（材料学专业论文）高速公路旧沥青混合料热再生技术研究.pdfVIP

摘要 随着我国高速公路建设高峰期的过去，大量早期建设的高速公路逐渐进入大 中修期，每年都有越来越多的沥青路面需要翻修。传统的铣刨加铺的方法导致旧 沥青路面材料的废弃量将达到每年数百万吨之多，采用再生技术，使得铣刨下的 材料得到重新利用，是一项符合可持续发展要求的有效措施。 本文在国内外旧沥青路面材料再生技术研究的基础上，对高速公路旧沥青混 合料进行了热再生技术研究。通过对旧沥青混合料的分析，研究了i e l 沥青及旧集 料的基本性能；在沥青老化机理和再生机理分析的基础上，提出了再生剂的技术 要求，配制了老化沥青再生剂，并通过试验验证了再生剂的性能，确定了再生剂 的用量；分析了再生沥青混合料的组成结构特性和强度形成机理，按不同的旧料 掺配率进行再生沥青混合料配合比设计；从高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性 和耐久性等方面，对再生沥青混合料路用性能进行研究，试验证明再生沥青混合 料具有良好的路用性能。分析研究了再生沥青混合料的施工工艺，提出施工控制 指标的建议，最后对热再生技术的社会、经济效益进行了分析。 关键词：路面再生、回收沥青混合料、再生剂、再生机理、再生沥青混合料、 工厂热再生、配合比设计、路用性能 a b s t r a c t a l o n gw i t h o u rc o u n t r yh i g h w a yc o n s t r u c t i o n p e a kp a s t ，m a s s i v ee a r l y c o n s t r u c t i o nh i g h w a yg r a d u a l l ye n t e rm a j o ra n dm e d i u mr e p a i r sp e n o a e a c hy e a r , n u m e r o u sa s p h a l tp a v e m e n t sn e e dr e c o n s t r u c t i n g t h eo l dw a yt or e m o v et h eo l d p a v e m e n ta n dr e b u i l dan e wo n ew i l lp r o d u c em a s s e so fw a s t em a t e r i a l s t h e a d o p t i o no fr e c y c l i n gt e c h n o l o g yw h i c hc o u l dr e u t i l i z ep a v e m e n tm a t e r i a l si si n a c c o r d a n c ew i t ht h ep r e s e n tt r e n dt o w a r ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t o nt h eb a s eo fa c c e p t i n gr e c e n tr e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa n df u t u r ea d v a n c e si n r e u s i n gr e c l a i m e da s p h a rm i x t u r eo fa s p h a l tp a v e m e n t s ，t h ep a p e rw a sw r i t t e nb y s t u d y i n gh o tr e c y c l i n gt e c h n i q u eo fo l da s p h a l tm i x t u r eo ne x p r e s s w a y f i r s t l y , t h e p a p e ra n a l y z e dt h et e c h n o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fo l da s p h a l tm i x t u r et h r o u g h i n v e s t i g a t i o na n dt e s t s s e c o n d l y , t h r o u g ha n a l y z i n gt h em e c h a n i s mo fa s p h a l ta g e d a n d r e c y c l e d ，t h ep a p e rp u tf o r w a r dt h er e q u i r e m e n to fr e c y c l i n ga g e n ta n dc o n f e c t e d an e wr e c y c l i n ga g e n t t h e nt h ep a p e rp r o v e dt h ep e r f o r