（材料学专业论文）泡沫沥青冷再生混合料性能的研究.pdf

摘要 泡沫沥青再生作为一种新兴的“绿色 技术，应用于道路维修改造，具有其 他筑路技术不可替代的优点，不仅降低道路维修成本，对环保和节能具有相当大 的益处，应用前景广大。目前我国还没有系统的泡沫沥青再生的标准规范。对该 技术进行系统的研究具有重要意义。 本文依托重庆市科委项目“泡沫沥青混合料的设计方法和性能研究 ，对重庆 至涪陵的高速公路旧沥青路面破损状况进行了调查，按相关要求取回有代表性的 旧沥青混合料，检测所用原材料符合要求后，采用改进的简易沥青发泡装置及拌和 设备发泡沥青与拌制混合料，成型马歇尔试件，根据各沥青用量下的试验结果， 选取湿试件的劈裂强度最大时所对应的沥青用量作为最佳的泡沫沥青用量。按最 佳沥青用量成型试件，检测混合料的各项指标，对设计配合比进行验证。本文还 通过大量试验分析了泡沫沥青冷再生混合料的物理、力学性能，以及拌和用水量、 养护条件、储存条件对混合料性能的影响，提出了改善泡沫沥青冷再生混合料性 能的有效措施：( 1 ) 改善混合料的级配；( 2 ) 添加一定用量的水泥类填料；( 3 ) 在相关指标符合要求的前提下，适当增加沥青用量：( 4 ) 掺最佳含水量8 0 的水 进行拌和。进行合理设计的泡沫沥青冷再生混合料，既可用作高等级道路或城市 道路的基层或下面层，又可直接作为低等级路面的面层，达到了预期的目标。 关键词：泡沫沥青冷再生混合料；配合比设计；拌和用水量；养生条件；储存条 件；路用性能 a b s t r a c t t h ef o a m e db i t u m e nr e g e n e r a t i o na san e w g r e e n ”t e c h n o l o g y ，i th a s u n r e p l a c e a b l ea d v a n t a g e t h i st e c h n o l o g yn o to n l yr e d u c er o a dm a i n t e n a n c ec o s t ，b u t a l s oh a v eb e n e f i ti np r o t e c t i n ge n v i r o n m e n ta n dc o n s e r v i n ge n e r g y n o w , o u rc o u n t r y h a sn os y s t e m a t i cs t a n d a r do ff o a m e db i t u m e nr e g e n e r a t i o n s o ，i ti ss i n g n i f i c a n tt o s t u d y t h i st e c h n o l o g ys y s t e m a t i c a l l y ，n l i sp a p e rb a s e do ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c ti nc h o n g q i n ga b o u tt h e d e s i g na n dp e r f o r m a n c eo ff o a m e db i t u m e nm i x t u r e ，t a k eb a c kt h eo l da s p h a l tm i x t u r e i na c c o r d i n gw i t hr e l e v a n tr e q u i r e m e n tf r o mt h eh i g h w a yo fc h o n g q i n gt of u l i n g ，a n d d e t e c ta l lo ft h er a wm a t e r i a l su n t i lm e e tt h er e q u i r e m e n t ，u s i n gi m p r o v e ds i m p l e e q u i p m e n t o ff o a m e da s p h a l ta n db l e n d i n gm a c h i n et of o a m i n ga s p h a l ta n db l e n d i n g m i x t u r e a f t e rt h a t ，t h em a r s h a l ls a m p l ew i l lb em o l d e d ，a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t r e s u l tw i t hd i f f e r e