（市政工程专业论文）沥青路面就地热再生工艺研究.pdf

大连理t 大学硕士学位论文 摘要 我国从9 0 年代开始了大规模的高等级路面尤其是沥青路面建设，到目前为止，一 方面道路沥青与砂石材料紧缺已成为既将面临的问题；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 源产生较严重的污染。虽然近年来旧沥青路面再生利用在我国己经得到重视和发展，但 仅局限于方法的研究，缺乏实用性研究。 本论文的主要内容是沥青路面就地热再生工艺研究。对就地热再生工艺的研究，分 析出丁：艺的主要控制点为：再生剂品种、再生剂掺配比例、再生沥青混合料配合比设计、 混合料拌和流程。针对不同老化程度旧沥青进一步检验我们道路研究所研究的再生剂 t y x 再生效果并得出相应掺配比例。通过正交试验优选出再生沥青混合料的加工 ：艺， 并在新工艺卜- 针对不同旧料进行就地热再生试验。从结果可以看出在】r 料利用率达到 5 0 时再生沥青混合料马歇尔试验、车辙试验、浸水马歇尔试验、低温劈裂试验结果均 满足高速公路普通热拌沥青混合料技术标准。而i h 料利用率达到7 0 时试验结果不满足 要求，分析原因可能是普通热拌沥青混合料技术标准对再生沥青混合料而言有些苛刻。 同时课题组到济南德州现场调研，对加热机加热情况现场检测，结果表明经过加热后的 面层均能达到室内试验标准。而且对现有就地热再生设备分析得出结论，只要沥青混合 料就地热再生方法采用合理的工艺，结合机械化施工，不但可以保证再生沥青混合料质 量满足路用要求，而且可发挥出其方便快捷、不阻碍交通等独特优势。 关键词：沥青路面；就地热再生；再生剂；再生工艺 刘琳琳：沥青路面就地热再生工艺研究 s t u d yo nt h ei n p l a c eh o tr e c y c l i n gt e c h n o n l yo fa s p h a l tp a v e m e n t a b s tr a c t s i n c et h e1 9 9 0 s ，l o t so fh i g i l - g r a d ep a v e m e n t s ，e s p e c i a l l ya s p h a l tp a v e m e n t s ，h a v eb e e n c 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 ns e v e r el a c ko fb 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 ya s p h a l tp 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 e f i e l dt op i l ea n da r ed i s p o s e dh a r d l y i fd i s p o s e di m p r o p e r ，t h e yw i l lp o l l u t es o i la n dw a t e r r e s o u r c e a l t h o u 曲，t h er e c y c l i n go fo l da s p h a l tp a v e m e n th a s b e e nt a k e ni m p o r t a n c et oa n d d e v e l o p e di no u rc o u n t r y ，i tl i m i t s i nt h em e t h o dr e s e a r c ha n di ss h o r tf o r t h e s t u d yo f a p p l i c a t i o n t h i st h e s i se l a b o r a t e do nt h et e c h n o l o g yo fi n p l a c eh o tr e c y c l i n ga s p h a l tp a v e m e n t s f r o mt h es t u d yo fr e c y c l i n ga s p h a l tp a v e m e n to nt h es p o t ，s o m ek e yf a c t o r sa r ea n a l y z e da s t h eb r e e da n dp r o p o r t i o no fr e g e n e r a t i o na d d i t i v e ，t h ep r o p o r t i o nd e s i g no ft h er e c y c l i n g a s p h a l tm i x t u r e ，t h em i xp r o c e s so