m a n c ea n da s c e r t a i n e dt h e d o s a g eo ft h er e c y c l i n ga g e n t t h em i x t u r ed e s i g no fr e c y c l e da s p h a l tm i x t u r ew i t h d i f f e r e n tr a pw a sp r o c e s s e dt h r o u g ha n a l y z i n gi t sc h a r a c t e r s t h ep e r f o r m a n c eo f r e c y c l e da s p h a l tm i x t u r e ，i n d e x i n gl l i g l lt e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e ，l o wt e m p e r a t u r e p e r f o r m a n c e ，m o i s t u r es e n s i t i v i t ya n dl o n g - t e r mp e r f o r m a n c e ，w a sc o m p a r e dw i t ht h e 舶s ha s p h a l tm i x t u r e m o r e o v e r , t h et h e s i sd e l v e di n t ot h ec o n s t r u c t i o nt e c h n i c sa n d q u a l i t yc o n t r o lo ft h eh o tr e c y c l i n gt e c h n i q u e t h ee c o n o m i c a la n ds o c i a lb e n e f i to f h o tp l a n tr e c y c l i n gt e c h n i q u ew a sa l s oa n a l y z e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：p a v e m e n tr e c y c l i n g ，r e c l a i m e da s p h a l tp a v e m e n t ，r e c y c l i n ga g e n t ， r e c y c l i n gm e c h a n i s m ，r e c y c l e da s p h a l tm i x t u r e ，h o tp l a n tr e c y c l i n gt e c h n o l o g y ， m i x t u r ed e s i g n ，p a v e m e n tp e r f o r m a n c e 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研 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。本论文 中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：颈夏忆灿 如7 年亨月j 8 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 取丸灿 2 口。7 年箩月，2 日 导师签名： 裁参多络 工9 口7 年岁月j 召日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 1 1 1 课题的提出 在过去的二十年里，我国的公路建设事业得到了史无前例的发展。到2 0 0 5 年 底，全国等级公路里程达到1 9 3 万公里，其中高速公路总里程近4 1 万公里，已 居世界第二位n 1 。在我国已建成的高速公路和一级公路路面中，沥青路面的数量占 了8 0 左右的比重。在公路建设事业蓬勃发展的同时，交通量不断增长、轴载明显 增加，给沥青路面带来了明显的车辙、表面松散及裂缝等损坏。如果没有足够的 资金用于现有道路的维护，将使路况迅速恶化，影响交通，并导致最终不得不采 取较昂贵的修复措施以便恢复道路的性能乜1 。我国八、九十年代修建的许多高速公 路沥青路面在巨大交通量的作用下已不堪重负，按照这些路面的设计寿命和实际 使用情况，较早修建的高速公路不少已进入或接近大修期。据估算，从现在起每 年约有1 2 的沥青路面需要翻修，这其中大部分是采用铣刨旧面层，然后加铺新面 层的措施。预计高速公路旧沥青混合料废弃量每年将达到2 2 0 万吨，而这个数字 将以每年1 5 的速度增长，1 0 年之后，1 日沥青混合料每年将达到1 0 0 0 万吨嘲。 对于这些被铣刨下来的旧沥青混合料，如果仅仅采用抛弃这种简单的处理方 式，不仅会占用大量的土地、而且还会造成周边环境的污染，另外对我国这种优 质沥青极为匮乏的国家来说，也是一种极大的资源浪费，而大量新石料的开采也 会带来植被破坏、水土流失等严重的生态环境破坏。