n ta m o u n to fa s p h a l t ，t h eb e s ta m o u n to ff o a m e da s p h a l tc a l lb e d e t e r m i n e df r o mt h ea s p h a l ta m o u n tw h e nw e t i t sh a st h em a x i m u m t h e n ，m o l d e d s a m p l e sb a s e do nt h eb e s ta m o u n to ff o a m e da s p h a l ta n dd e t e c t e da l l i n d e x so f m i x t u r e ，m e a n w h i l e ，v e r i f i e dt h em i x t u r ed e s i g n t h r o u g hal a r g en u m b e ro ft e s t ，t h i s p a p e ra l s oa n a l y z e dt h ep h y s i c a l ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ef o a m e da s p h a l tc o l d r e g e n e r a t i o nm i x t u r ea n dt h ei n f l u e n c eo fm i x i n gw a t e r ，c u r i n gc o n d i t i o n ，s t o r a g e c o n d i t i o nt ot h em i x t u r ea n dp u tf o r w a r de f f e c t i v em e a s u r e st oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo ft h ef o a m e da s p h a l tc o l dr e g e n e r a t i o nm i x t u r e ：( 1 ) i m p r o v et h em i x t u r e g r a d a t i o n ；( 2 ) a d dac e r t a i na m o u n to fa c t i v ef i l l e r ；( 3 ) i n c r e a s et h ea m o u n t o fa s p h a l t ；( 4 ) a d d8 0 o p t i m u mw a t e rc o n t e n t 。功ec o l dr e g e n e r a t i o nm i x t u r ew i t hf o a m e db i t u m e n w h i c hc o n s t r u c t e di nt h er e a s o n a b l ed e s i g n ，n o to n l yu s e da sh i i g h g r a d ea s p h a l tr o a d s o rc i t yr o a d si nt h eb a s eo ru n d e rt h es u r f a c el a y e r , b u ta l s od i r e c t l ya sas u r f a c ei nt h e l o wl e v e lp a v e m e n t ，i ti sp r o v e dt h a tt h i st e c h n o l o g yc a nr e a c ht h ee x p e c tt a r g e t k e yw o r d s ：c o l dr e g e n e r a t i o nm i x t u r ew i t hf o a m e db i t u m e n ；g r a d a t i o nd e s i g n ； m i x i n gw a t e r ；c u r i n gc o n d i t i o n ；s t o r a g ec o n d i t i o n ；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：1 气梵二一 、1 日期：弦暑年，j ，月，铲日 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：寸撕 日期：沙毋年，五月，妒e l 指导教师签名彦耘力 日期：w 昭年，2 一月，；厶日 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 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：o一竹一西一-ldpme一母i3p啦c nno一丑再卜 懈眯姆求娠藜奄匮 n n 葵葵隧褂躲 。