（道路与铁道工程专业论文）旧沥青混合料的冷再生试验研究.pdf

摘要 在交通载荷和自然因素的作用下，由于沥青逐渐老化、混合料集料细化以及 路面受力结构层的变化，沥青路用性能逐渐恶化，甚至严重影响行车安全。因此， 沥青路面使用一定年限后必须进行大面积的维修，甚至全路段铣刨，重新铺筑。 大面积维修、铣刨产生的沥青混合料既污染环境，又浪费资源。如能再生利用， 将产生巨大的经济效益与社会效益。 本文以废旧沥青混合料为对象，通过室内试验研究，对废旧沥青混合料进行 实验分析，确定旧沥青混合料的级配和沥青含量；选取三种类型的再生剂，根据 其加入量与再生沥青主要技术指标的关系来确定再生剂最佳用量，评价三种类型 再生剂的还原性能和抗老化性能并进行对比；确定溶剂类型和使用剂量，通过配 制液体沥青的方式实现再生沥青混合料的常温拌和；对不同旧料使用比率的溶剂 型冷再生沥青混合料分别进行配合比设计和高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性 等路用性能检验，确定最佳沥青用量和合适的旧料使用比率；分析冷再生方案的 经济可行性和应用前景，为常温冷再生沥青混合料的设计、施工提供参考依据。 关键词：再生；冷再生沥青混合料；配合比设计：路用性能 a b s t r a c t w i t ht h ef r e e w a yv o l u m e sa n dn a t u r a le n v i r o n m e n t ，p r o p e r t yo f f l e x i b l ep a v e m e n t s d e t e r i o r a t e sg r a d u a l l yo w i n gt oa s p h a l ta g i n ga n da g g r e g a t ef i n n i n ga n ds t r u c t u r e c h a n g i n go fa s p h a l tp a v e m e n t t h e r e f o r e ，l o t so fp a v e m e n t s n e e dt or e p a i ri nl a r g e s c a l e e v e nr e p a v ew h o l l ya f t e ru s i n gal o n gt i m e ，w h i c hw i l lb r i n gl a r g en u m b e r so fw a s t e a s p h a l tm i x t u r e t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n tt or e g e n e r a t e t h ew a s t ea s p h a l tm i x t u r em o r d e rt op r o t e c te n v i r o n m e n ta n de c o n o m i z er e s o u r c e t h i sa r t i c l ea st h eo l da s p h a l tm i x t u r eo fc h a n g f uh i g h w a yr o a ds u r f a c eb e e n r e p a i r e dt oo b j e c t ，t h r o u g hl a b o r a t o r yr e s e a r c h ，e s t i m a t e t h eo l da s p h a l tm i x t u r e ， a s e e r t a i nt h eg r a d a t i o na n da s p h a l tc o n t e n to fo l da s p h a l tm i x t u r e ；s e l e c tt w o k i n d so f r e g e n e r a n t ，b a s e do nt h er e l a t i o no fr e g e n e r a n td o s a g ea n d t h ep r i m a r yi n d e xo f r e g e n e r a t ea s p h a l t t o a s c e r t a i nt h eo p t i m u mr e g e n e r a n tc o n t e n t ，e s t i m a t e t h e i r r e g e n e r a t ec a p a b i l i t ya n da n t i a g i n gc a p a b i l i t y ；a sc e r t a i nt h e k i n do fi m p r e g n a n ta n dt h e d o s a g e ，t h r o u g ht h em a n n e ro fc o n f e c t i n gl i q u i da s p