国家“十一五 规划建议提 出，今后我国的资源利用效率要显著提高，单位生产总值能源消耗要比“十五一 期末降低2 0 左右。2 0 0 5 年1 1 月北京国际可再生能源大会隆重开幕，国家主席胡 锦涛在大会致辞中强调，加强可再生能源开发利用是应对日益严重的能源和环境 问题的必由之路，我国将进一步加大发展可再生能源的力度。2 0 0 6 年1 月1 日， 我国正式实施可再生能源法，国家从法律角度将可再生能源开发利用的科学技 术研究和产业化发展列为科技发展与高技术产业发展的优先领域。 世界银行及其他有关机构的研究已表明，任何国家经济的健康发展均离不开 完善的基础设施，而良好的道路又是其中的关键一环。如果可获得的资金不足以 承担现有任务，那么就必须找到较经济的道路修复方法，路面材料再生利用即是 第一章绪论 其中之一。沥青混合料再生利用技术，是将需要翻修或者废弃的旧沥青路面，经 过翻挖、回收、破碎、筛分，再和新集料、新沥青材料适当配合，重新拌制，形 成具有要求路用性能的再生沥青混合料，用于路面坑槽修补、铺筑路面面层或基 层的整套工艺技术。多年来，世界各国广泛进行沥青混合料再生利用的试验研究， 取得丰硕的成果，沥青混合料再生利用技术，已成为当代公路建设中的重大科学 技术之一。沥青路面材料再生技术在国外已经被普遍采用，在国内则刚刚起步， 处于技术探索阶段，尚未大量推广应用。随着以及石油沥青价格的增长，沥青路 面建造和养护费用激增，我国沥青路面材料再生技术的研究和推广刻不容缓，已 成为摆在研究人员、工程技术人员面前的一个亟待解决的现实问题。 1 1 2 研究意义 沥青混合料的再生利用，有利于处治废料，不存在旧沥青混合料随意弃放的 问题；同时能够节约大量的沥青和砂石材料，节省工程投资。由于旧沥青混合料 得以全部就地利用，减少了新材料的开采量。在缺乏砂石材料的地区，由于砂石 材料都是从外地远运而来，运输成本较高，采用再生技术，所节约的工程投资是 十分可观的。即使在盛产砂石材料的地区，也能够节约大量材料费用。根据美国 联邦公路管理局的调查，沥青混合料再生利用，可节约材料费用5 3 4 ，路面降低 造价2 5 左右，沥青节约5 0 。根据我国8 0 年代的经验，材料费节省4 3 - - 5 1 。 工程造价降低2 0 , - - - , 5 0 ，大体上与国外的经验是一致的。1 9 8 0 年美国使用了约5 0 0 0 万吨1 日沥青混合料，节约投资达3 9 5 亿美元，目前美国每年再生利用的沥青混合 料约为3 亿吨，根据各种考虑因素计算来看，可直接节约材料费1 5 - - 2 0 亿美元跚。 因而沥青混合料的再生利用，具有显著的经济效益和社会、环境效益，被人们称 之为“绿色”施工技术。 我国的公路基础设施已经由建设为主，转为建设、养护并重，公路的养护技 术和养护管理已经得到人们越来越多的重视。目前，我国每年因高速公路维修而 产生的2 2 0 万吨旧沥青混合料如能再生利用，可节省直接材料费3 5 亿元，估计 到2 0 1 5 年这一数字将达1 5 亿元，如果将中低等级的公路维修废料也加以再生利 用，那时每年可节约的直接材料费高达1 2 0 亿元口1 。我国今后还要建设更多的高速 公路，砂石材料、尤其是道路沥青的供应将更加紧张。因此，沥青路面材料再生 技术的研究和推广应用对降低公路建设成本、保护环境、合理利用资源有着极其 2 长安大学硕士学位论文 重大的意义，是一项符合可持续发展战略的技术措施。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外沥青路面材料再生利用概况 随着公路建设慢慢步出高峰期，随之而来的必定是养护和改建的高潮期，在 这一时期，旧沥青路面材料的再生利用是亟待解决的主要问题之一，一些发达国 家的实践已经证实了这一点。1 日沥青混合料是路面废料中的一种，其再生利用技 术在发达国家已经受到了普遍的重视，被纳入了可持续发展的范畴，并得到广泛 的应用。 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。但以后 由于大规模的新路建设，使得再生沥青路面铺筑的里程进展甚慢。直到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，美国对沥青路面材料再生利 用技术重新重视，并在全国范围内进行广泛研究。1 9 7 4 年，美国开始大规模推广 沥青混合料再生技术。1 9 8 0 年，有2 5 个州共使用了2 0 0 万吨热拌再生沥青混凝土； 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，到9 0 年代末，美 国再生沥青混合料的用量几乎是全部路用沥青混合料的5 0 ，并且在再生剂开发、 再生混合料的设计、施工设备的研究等方面日趋成熟。近年来，各种沥青材料再 生设备和路面重铺机组产品相继问世，技术性能达到了相当高的水平，完全能再 生利用旧沥青混合料。现在再生沥青混合料的应用已非常普遍，而且每当新材料 用于沥青路面时，都要说明是否会影响沥青路面的再生利用。 