ft h em i x t u r e f u r t h e rt e s t sa r et a k e nt ot h ea s p h a l tv a r i e di n a g i n g d e g r e ei no r d e rt ov e r i f yt h ee f f e c to ft h et y xr e g e n e r a t i o na d d i t i v ea n dt og e tt h em i x p r o p o r t i o na c c o r d i n g l y f r o mo r t h o g o n a lt e s t s ，t h em a c h i n i n gt e c h n o l o g yo ft h er e g e n e r a t i v e a s p h a l tm i x t u r ea r eo p t i m i z e d t e s t sa r ea l s ot a k e st ot h ed i f f e r e n to l dm i x t u r e sb yt h en e w t e c h n i q u e a c c o r d i n gt ot h ec o d eo fh i 曲w a yh o t m a xa s p h a l tm i x t u r e ，t h ec r i t e r i o n sa r ea l l f u l f i l l e di na l lt h et e s ta st h ea s p h a l tm i x t u r em a r s h a l lt e s t ，t h er u t t i n gt e s t ，t h ei m m e r s i o n a g i n gm a r s h a l lt e s t ，t h el o wt e m p e r a t u r es p l i t t i n gt e s tw h i l et h eu t i l i z a t i o nr a t i oo fo l dm i x t u r e a r ef i f t yp e r c e n t a st h eu t i l i z a t i o nr a t i or i s e st os e v e n t yp e r c e n t ，s o m eo ft h er e s u l t sa r e d i s s a t i s f i e d ，a st h ec r i t e r i o n s o fh o t m a xa s p h a l tm i x t u r em a yb et o oc r i t i c a lf o rt h e r e g e n e r a t i o nm i x t u r e m e a n w h i l e ，b a s e do nt h es p o ti n v e s t i g a t i o ni nj i n a n ，t h et a r g e t so ft h e h e a t e ds u r f a c ea l ea l s of u l f i l l e dt ot h es t a n d a r do fi n d o o rt e s t t a k e nt h ee x i s t i n gh o t r e g e n e r a t i o ne q u i p m e n t s ，t h ec o n c l u s i o nw o u l db ed r a w n ：w i t ht h ep r o p e rt e c h n o l o g ya n d m e c h a n i c a lc o n s t r u c t i n g ，t h er e g e n e r a t i o nm i x t u r ew o u l ds a t i s f yt h eu t i l i t i e so fr o a d ，a n di t a l s ot a k e st h ea d v a n t a g e so fi t sc o n v e n i e n c eo ff l e e t n e s sa n du n h i n d e r e dt r a f f i c se t c k e yw o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t ：i n - p l a c eh o tr e c y c l i n g ；a d d i t i v e s ：r e c y c l i n g t e c h n o l o g y 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 t 大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：ij 邋蜒日期：翌么上4 ，_ 大连理上人学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 童j 鲣蜷 导师签名 毕 生竺年l 月丛日 查垄堡兰叁兰堡主：兰焦笙茎 1 绪论 1 1 问题的提出 1 1 1 研究背景 目前我国的公路建设飞速发展，每年投资规模已经超过2 0 0 0 亿元。