h a l tt oa c h i e v et h eo b j e c t i v eo f m i x i n gi nn o r m a lt e m p e r a t u r e ；d e s i g ni m p r e g n a n tn o r m a lt e m p e r a t u r e r e g e n e r a t e a s p h a l tm i x t u r e ，t e s tt h e i rr o a dp e r f o r m a n c e ，a s c e r t a i no p t i m u ma s p h a l tc o n t e n ta n d o p t i m u mr a t eo fo l dm i x t i l r u s i n g 。a n a l y s ee c o n o m yf e a s i b i l i t yo fi m p r e g n a n t n o r m a l t e m p e r a t u r er e g e n e r a t ep r o j e c ta n da p p l yf o r e g r o u n d ，f o r t h ed e s i g n ，t h ec o n s t r u c t i o no f i m p r e g n a n tn o r m a lt e m p e r a t u r er e g e n e r a t ea s p h a l tm i x t u r e p r o v i d e st h e r e f e r e n c eb a s i s k e yw o r d s ：r e g e n e r a n t i n go fa s p h a l t ；c o l dr e c y c l i n ga s p h a l tm i x t u r e ；g r a d a t i o n d e s i g n e d ；r o a dp e r f o r m a n c e 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， 均己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：协 醐：1 年帅y 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：孑之删 竺冀! 竺 指捌币虢调斛 日期：7 年年月肜日 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。 学位论文作者签名： 日期：1 年吨月 彳少钏 指导教师签名：悄 叶日 日期。吵年9 月，眵日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 沥青路面经过一定年限的使用，受交通应力的影响，以及沥青老化和冰冻、 高温的交替作用，出现网裂、松散、车辙、拥包等病害并逐步扩展，影响行车的 安全性和舒适性。在旧沥青路面维修和改造的过程中会产生相当数量的沥青混合 料废弃物，废旧沥青混合料不可能用于其它工程，进而造成：一是占用堆放场地， 二是污染环境，三是浪费了大量的不可再生资源。因此，研究废弃沥青混合料的 再生技术成为当今世界的一大课题。废旧沥青混合料只是在功能上有所降低，除 其中的沥青结合料部分发生老化外，砂、石等粗集料从性能上讲并未失效。因此， 对废旧沥青混合料进行回收，通过实验分析并加入适量新沥青、再生剂和新集料 进行拌和，就可以再次作为新拌沥青混合料用于路基路面结构。这样，即可节省 大量材料，又能满足使用要求。 废旧沥青混合料的再生技术主要分为热再生和冷再生( 常温再生) ，与热再生相 比，冷再生虽然路用性能较差，应用公路等级较低，但同时具有以下优势： l 、热再生拌和温度高，消耗大量能源；而冷再生拌和温度低，节约能源。 2 、由于拌和温度高，热拌再生将产生大量有毒气体，造成环境污染，冷再生 在这方面的影响比较小。 3 、在一些公路病害的修补中多为小规模，冷再生混合料在这方面的应用就显 得更为便捷，应用空间较广。同时它又可以延长施工季节，并且对于施工人员， 改善了施工条件。普通石油沥青在常温下处于凝固状态，要实现沥青混合料在常 温下的拌和，业内普遍采用乳化沥青或液体沥青。本文采用溶剂型液体沥青作为 粘结料，与旧沥青混合料、新集料、再生剂在常温下共同拌和形成常温再生沥青 混合料。 随着社会主义新农村的建设，要实现通乡、通村公路的畅通，根据常温再生 沥青混合料的路用性能的特点可以在其中应用，同时可以节约建设资金( 特别是 在一些缺乏原材料和热拌设备的地区) ，符合通乡、村公路建设特点，同样常温再 生沥青混合料在低等级公路沥青路面的养护中也可以得到广泛应用。因此，沥青 混合料常温再生技术的研究和推广，对降低建设成本、保护生态环境以及对我们 国家的公路建设都有积极意义。 1 2 国内外发展现状 2 第一章绪论 1 2 1 国外发展现状 沥青混合料再生利用的试验研究，最早是1 9 1 5 年首先在美国开始的。