由于沥青混合料再生利用技术意义重大，研究工作得到美国联邦公路局的大 力资助。与此同时，美国交通运输研究委员会、美国材料与试验协会、美国沥青 路面工艺师协会，经常主持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；1 9 8 3 年又出版了沥青路面冷拌再生技术手册，2 0 0 1 年美国沥青再生 协会出版了美国沥青再生指南，该书全面阐述了沥青路面材料再生技术，包括 再生方案和工程评价；热再生混合料设计、施工与质量评定；铣刨施工与质量评 定；全厚再生混合料设计、施工与质量评定；冷再生混合料设计、施工与质量评 3 第一章绪论 定。这表明美国的沥青路面材料再生技术已经达到相当成熟的地步，目前全国材 料的重复利用率高达8 0 5 ，每年再生利用的沥青混合料约为3 亿吨，可直接节约材 料费近2 0 亿美元瞳】。 日本从1 9 7 6 年开始进行沥青混合料再生技术的研究。1 9 8 0 年的路面废料总产 量约为2 6 0 万吨，路面废料再生利用的数量已经超过5 0 ，厂拌再生的热拌混合 料累计已达5 0 万吨。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，并且就有关厂拌再生技术编成了手册，到2 0 0 0 年全国再生的沥青混合料 达到约4 7 0 0 万吨。 欧洲一些国家对再生技术的研究开展得相对较晚。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，居欧洲之首位。联邦德国首先将厂拌再生应用于 高速公路路面养护，到1 9 7 8 年已经将全部废弃沥青混合料加以再生利用。法国对 沥青路面材料再生技术的研究也颇为重视，现在几乎所有的城镇都在组织废1 日路 面材料的收集和储存工作，过去再生材料主要用于轻交通道路的面层和基层，近 年来在高速公路和一些重交通道路的修复工程中也开始逐步推广应用这项技术。 在芬兰，现在几乎所有的城镇都组织旧沥青混合料的收集和储存工作。过去再生 材料主要用于轻型交通的路面和基层，近年来，在重交通道路上也已经开始应用。 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 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。国外出版的有关资料情况如表1 1 所列。 对于沥青路面材料再生利用的可靠性问题，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 5 沥青混凝土路面回收料( r e c y c l e d a s p h a l tp a v e m e n t 简称r a p ) 的沥青混凝土路面使用寿命与传统沥青混凝土路面相 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，再生沥青混凝土路面与全新料沥青混凝土路面比较，路用性能 和使用寿命并没有明显的区别嘲，n v c a t 的国家和地方政府路面再生指南也阐 4 长安大学硕士学位论文 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 面性能没有区别御。 表1 1国外在旧沥青路面材料再生方面的技术资料 时间国家出版物名称 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前苏联旧沥青混凝土再生混合料技术准则 1 9 8 1 美 国路面废料再生指南 1 9 8 1 美国沥青路面热拌再生技术手册 1 9 8 1 联邦德国热拌再生沥青混凝土施工规范 1 9 8 3美国 沥青路面冷拌再生技术手册 1 9 8 3英国热拌再生沥青混凝土基本规范 1 9 8 4日本 路面废料再生利用技术指南 1 9 9 4 联邦德国再生沥青混凝土施工指南 2 0 0 1美国美国沥青再生指南 综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，已 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。 尤其是在北美和欧洲国家，目前已存在可满足不同修复要求的几种技术，根据当 地的条件、路面类型和路面将来的用途，工厂热再生和冷再生已经投入日常的使 用阶段，许多公路公司使用再生技术修复路面和加固路面。欧美国家虽然对沥青 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。 1 2 2 我国沥青混合料再生利用技术研究的进展 我国沥青混合料再生利用技术研究的发展过程大体可以划分为两个大的阶 段，第一个阶段为2 0 世纪8 0 年代末之前；第二个阶段为2 0 世纪9 0 年代末以后 至今。 我国在五十到七十年代，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、人行道或道路的垫层。 山西、湖北、河北等省的公路养护单位是国内较早回收利用废旧渣油路面材料的 s 第一章绪论 部门，他们在七十年代初期就将开挖的废旧沥青面层在维修养护时用于铺作基层。 