重载、超载现象 严重，许多已建成的高速公路由于气候、荷载等各种原因，在远未达到设计年限 就产生了或多或少的如开裂、车辙、泛油及坑槽等早期损坏，严重影响了路面的 行驶质量，这些早期损坏如不及时养护将进一步加深路面的损坏。公路的养护是 保持路况完好，延长公路使用寿命，为交通运输提供良好服务的根本条件。一目前， 我国的高速公路已进入建设与养护并重的时期，截至2 0 0 5 年底，全国公路养护里 程达1 8 4 0 1 万公里，占公路总里程的9 5 3 。尽管沥青路面都是按照规范进行设 计施工的，但有一些高速公路在建成通车后不久，短的几个月，长的2 3 年，在 车辆荷载和自然环境的综合作用下，导致沥青路面开裂产生裂缝，其中沥青路面 的早期水损害己成为我国高速公路沥青路面最严重的病害之一。路面出现了裂缝， 在汽车行使的过程中，路面会受到水的冲刷作用，裂缝会向路面基层发展，随着 时间的推移，路面容易形成坑槽，不仅影响行车舒适性，而且给行车带来很大的 安全隐患。更为严重的是，裂缝的存在使得路表雨水通过裂缝渗入土基，大大削 弱路基的强度和稳定性，导致路面受到更为严重的破坏。公路通车里程的快速增 加，使公路养护及管理工作更加艰巨，传统的养护管理模式已经无法适应公路发 展的新形势。因此，养护策略的转变是势在必行的。 2第一章绪论 路面养护从概念上可划分为预防性养护和纠正性养护，其中预防性养护的效 率最高。传统养护办法往往是出现病害后才进行处理，易导致头痛医头，脚痛医脚 的弊端，重复投入也较大，进行预防性养护，则会很大程度上减轻这样的弊端，同 时也降低了成本，提高了养护效率。所谓路面预防性养护即通过定期路况调查， 及时发现路面轻微破损与病害迹象，分析研究其产生原因，对症采取保护性养护 措施，防止微小病害进一步扩大，以减缓路面使用性能恶化速度，使路面始终处 于良好的服务状态。 a a s h t o 道路常委会对预防性养护最新的定义为：预防性养护是一种在路面 状况良好的情况下采取的对现有道路系统进行有计划的、基于费用一效益的养护 策略，预防性养护在没有提高路面结构能力的情况下，延迟路面的损坏，维持或 改善路面现有的通车条件。预防性养护能减少水分进入路面结构内部破坏路基， 保证路面结构的整体性，减缓道路的破坏速度，纠正路面诸如平整度和非荷载性 破坏，从而延长路面的使用寿命推迟昂贵的大修和重建活动。这些措施对路面结 构几乎没有改进作用。应用预防性养护可以制止微小损坏，延迟进程性损坏，减 少纠正性养护。预防性养护以道路系统正常使用状态下的部分功能性缺失为对象， 以延缓道路损坏，延长道路使用寿命为目的，需在路面出现明显破坏之前进行。 我国高等级沥青路面经一定年限的使用后己相继进入维修时期，大、中修、 将翻挖出大量的旧沥青混合料。废旧沥青混合料不可用于其他工程，进而造成三 大问题：一是堆放场地，二是污染环境。三是浪费了大量的不可再生资源。由于 沥青混合料的不可降解性，利用深埋的办法处理就会严重污染浅层的地下水资源。 因此，沥青路面预防性养护技术和养护剂的利用日益迫切，既可以保护环境又可 以节约自然资源，成为了当今世界的一大课题。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 为解决路面早期病害，前苏联早在上世纪6 0 年代，美国、德国在7 0 年代， 就开始从事沥青路面再生剂的研制。这些沥青再生材料采用芳烃类溶剂、煤沥青、 树脂、再生复配混合液合成沥青路面再生密封剂，它能渗入沥青层，补充沥青组 分中的油份，恢复老化沥青的活性。施工后可以在路面形成一个密封层，抵御水、 紫外线、化学品对沥青路面的侵蚀，与原来路面材料融合，不会发生脱落变形导 致不良后果。施工方法简单，一般4 - - 8h 开放交通，是针对早期沥青面层损坏的 一种较好预防性养护方法。现在这些类型材料我国已有引进，如沥再生、魁道沥 第一宣绪论 青复原剂等产品。