1 9 7 3 年， 石油危机的爆发，燃油供应困难，严格的环保法制，使得砂石材料开采受到限制， 筑路用砂石材料供不应求，以至砂石材料价格上涨。1 9 7 4 年，美国开始大规模推 广沥青混合料再生技术。到1 9 8 5 年，美国全国再生沥青混合料的用量就猛增到2 亿吨，几乎是全部路用沥青混合料的一半。沥青路面的再生利用在美国已经是常 规试验，目前其重复利用率高达8 0 ，相比全部使用新沥青材料的路面，节约成 本1 0 一3 0 。 美国德克萨斯州交通协会和德克萨斯农机大学化学系的研究人员对旧沥青抽 提过程中的若干问题进行了深入研究，发现旧沥青在回收过程中会存在不同程度 的老化与硬化现象，硬化程度决定予溶剂类型，试验方法等因素。同时，回收沥 青中的残留溶剂对沥青也有硬化作用。研究人员主要从溶剂，试验方法，试验设 备，试验时间等方面入手对传统方法进行探讨和改进。2 0 世纪9 0 年代后期，美国 北部的伊利诺斯州，印第安纳州，依阿华州，密歇根州，明尼苏达州，密苏里州 和威斯康星州的交通部联合开展对再生沥青的研究，认为新拌沥青路面中可以掺 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( s u p e r p a v e ：s u p e r i o rp e r f o r m i n ga s p h a l tp a v e m e n t ) 的要求，但由于旧沥 青混合料中的细料含量较多，在新拌混合料设计时应重新进行级配设计。由于沥 青混合料再生利用大有可为，为此美国召开有关沥青混合料再生利用的各种学术 会议，又有力地推动了该项研究工作的进展和交流。1 9 8 1 年，美国交通运输研究 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。 日本从19 7 6 年开始进行沥青混合料再生技术的研究，到现在，路面废料再生 利用率已经超过7 0 。1 9 8 4 年7 月日本道路协会出版了路面废料再生利用技术 指南，对路面废料的应用与设计，再生材料，配合比设计，拌合厂，施工与质量 检验等方面做出了一些指导性的建议与规定，该课题还在不断地继续开展。日本 2 0 0 0 年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 ，日本每个拌 合站都具备生产再生沥青混合料的能力。 欧洲一些国家对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 再生技术研究的发展速度较快，居欧洲首位。联邦德国是最早将厂拌再生应用于 高速公路路面养护的国家，到19 7 8 年己经将全部废弃沥青混合料加以再生利用， 并以法律形式加以执行。在芬兰几乎所有的城镇都组织旧沥青混合料的收集和储 第一章绪论 3 存工作。法国在高速公路和一些重要交通道路的路面修复工程中推广应用这项技 术。过去再生材料主要用于轻型交通的路面和基层，近年来，在重交通道路上也 己经开始应用。 前苏联早就对沥青混合料再生技术进行了研究，而且在1 9 6 6 年就出版了沥 青混凝土废料再生利用技术的建议一书，但实际应用甚少。1 9 7 9 年又出版了旧 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以用于高级路面的基层和低级路面的面层。1 9 8 3 年德国 出版了沥青路面冷拌再生技术手册，1 9 8 4 年前苏联又出版了再生路用沥青混 凝土一书，该书详细地阐述了路拌再生和厂拌再生的方法。有关资料见表1 1 所 示。 表1 1 欧美国家在沥青路面再生方面的资料规范 t a b1 1n o r m so nr e g e n e r a n t i n go f a s p h a l ti nw e s t e r nc o u n t r i e s 时间国家出版物 1 9 6 6 前苏联沥青混凝土废料再生利用技术的建议 1 9 7 9 前苏联前苏联旧沥青混凝土再生混合料技术 1 9 8 1 美国路面废料再生指南 1 9 8 1美国美国沥青路面热拌再生技术手册 1 9 8 1 德国热拌再生沥青混凝土施工规范 1 9 8 3 德国 沥青路面冷拌再生技术手册 1 9 8 4 日本 路面废料再生利用技术指南 1 9 8 3 英国热拌沥青混凝土基本规范 1 9 9 4德国再生沥青混凝土施工指南 1 9 9 7 澳大利亚沥青混凝土路面再生指南 1 9 9 7 美国州和地方政府路面再生指南 纵观欧美国家沥青混合料再生利用技术研究发展的状况，可以看出欧美国家 特别重视再生利用技术的研究，他们在再生沥青混合料的拌制工艺，以及与之配 套的各种挖掘、铣刨、破碎、拌和等机具的研制方面，都取得了很大的成就，己 经形成了一套比较完善的再生利用技术，并且达到了规范化和标准化的成熟程度。 欧美等国特别重视再生实用性的研究，虽然对沥青再生机理的理论研究不多，但 对诸如再生剂的再生效果、再生沥青混合料物理力学性能的评价方法等，也进行 了卓有成效的研究，为沥青混合料再生技术付之于实用提供了科学依据。 