（交通运输工程专业论文）沥青路面的再生与利用研究.pdf

长安人学- t 程颁一l ：学位论文 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。 本文通过研究沥青再生机理和沥青再生剂，寻找合适的沥青再生剂，并对再生沥青 的混合料的各种性能进行了试验，给出了路用沥青混合料的各种建议设计指标。 【关键词】：沥青，老化，再生，性能，再生混合料 长安人学工程硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ef r e e w a yl o a da 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 ff l e x i b l e p 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 y _ w h i c he v e ni n f l u e n c e st h es a f t yo f d r i v i n g o w i n gt oa s p h a l ta g i n ga n dm i x t u r ef i n n i n ga n ds t r u c t u r ec h a n g i n g o fa s p h a l tp a v e m e n t t h e r e f o r e ，t ob er e p a v e d ，l o t so fp a v e m e n t sn e e d r e p a i r i n gi nl a r g e s c a l ea n de v e nm i l l i n ga n dp l a n i n gw h o l l ya f t e ru s i n g f o rs o m et i m e a s p h a l tm i x t u r ep r o d u c e db ym i l l i n ga n dp l a n i n gw i l lb r i n g p o l l u t i o no fe n v i r o n m e n ta sw e l la sw a s t eo fs o u r c e s i nt h a tc a s e ，i t i s i m p o r t a n tt or e g e n e r a t et h ew a s t ea s p h a l t m i x t u r ew h i c hw i l l b r i n gh u g e e c o n o m i ca n ds o c i a lp r o f i t t h et e x th a sg i v e na l ld i f f e r e n tk i n d so fs u g g e s t e dd e s i g no fi n d e x e so f a s p h a l tm i x t u r e o n p a v e m e n tb ys t u d y i n gr e g e n e r a t i n g o fa s p h a l ta n d r e c y c l i n ga g e n t s o f a s p h a l t t ol o o kf o rs u i t a b l ea g e n t sa n de x p e r i m e n t e v e r yp r o p e r t yo ft h em i x t u r eo fr e g e n e r a t i n ga s p h a l t k e yw o r d s 】：a s p h a l t ，a g e ，r e g e n e r a t e ，p r o p e r t y ，r e g e n e r a t i n gm i x t u r e 长安大学t 程硕：l 学位论文 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： 亏臣乞仅2 。q 年肛月陟e t 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：弓芭面众 多。0 7年f j l 月，2 日 导师签名： 八 、 似渺迄 弋 卅年p 月d - 日 长安人学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 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，水土流失等严重的生态环境破坏。 按照沥青路面的设计寿命( 1 0 一1 5 年) ，从现在起，每年有1 2 的沥青路面需要翻修， 旧沥青混合料废弃量将达到每年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n l o o o 万吨，届时通过再生利用每年可节约材料费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。 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己不堪重 负，按照这些路面的设计寿命( 8 - - - , 1 5 年) 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。预计仅高速公路的旧沥青路面材料废 弃量将达到每年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，旧沥青混合 料每年将达n t o o o 万吨 3 j 。对于这些被铣刨下来的旧沥青路面材料，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“十五期末降低2 0 左右。 ” 因此面对节约和合理利用资源、保护环境、经济效益等问题如何解决? 沥青再生受 到了关注，沥青再生技术的研究、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加强理论研究，开发合适的再生剂和机械设 备，为旧料再生奠定基础。针对沥青路面再生技术，在理论上又有这样的疑问：沥青再 第一张绪论 生剂如何能恢复老化沥青的性能? 老化的沥青如何选择再生剂? 再生后的沥青性能又 将如何? 1 2 国内外研究现状 1 2 1 沥青路面再生研究范围 国外对沥青路面再生利用研究，最早始于1 9 1 5 年。其研究成果可分为冷再生和热 再生两类。 沥青路面冷再生技术是将旧沥青路面材料( 包括沥青面层材料和部分基层材料) ， 经铣刨加工后进行重复利用，并根据再生后结构层的结构特征适当加入部分新骨料或细 集料，按比例加入一定量的外掺剂( 如石灰、水泥、粉煤灰、泡沫沥青或乳化沥青) 和 适量的水，将材料拌和、摊铺和压实成型，重新形成结构层的一种工艺方法。