在9 0 年代以后 陆续建成的高速公路已进入大、中修期，大量的翻挖、铣刨沥青混合料被废弃，一方面 造成环境污染，另一方面对于我国这种优质沥青极为匮乏国家来说是一种资源的浪费， 而且大量的使用新石料，开采石矿会导致森林植被减少，水七流失等严重的生态环境破 坏。按照沥青路面的设计年限( 1 5 2 0 年) ，从现在起，每年有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 万吨之巨，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，届时通过再生利用侮年可节约材料费1 5 亿元。 否则这些为数巨大的沥青混凝土层翻挖后只能白白的废弃掉，不仅浪费了资源，也会对 环境造成严重的污染。因此，沥青再生技术的实用性研究、推广和相关专用设备的开发， 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极大的意义，随着我国 高等级沥青路面维修养护量不断增加，对沥青路面再生技术有必要进一步研究，开发合 适的再生剂和机械设备，为再生旧料在实际工程中的大量应用奠定基础。 1 1 2 沥青路面再生概述 沥青路面的再生技术是将旧沥青路面经过翻挖、回收、破碎、筛分后，与再生剂、 新沥青材料、新集料等按一定比例重新拌和混合料，使之能够满足一定的路用性能并用 其重新铺筑路面的一整套工艺技术。 废旧沥青混合料再生方法的分类很多：按旌工温度可将旧料再生分为热拌再生混合 料和冷拌再生混合料；按混合料的组成结构可分为表处型再生沥青混合料、再生沥青碎 石、再生沥青混合料；按混合料作用可分为再生基层和再生面层；按外掺剂的种类可分 为普通再生沥青混合料和改性再生沥青混合料：而按再生地点又可分为现场再生和场拌 再生等。 人们比较常用的是按施工温度分类，即分为沥青混合料冷再生和沥青混合料热再 生，其内容如下： 沥青混合料热再生法 刘琳琳：沥青路面就地热再生t 艺研究 热拌再生沥青混合料是将fe j 料、再牛剂、新集料和新沥青在热态下拌合而成的沥青 混合料，并在热态下摊铺、碾压成路面，与通常所说的热拌沥青混合料相似。热拌再生 混合料由于拌和场所的不同又可分为厂拌热再生法和就地热再生法，由于在热态下拌 和，旧沥青混合料加热并软化达到松散状态，与再生剂、新集料和新沥青经过机械强烈 搅拌充分混合，再生效果较好，其性能可以和普通热拌沥青混合料相媲美，但同时也和 热拌沥青混合料一样在拌和和施工中对周围的环境造成污染。 沥青混合料冷再生法 冷拌再生沥青混合料是将旧料、新集料以及一定含量的添加剂( 乳化沥青、泡沫沥 青、水泥、石灰或低粘度的再生剂1 在常温下拌和而成的沥青混合料，相应热拌再生沥 青混合料而言，我们称之为冷拌再生沥青混合料。与前者相比，冷拌再生沥青路面再生 效果较差，成型时间较长。但由于在冷态下即能施工，具有节省能源、减少污染、降低 工人劳动强度、可延长施工季节等优点，也逐渐被人们所认可，而且根据国外资料表明， 冷再生成功地应用在国外的许多道路，其中一部分是等级较高的道路面层。 1 1 3 沥青路面再生可行性分析 从节约资源方面分析 沥青路面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，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。沥青再生技术在节约土地资源方面的作用也不容忽视。显然，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。 从环境保护方面分析 大连理工大学硕士学位论文 沥青路面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、美目的矿山开采法等。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。 从技术方面分析 对于沥青路面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 ( 沥青路面回收料1 的沥青路面使用寿命与传 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，再生沥青路面与全新料沥青路面比较，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。 