到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了广泛系统的再生利用试验研究，对各种等 级的路面、各种交通量、各种地形气候条件、各种路面结构类型的旧沥青面层的 再生利用进行了系统的试验研究，共铺筑各种类型的试验路8 8 公里乜1 。 进入8 0 年代，随着我国国民经济的发展，交通量迅速增长，重型车辆日益增 多，不少路段的沥青( 渣油) 路面实际已处于超负荷工作状态。为此，沥青路面 的病害日趋严重，道路的改建和大修任务日益繁重。然而，尽管当时我国许多油 田得到开发，石油化工有了很大的发展，但生产的沥青仍然供不应求，沥青的供 应量尚不足需求量的一半；我国经济虽然有了很大的发展，但实力仍不雄厚，公 路建设投资有限，不能满足公路交通事业迅速发展的需要。就是在这种背景下， 沥青混合料再生利用技术的研究第一次提到了公路工作者的工作日程当中。 1 9 8 2 年，交通部科技局正式将沥青混合料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工作。研究工作采取由科研单位、高等院校与 生产部门相互协作的方式，分别确定主攻方向，开展比较系统的试验研究，使研 究深度与广度有了较大的进展。同济大学对旧沥青混合料的再生机理和再生设计 方法进行了深入研究。他们从化学热力学和沥青流变学的原理出发，研究沥青作 为高分子浓溶液其溶质与溶剂之间的相容性，以及沥青在老化过程中其流变行为 的变化规律。通过理论研究，对沥青再生的本质有了深刻的认识，探明了老化沥 青再生的科学途径，并在此基础上建立起沥青混合料的再生设计方法。 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，拌和设备方面则应用现有设备作适当 改装，经过三年的努力，在苏州、武汉、天津、南京四个城市铺筑了3 0 0 0 0 m 2 以上 的试验路。经路用效果观测表明，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，也证明了此技术可行性和经济性。 到了8 0 年代中后期我国开始了大规模的公路建设，9 0 年代后期起，高速公路 6 长安大学硕士学位论文 的建设步伐明显加快，每年建成的高速公路由几百公里到几千公里。新路建设的 迅猛发展，带来了大量急需解决的新困难、新问题，如何克服这些新的困难、新 的问题，成为这个时期公路科研的主题，大量的人力、物力投入其中。由于公路 建设重心的转移，路面材料再生技术研究得不到足够的重视，使沥青混合料再生 利用技术因而便搁置到了一边，再加上当时的公路等级低，旧沥青路面材料再生 的问题不是特别突出，故迟迟没有研制开发出实用性的再生技术及设备投入工程 应用，致使我国对这方面研究的深化与延伸在这个时期基本处于停滞状态。 直到近几年，我国很多沥青路面已经到了使用年限，为恢复其使用性能，即 将开始进入大规模改建及修复阶段。作为沥青路面改建、修复的环保性、经济性 技术沥青路面材料再生利用技术再一次提到了公路工作者的工作日程当中， 成为公路科研中的热点问题。 2 0 0 0 年，在沈大高速公路营口段开展了旧沥青路面材料再生试验研究。2 0 0 1 年，随着北京申奥成功，绿色奥运主题的提出，无形中又进一步推动了旧沥青路 面材料再生利用技术的研究。北京采用废旧沥青混合料再生利用技术，在海淀区 羊坊店路铺设了第一条环保沥青道路。2 0 0 2 年北京市计委、市政管委、市环保局、 市建委等部门将联合下发北京市路面沥青混凝土旧料再生利用管理办法。这一 法规严禁施工单位对废旧沥青混合料随意遗弃，要求运至指定厂家进行再生。2 0 0 3 年，广佛高速公路大修工程采用了厂拌热再生技术，这是我国第一个大规模应用 厂拌热再生技术的高速公路项目，目前使用状况良好口】。2 0 0 3 年，沪宁高速公路 上海段利用现场热再生技术对沥青路面上面层进行修复处理，取得了成功隅1 。2 0 0 4 年，山东进行了高速公路现场热再生项目试验，提高了原路面的平整性和抗车辙 特性嗍。 对废旧沥青混合料的再生利用是有重要的现实意义，随着我国高速公路沥青 路面维修养护量的不断增加，对沥青混合料再生技术有必要进行深入、系统的研 究。与发达国家相比，我国的沥青路面材料再生现状，无论从再生利用方式、材 料性能还是到实用施工技术的研究均处于起步阶段，尚未形成完整的配合比设计 方法、施工工艺和质量控制标准，再生混合料的性能评价也有待深入研究。因此 本文根据我国沥青路面的实际情况，开展旧沥青混合料热再生技术研究。 1 3 本文主要研究内容 本文在国内外已有研究成果的基础上，研究旧沥青路面材料的再生利用技术， 7 第一章绪论 重点解决老化沥青的评价、再生剂的研制及性能检验、再生沥青混合料配合比设 计和路用性能、再生沥青路面施工工艺，并分析评价其经济、社会效益，为沥青 路面材料再生技术应用提供指导。本文主要研究内容如下： 1 旧沥青混合料性能分析 ( 1 ) 旧沥青混合料的沥青含量和性能分析： ( 2 ) 对旧集料级配分析。 