江苏沿江高速公路有限公司的李春雷等”1 对沥青路面封涂层的 研究巾结合工程试验段实例介绍了美国s t a r s 卧l 公司的沥青路面封涂层产品 s u p r e m e ，沥青路面s t a r s e a ls u p r e m e 封涂层是重质精炼煤焦油封凉层。专门 用于保护沥青路面。由于s t a r s e a ls u p r e m e 是一种预防性的养护材料。作为一 个功能层，它不能提高路面的结构性能。只应该在沥青路面裂缝 s m m 时，需采用填补剂对裂缝处理后再使用。在沥 青路面出现轻微病害时即对路面进行保养，使路面长期处十较佳的使用状态，这 正是我们所要追求的养护效果。 沥青路面再生技术在国外发达国家得到普遍的重视，沥青再生荆研发也较早， 目前类似产品还有美国的e r a c 、南非的“路秀”、以色列的“t l 一2 0 0 0 ”等，图 ll 为国外部分国家沥再生路面发展的情况“。 | | j j j j j | | j j j j j j _ 一_ _ 一 捧一镕论 项沙型沥再生( r e j u v as e a l “) 预防性养护技术对比试验研究“1 ( 如图l2 ) ，当 地为加拿大“高纬度草原”气候，其试验路段6 a 高速公路的沥青混凝土路面已使 用了4 4 年，呈现出明显的老化破损现象，对破损路段共进行了5 2 6 0 卅2 沥再生” 处理。经过2 2 个月( 两个冬季) 以后，经沙型“沥再生”处理过的路面比未经处理 的路面显示出更好的状态，具有低得多的磨损率。同时也有资料显示“沥再生” 预舫性养护技术也能用于气候较为炎热的环境，如在南美洲巴西赛阿拉州6 7 号公 路上进行的沙型“沥再生”蹿而试验“3 ( 如罔1 3 ) ，经过1 5 个月使用，其间用钢 扫帚进行相当多的维护后，经检测结果表明“沙型沥再生”路而具有良好的摩擦 性能和外观，并且佴生后的面保护层能有效的抵抗氧化、变质和避免耜集料的流 失( 剥落) 。 虽然国外埘沥再生( r e j u v a s e a l “) 预防性养 护技术的研究和应用有着较k 的历史，但从袭 1 i1 1 1 - 】可以看出因为气候和环境的不同“沥 再生”路面的再生性能仍存祚一定的差异。日l | i 在沥再生( r e j u v a s e a l “) 预防性养护技术引入我 幽不久，使得无论是从沥再生( r e j u v a s e a l “) 预 防性养护技术的施工工艺h 还是从其路用性能 上都需要进行更深入的研究。 图i3 巴西沥再生路面 f i g l3r e j u v a s e a 。p a v e m e n t i nb r a z l l 表11 国外沥再生( r e j u v a s e a l l ) 路面刹试结果 i m日未经处理澌再生 性能改酱 针 度0 l m m 3 2 0 0 加拿大延度c m 粘度绝对值p as 6 6 0 5 针入度0 l 衄 美国 延度c m 1 lj 0 4 3 5 0 粘度绝对值p as 针 度0 l m m 1 20 0 巴州 延度c m 1 45 09 3 粘度绝对值p as 5 2 2 4 4 4 3 第一章绪论 1 2 2 国内研究现状 上世纪8 0 年代，交通部将沥青路面再生利用技术作为重点科研项目立项研究。 国内研制的沥青再生材料及工艺主要分两种：一种是将需要翻修的旧沥青路面翻 挖、回收、破碎、筛分，再和新集料、新沥青、再生剂适当配合，经加热搅拌后， 再摊铺路面；另一种是直接用较小粘度的溶剂，喷洒和涂刷在沥青面层，润湿旧 沥青混凝土表面的微细裂缝，使其部分沥青溶解，从而起到一定的养护修复作用。 但在一定程度上这种方法存在着潜在缺陷，因为，在沥青层表面形成了一个润滑 层，大大降低了摩擦系数。随着溶剂的蒸发，其表面不久也将恢复到原有的状态。 