欧、美、同等发达国家目前在再生沥青混合料的生产工艺以及与之配套的各种挖掘、 铣刨、破碎、拌和等机具的研制与开发方面均取得了显著的成就，经过近3 0 年的大规 模生产实践，已证明了沥青路面再生利用在技术上的可行性，并形成了系统的沥青路面 再生技术，且达到了规范化与标准化的成熟程度。 从经济效益方面分析 沥青路面再生技术的直接经济效益主要体现在两个方面：节约砂、石、沥青材料费 和废料的运输费、堆弃费。但是，该技术需要较大的固定资产投资，丰要包括再生混合 料加热、铣刨和再生设备，所需投资额较高。仅以某工程单价为例简单计算利用1 t 废料 节约的费用：砂：1 5 元t 0 1 t = 1 5 元；碎石：8 0 元t x 0 9 t = 7 2 元：沥青：2 0 0 0 元t 0 0 5 t = 1 0 0 元；运输距离2 0 k m ：0 8 元k m 2 0 k m = 1 6 元；堆弃费：5 元；合计：1 9 4 5 刘琳琳：沥青路面就地热再生上艺研究 元t 。各地区材料、运输和七地使用费用不同，因此，再生1 t 废料直接节约的费用在1 0 0 2 0 0 元之间。虽然再生漫备投资较高，但是面对大量的旧沥青混合料经济效益及其可观。 因此，无论从节约能源、环境保护、技术、经济效益方面，沥青路面再生技术的研 究都具有很好的可行性。 1 2 国外研究现状 美国1 9 7 4 年丌始花费大量资金研究这项技术，并且迅速在全国推广应用。美国联 邦公路局、材料与试验协会等单位经常召开有关旧沥青路面再生利用的各种学术会议， 有力地推动了该项研究工作。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；美国沥青协会分别于1 9 8 1 年和1 9 8 3 年出版了沥青路面热拌再生技术手 册、沥青路面冷拌再生技术手册，这为旧沥青路面再生利用提供了重要的理论依 据。据美国联邦公路局的数据统计，1 9 8 0 年有2 5 个州共使用了2 0 0 多万吨热拌再生沥 青混合料；1 9 8 1 年有4 0 个州使用了3 5 0 多万吨；到1 9 8 5 年再生沥青混合料的用量猛增 到约2 亿吨，约占当年全部沥青混合料用量的一半。这表明旧沥青路面再生利用技术在 美国已相当成熟并得到了广泛的应用。 原苏联对旧沥青路面再生利用技术的研究也比较早。1 9 6 6 年出版了沥青混凝土废 料再生利用技术的建议，1 9 7 9 年又出版了旧沥青混凝土再生混合料技术标准，该 书详细介绍了各种再生方法，规定了再生混合料可用于高等级路面的基层和低级路面的 面层。说明当时的再生混合料再生效果还不是很好。1 9 8 4 年又出版了再生路用沥青混 凝土一书，详细阐述了就地再生和工厂再生的方法。 日本从1 9 7 6 年开始进行旧沥青路面再生技术的研究，1 9 8 4 年日本道路协会出版了 路面废料再生利用技术指南。1 9 8 0 年日本废e t 沥青混合料的再利用率达到了5 0 以上。 在欧洲，德国旧沥青路面再生技术发展最快，主要将厂拌再生混合料应用于路面养 护，几乎全部利用了废弃的沥青混合料。这主要得益于德国机械工业发达，开发的再生 机械门类齐全、性能优异、价格适中。芬兰、法国也将废弃沥青混合料再生后应用于路 面养护和轻型交通，取得了较好的经济效益。 8 0 年代之前，旧沥青路面再生基本上采用工厂热再生法。该方法就是将旧沥青路面 铣刨后运到工厂，用专门的再生设备生产出再生混合料，然后再拉到现场用路面摊铺机、 碾压机进行摊铺、碾压，形成新的沥青路面。8 0 年代后期，随着路面加热技术的成熟， 就地热再生法得到各国的普遍重视。该方法是将i h 沥青路面再生的加热、铣刨、添加新 大连理工大学硕士学位论文 沥青、新集料、再生剂以及拌和、摊铺等一系列工序就地完成。还有就地冷再生法和工 厂冷再生法在低等级路面上也得到了不确程度上的应用。 纵观欧美国家旧沥青路面再生利用情况，可以看出他们特别重视实用技术的研究， 对再生工艺以及与之配套的各种加热、铣刨、计量机具的研制都取得了很大的成就，而 且逐步形成了一套再生混合料设计方法和再生混合料性能评价标准，但是在大功率、高 质量、低成本的再生方法及再生设备的研究上，还有待完善。 1 3 国内研究现状 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挚层。 山西、湖北、 i j - i l 等省的公路养护单位在国内较早进行旧沥青混凝土路面回收利用的研 究。1 9 8 2 年山西省结合沥青混凝土路面的大、中修工程共铺筑重点试验段8 0 余公罩， 湖北省公路局发动全省各公路养护单位迸行了再生利用试验研究。