2 旧沥青混合料再生方案研究 3 老化沥青再生研究 ( 1 ) 沥青老化与再生机理的分析： ( 2 ) 再生剂技术指标和质量标准的研究； ( 3 ) 再生剂的研究及性能检验； ( 4 ) 再生剂用量的确定。 4 再生沥青混合料研究 ( 1 ) 再生沥青混合料材料组成特性和强度形成机理； ( 2 ) 再生沥青混合料配合比设计研究； ( 3 ) 再生沥青混合料路用性能研究。 5 旧沥青混合料热再生的施工工艺。 6 旧沥青混合料热再生技术的社会、经济效益分析。 8 长安大学硕士学位论文 第二章旧沥青混合料再生方案研究 2 1沥青混合料再生技术分析 沥青路面材料再生利用技术按施工温度可分为热再生和冷再生；按材料拌和 场地不同可分为厂拌再生和现场再生。所以目前沥青路面材料再生技术主要分为 四大类，即工厂热再生、工厂冷再生、现场热再生和现场冷再生。 2 1 1 现场热再生 现场热再生技术也称为表层再生技术。该技术通过现场加热、翻耕、混拌、 摊铺、碾压等工序，一次性实现现场旧沥青路面再生，具有无须运输废旧沥青混 合料，工效高，对公路运营影响低等优点，但现场热再生技术最大处理路面深度 为5 7 c m 。现场热再生施工工艺主要分为整形再生法、重铺再生法及复拌再生 法n 训。该再生方法的主要特点有： 1 旧沥青路面材料1 0 0 9 6 得到利用，可以节约大量的材料，降低了工程成本。 2 不需要将旧料运到工厂再生，同时也省去了再生料的运输，减少了工程车 辆对正常交通运输的影响，节约了运输费用；且不需要大量的场地来堆放旧沥青 混合料。 3 施工速度快，可以快速开放交通。 4 现场热再生采用热再生机对路面加热软化，要求对旧料加热到较高温度， 造成加热层的上下表面温度不均匀，使旧沥青更加老化，尤其是再生层较厚时。 5 现场热再生新老集料拌和不均匀，这主要是旧料的计量不精确。对层厚不 均匀或质量状况变化大的路面难以保证质量要求。 6 面层的再生厚度小，适合处理车辙、泛油、麻面和磨光等表面缺陷，但当 路面损坏波及到基层以下时则无能为力，原则上不适用路面大修。 7 暂无法处理采用改性沥青铺筑的表面层。 8 沥青现场热再生使用专用机组进行连续机械化施工，机组设备是集加热 器、路面铣刨机、搅拌机、混合料摊铺机、热沥青罐、新骨料仓等装置以及自走 式的行走驱动等装置于一体的大型设备，技术含量高，首期成本投入大，目前， 现场热再生机组价格十分昂贵，国外一台该种设备如m a r t e c a r 2 0 0 0 0 售价为2 5 0 0 9 第二章旧路面分析及再生方案选择 万美元。且此方法不适用于小型维修工程及难以确保连续机械化施工的工程。 9 此方法是在现场加热旧沥青路面，施工容易受气候的影响，寒冷季节一般 不宜施工n 0 1 。 2 1 2 工厂热再生 此项技术先将旧沥青路面铣刨后运回工厂，通过破碎、筛分后，根据旧料中 沥青含量、沥青老化程度、碎石级配等指标，掺入一定数量的新集料、沥青和再 生剂，重新进行配合比设计，使混合料达到规范规定的各项指标，按照与新建沥 青路面完全相同的方法重新铺筑。国外多年的实践证明，工厂热再生沥青混合料 路面能够达到保持所要求的各项路用性能指标。这种再生方式属于结构性再生， 能够有效地用于各种条件下旧沥青路面的再生利用。工厂热再生与现场热再生相 比，具有如下特点： 1 工厂热再生由于有精确的计量、筛分控制装置，能够保证配合比的精度、 获得更好的旧沥青混合料的再生质量。 2 工厂热再生能够在再生面层之前，对破坏的基层进行补强，因此可以处理 基层损坏的路面。 3 工厂热再生通过铣刨旧路面，然后运回工厂再生，最后再运输到施工现场， 所以成本比现场热再生要高。 4 工厂热再生铣刨下的废料需要场地较长时间存放，所以对环境也有一定的 污染。 2 1 3 现场冷再生 现场冷再生主要有两种方式：一种方式是利用专用再生机在现场铣刨、破碎、 加入新料( 包括乳化沥青或其它再生剂、稳定剂和集料，必要时) 、拌和、摊铺和 预压，再用压路机进一步压实，这种再生路面主要用于路面基层或底基层( 但将 提高路面高程) ，也可用于低等级公路的面层，但不适用于高级路面的面层，一 般用于二级以下的公路。另一种方式是在旧路面上洒布再生剂封层，再生剂能渗 入5 6 m m ，激活表层被氧化沥青的活性，形成抵抗燃油泄漏的封层，延长路面 的使用寿命2 3 年，这种再生方式其实属于预防性养护范畴，适用范围窄，且 未充分考虑其对路面抗滑性能的影响，国内也对该技术存在较多的排斥意见n 叫。 现场冷再生的特点如下： 1 0 长安大学硕士学位论文 1 与工厂热再生一样，旧沥青路面材料1 0 0 得到利用，可以节约大量的材 料，降低了工程成本；不需要大量的场地来堆放旧路面材料，减少了对环境的污 染；不需要将旧料运到工厂再生，减少了工程车辆对正常交通运输的影响，节约 了运输费用。 2 、冷再生施工形成的铺层结构较均匀，不存在传统施工方法中有时出现的 较薄铺层间的薄弱界面，还能提高旧路等级，可以通过基层承载力的提高从根本 上实现公路等级的提高，对低等级公路的改造尤其有特殊的意义。 3 对路基损坏小。由于冷再生施工为一次性作业方式，再生机组在暴露的路 基上只通过一次。所以与传统的施工方法相比，机组对路基的损害很小。 