一 第二章原材料 本次试验依据公路工程集料试验规程j t ge 4 2 - 2 0 0 5 采用的篮网法测试 4 7 5 m m 铣刨料的表观相对密度、表干相对密度、毛体积相对密度、表观密度、 表干密度、毛体积密度，以及 4 7 5 m m 铣刨料的吸水率，采用容量瓶法测定0 4 7 5 m m 铣刨料的表观密度，试验结果如表2 5 。 表2 5 铣刨料的密度( 水温2 3 c ) t a b l e 2 5 d e n s i t yo f t h er e c l a i m e da s p h a l tp a v e m e n t ( w a t e rt e m p e r a t u r e2 3 ) 一 1 91 6 1 3 29 54 7 5 4 7 5 4 7 5 m m 石屑的表观相对密度、表干相对密度、毛体积相对密度、表观密度、表 干密度、毛体积密度，以及 4 7 5 r a m 石屑的吸水率，采用容量瓶法测定0 - - 4 7 5 m m 石屑的表观密度，试验结果见表2 7 。测试时可看至l j o - - - 4 7 5 m m 石屑与0 4 7 5 m m 铣 刨料的容量瓶中的水的颜色明显不同( 见图2 6 ) 。 第二章原材料 图26o 4 ； s a r a 铣刨料( 左) 与o 47 5 m m 石馗( 右) 表观密度测试 f i g u r e2 6a p p a r e n t d e n s i t y t e s t o f t h e 眦l a l m e da s p h a l t p a v e m e n t w h i c hs i z e f m m0 i o 47 5 a 哟a n d t i m a , r o g a t o c h i p s w h i c hs i z e f r o m o t o g v s m m ( r l s h i ) 2 2 2 矿粉 生产矿粉的原石料中的泥土杂质应除挣，矿粉应干燥、洁静、能自由地从矿 粉仓流出。本研究采用的矿粉是重庆市九龙坡区华岩镇石堰四社c , g 管厂旁) 生 产的，是石灰岩经过磨细得到的灰色矿粉。矿粉经水洗法筛分试验，确定出其中 小于00 7 5 的含量为7 9 髂，矿粉的性质如表2 8 。 衰28 石灰石矿粉基本指标表 试验项目试验结果技术要求 视密度2 6 不小于2 5 0 含水量 不丈于( ) l 1 0 0 延度 1 0 c m2 01 5 1 6 3 蜡含量( 蒸馏法) 2 23 04 51 7 闪点( c o c ) 2 3 02 4 52 6 02 7 6 溶解度( 三氯乙烯) 9 9 59 9 7 密度( 2 6 )g c m 3实测记录1 0 0 8 沥青旋转薄摸烘箱老化r t f o t 质量变化0 8_ 0 0 4 残留针入度比( 2 5 c ) 6 15 85 46 3 o 残留延度( 1 0 ( 2 ) c m64 8 8 第二章原材料 围2 6 针入度试验 f i g t n c 26p e n e t r a t i o n 图2 7 延度试验 f i g u r e 2 7 e x t e n s i o n l e s t 由表21 0 可知，本文研究采用的中海7 0 # 基质沥青满足b 级沥青要求，可用做 改性沥青、乳化沥青、稀释沥青等的基质沥青。 沥青发泡过程主要是沥青物理性质的变化过程，因此对于普通沥青均可进行 发泡，但各种沥青达到最佳发泡状态时的沥青加热温度和发泡用水量可能不同， 因此在选用沥青拌制泡沫沥青混合料之前还需对该种沥青进行发泡试验，以确定 域佳的发泡条件并以此拌制泡沫沥青混合料。 评判沥青发泡效果的指标是膨胀率和半衰期，膨胀率是指在沥青发泡状态下 测得的最大体积与未发泡状态下的体积之比。在一定条件下，膨胀率越大，泡沫 沥青与集料的接触就越充分，拌制的泡沫沥青混合料质量就越好。半衰期是指泡 沫沥青最大体积缩小到该体积一半所用的时问，该指标实际上描述了沥青的稳定 性，半衰期越长，说明泡沫沥青越不容易衰减，可以与集料有较长的接触和拌和， 以提高泡沫沥青混合料的质量。 利用改进后的沥青发泡装置，在不同温度、不同的发泡用水量下对中海7 0 # 沥青进行了大量的试验，确定其最佳发泡条件如表2 1 1 。 