1 9 8 3 年建设部下达了 “废旧沥青混合料再生利用”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较多的面层下层，拌 和设备采用现有设备作适当改装，经过3 年的努力，在苏州、武汉、天津、南京4 个城 市铺筑了3 力 多平方米的试验路。实际观测结果证明，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。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，也证明了其技术的可行性和经济性。 但是自上世纪9 0 年代以来由于大规模公路建设，旧沥青路面再生利用工作处于停 滞状态。随着我国高等级公路相继进入维修期，旧沥青路面再生试验研究又显得非常迫 切起来。近几年一些公路养护单位尝试着将i e t 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；2 0 0 0 年在沈大 高速公路营口段开展了旧沥青路面再生试验；东南大学等针对我国沥青路面状况试制a 型再生剂，在沥青再生剂、再生沥青路面修筑方面取得不少成果。但是目前我国在再生 机械的研究方面基本上处于开始阶段，目前的再生机械完全依赖进口。也没有制定相关 的再生技术标准用于指导实践。 总之，旧沥青路面再生利用技术在我国基本上处于初始阶段，对再生利用技术的研 究仍停留在方法上的探究，对再生利用技术的实用性及再生设备研究不多，而对再生剂 的研究取得了一定的成果，但还没有得到普遍应用。据不完全统计，1 9 8 6 年我国所铺筑 的再生路面累计达到6 0 0 余公里，但是大部分用于轻型交通及路面养护，而且有相当一 刘琳琳：沥青路面就地热再生t 艺研究 部分的再生是相对于渣油路面的。9 0 年代后铺筑的再生路面不多，但研究方向主要针对 沥青路面，也取得了一定的成绩，对今后的深入研究有很好的指导作用。 1 4 本论文研究内容及意义 尽管沥青混合料再生技术在国外已经非常成熟，国内研究学者已经对其较为熟悉， 而且该技术在国内的应用逐渐增多，但相对于我国公路未来的发展状况而言，目前的研 究还远远不足，应着重对沥青混合料再生的实用技术进行研究。 比较冷再生与热再生两种再生方法，冷再生方法没有对旧沥青混合料加热，不能将 旧沥青再生，只是把旧沥青混合料当成一种骨料加以利用，它的“再生”的质量不能达 到沥青面层的质量标准( 针入度、延度、软化度、粘度等) ，只能适用于路面基层处理或 低等级道路翻修。而厂拌热再生与就地热再生相比较，就地热再生方法具有全部旧料利 用，节省运输费用，消除旧路面不规则的横向断面，节约施工时间，降低成本，不阻碍 交通，节约燃油消耗等优点，就地热再生方法经过证明在世界许多国家和地区是非常行 之有效又环保的技术，同时结合我国国情采用这项技术可以为我国公路基础建设中大量 沥青路面养护维修工作提供一种高效的解决方案。 就地热再生沥青混合料质量的好坏，关键在于再生工艺。合理的再生工艺对再生机 械系统形成指令信息，从而进行铺筑。其中加热机械温度的控制温度过高，路面表面焦 化，影响质量；温度偏低，则旧料不能软化，再生效果不好。而路面温度不仅与加热器 的效率有关，而且还与气温、风速有密切关系。应能根据气温、风速的天气信息随时加 以控制调节，将有效地提高再生质量和效率。与此同时，再生剂的品种、添加时间、方 式的系统控制，再生混合料的配合比设计、再生混合料的拌和流程等都影响再生混合料 的质量，决不是加热、翻松、整平就能做好就地热再生。因此本论文的具体研究内容如 下： 1 ) 对实地旧路面( 沈山线旧料和大连旧料) 回收来的沥青性质评价，检验大连理工 大学道路研究所开发的再生剂t y x 的再生效果。对回收的旧沥青及人工老化沥青按针 入度分级，找到再生剂t y x 使不同老化程度的旧沥青再生的掺量函数关系，作为再生 沥青混合料设计的基础。 2 ) 考察回收旧沥青在不加入再生剂，只加入新沥青时，性能的恢复情况，为使旧沥 青达到路用要求加入新沥青的比例，以及该情况下的经济分析。 3 1 对再生沥青的评价标准，是沥青路面再生技术的难点。在欧美国家都有相应的再 生利用规范及技术标准。对于再生技术的长期发展我国也应建立1 日沥青路面再生利用技 大连理工大学硕士学位论文 术规范。而难点在规范中的具体评价指标及指标的量值规定。这更加需要国家相关部门 建立系统的研究规划，全国相关研究部门进行通力协作研究。 4 ) 对再生沥青混合料设计与性能评价，更应注重耐久性能。设计出再生沥青混合料 目标配合比，由旧沥青混合料占位，不足由新集料及新沥青补充。而再生沥青混合料的 拌和流程对其质量影响也很重要，本文对：先将再生剂t y x 与旧料拌和一再与新料拌 和，与旧料、再生剂t y x 、新料同时拌和两种不同拌和流程分别进行试验，比较哪种 拌和工艺所得再生混合料质量优，进一步检验再生剂t y x 的再生效果。