为了更好地解决沥青路面早期损坏难题，2 0 0 0 年，3 b s c 渗透型沥青路面养护防水 涂料开始研制，利用化学和物理改性的方法，使沥青一橡胶一树脂芳烃混合物在 催化剂和交联剂的作用下，呈现出稳定的聚合物体系，渗入旧沥青路面面层，形 成新的保护层，使之满足了沥青路面的养护要求。其每平方米的材料成本为8 - - 1 0 元，为进口材料的一半，可节约养护成本。 广州市市政工程处张恒娟阳1 介绍了一种新型沥青路面预防性养护的好方法- 一 表面涂刷沥再生r e j u v a s e a l w ，并以工程实例对涂涮前后沥青路面三大指标进行了 对比、分析。使用沥再生r e j u v a s e a l 住后，路面呈均匀黝黑覆盖层，并在2 4 h 内稳 固。1 个月后渗透深度达到1 5 c m 以上，使原沥青路面恢复柔韧性和弹性，并可抵 抗外来物质的侵蚀，保持原有的凝聚性、粘聚性和稳定性。用沥再生r e j u v a s e a l 的沥青路面进行了抽芯取样，经阿布森法提取沥青后，进行了针人度、延度、粘 度三大指标的对比试验，使用沥再生r e j u v a s e a l 删后三项指标均得到不同程度的改 善。湖北省潜江市公路局刘国清等人在对沥青路面养护工艺及养护材料的研究中， 主要对道路及时补、液体沥青、s x 型路面裂缝修补材料等的特性及施工工艺 进行了阐述，并结合生产实践体现了养护材料的社会效益和经济效益。东南大学交 通学院宗海等人对表面涂刷型沥青路面保护材料进行试验研究，具体分析了一种 表面涂刷材料p s 沥青路面保护剂阳3 ，对其在沥青路面的预防性养护中的应用 进行试验研究，并根据其性能对其施工提出建议。 引进的沥再生产品性能测试比较全面，运用到沥青路面上效果也比较好；但是 成本比较高，在我国的运用范围受到限制。我国现在虽然也有很多预养护材料问 世， 但只对其成份、生产工艺以及应用性能进行介绍，大都没有进行完整全面的 性能测试和应用测试，对其反应机理的分析还不够深入，评定方法还有待于进一步 优化。 由于沥再生( r e j u v a s e a l 馆) 预防性养护技术在沥青路面的预防性养护中具有 操作简单、环保节能、高效快速等诸多优点，2 0 0 1 年5 月云南省交通厅在国内率 6 第一章绪论 先引入此项技术，并在在昆明附近的昆禄公路进行了不到l k m 沥再生 ( r e j u v a s e a l 僵) 试验路。此后，广东、上海、北京、山东等地的交通部门先后引 入此项技术，进行了不同规模的试验路铺筑。就目前我国沥再生( r e j u v a s e a l h ) 预防性养护技术的应用研究水平而言，由于引入时间较短，整体上还处于摸索阶 段，尚未形成完整的施工工艺和质量控制标准。 1 3 课题提出及研究意义 传统的预防性养护材料所使用的乳化沥青和改性乳化沥青等材料，主要是针 对已经出现病害进行处治，填封裂缝、密闭路面。对路面早期病害的预防效果不 是太明显，且对病害处治暂时性的，治标不治本。随着新材料、新技术、新设备 的不断涌现，可以根据路面的使用状况和自然条件预先选用一些适合的预防性养 护材料对路面进行防治成为近年来研究的热点。这种预养护材料弥补了乳化沥青 和改性乳化沥青等传统预防性养护材料的不足，渗透到旧路表面中，激活老化的 沥青，更新和还原表面已氧化的沥青膏体，可以很好的预防和解决沥青路面出现 的早期病害问题，从而延长了路面的使用寿命。 1 4 本课题的研究内容 1 4 1 研究思路 本论文以重庆市交通委员会2 0 0 7 年科技计划项目雾封层在高等级公路中的 应用为依托，在查阅国内外相关研究资料的基础上，通过大量室内试验，分析 加速沥青老化的试验方法和老化沥青的性能，并在此基础上研究养护剂的再生性 能；通过对比分析试验得出合理的养护剂掺量范围和再生参数；再通过试验路验 证室内试验的结果，并对养护剂在路面施工前后的性能进行评价，得出养护剂在 沥青路面预防性养护中的使用效益。