表21 1 中海3 6 - 17 0 群# 1 青最佳发泡条件 t a b i n 2 t h eb e s tf o a m i n gc o n d i t i o no ft b i st y p eo fb i t u m e n 用上述方法发泡的泡沫沥青能与冷湿的铣刨科、石屑、矿粉组成的混台料等 拌和均匀，适用范围十分广泛。而采用沸石微发泡的泡沫沥青( 见图2 9 ) 却不 能与冷湿的矿质混合料拌和均匀，拌和效果很差( 见图2 1 0 ) ，而必须把矿质混 第二章原材料 合料加热后才能拌和均匀( 见图2 1 1 ) 。 图29 采用沸石徽发泡的泡沫沥青 f i g u r e 2 9 f o a m e d b i t u m e n w h i c h t i z z y f o a m i n g w i t h z e o l i t e 图2 1 0 沸石敏发泡的泡沫浙青混合| 斗 f i g u r 崆1 0 f o a m e d b i t u m e n m i x t u r e w h i c h t i n y f o a m i n g w i t i z z e o l i t e 蔫灞 。懑誓 第二章原材料 图21 1 矿质混合料加热至1 4 0 f i g u r e 2 1 1t e m p e r a t u r e o f m l n 啪l m i x t u r 阻f l e r h e a t i n g i s l 4 0 c 25 水 水在泡沫沥青混合料中的作用是使集料中的结团体软化和破碎，帮助沥青扩 散。水量小足则拌和凼难，且沥青扩散不充分；水量过多则加长养生时间，降低 混合料的密度和强度，并影响沥青裹覆集料。本次试验所采用的是自来水。 26 本章小结 对本项目所用原材料进行了大量试验，试验检测结果表明，本文采用的中海 7 0 号基质沥青，石屑、矿粉和水泥均能满足公路沥青路面施工技术规范j t g f 4 0 2 0 0 4 的技术要求。铣刨料中的细料偏少，这与实际工程中往往细集料偏少的 情况一致。 1 8 第三章泡沫沥青冷再生混合料配合比设计 第三章泡沫沥青冷再生混合料配合比设计 配合比的设计关系到混合料性能的优劣，一个级配良好的混合料易于形成骨 架密实结构，这样的结构能提高沥青混合料的高温、低温性能及水稳定性等。因 此，混合料的配合比设计在整个研究中占据重要的位置。一般来说，选择优质的 材料，采用合适的沥青用量，以及进行适当的级配设计，能显著地提高沥青混合 料的性能。 3 1 矿质混合料的组成设计 3 1 1 目前常用的级配理论 最大密度曲线理论 1 ) 最大密度曲线公式 w b 富勒在大量试验的基础上提出，集料的通过百分比和粒径的关系曲线越 接近抛物线，该集料的密实度越大，空隙率越小。其结果可表示为： p = 1 0 0 x 居 式( 3 1 ) 其中：卜集料中的最大粒径； d 集料中某种颗粒的筛孔尺寸； 卜集料中筛孔尺寸为d 时的颗粒通过百分率( ) 。 2 ) 最大密度曲线1 3 幂公式 富勒得出的是一种理想的级配曲线，泰波( t a l b 0 1 ) 认为集料的级配应该允许 在一定的范围内波动，为此，泰波将最大密度曲线进行了修正，其表达式如下： p = ( 岳) 一1 0 0式( 3 2 ) 其中1 3 为集料级配指数，一般在0 3 0 7 之间。 泰波( t a l b 0 1 ) 将f u ll e r 曲线指数0 5 改成1 3 ，认为指数不应该是一个常数， 而应该是一个变数。研究认为，沥青混合料中用n = o 4 5 时，密度最大；水泥混凝 土中用n = o 2 5 0 4 5 时施工和易性较好。通常使用的矿质沥青混合料的级配范围 ( 包括密级配和开级配) 1 3 幂在0 3 - 0 7 之间。 g o o d e 和l u f s e y 研究发现4 1 ，如果级配公式中的指数采用富勒所建议的0 5 ， 将会使v m a 太低，无法保证混合料有足够的空隙率与沥青含量，导致沥青混合料 在重载作用下容易产生稳定性问题。因此，s h r p 采用0 4 5 次幂的最大密度曲线， 来设计调整集料级配。设计级配的一个简单方法，就是先将o 4 5 次幂的级配曲线 画在图上，这种级配图利用单一绘图技术来确定集料粒径在横轴上的分布。纵坐 标为集料的通过百分率，横坐标是以m m 为单位的粒径的计算刻度，它是粒径的o 4 5 次方。再按照最大理论密度曲线画出合成级配曲线图。如图( 3 1 ) 所示： 第三章泡沫沥青冷再生混合料配合比设计 1 9 通过百分率 o 0 7 5j2 3 64 7 59 5t 2 51 9 0 筛孔尺寸岫0 4 5 次方图 图3 1s u p e r p a v e 控制点与禁区 f i g u r e 3 1 c o n t r o ll i m i t sf o rs u p e r p a v eg r a d u a t i o n s s u p e r p a v e 集料级配设计中存在控制点和禁区的限制。