而国内没有对 再生混合料性能的评价标准，但最终再生路面与普通沥青路面承受同样的车辆荷载、外 界环境，因此课题组研究过程中对再生混合料进行车辙试验、冻融劈裂试验、浸水马歇 尔试验，都应满足现行沥青混合料技术规范。但对于有旧料的掺入规范应该有相应的调 成，即形成再生沥青混合料技术规范，本文对此作出一些探索性的研究。而对再生混合 料的耐久性能研究不足，需要修筑试验路并且长期跟踪调查。 5 ) 就地热再生设备是按照就地热再生工艺的要求开发的。就地热再生设备f h 加热系 统和再生系统组成，加热系统是完成整套再生工艺的重要一环( 课题合作厂家已经生产 出加热设备) ，而再生系统厂家正在研发。课题组到施工现场调研，现场采用厂家生产 的加热设备，而再生设备为进口芬兰机械，我们一方面对加热设备加热后路面的沥青混 合料温度监测、并现场取样分析评价；另一方面对芬兰设备再生沥青混合料试验分析， 评价该就地热再生工艺的旋工效果。 刘琳琳：沥青路面就地热再生工艺研究 2 沥青再生机理、评价指标及再生混合料设计方法 2 1 再生机理” 沥青再生是沥青老化的逆过程。为了研究沥青再生的机理，首先应从沥青的老化机 理开始入手。沥青的老化是指沥青从炼油厂被炼制出来后，在储存、运输、施工和使用 过程中，由于长时间的暴露在空气中，在环境因素如受热、氧气、归光和水的作用f ， 发生一系列的挥发、氧化、聚合，乃至沥青内部结构发生变化，同时发生性质变化，导 致路用性能劣化的过程。沥青的老化机理目前主要有两种理论，即组分迁移理论和相容 性理论。 2 1 1 组分迁移理论 沥青是由多种化学结构及其复杂的化合物组成的一种混合物，对于沥青化学组成的 研究，人们主要采用组分分析法即将沥青分离为几个化学性质相近，与路面性质有一定 联系的组，近而分析它们之间的比例关系。通常的有以下分类方法：三组分法，将沥青 分离为油分、树脂和沥青质；四组分法，将沥青分为饱和分、芳香分、胶质及沥青质； 五组分法，将沥青分离为沥青质、氮基、第一酸性分、第二酸性分和链烷分。 组分迁移理论认为，沥青老化主要是出于组分上逐渐发生变化，总的趋势是小分子 量的化合物向大分子量的化合物转化，高活性、高能级的组分向低活性、低能级的组分 转移。出于我们常用的组分分析方法是四组分法( 四组分分子结构如图2 1 ，可以直观 地反映四组分的分子大d , * t 1 分子结构) ，因此，以四组分为例，沥青中的油分主要包括 芳香族和饱和族，其中芳香族的分子量最小，也最不稳定，它在自然条件下极易挥发， 同时芳香烃的分子结构由于存在不饱和键，很多是以单体的形式存在，所以在光、热、 氧等自然因素的长期作用下芳香烃分子间发生了极其复杂的氧化、缩合、共聚等反应， 组分上看就是向胶质的转化。而油分中的饱和族分子结构上以饱和键占优势，自然条件 下一般不参加反应，所以其结构不会发生变化。胶质相对于沥青质来讲，其能级和活性 要高，自然状态下胶质也会向沥青质转化，而沥青质分子则会向更大分子量转化。沥青 老化的整个过程就是芳香分一胶质一沥青质的转化过程，此化学反应过程是不可逆的。 于是随着时间的推移，沥青中沥青质越来越多，而沥青质含量对沥青的流变性质( 主要 是粘弹性) 有很大影响，随着沥青质含量的增加，沥青便会出现粘度增大，针入度下降 等特征。同时，理论和试验均显示沥青的延度主要取决于芳香分的含量，随着其含量的 减少而减少，故老化沥青的延度较低。另外，软化点对沥青流变性质存在很大的依赖性， 即：粘度越大的沥青，一般来说软化点也较高。故老化沥青的软化点也偏高。 大连理二l 大学硕士学位论文 沥青质a s p h a l t e n e s 芳香分a r o m a t i c 胶质r e s i n 饱和分s a t u r a t e 图2 1 沥青四组分分子结构 f i g 2 1m o l e c u l a rs t r u c t u r eo fb i t u m i n o u sf o u rc o m p o n e n t s 相应于沥青老化过程中的组分迁移理论，人们对旧沥青的再生提出根据生产调和沥 青的原理，在旧沥青中，或者加入某种组分的低粘度油料( 即再生剂) ，或者加入适当稠 度的沥青材料，进行调配，使调配后的再生沥青具有适合的粘度和所需要的路用性质， 以满足筑路要求，从这个角度上讲，再生沥青也是一种调和沥青。但是，我们能否像石 油工业上生产调和沥青一样，根据油料的化学组分配伍条件来获得具有良好路用性能的 再生沥青呢? 出于以下几个原因这种做法较难实现：一按现有的再生沥青混合料生产工 艺来看，补充一定量的油分是可能的，然而若针对我国沥青中沥青质含量少的情况，补 充沥青质是十分困难的；由于沥青的组分和化学结构极其复杂，即使是相同的化学组分， 刘琳琳：沥青路面就地热再生工艺研究 因为它们的油源基属以及加工工艺不同，其性质会有很大差别。