通过红外光谱法分析沥青的老化机理，在此 基础上，分别从恢复化学性能角度、从恢复流变性、以及从降低溶解度参数差值 等方面讨论了沥青路面养护剂对沥青再生还原的作用机理。 1 4 2 主要研究内容 我国的沥青路面在全国公路网中占有越来越大的比重。沥青路面在交通轴载 和自然因素的作用下。路面性能将逐渐降低、服务能力下降。为了使路面保持一 定的服务性能，必须进行定期的公路养护，而沥青路面养护剂在沥青路面预防性 养护中的应用，既能在一定范围内有效恢复路面性能又能有效节约成本费用。 第一章绪论 7 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 。沥青路面的老化主要包括两方面的老 化：沥青的老化和集料的老化。本文主要研究实验室内沥青的老化，从不同周期 的老化性能入手，分析了养护剂的还原再生性能，通过试验路的试铺，验证了养 护剂对路面的实际应用效果，在大量试验和实践的基础上，进一步分析了沥青老 化以及养护剂的还原再生机理，为养护剂在沥青路面预防性养护中的应用提供理 论依据。具体内容如下： ( 1 ) 沥青路面早期病害类型及成因分析，探讨沥青路面预防性养护措施及预 养护时机，提出养护剂的适用条件。 ( 2 ) 通过对我国现行加速沥青老化试验方法的比较，选择一种适用于本实验 的最优方法，在此基础上，将沥青进行不同周期的老化试验，从不同指标分析沥 青的老化性能。 ( 3 ) 讨论沥青路面养护剂的还原再生性能。分别从沥青的感温性能，高温性 能，低温性能等方面来观察养护剂的再生性能；通过养护剂掺量的变化，试图寻 找到养护剂在沥青路面使用过程中不同的时期养护路面的最佳掺量，从养护剂掺 量的变化中研究其对老化沥青的还原再生能力。 ( 4 ) 通过养护剂在实体工程中的施工，由于其不能作用于路面功能层的特点， 本文主要对施工后路面的外观、构造深度、摩擦系数、封水性能，渗透深度等性 能进行评价，并作适合我国国情的社会经济效益评价。 ( 5 ) 采用红外光谱学分析方法对沥青老化机理进行探讨，在沥青老化机理分 析的基础上简单分析了一下养护剂对老化沥青的还原再生作用机理。 8 第二章沥青路面早期病害与养护剂适用条件 第二章沥青路面早期病害与养护剂适用条件 公路是国民经济发展的重要基础设施，随着我国公路事业突飞猛进的发展， 公路技术状况得到了明显的改善和提高。然而，随着高等级公路里程大幅度增加， 一些高速公路通车时间不长就出现了不同程度的路面早期破坏现象，常表现为早 期的微小裂缝、早期车辙和平整度的衰减、泛油和抗滑性能的下降、细料失落导 致的露骨、磨光、路面渗水等表面病害。这些病害如不能在早期处理而任其发展， 则必然进一步导致表面松散，或由于渗水而导致下层剥落以及深度车辙等严重的 变形类病害，继而造成坑槽等结构性损坏。根据新建公路出现早期破坏现象的原 因分析、采取相应的措施进行预防和处理。从运营和养护管理者的角度，综合分 析其症结所在并探讨行之有效的预防性措施。路面的使用性能从评价侧面反映了 路面状况对行车要求的满足或适应程度，并直接影响路面的养护对策和养护资金 投入。近年来，随着交通的急剧增长，路面状况的迅速恶化，使得用于养护和改 建的资金和其它资源严重不足。 为了在时间和空间上合理分配有限的养护资金以维持尽可能高的路网使用性 能水平，需要进行中短期规划。为此必须确定最佳的路面养护方案，确定方案的 最佳实施时机。为此目的，就必须预测一定时期内路面的使用性能，通过分析路 面性能的衰减规律，结合养护标准，就可以决定路面何时需要养护。 2 1 沥青路面的早期病害 美国于2 0 世纪8 0 年代中对沥青路面的实际使用寿命做了一次广泛调查。