控制点为级配曲线必须 通过的几个特定的尺寸范围，禁区为最大密度曲线附近0 3 - 2 3 6 m m 范围内不希望 级配通过的区域。通过禁区的级配一般称为驼峰级配。在大多数情况下，驼峰级 配中细砂含量较高，这种级配可能导致混合料软化，使得施工时难以压实，混合 料抵抗永久变形的能力下降。驼峰级配沥青混合料的强度主要由胶结料的粘结力 提供，集料的骨架作用较小，所以，这种混合料对沥青用量很敏感且极容易塑性 化。需要说明的是，提出限制区的目的是为了防止在混合料中使用过多的天然砂， 以保证满足最小v m a 要求。不过，也有一些集料，虽然通过限制区但其棱角性良 好并且可以满足最小v m a 的要求。所以限制区只是一个指导意见，即便是穿过限 制区的集料，只要不使用过多的外形圆滑的颗粒并能够满足最小v m a 要求，其性 能是令人满意的。 有研究表明接近控制下限( 在限制区的下方通过) 的级配可以提供一个较好的 骨架结构。很多s u p e r p a v e 的设计表明：经过限制区下方的级配可以提供较好的 抗车辙能力。如果细集料用的是机制砂或有较好的棱角，级配曲线可以在最大密 度曲线上方，但这样做不经济，为了符合空隙率设计标准的要求，需要用沥青来 填补空隙。 3 ) k 法 n 幂公式存在一个缺点，因为它是无穷级数，没有最小粒径的控制。对于沥青 混合料，往往造成矿粉含量过高，使路面高温稳定性不足。前苏联控制筛余量递 减系数k 的方法恰好克服了这一缺点“钉。 粒子干涉理论 2 0 第三章泡沫沥青冷再生混合料配合比设计 该理论认为，为达到最大密度，前一级配颗粒之间的空隙，应由次一级颗粒 所填充，其余空隙又由再次小颗粒所填充，但填隙的颗粒彳 得大于其间隙之距离， 否则大小颗粒粒子之间势必发生干涉现象，为避免干涉起见，大小粒子之间应按 一定数量分配并从临界干涉的情况下可导出前一级颗粒的距离为 t = 【( 等) 乃一1 o d 式( 3 3 ) 处于临界干涉时，t = d ，上式可改写为如下的粒子干涉理论公式： 兜= 丽v o 式( 3 4 ) 其中：t 前一级颗粒的间隙距离； d 前一级颗粒的粒径； 巾。次粒径的理论实积率( 堆积密度与表观密度之比) ； 由。次粒径的实积率。 级配设计理论是作为理论依据来指导级配设计的，而根据级配理论计算出的 级配曲线，通常只能用于理论研究，很难在实际工程中进行应用。 3 1 2 本研究项目的级配 铣刨料并不是一个单独的集料颗粒，而是由沥青、细集料、粗集料形成的混 合物，物理性质不均匀，力学性能不稳定，在拌和碾压等施工工序中，存在变形、 松散和断裂的可能。 铣刨料级配和真实级配 由于泡沫沥青再生技术的稳定对象为铣刨料，而沥青等粘结料的存在又使得 铣刨料和新集料性能有着较大的差别，为了和新集料级配加以区分，认为铣刨材 料的级配应划分为2 类：铣刨料级配和真实级配。铣刨料级配是将铣刨机生产的 铣刨料进行风干、筛分所得到的级配，它明显不是铣刨料的真实级配；真实级配 是指铣刨料进行抽提，洗去粘结块料中的沥青而使各类粘结颗粒中粗料细料分散 开来，再进行烘干筛分得到的级配。因此在级配控制方面就有了2 种选择：控制 抽提之后的真实级配或者直接控制铣刨料的级配，本部分仅通过理论分析和混合 料性能的对比确立泡沫沥青再生级配控制的原则。 1 ) 泡沫沥青混合料初期强度形成机理 泡沫沥青混合料与普通热拌沥青混合料的强度形成机理有着明显的不同。在 热拌沥青混合料中，沥青对粗、细集料均形成较好的裹覆粘结作用，并经过嵌挤、 填充而形成强度。而对于泡沫沥青，有关研究表明：虽然发泡时沥青的物理性质 会暂时发生变化，其粘度显著降低，可以方便地与冷湿粒料拌和均匀。但泡沫沥 青是以细料为核心，均匀地分部在骨料之间形成沥青砂浆，理论上施工拌和时泡 沫沥青不裹覆大粒径的骨料。泡沫沥青冷再生料的初期强度主要由沥青裹覆铣刨 料中的细料，形成的沥青“玛蹄脂 再粘附粗料而形成。因此，在泡沫沥青喷入 第三章泡沫沥青冷再生混合料配合比设计 2 1 并拌和的过程中，必须保证拥有足够的细料被沥青裹附，并最终粘结粗料而形成 初期强度。如果按照铣刨料抽提之后的真实级配进行材料设计，那么势必造成粘 结颗粒之中粘附的细料在设计时被考虑为自由状态下的细料，而实际上，铣刨料 的粘结颗粒之中的细料在施工拌和中是无法对混合料初期强度作出贡献的。这样 就会造成在施工中的细料不足，最终影响混合料的初期强度。因此，无论从施工 客观条件还是从泡沫沥青初期强度的形成机理考虑，都应该从铣刨料级配入手来 实现施工过程的级配控制。 由于铣刨料级配和其真实级配存在明显差别，将铣刨料通过直接风干筛分得 到的铣刨料级配与抽提、烘干然后筛分而得到的真实级配的对比，这个试验的整 个过程可以称为“抽提前后重复