到目前为止，人们还不 可能找出一种适合各种沥青的最佳组分：二从理论上讲，调节沥青组分是沥青再生的基 本途径，而且实际应用中也可按这一原则进行再生剂的选择和开发，但我们不可能以组 分作为沥青再生的控制条件，而必须通过合适的控制指标，达到在内在本质上调节组分 使旧油获得再生，又能够在实际操作中便于测试和计量。分析沥青材料在老化过程中的 流变行为规律，我们可以得到启示：若能使旧沥青材料的流变行为反面逆转，使之恢复 到适当的流变状态，旧沥青将获得再生，所以旧沥青的再生从流变学的观点可以归结如 下： 1 1 将旧沥青的粘度调节到所需要的粘度范围内。 2 ) 将旧沥青的流变指数予以适当提高，使旧沥青重新获得良好的流变性质。 也就是说沥青整个老化、再生、在老化的过程中其主要性征是流变行为的变化，其 变化如图2 2 所示： 墨i 罗7 孔矿7 7 扩一爿、 21 2 相容性理论 相容性理论认为，沥青是由数千种乃至上万种化合物组成的混合物，它是一种高分 子浓溶液，其中沥青质作为溶质，而胶质和油分统称为软沥青质作为溶剂。要形成稳定 的溶液，作为溶质的沥青质的溶解度参数与作为溶剂的软沥青质的溶解度参数的差值必 须小于某一定值。即： a 6 = 6 r 一6 _ 】l f k 其中，占沥青质与软沥青质溶度参数差值，( c a l c m 3 ) “2 6 ，沥青质的溶度参数，( c a l c m3 ) “2 ； 6 m 软沥青质的溶度参数，( c a t c m 3 ) “2 ； k 要求的溶度参数差值的限值，( c a l c m3 1 ”2 。 ( 2 1 ) 人连理j 二大学硕士学位论文 有关资料显示，沥青质溶度参数与软沥青质溶度参数的差值的极限值为o 7 6 ，当 0 7 6 时，沥青中的沥青质和软沥青质的相容性好，两者结合起来能形成稳定的浓溶液 溶度参数的测定方法十分复杂，现在一般采用的是间接测定方法。对沥青来说是将沥青 加入稀释剂，测定沥青质在软沥青质和稀释剂中的沉降速率，换算得到一个当量直径指 标，以此来间接了解沥青质与软沥青质的溶度参数差，近而了解两者的相容性。随着沥 青的老化，各种化合物产生脱氢、聚合和氧化等化学变化，由于化学结构变化的总趋势 是分子量变得越来越大，而各组分的溶度参数一般是随着分子量的增大而增大，故沥青 质和软沥青质的溶度参数都会逐渐变大。但是通常沥青质的溶度参数较软沥青质的提高 要快，这样两者的溶度参数差值不断增大，破坏了两者之间的相容性，当溶度参数差达 到某一限值时，宏观上沥青就表现为老化、硬化。 从相容性理论出发，我们可以认为沥青再生就是使沥青中的沥青质与软沥青质溶度 参数差值减少的过程。因此，沥青再生的途径通常是采用掺加再生剂的方法。掺加再生 剂后，一方面可使沥青质的相对含量降低，因而提高沥青质在软沥青质中的溶解度；同 时，掺加再生荆后又可提高软沥青质对沥青质的溶解能力，使软沥青质与沥青质的溶度 参数差值降低，从而改善沥青的相容性。 2 2 再生沥青混合料设计方法 旧沥青路面再生工艺研究过程中，难点在于老化沥青的再生，而再生沥青混合料设 计也是重要一环。再生沥青混合料设计和普通沥青混合料设计有相同的地方，也有不同 的地方。相同的地方是：都采用马歇尔试验来确定最佳油量以及检验其稳定度、流值、 空隙率、沥青饱和度等技术指标是否满足规范要求。不同的地方是：再生混合料设计需 要确定再生剂掺配比例、旧料的利用率等。其中确定再生剂掺配比例是一个难点，这从 下面第三章的室内试验可以看出来。同时再生剂的确定也是一个重点，再生剂掺配比例 太少，老化沥青再生程度低，要满足沥青混合料残留稳定度等指标的要求，必然造成新 沥青掺配比例大，从而总油量大，造成沥青混合料的流值不满足；而再生剂掺配比例太 大，就会加大其成本投资。 再生沥青混合料设计主要步骤是： 旧沥青混合料性质确定 对回收破碎的旧沥青混合料选取具有代表性的样品，进行抽提筛分试验，确定其沥 青含量和旧集料的级配组成。还必须通过阿布森法或旋转蒸馏器法回收旧沥青，然后通 过实验确定旧沥青的技术指标。一般不考虑旧集料物理力学指标的老化，因此也就不需 要测定旧集料的物理力学指标是否满足规范。 刘琳琳：沥青路面就地热再生 艺研究 对l f i 沥青的回收一定要完全除去其中的矿粉，如果回收的i u 沥青含有矿粉，对旧沥 青技术指标的测定就不准确，这是实验的难点。 旧料利用率的确定及再生混合料级配设计 根据旧沥青混合料的级配粗细和沥青的老化程度、再生混合料使用场合，大致确定 旧料的利用率。然后根据目标级配，确定旧料、粗集料、砂、石屑、矿粉的比例即生产 配合比。生产配合比在实际沥青混合料生产过程中由于机械送料偏差、集料级配变化等 原因是不断调整的，实际上它的目的就是向稳定的理想级配靠拢。因此为了保证目标级 配的稳定，室内实验应确定旧料、各档集料的比例。 再生剂及新沥青品种、用量的确定 当再生沥青混合料用于低等级路面面层或者其他等级路面基层、沥青老化程度不严 重时可不添加再生剂，否则应添加再生剂。一般来说，当旧沥青针入度小于4 0 ( 0 1 m m ) 时，应考虑添加再生剂。 