4 工期短。由于不存在旧料的运输、破碎问题，施工过程的一次性作业特点 大大地简化了施工工序，从而缩短了施工时间。 5 不存在沥青加热过程，节约热能，减少了热沥青对人体的危害。防止了粉 尘的飞扬，从根本上满足了环境保护的要求。因此，它无异于一项绿色道路维修 改造技术。 6 再生质量不能达到沥青面层的质量标准，只能用于基层或底基层。 2 1 4 工厂冷再生 这种工艺先铣刨沥青路面材料，运回稳定搅拌厂，经过破碎作为稳定骨料， 加入水泥或石灰、粉煤灰、乳化沥青等稳定剂和新料进行搅拌，然后铺筑于基层 或底基层。这项技术不能充分利用废弃材料中的旧沥青，但其生产过程几乎不需 要专用设备就可实现。对于不能热再生回收的旧料，如改性沥青混合料、老化严 重难于再生的混合料，可以有效解决旧料废弃和环境污染问题，在国外早期再生 中被普遍采用。 工厂冷再生同样具有其它再生方法的优点，但工厂冷再生通过铣刨旧路面， 然后运回工厂再生，最后再运输到施工现场，成本比现场冷再生要高。但再生混 合料只能用于路面基层或底基层，所以其经济效益较低。 上述四种再生方案各有特点，但并非适合处理各种损坏情况的路面，再生路 面的质量也各不相同。在养护工程中最终选择何种再生方案受多种影响因素的制 约，因此还需要进行详细的调研分析，以进行合理的量化选择。应根据具体的工 程情况和养护要求，选择合适的再生方案，以达到效益最优的目标。 第二章旧路面分析及再生方案选择 2 2 再生方案影响因素 对于要维修的路面来说，采用何种再生方案进行处理，管理部门应有科学的 决策依据，这需要分析影响再生的因素，对道路的修建、养护、使用环境和再生 后的质量要求进行调研n 羽，在详细的工程评价基础上确定再生方案。再生方案的 选择一般需要根据路面等级和沥青路面老化程度来确定。例如，对于低级路面一 般用冷再生方法，而高级路面用热再生方法；沥青路面老化严重的，一般用冷再 生作为基层或底基层。由上文分析可知四种再生方式各有特点，在养护工程中到 底选择那种方案还要进行合理的量化选择n 羽，影响再生方案适应性的因素可分为 以下几类： 1 旧路面材料评价结果 旧路面材料评价结果对再生方式的选择有决定性影响，为合理的选择再生方 案，应从材料特性、施工信息、使用环境等几个方面进行调查，内容包括旧路面 设计资料、原材料性质、混合料配合比和采取过的养护措施，如加铺罩面时间、 工期、所用材料等。为了详细了解沥青路面材料的组成和性能变化，应选取有代 表性的样品进行分析，对沥青混合料进行抽提分析，测定其油石比和集料级配组 成变化。同时测定基层材料的变化情况，用来评价基层性能。如旧路面只是表面 发生车辙、裂缝等损坏，而基层完好，则适宜采用现场热再生方法，经济效益和 工期方面都有优势；如果旧路基层甚至路基有较大范围的损坏，需要加固，则不 宜采用现场热再生方法，进而考虑工厂热再生或冷再生。 2 再生方案的时效性 具体评价指标是： ( 1 ) 再生工程的总工期，总工期越短，再生方案越好。 ( 2 ) 对交通的延误损失。 ( 3 ) 对场地条件的适应性，再生工作的连续性，主要依据再生机组工作过程 中是否受到待料等因素的影响而评分。 - - ( 4 ) 对气象条件的适应性，评估的依据是所选择的再生机组是否受气候条件 的限制及限制程度如何。 3 再生方案的技术质量标准 其具体评价指标为： 1 2 长安大学硕士学位论文 ( 1 ) 对再生质量要求的适应性，对于不同路面面层、不同等级的公路，对再 生混合料有不同的性能指标要求，可以用再生路面的性能指标来评估。 ( 2 ) 可靠性，主要反映再生机组的无故障性。一般依据机械设备的制造水平 和参考其他管理、使用条件相似的单位已有使用经验的基础上进行评价。 ( 3 ) 环保性，主要依据机组作业工程中对环境的污染( 如废气、噪声等) 程度 判定。 4 再生方案的经济性 具体评价指标有： ( 1 ) 再生混合料的经济效益分析，考虑材料的节省费用以及增加工序带来的 成本增加。 ( 2 ) 再生机组总投资和年折旧费，考虑了机群使用费用和固定资产消耗费。 ( 3 ) 投资回收期，用投资回收期评价再生机组较人工养护的成本降低额和回 收原始投资的能力。投资回收期越短的方案，其投资效果越好。 ( 4 ) 附属设备的投资，包括旧料铣刨、破碎及筛分设备的投资等。 通过对旧路面材料的评价，建立方案选择评价指标体系，就可以对各种方案 进行评估，得出一个量化的选择方法。 2 3 沥青混合料再生方案 旧沥青混合料的再生利用首先是再生方法的选择，然后才是再生沥青混合料 的设计。从上述分析可以看出，冷再生和热再生技术各有优劣。虽然冷再生技术 能使旧沥青路面材料1 0 0 得到利用，可以节约大量的材料，也能保证工程质量， 但再生混合料仅能用于高等路面基层或底基层，经济性不理想：冷再生技术多用 于处理基层严重损坏的路面，但目前高速公路出现基层大规模损坏的情况很少， 更多的是面层出现病害，所以冷再生技术应用范围较小。本文研究的主要是高速 公路沥青混合料再生技术，因此对混合料质量有较高的要求，无论现场冷再生还 是工厂冷再生生产的混合料均不适宜应用于面层，因此采用热再生技术能带来更 大的效益。 