对废旧沥青混合料进行溶剂型常温再生的技术，由于国外大中型再生设备多， 4第一章绪论 尤其是可移动再生设备较多，热再生方便等原因在国外应用较少，而且大多数的 常温再生都采用乳化沥青作为粘结料，很少采用溶剂型的液体沥青。但在溶剂型 常温沥青混合料方面，部分国家还是有一定的研究，前苏联的研究指出，冷铺沥 青混合料与热铺沥青混合料的根本区别在于冷铺沥青混合料使用的结合料为稀释 沥青，而热铺沥青混合料使用的结合料为粘稠沥青，拌制冷铺沥青混合料是必须 使用一定量的矿粉。加拿大公司生产低温沥青混合料的工艺：先将柴油与添加剂在 常温下混合，再将1 4 0 1 6 0 的热沥青倒入柴油与添加剂的混合液中搅拌均匀， 再与矿料拌和形成冷拌沥青混合料。 1 2 2 国内发展现状 从2 0 世纪9 0 年代开始，我国进入了大规模公路建设时期，到2 0 0 5 年，全国 高速公路里程已经超过4 万公里，位居世界第二。在其中绝大部分是沥青路面， 如何管理好，养好这些公路已是目前我国公路部门面临的重要课题。高速公路每 公里需耗用沥青3 5 0 - - 4 0 0 t ( 四车道) ，截止到2 0 0 4 年，我国道路沥青需求量已突 破1 0 0 0 万吨，下图给出我国今年沥青需求增长趋势。 锈张+ ：抛- i ，一| * j 予1 1 电_ ： 一。 + ：7 0 i j l 7 钟懒繁学薷= 蟹i 柳i 册j 。等尊t 弘“? | 7 ：“i 争 、年份沥青总叠矿年份进口沥青 二。 9 0 0r 髫 k v 嘲 畦 粒 爆 1 9 9 9 2 0 0 02 0 0 1 年份 图1 1 我国近年沥青需求量增长趋势 f i 9 1 1t h ei n c r e a s et r e n do f a s p h a l ti nc o u n t r yi nr e c e n ty e a r s 我国高速公路经过十几年的发展已经取得很大成绩，目前有的高速公路已进 入大，中修期。按照沥青路面设计寿命( 1 5 五0 年) ，从现在起，每年有1 2 的沥 青里面需要翻修，旧沥青废弃量将达到每年2 2 0 万吨之巨，如能加以利用，每年 可节约材料费3 5 亿人民币，而这个数字还在以每年1 5 的速度增长。1 0 年后， 沥青路面产生的旧沥青混合料将达到1 0 0 0 万吨，届时通过再生利用每年可节约材 料费约1 5 亿元。 我国早在2 0 世纪7 0 年代初就曾不同程度地利用废旧沥青混合料来修路，但 蔫。、。口焉氇z“、。，；。：；：。、。#。、=；_，=蕊 僦 一 o o o o o o o o o 如 第一章绪论 5 大都将其作为废料利用考虑，一般只用于轻交通道路、人行道或道路垫层。 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 大学负责该课题研究的协调，山西、湖北、上海、天津、武汉等省市结合道路的 大中修工程分别铺筑了实验路，对沥青路面再生技术开展了比较系统的试验研究。 1 9 8 2 年，山西省结合沥青路面的大中修工程共铺筑重点试验段8 0 余公里，湖 北省公路局发动全省各公路养护单位进行再生利用试验研究。1 9 8 3 年，建设部下 达了“废旧沥青混合料再生利用”项目，由上海市市政工程研究所，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来承担。当时主攻的方向是把旧渣油 路面加以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较 多的下面层，拌合设备方面则应用现有设备做适当改装，经过三年努力，在苏州， 武汉，天津，南京四个城市铺筑了3 0 0 0 m 2 以上的试验路。经过路用效果观测证明， 再生路面的综合使用品质不低于常规热拌沥青混凝土路面。交通部于1 9 9 1 年6 月 发布了热拌再生沥青混合料路面施工及验收规范( c j j4 3 叫1 ) 。 1 9 8 3 年，云南省在省干线公路上结合大修工程，开展沥青路面旧料再生利用 技术的研究，分四个阶段先后在昆洛，昆畹，贵昆等几条主要国道干线上进行了 试验研究，包括对旧沥青混合料的评价，再生沥青抗高，低温性能试验，以及再 生混合料矿料掺配试验等。试验表明，再生沥青路面与结构厚度等与常规路面相 比，可节省沥青4 0 - - 5 0 ，节约矿料5 0 - - 6 0 ，降低造价2 0 - - 4 0 。与常规 路面一样，再生面层的易损性一般取决于路基的稳定和基层的强度。 从2 0 世纪9 0 年代开始，一些公路养护单位尝试着将旧料简单再生后用于低 等级公路或道路基层，如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。我国第一条高速公路就大路也在2 0 世纪末进行了 再生重铺，针对旧沥青的化学组分，结合沥青材料的路用性能，使用再生剂和低 粘度沥青进行调配。室内试验结果分析再生沥青基本满足高速公路对沥青的技术 要求，可用在沥青路面中下层，也可用于修筑一般公路。 从2 0 0 2 年京津塘高速公路开始，就地热再生技术在我国也悄然兴起。