再生剂品种的选择一般初步以再生剂粘度为准，大致估计需要多大粘度的再生剂。 对于相同粘度的再生剂，芳香分越多，老化沥青性能改善越佳。 确定使用某种再生剂后，需要确定再生剂的掺配比例。首先根据某一地区气候、交 通量、以往经验确定再生沥青标号，然后通过室内实验，掺配不同比例的再生剂，检验 再生沥青的各个指标是否达到表2 1 某标号沥青的要求或其他沥青的技术要求。为了简 化试验，通常只是测定、检验主要的指标如沥青的三大指标( 针入度、延度、软化点) 是否满足要求。当某一比例的再生剂使再生沥青的三大指标满足要求后，测定该比例下 再生沥青的其他指标。一般来说，其他指标基本满足要求，个别指标不满足要求的也不 予考虑或对该比例稍加调整。这主要是旧沥青混合料沥青含量少，添加再生剂后，还需 要添加一定的新沥青，新沥青能够进一步调节再生沥青的性能。 定义公式形式如下： l o g r 月= x 4l o g r 1 + ( 1 - x ) 。l o g r 2 ( 2 2 ) 有些学者提出可用理论计算来大致确定再生剂的掺配比例，该方法是依据再生沥青 的对数粘度和旧沥青、再生剂的对数粘度成线性关系而得到的，如公式( 2 2 ) 所示。 由于旧沥青混合料沥青含量较小，加入再生剂后还需要再添加一些新沥青，改善再 生沥青的性能，使总沥青达到最佳油量。此时新沥青的标号一般选择目标沥青的标号。 当不加入再生剂时，新沥青相当于再生剂，此时一般选择比目标沥青标号高的新沥青， 这种情况只用于沥青老化程度小的情况，否则需要添加的新沥青过多，才能满足沥青混 合料马歇尔流值规范值。新沥青的用量等于总沥青用量减去旧沥青、再生剂的用量。 大连理l 人学硕十学位论文 成型马歇尔试件确定最佳沥青用量 我国广泛采用马歇尔试验方法来确定沥青混合料最佳沥青用量。该方法是否也适用 于再生沥青混合料设计国内外许多学者持怀疑态度。这主要是因为马歇尔试验稳定度标 准值只有最小值，没有最大值。由于目前再生剂并不能完全恢复旧沥青的各个技术指标 以及实际试验中新旧料、再生剂和旧沥青、新沥青不一定均匀融合，一般再生沥青混合 料的马歇尔稳定度比普通沥青混合料要高很多。马歇尔稳定度高并不代表着沥青路面耐 久性好，相反往往容易出现低温脆裂。 但是目前国内外还没有更好、更实用的方法来取代马歇尔试验法。从实际工程也发 现，该方法仍然不失为一种较好的方法。只要注意选择合适的再生剂、改善试验当中拌 料的均匀性，确定的最佳沥青用量是比较科学的。 最佳沥青用量下成型马歇尔试件检验各项指标是否满足规范要求 最佳沥青用量下成型马歇尔试件检验马歇尔稳定度、流值、空隙率、沥青饱和度、 水稳定性、高温稳定性是否满足规范要求。对于严寒地区，还要研究再生沥青混合料的 低温性能。 刘琳琳：沥青路面就地热再生工艺研究 3 旧沥青再生试验分析 3 1 试验目的 大连理工大学道路研究所尝试开发了再生剂t y x ，与其他几种再生剂比较，再生 效果最佳。本试验目的： 一方面就是通过针对实地现场取回的旧料试验进步检验再生剂t y x 的再生效 果，同时检验在不加入再生剂下，新沥青与旧沥青不同掺配比例时( 以下称调和沥青) ， 调和沥青的性能指标，从而检验在旧沥青中直接加入新沥青的效果； 另一方面，通过对回收不同老化程度的旧沥青及人工老化沥青试验，对不同老化程 度的沥青进行分级，找到再生剂t y x 使其再生的掺量函数关系，从而为再生沥青混合 料设计奠定基础。 32 试验方法 以新沥青与旧沥青不同比例掺配( 1 0 0 ：0 ，8 0 ：2 0 ，7 0 ：3 0 ) ，检测调和沥青的性能 指标，从而检验在不加入再生剂只加入新沥青情况下，老化沥青性能的恢复情况。 以再生剂t y x 通过第二章有关试验方法，检测老化沥青再生后的性能指标， 进一步评定再生剂t y x 的再生效果。 以不同旧沥青混合料回收的老化沥青及人工老化沥青的性能指标进行分级，以 9 0 # 新沥青为再生目标沥青，确定不同老化程度再生剂t y x 的掺配比例。 3 3 旧沥青混合料的性能评价 3 3 1 沥青含量及其性质 采用公路工程沥青及沥青混合料试验规程( j t 0 5 2 2 0 0 0 ) 中的t 0 7 2 2 1 9 9 3 试验方法 即“沥青混合料中沥青含量试验( 离心分离法) ”来确定沥青含量。旧沥青混合料由大连 市市政公司提供a c 一1 3 ，旧沥青混合料使用期1 年；沈山线k 0 + 4 5 1 - - k 0 + 4 5 2 路段的 a k 一1 3 旧料。主要试验仪器有离心抽提仪、圆环形滤纸、三氯乙烯。试验结果如下表3 1 所示。 大连理工大学硕士学位论文 表3 1 用沥青混合料沥青含量 t a b 3 1r a t i oo f a s p h a l ti nt h eo l da s p h a l tm i x t u r e 通过标准试验，测得旧沥青、再生剂t y x 、新沥青p 嘴) 的密度和沥青三大指标分 别如表3 2 、表3 3 。