调查 后发表的文章指出，虽然按照a a s h t o 路面设计方法，沥青路面的设计使用期为2 0 年；但实际使用期只有8 1 2 年。 我国沥青路面的设计寿命通常为1 5 年，但是，由于路面设计和施工水平都有 明显的差异，以及现实存在的较普遍的抢工现象，许多路面随着交通量的增加及 环境等诸多因素的综合作用，在使用仅2 3 年时，就发生了大面积的早期损坏。 习惯上将这种远未达到设计使用寿命即在设计寿命期的前1 4 至1 3 期间内所出现 的各种非正常路面损坏统称为早期损坏。早期损坏不仅是损坏出现早，而且其损 坏特征及损坏机理与一般的沥青路面损坏不同。 与国外相比，我国的沥青路面的早期损坏更早，许多仅为1 3 年，而所出现 的损坏现象与设计控制的损坏截然不同。自2 0 世纪7 0 年代开始，早期损坏现象逐 渐被人们认识，开始对沥青路面早期损坏的零散研究，直至9 0 年代后，我国才开 展了较为系统的调查和研究，并将这些损坏归结为水损坏。 第二章沥青路面早期病害与养护剂适用条件 9 2 1 1 沥青路面早期病害类型 沥青路面的早期损坏所表现出的形式和特征是多种多样的。这是因为使路面 出现损坏的原因是多方面的。有行车荷载因素，如交通量增长、重载超载车辆的 增多等；也有环境因素，如温度变化、湿度变化和冰冻作用等。此外，还有设计、 施工、采用材料和养护管理等原因。同一种因素可以引起不同程度的损坏，而同 一种损坏形态可以由不同原因造成，影响因素是复杂多样的。沥青路面的早期病 害形式n 3 1 可分为裂缝类、松散类、变形类及其它类，常见病害有以下几种。 1 ) 沥青路面的裂缝 错误! 未找到引用源。横向裂缝 横向裂缝是与路面中线近于垂直的裂缝，裂缝起初大多出现于路面两侧的硬 路肩，逐渐发展而贯通全路幅，贯通的裂缝沿路面大致成均匀分布。 错误! 未找到引用源。纵向裂缝 纵向裂缝是路面上产生的顺着路线方向的裂缝，产生的主要原因是路基压实 度不足，出现不均匀沉降造成的。 错误! 未找到引用源。龟裂 路面表面产生形似龟背花纹的较宽裂缝，由于基层质量不好、集料离析和不 均匀性过大等因素造成的。 2 ) 沥青路面的车辙 沥青路面表面沿轮迹的纵向带状凹陷，是沥青路面特有的一种损坏现象，是 在与时间有关的荷载因素和气候因素共同作用下，轮迹带逐渐产生下洼形变并形 成两条纵向的凹槽。车辙的深度常以轮迹带外侧凸起部分的峰顶到槽的谷底的距 离表示。 3 ) 沥青路面的松散 由于结合料粘性降低或消失、在行车作用下集料和沥青逐渐脱开并散失。松 散可能出现在整个路面表面，也可能在局部区域出现，但由于行车作用，般轮 迹处比较严重。 4 ) 沥青路面的水损害 是指沥青路面在存在水分的条件下，经受交通荷载和温度涨缩的反复作用， 一方面水分逐步侵入到沥青与集料的界面上，同时由于水动力的作用，沥青膜渐 渐地从集料表面剥离，并导致集料之间的粘结力丧失而发生的路面破坏过程。这 种破坏主要表现为路表面产生坑槽，出现卿浆、网裂；表面层和中面层同时产生 坑槽以及局部表面产生网裂和变形。 5 ) 冻胀和翻浆 1 0 第二章沥青路面早期病害与养护剂适用条件 由于冰冻的作用，路基上层积聚的水分引起路面胀起并开裂，春融时在行车 的作用下产生翻浆。 路基的翻浆必然会导致路面的破坏。翻浆多发生在挖方或半填半挖路段，因 排水不畅造成路基含水量过大，在冬季冻涨，春融季节翻浆。 6 ) 沥青路面的沉陷 路面出现沉陷主要是由于路基变形引起，路基压实度不足，路基强度和路面 承载力差，在一些高填方和半填半挖路段，碾压机械往往很难达到需要碾压的位 置而使填方路堤的下部实际上无法压实，通车一段时间后，就会产生局部沉陷， 尤其在桥梁两端的台背后出现桥头跳车现象更为普遍。 7 ) 沥青路面的表面功能衰减 沥青路面的表面层直接承受车辆荷载，它经受车轮对它的撞击、磨耗，所以 表面层又称为磨耗层，表面层具有以下表面功能。