沪宁高 速上海段3 万平米路段进行现场热再生施工，显示了近年来对沥青路面再生技术 的重新认识。上海市市政工程管理局颁布了热再生沥青路面施工及验收规程 和上海市旧沥青混合料热再生利用管理规定。2 0 0 2 年6 月北京三环四环连接线 也使用了该技术快速维修道路。2 0 0 4 年5 月成渝高速也采用现场热再生技术维修 了3 万平米的道路。京沪高速苏北段该技术得到了比较广泛的应用。 近年来，冷再生技术在我国得到了比较长足的发展。许多省份开展了围绕以 乳化沥青和泡沫沥青冷再生技术为主的研究与应用。例如，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，整个工程历时4 个月，工程量超过 6第一章绪论 4 3 万平米。此外，国内不少单位已经开始铺筑泡沫沥青冷再生试验路，2 0 0 6 年7 月在浙江平湖市厂拌冷再生铺筑的4 公里路面就是近2 年来较大的泡沫沥青再生 路面。 但是在冷再生上多数采用乳化沥青，很少采用液体沥青。在常温沥青混合料 方面，目前，国内大多数常温沥青混合料都采用乳化沥青或改性乳化沥青作粘结 料，此外也开发了一些采用液体沥青作粘结料的常温沥青混合料。国内业界采用 液体沥青制备常温沥青混合料的方法通常是将沥青加热至一定温度( 1 2 0 。c 1 4 0 。c 左右) ，向其中加入轻质油使其搅拌均匀制成液体沥青，再与矿料拌和形成常温沥 青混合料。 1 3 主要研究内容 本文结合四川省内江市公路勘测设计院项目“内江农村公路低造价路面结构 应用技术研究”进行试验分析。以涪长高速公路路面改造的废旧沥青混合料为对 象，进行室内试验研究，以取得冷再生利用方案。论文主要研究内容如下： ( 1 ) 旧沥青混合料的分析： 分析旧沥青的老化程度： 旧沥青混合料的级配； 旧沥青混合料的沥青含量。 ( 2 ) 再生剂的选择与试验：确定采用的再生剂类型，测定并比较它们的还原 效果和抗老化性能，确定再生剂的最佳用量。 ( 3 ) 冷再生沥青混合料配合比设计 配制液体沥青及确定拌和方案：确定溶剂类型，通过试拌确定溶剂剂量、 拌和时间等参数。 矿料的配合比设计：矿料的物理指标检验并根据不同的旧料使用比例来调 整新集料的级配，确保再生沥青混合料的级配在选定的级配范围内。 最佳沥青用量的确定：在规定的试验温度及试验时间内测定并计算混合料的 各种物理参数，用马歇尔仪测定稳定度和流值，绘制沥青用量与毛体积密度、空 隙率、沥青饱和度、马歇尔稳定度、流值关系图，分析马歇尔试验结果，确定最 佳沥青用量。 冷再生沥青混合料路用性能试验：检验常温再生沥青混合料高温稳定性、 低温抗裂性、水稳定性等路用性能指标。 ( 4 ) 冷再生沥青混合料的经济效益和社会效益分析。 ( 5 ) 冷再生沥青混合料施工工艺研究。 第一章绪论 7 1 4 研究目的及意义 本文旨在国内外已有研究成果的基础上，研究废旧沥青混合料的溶剂型冷再 生技术，将再生的混合料应用于低等级路面，满足相应的路用性能要求。并分析 评价其经济效益和社会效益，为沥青路面冷再生技术应用提供基础数据。 论文研究的意义主要包括以下三点： ( 1 ) 旧沥青路面材料的再生利用，大大减少了沥青和砂石等筑路材料的用量， 因而降低了工程造价，具有直接的经济效益；从长远的观点考虑，旧沥青混合料 的再生利用不仅实现了资源的可持续利用，同时为解决公路改建和养护过程中的 废弃料问题提供了一种有效的途径，是一项绿色环保技术，具有相当的社会效益 和环境效益。 ( 2 ) 根据农村公路建设资金少、交通量小、技术指标要求相对较低的特点， 溶剂型常温再生沥青混合料可在其中应用，这样将有助于改善农村落后的交通条 件，加快农村地区的经济社会建设。 ( 3 ) 随着我国高等级沥青路面日益增多，今后必将面临更多的旧沥青路面材 料再生利用问题，本论文将对今后的再生沥青混合料研究提供基础数据。 8 第二章旧沥青混合料的分析及再生沥青的研究 第二章旧沥青混合料的分析及再生沥青的研究 2 1 沥青的组分和性质 2 1 1 沥青的组分 沥青一般可分为石油沥青、天然沥青和焦油沥青。石油沥青是用石油经过各 种炼制工艺加工得到的产品；天然沥青是地壳中的石油在各种自然因素作用下， 其轻质油分蒸发，经浓缩、氧化后形成的产品；焦油沥青是将煤炭、木材、页岩 等有机质碳化或在真空中分馏得到的产品。道路沥青主要是石油沥青。 沥青是由多种化合物组成的混合物，成份复杂。但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 ) 以及一些金属元素。 其中c h 比例很大程度上反映沥青的化合物组成，c h 比例越大，沥青环状化合 物尤其是芳香坏化合物越多。 沥青组分是不同领域根据各自不同的需求将沥青混合物划分为几种组分。每 一种组分也是一种化合物。我国道路沥青一般分为四种组分：沥青质、胶质、芳 香分、饱和分。每一组分都反映了沥青的不同性质。 ( 1 ) 沥青质 沥青质是复杂的芳香环物质，有很强的极性，相对密度大于1 。沥青质在沥青 中的含量一般为5 2 5 ，其含量的多少影响着沥青的流变特性，表现为沥青质 含量增加，沥青稠度提高，软化点上升。