对于热再生技术而言，工厂热再生和现场热再生各有优缺点。实践证明，现 场热再生存在诸多局限性，不太适宜于高速公路路面材料再生。主要表现在：这 1 3 第二章旧路面分析及再生方案选择 种方法虽能将旧沥青面层全部利用，但简单地使用旧沥青再生作为高速公路的面 层，其再生质量也难以达到高速公路沥青面层的要求；处理厚度小，对需进行结 构性再生的路面大修无能为力；对层厚不均匀或质量状况变化大的路面难以保证 质量要求；暂无法处理采用改性沥青铺筑的表面层；首期设备投资大，也与我国 国情暂不相适应。 工厂热再生技术则具有较好的适应性，适用于各类破坏路面，从再生质量来 看，工厂热再生明显比现场热再生要好。工厂热再生由于有精确的计量、筛分控 制装置，所以能够保证配合比的精度。经过严格的配合比调整，能确保再生沥青 混合料路用性能满足高级路面的使用要求；既可利用原路废弃材料重新铺筑路 面，也可以将回收材料再生后用于其他工程，能最大限度地发挥旧沥青混合料的 作用。 本文旨在研究将再生沥青混合料应用于高速公路的再生技术，对再生混合料 有较高的质量要求，因此工厂热再生方式较为合适，是适合国情的沥青路面热再 生方法。再生剂的研究为旧沥青混合料的再生利用提供了保证，再生工艺和再生 设备的不断研究更新，可进一步促进旧沥青混合料再生利用的效益和质量。 1 4 长安大学硕士学位论文 第三章老化沥青再生研究 3 1 沥青老化试验研究 沥青在贮存、运输、施工及使用过程中，由于长时间的暴露在空气中，在环 境因素如受热、氧气、阳光和水的作用下，会发生一系列的挥发、氧化、聚合等 物理和化学变化，沥青逐渐变硬变脆，从而导致其路用性能降低。沥青的老化受 多种因素影响。在拌和铺筑过程中，主要受施工条件影响，如加热温度，拌和时 间等；在使用过程中，沥青老化的主要影响因素是混合料的空隙率，结果反映在 氧化作用的快慢程度，空隙率大小对氧化作用的影响非常明显。有研究显示，抽 提不同空隙率的五年路龄路面的沥青，测定的针入度显示，空隙率小于5 的沥 青路面，在使用过程中，沥青的老化程度很小。光照对沥青老化也有很大影响， 尤其是日光中的紫外光，对氧化有显著的促进作用n 钔。 沥青再生过程中，了解回收混合料中所含沥青的老化规律和老化程度有重要 意义，可据此进行再生剂的配制、选择、用量确定以及新沥青比例的确定。本文 将通过抽提试验、旋转薄膜烘箱老化试验、紫外光老化试验来研究沥青的老化规 律，以确定回收混合料的老化程度，为其再生提供指导。 3 1 1 抽提沥青性能分析 在一条已使用6 年的高速公路沥青路面回收旧沥青混合料，从中抽样选取一 定量的样品，采用离心分离法进行抽提试验，分离出老化沥青。该路修建时所用 沥青为兰炼9 0 # 沥青。测试抽提沥青针入度、软化点、延度和粘度等指标，粘度 采用布氏粘度计测得，同时采用四组分法进行抽提沥青的组分分析试验，与兰炼 9 0 # 新沥青的指标值进行比较，以此为依据确定沥青的老化程度，试验结果如表 3 1 所示。 通过对回收老化沥青的指标分析发现，使用6 年的老化沥青与原样沥青相比 较表现为针入度降低、软化点增高、延度减小，其组分发生了明显变化，饱和分、 芳香分等轻质组分减少，胶质和沥青质增加。从表3 - 1 中数据可以看出，回收沥 青的针入度与原沥青相比下降幅度很大，2 5 时的针入度已经从9 1 下降至2 8 ， 延度下降的更为严重，1 5 延度从8 6 6c m 降至6 5c m ，远低于规范要求的9 0 # 1 5 第三章老化沥青再生研究 沥青的值，表明沥青老化严重。 表3 1 回收沥青的指标 指标抽提沥青原样沥青 针入度( 2 5 c ，1 l o m m ) 2 8 9 1 软化点( ) 6 24 6 2 延度( 1 5 c ，c m ) 6 58 6 6 粘度( 1 3 5 c 3 a s ) 1 0 6 00 3 6 8 饱和分 1 5 61 9 6 芳香分 2 0 1 2 5 3 组分( ，质量) 胶质4 3 53 9 7 戊烷沥青质 2 0 81 5 4 旧沥青路面材料热再生可以通过添加再生剂或添加低粘度新沥青的方式实 现，但有研究认为回收沥青的2 5 针入度低于4 0 时，混合料再生利用时必须添 加再生剂以恢复其路用性能n 钉。抽提沥青的2 5 。c 针入度为2 8 ，1 5 延度仅有6 5 c m ，单靠添加新沥青很难恢复其性能。因此本文将研制高质量的老化沥青再生剂， 采用添加再生剂的方式来恢复老化沥青的性能，并实现r a p 的再生。 3 1 2 旋转薄膜烘箱老化试验 为了模拟沥青受热、氧作用而老化的过程，本文采用旋转薄膜烘箱老化试验 ( r t f o t ) 进行沥青的老化行为规律研究。试验选取兰炼9 0 # 沥青，在1 6 3 条件 下分别老化8 5 m i n 、3 h 、4 5 h 、6 h ，并对其进行指标测试，试验结果如表3 2 所 示。通过与原样沥青和回收沥青的对比，确定沥青老化规律以及实验室老化与自 然老化的时间对应关系，并以此为依据来选择实验室老化沥青进行后续再生剂研 究。采用此种方法一是可以增加试验结果的可靠性。如果试验中采用经短期老化 即经旋转薄膜烘箱老化8 5 m i n 后的沥青，则很难与实际情况相符，因为经短期老 化的沥