( 1 ) 向行进的车轮提供足够的摩 擦力，路面的摩擦系数下降，摩擦力不够是导致车轮侧滑的根源，特别是雨天更 易引起汽车滑溜，影响行车安全。( 2 ) 为车辆行驶提供一个平整舒适的表面，平整 度是路面整体水平的标志。但平整度并非由表面层完全决定，所以表面功能主要 指抗滑、噪音等。 8 ) 桥面铺装的破坏 我市高速公路的桥面铺装早期破坏较为严重，主要表现为损坏初期局部开始 反水泥浆，并伴随出现网状裂缝，随着时间的发展，面积越来越大，最后，沥青 混凝土剥落，形成坑槽。 2 1 2 沥青路面早期病害原因分析及预防措施 1 目前对高速公路沥青路面早期损坏的原因大家公认的主要有以下几个方 面： 1 ) 水损害 由于路面积水渗入抗滑表层以下，又不能及时排出，在行车荷载作用下，形 成压力水，反复冲刷，使沥青膜在石料表面脱落，继而产生松散和坑槽。 2 ) 超载运输 现在交通量的增长远远大于预期增长率，而且重车的比重也在不断增加，尤 其是超载的车辆更是沥青路面的杀手。据调查，最重车载大于l o o t ，其轴载超过 3 0 0 k n ，远远超过设计轴载，再加上水的作用使路面损害更加严重。 3 ) 施工质量差异 由于项目管理分段招标，各承包商在施工过程中对施工工艺和质量的控制参 第二章沥青路面早期病害与养护剂适用条件 差不齐。虽然业主和监理的要求是一样的，设计标准也是相同的，但在相同的气 候和交通量的情况下，施工质量差的路段很快就会出现病害。主要的问题是对集 料质量的控制出入太大，实际生产级配和实验数据不吻合，更为严重的是集料的 针片状比例大，粉尘( 土) 的含量高，影响沥青和石料的结合和沥青混凝土的强 度及耐久性，这应引起我们的高度重视。解决这一问题的根本出路是工厂化生产 集料。 4 ) 高温的影响 在气温达到3 8 - - , 4 0 甚至更高时，沥青表面温度可达7 5 , - , 8 0 。沥青路面表 层虽采用改性沥青，提高了热稳定性和动稳定度，但在连续高温和超限车辆作用 下，许多路段出现车辙和拥抱，尤其是在上坡路段更为严重，严重影响了行车舒 适性和安全性。 2 为了防止沥青路面的早期损坏，主要采取如下措施e 1 4 ： 1 ) 结构设计要综合考虑各方面因素的影响，各面层技术指标要科学合理，不 宜差异太大。尤其对于中、下面层的设计要加以改进，从级配、厚度、配合比等 方面进行优化设计，避免因结构不合理造成的反复维修。 2 ) 完善防排水措施，不仅要重视防路表水系统的设计，还应加强路面结构中 排水措施的研究，尽快排出渗水，减少动水压力的影响。 3 ) 加强施工阶段的质量管理，精心组织，科学施工，严格控制材料质量、施 工工艺、监理标准等环节，确保施工段质量。 4 ) 要加强管理，加大检查力度，控制超载车辆通行，减少重车对路面的损坏。 2 2 预防性养护措施及其时机的研究 沥青路面由于长年处于风吹、雨淋、日晒、冻融等自然气候的侵蚀下，使路 面材料中沥青与矿料不断产生物理与化学的变化。又由于路面车辆荷载的作用， 造成沥青路面开裂，随后路面透水，基层变软，坑槽出现，路面状况也就逐渐变 坏。从沥青路面损坏特征分析和使用性能衰变行为的研究可以明确沥青路面在初 期、早期的使用性能下降很快，而后期变慢，因此对沥青路面系统地实施预防性 养护是非常必要的。 2 2 1 预防性养护措施 美国联邦公路局对预防性养护措施的定义是：为了防止路面早期破坏和延迟 路面破坏的进程而采取的措施，其目的是延缓路面的破坏速度，延长路面的使用 寿命，降低道路使用寿命周期费用。发达国家非常重视路面的预防性养护，而我 1 2 第二章沥青路面早期病害与养护剂适用条件 国目前在沥青路面预防性养护专门技术方面的研究基本上处于刚起步阶段。本文 针对我国沥青路面的使用破坏情况探讨预防性养护措施。 预防性养护是指对现有道路系统进行有计划的、基于效果一费用的养护策略， 其目的是在没有明显提高路面结构能力的情况下，延迟路面的损