沥青质含量的多少对沥青的温度稳定性 也有很大的影响。国产沥青的一个重要特征是沥青质含量少于l ，沥青质对沥青 中的饱和分和芳香分具有憎液性，而对胶质具有亲液性，因此沥青是一种胶质包 裹沥青质形成胶团悬浮在饱和分和芳香分中的胶体溶液。沥青质含量的多少决定 着这种胶体溶液的稳定性。 ( 2 ) 胶质 胶质也称为树脂，比沥青质有更强的极性，相对密度在1 卜1 0 8 之间。胶质 的含量一般为1 5 0 a r 。3 0 。胶质对沥青的粘结力、延性有很大的影响。胶质是沥青 的胶溶剂，胶质和沥青质的比例决定着沥青胶体是凝胶特性还是溶胶特性。 ( 3 ) 芳香分 芳香分在沥青四组分中分子量最低，它是胶溶沥青质的分散介质，在沥青中 的含量一般为4 0 6 5 。 ( 4 ) 饱和分 第二章旧沥青混合料的分析及再生沥青的研究9 饱和分是一种非极性油分，在沥青中的含量一般为5 0 p 2 0 。饱和分和芳香分 统称为沥青中的油分。对沥青有润滑和软化作用。因此，油分越多，沥青的软化 点越低、针入度越大。 浙青质艘质 芳吾分饱取1 分 图21 沥青四维分分子结构图 f i 9 2 1 m o l e c u l a rs t r u c t u r e o f b i t u m i n o u s f o u r c o m p o n e n t s 沥青不同组分反映了沥青的不同性质，现代胶体理论认为，沥青是一种胶 体溶液，沥青质与饱和分、芳香分不亲和，但是与胶质亲和，从而胶质包裹沥青 质形成胶团分散在油分中，形成稳定的胶体溶液。各组分的相对含量不同决 定着沥青胶体溶液的结构类型。当油分和胶质足够多时，形成溶胶型沥青，其特 点是沥青的粘结性好，但温度敏感性较强：当油分和胶质很少时，形成凝胶型沥 青，其特点是弹性好，温度稳定性好；介于两者之间的形成溶凝胶型沥青，其特 点是粘结性、温度稳定性、弹性都比较好。 2 12 沥青的性质 沥青作为种路面材料，具有自身特有的材料性质。影响着路面使用性能的 重要性质有： 1 0 第二章旧沥青混合料的分析及再生沥青的研究 ( 1 ) 粘性 粘性是沥青在外力作用下抵抗剪切变形的能力。沥青路面是以沥青作为胶结 料，将松散的砂石材料粘结起来形成具有一定抗剪切能力和抗压强度的结构物， 因此沥青的粘结性是非常重要的。常用力学指标动力粘度r l ( p a s ) 来表示沥青的 粘性。粘度反映了沥青抵抗流动的能力，粘度越大，沥青路面抵抗车辙的能力越 强，沥青粘度与沥青混合料的动稳定度基本上成正比关系。因此粘度是评价沥青 高温性能的重要指标。 ( 2 ) 感温性 沥青路面使用环境温度范围变化大，人们希望沥青材料在夏季高温不至于过 分软化，保持足够的粘滞性；在冬季低温不至于过分脆硬，保持足够的柔韧性。 这就要求沥青性能随着温度的变化而基本保持稳定。 ( 3 ) 粘附性 沥青的粘附性对沥青混凝土的水稳性和耐久性有很大的影响，是沥青的重要 性质之一。沥青的粘附性表现为不亲水，在潮湿状态下，水比沥青更容易浸润集 料，因而集料表面的沥青容易被水取代而剥落，造成路面松散破坏；沥青是亲碱 性集料憎酸性集料，这主要是因为沥青是一种弱极性物质，极性大小取决于其中 的表面活性物质沥青酸和沥青酸配含量。表面活性物质不能与酸性集料发生化学 反应及化学吸附，而只有物理吸附，所以吸附性不强；但可以和碱性集料发生化 学反应，因而吸附性强。评价沥青粘附性的标准试验常用有水煮法。 ( 4 ) 耐久性 沥青的耐久性表示沥青抵抗冷热、氧化、光辐射、水浸蚀的能力。沥青在这 些因素的综合作用后，发生不可逆的老化。老化后沥青的粘附性、柔韧性、低温 抗裂性能降低。评价沥青的耐久性标准试验有：沥青蒸发损失试验、薄膜加热试 验、蒸馏试验。 2 1 3 沥青的技术标准 沥青作为一种道路胶结材料，必须有一套检验和评价沥青性能的技术指标， 这些指标与沥青的实际路用性能有一定的联系。沥青技术指标主要有： ( 1 ) 针入度 针入度是在规定荷载、规定温度和规定荷载作用时间下，标准针贯入沥青中 的深度，以o 1 m m 为单位。针入度是评价沥青稠度的一种指标，针入度越小，表 明沥青的稠度越大，沥青越粘稠，反之越小。 ( 2 ) 软化点 沥青在规定尺寸的环内，其上放置规定质量的钢球，两者置于盛水容器中以 第二章旧沥青混合料的分析及再生沥青的研究 1 l 5 0 0 c m i n 加热，沥青软化，钢球从沥青试样沉落，刚接触至规定距离的底板时， 该温度就是沥青的软化点。沥青软化点反映了沥青的粘度，也反映了沥青的温度 敏感性，软化点越高，温度敏感性越好，也就是热稳定性越好。 ( 3 ) 延度 延度是沥青在一定温度下，是将标准沥青试件经过空气和水浴养生后，在一 定温度的水浴中，以规定拉伸速度拉伸时，沥青试件按照一定的速度拉伸到沥青 断裂时最大拉伸距离，以c m 为单位。通常拉伸速度为5 c m m i n ，温度为1 5 0 c 、2 5 0 c 。 延度表征了沥青的塑性，延度值越大，沥青在所进行的试验温度下的塑性变形能 力越大，沥青的柔韧性越好，低温抗裂性能越好。沥青延度与含蜡量有关，蜡大 大降低了沥青的延度。 ( 4 ) 脆点 脆点是将沥青涂于金属片上，在规定的降温速率下，金属片弯曲，当沥青膜 裂开，该温度即为沥青的脆点。脆点指标反映了沥青使用条件的温度下限。它和 软化点一起构成了沥青液态、塑性状态、脆性状态的温度界限。 ( 5 ) 闪点 闪点是指沥青加热后，油分挥发与空气混合发生闪火时的温度。 ( 6 ) 溶解度 溶解度反映了沥青的有效成分。以沥青在溶剂中的溶解百分率来表示。 ( 7 ) 含蜡量 蜡是沥青中的有害物质。蜡对温度的敏感性非常强，从而严重影响着沥青的 性能。低温下，蜡结晶大大降低了沥青的粘结力和延性，增加了沥青的脆性破坏。 高温下，蜡晶体熔融使沥青软化，粘度降低，增加了沥青的流动性。蜡还阻止了 沥青与石料界面的粘附，降低了沥青路面表面的摩阻力。蜡的存在还使沥青胶体 不稳定，具有触变性。所以，道路石油沥青严格控制蜡的含量。 表2 1 重交通道路沥青技术要求 t a b 2 1t e c h n i c a ls t a n d a r d so fa s p h a l th e a v yt r a f f i c 试验项目a h 1 3 0a h 1 1 0a h 9 0a h 7 0a h 5 0 针入度( 2 5 。c ，10 0 9 ，5 s ) 0 1m m 1 2 0 1 4 01 0 0 1 2 08 0 1 0 06 0 8 04 0 6 0 延度( 1 5 0 c ，5 c m m i n ) c m 不小于1 0 01 0 01 0 01 0 01 0 0 软化点( 环球法) o c4 0 5 04 1 5 l4 2 5 24 4 5 44 5 5 5 闪点( c o c ) p c 不小于 2 3 0 含蜡量( 蒸馏法) 觞不大于 3 溶解度( 三氯乙烯) 觞不小于 9 9 o 1 2 第二章旧沥青混合料的分析及再生沥青的研究 密度( 1 5 0 c ) ( e d c m 3 ) 实测记录 薄膜烘箱 质量损失不大于 1 - 31 21 o0 80 6 针入度比不小于 4 54 85 05 55 8 加热试验 延度( 2 5 0 c ) c m 不小于7 5 7 57 55 04 0 1 6 3 0 c ，5 h 延度( 1 5 0 c ) c m实测记录 2 2 沥青性质变化和老化机理 2 2 1 沥青的性质变化 随着沥青路面的交付使用，在交通荷载和各种自然因素的长期作用，路面使 用品质经历着由好变坏的过程，沥青路面暴露在大气中，受到各种自然因素，如 氧，温度，阳光，水等的作用，沥青混合料产生许多复杂的物理化学变化，使沥 青路面逐渐趋于老化。通过国内外大量试验结果证明，回收旧沥青的化学组分与 原沥青相比有明显的变化，其表现为：油分减少，胶质和沥青质增加。 表2 2 山西回收旧渣油与原状渣油组分对比 t a b 2 2 c o n t r a s tc o m p o n e n t so fo l da n do r i g i n a lp e t r o l e u mr e s i d u e so fs h a n x i 样品名称及来源 使用年限 饱和分芳香分胶质沥青质 回收大庆渣油 1 31 9 31 3 35 6 11 1 3 回收i e l 油 回收胜利渣油 52 6 72 1 13 9 91 2 3 大庆渣油 3 6 7 3 3 4 2 0 9 胶质 芳香分 饱和分。 沥青硬化的主要原因是氧化和缩合作用，矿质集料起着催化剂的作用，促使高分 子化合物增加，油分的分子量较小，氧化缩合作用使油分中的芳香烃分子量增大， 向胶质转化，而饱和分子比较稳定，变化不大。胶质向沥青质转化，沥青质本身 聚合成更大的分子。老化后的沥青组分发生了变化，芳香分减少，胶质和沥青质 增加，因此沥青的老化过程可以认为是沥青化学组分平移的结果。沥青路面使用 年限越长，旧油中的油分就越少，胶质和沥青质就越多，老化沥青与原沥青相比， 针入度、延度降低，软化点升高，表现为沥青变硬，变脆，延伸性降低。 第二章旧沥青混合料的分析及再生沥青的研究1 3 2 2 2 沥青老化机理 从以上的分析中可以看出，沥青老化的根本原因是氧化、缩合作用。沥青发 生氧化、缩合作用时，低分子化合物向高分子化合物转变。在沥青组分中，油分 属于低分子化合物，经过氧化、缩合作用后，其中的芳香烃向胶质转变，胶质向 沥青质转变，最后沥青质聚合成更大的分子化合物。所以沥青老化的实质是沥青 组分的转移。 在实际工程当中，当沥青混凝土空隙率较大时，空气、雨水容易进入空隙， 使沥青发生氧化、缩合作用。水进入空隙，产生了巨大的动水压力，从而使沥青 胶产生裂缝，扩大、联通了空隙，加剧了沥青的氧化、缩合作用。在沥青路面上， 可以发现硬路肩上的沥青比行车道上的沥青老化严重，这主要是行车道上的沥青 混凝土在行车荷载的作用下逐渐压密，空气、雨水难以进入。在沥青路面的不同 深度，离路面越深，沥青老化的程度越轻，也是因为空气、水进入的时间要慢， 发生氧化、缩合的时间也短。 2 2 3 旧沥青老化程度的测评 本文采用沥青最基本的三大指标：针入度、延度、软化点来评价旧沥青的老化 程度。 ( 1 ) 针入度 本次试验采用的试验温度为2 5 ，标准针( 包括滑动连杆和砝码) 的质量为 规定的l o o g ，贯入时间为规定的5 s 。 ( 2 ) 延度 本次试验采用的试验温度为1 5 ，拉伸速度为5 + 0 2 5 c r n m i n 。 ( 3 ) 软化点 本次实验将沥青浇入规定尺寸的试样环，经过空气养生和5 水浴养生，将试 样上方刮平，环中沥青试样上放置一质量为3 5 9 的钢球，两者置于5 。c 的蒸馏水 浴中以5 * c m i n 的速率加热，沥青试样逐渐软化，钢球从试样上沉落，刚接触至规 定距离的底板时，该温度就是沥青的软化点。 2 3 旧沥青混合料的分析 2 3 1 旧沥青混合料的油石分离 本文使用涪长高速路的面层废旧沥青混合料为研究对象，此面层旧混合料从 开工建设到改造翻修，经历了大约8 年的使用时间，老化程度较大。将旧混合料 放入1 0 0 。c 士5 。c 的烘箱，待旧混合料软化后将其破碎，在室内使用沥青混合料自 1 4第二章旧沥青混合料的分析及再生沥青的研究 动抽提仪进行旧混合料抽提试验，试验采用的溶剂为三氯乙烯。旧沥青混合料的 抽提试验分为两步： 1 、旧混合料在溶剂三氯乙烯的冲刷下，矿料与沥青分离，旧矿料留在振动筛 上以便作筛分试验。 2 、旧沥青与三氯乙烯的混合溶液进入蒸馏箱，通过高温蒸馏和冷凝得到旧沥 青。每次抽提试验称量已加热破碎的旧混合料1 5 0 0 9 ，抽提出的集料和旧沥青供下 一步研究使用。 图2 2 抽提实验工艺图 t a b 2 2 t h ec h a r to fe x t r a c t i o ne x p e r i m e n tp r o c e s s 本文选用的新沥青为a 7 0 号道路石油沥青，旧沥青与规范要求沥青的三大指 标见表2 3 。 表2 3 旧沥青与规范要求沥青三大指标对照表 t a b 2 3c o n t r a s to ft h r e et e c h n i c a lp a r a m e t e r sb e t w e e no l da n df l o r mr e q u e s ta s p h a l t 沥青种类针入度( 2 5 。c ) 0 1 m m延度( 1 5 。c ) c m软化点 i 。4 7 55 1 45 5 2 旧沥青 2 44 2 75 6 19 7 a 一7 0 沥青技术要求 6 0 8 0 1 0 04 4 5 4 第二章旧沥青混合料的分析及再生沥青的研究1 5 表2 4 骨料性能指标表 t a b 2 4t h e c h n i c a ls t a n d a r d so f a g g r e g a t ep r o p e r t y 部位压碎值( )磨耗率( )针片状( ) 1 41 7 9 2 7 88 8 2 4 2 1 73 1 21 5 3 规范值( 中、下面层) 2 8 3 01 5 从表中数据来看，旧沥青的三大指标针入度降低、软化点升高，延度降低， 符合老化沥青的变化规律，符合沥青老化规律。分析原因由于沥青老化，沥青中 的部分组分经过氧化作用形成不溶体，会沉淀下来，而溶体部分氧化程度相对较 小，进入高温蒸馏及冷凝阶段的沥青溶液含有大量溶体，因此抽提出的i e l 沥青由 于含有较多溶体而有较好的流变特性，另外可能在抽提过程中使用的三氯乙烯溶 剂与沥青发生了反应而改变了旧沥青的流变特性，对实验结果也有一定影响【2 6 1 。 2 3 2 旧沥青混合料的沥青含量和级配 称量利用旧料抽提试验中分离出来的集料质量，由此可以确定旧沥青混合料 的沥青含量。用方孔筛进行筛分试验，筛分结果如下表所示。 表2 5 旧沥青混合料的沥青含量 t a b 2 5t h ea s p h a l tr a t i oo fo l da s p h a l tm i x t u r e 沥青含量 旧混合料质量鹰旧集料质量鹰旧沥青质量鹰 平均值 脯 第一组1 5 0 01 4 2 9 37 0 74 7 l 第二组1 5 0 0 1 4 3 7 16 2 9 4 1 94 3 0 第三组1 5 0 01 4 3 9 96 0 14 0 1 表2 6 旧集料筛分实验结果 t a b 2 6t h es c r e e n i n gt e s tr e s u l t so f o l da g g r e g a t e 第二章旧沥青混合料的分析及再生沥青的研究 第一组1 0 0 09 8 69 3 68 7 2 5 9 23 7 3 3 0 82 5 41 7 61 2 36 4 第二组1 0 0 09 8 09 2 47 9 55 2 0 4 0 2 2 9 52 3 51 3 09 36 2 第三组 1 0 0 09 6 29 2 98 8 0 5 6 62 8 6 2 2 61 9 09 28 06 0 平均值 1 0 0 09 7 69 3 o8 4 9 5 5 93 5 4 2 7 62 2 61 3 39 96 2 表2 7 旧集料级配与a c 1 6 沥青混凝土级配范围对照表 t a b 2 7 c o n t r a s to fo l da g g r e g a t eg r a d a t i o nw i t ha c 1