简而言之， 所谓的“冷再生”技术，只是把价格高昂的沥青混合料当作“粒料”利用。虽然各种沥青的 “冷再生”技术和设备相对于将旧沥青混合料废弃而言是一种进步，但与将旧沥青混合料 再生、重铺成新的沥青路面相比，浪费了昂贵的沥青资源，利用程度极其有限，不能与 沥青的再生相提并论。 沥青的再生剂研制开发以及再生沥青的性能研究是本文的主要研究对象。首先开发 再生剂，后在老化沥青混合剂中掺加再生剂，研究再生效果、确定再生剂掺量及研究再 生后的沥青的抗老化性能、温度敏感性、高温性、低温性等一系列的试验研究分析。 1 2 2 国内外沥青研究情况 国外对沥青再生机理的理论研究较少，但在再生剂的效果、再生沥青混合料的路用 性能等方面进入了深入的研究，积累了丰富的数据。国外对沥青路面再生利用研究，最 早始于1 9 1 5 年。基于对环境保护和资源的有效利用两方面的考虑，美、英、日等国进 行了大量的研究。1 9 7 3 年石油危机爆发后这项技术才引起美国的重视，并且迅速进行 了广泛的研究，取得了丰硕的成果。到8 0 年代末美国再生沥青混合料的用量几乎为全 部路用沥青混合料的一半，并且在再生剂开发、再生混合料设计、施工设备等方面的研 究也同趋深入。同本从1 9 7 6 年到现在路面废料再生利用率已超过7 0 。西欧国家也十 分重视这项技术，联邦德国是最早将再生料应用于高速公路路面养护的国家，该国1 9 7 8 年已将全部废弃沥青路面材料加以回收利用，并以法律形式加以执行；在芬兰和法国这 项技术也得到了应用，芬兰几乎所有的城镇都组织旧路面材料的收集和储存工作。法国 长安人学工程硕l 学位论文 现在也已开始在高速公路和一些重交通道路的路面修复工程中推广应用这项技术。 综观欧美等国沥青路面再生利用技术研究发展状况，值得注意的是，这些国家特别 重视再生实用技术的研究，他们在再生剂的开发以及实际工程应用中的各种挖掘、破碎、 拌和等机械设备的研制方面都取得了很大的成就。 我国在2 0 世纪5 0 到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垫层。 山西、湖北、河北等省的公路养护单位在国内较早进行旧沥青路面回收利用的研究。到 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30 0 0 m 2 以上的试验路。经路用效果观测证明，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。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，也证明了其技术可行性和经济性。 近几年一些公路养护单位尝试着将旧料简单再生后用于高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 国大陆第一条高速公路沈大( 沈阳一大连) 高速公路也在上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。 加热后经人工搅拌均匀后进行针入度、延度和软化点的试验。根据再生剂和沥青掺入量 对再生沥青的不同影响程度，确定再生剂用量和新沥青用量。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，可用在沥青面层的中下层，当然也可用于修筑 一般公路。 与发达国家相比，我国的沥青路面再生现状，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。而且我国普遍采用半刚性基层，沥青路面的破坏往往伴随着基层的破坏， 这在路面再生中也是一个亟待解决的问题。因此，这方面的工作将会越来越受到重视， 有很多内容需要进行深入研究。 第一张绪论 1 3 沥青再生目的和意义 随着人们环保意识的提高、资源危机的日趋严重，在大力提倡可持续发展道路的情 况下大量的公路及道路的修建、改建、修补时开始考虑沥青再生技术。由前面所述可知 沥青再生具有重大的现实意义，具有可观的经济效益和显著的社会效益。 从沥青路面来看：沥青混凝土使用粘结力较强的沥青材料作结合料，大大增强了矿 料间的粘结力，提高了混合料的强度和稳定性，使路面的使用质量和耐久性得到提高。 沥青混凝土路面具有表面平整、不渗水、行车舒适、噪音小等优点，因而获得越来越广 泛的应用。但它也经常受到天气、温度、行车以及材料等方面的影响，以及路面结构设 计等方面的原因，不可避免地会出现各种各样的病害，而这些病害又对行车速度、路面 使用寿命、乘客舒适性以及交通安全等带来了有害的影响。所以沥青路面被整个社会所 接受并广泛应用。但是过了一定的年限，沥青路面在无数的车轮荷载作用下，承受着压 应力，剪应力和拉应力等，同时沥青路面长期暴露于大自然，会受到各种自然因素如氧、 阳光、温度、水、风等的作用，致使混合料中的沥青、骨料的性能发生物理、化学变化， 并最终表现为沥青混合料使用品质下降。沥青混凝土路面的损坏总体可分为两大类，一 类为结构性损坏，包括路面结构整体或其中某一部分的破坏，使路面不能支承预定的荷 载；另一类为功能性损坏，它可能不伴随结构性损坏而发生，但由于平整度和抗滑性能 等的下降，使其不再具有预定的功能，从而影响了行车质量。 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。同时石油价格的猛涨，沥青路面的大量修建，沥青路面建造和 养护费用激增，资源和环境问题日趋严峻，我国沥青路面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。 沥青再生就是要解决这一系列的问题；保护环境、节约资源、改善沥青的路用性能 等。从国内外在沥青再生技术的研究历程中较多的做了其理论研究，但是理论研究是基 础，用理论研究的成果来指导工程实践，将理论成果广泛运用于工程建设对社会对人将 产生极大的经济利益和社会利益，有利于社会的可持续发展。 4 长安人学硕1 j 学位论文 1 4 发展沥青再生技术的经济可行性 沥青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。以某工程单价为例计算利用1 t 废料节约的费用： 砂：1 5 元t o 1 t = 1 5 元； 碎石：8 0 元t x o 9 t = 7 2 元； 沥青：2 0 0 0 元t o 0 5 t = l0 0 元； 运输距离2 0 k m ：o 8 元k m 2 0 k m = 1 6 元； 堆弃费：5 元； 合计：1 9 4 5 元t 。 各地区材料、运输和土地使用费用不同，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。但是，该技术需要较大的固定资产投资，主要包括再生混合料拌和设备、铣刨 机和废料破碎设备，所需投资额达2 0 0 0 多万元。因此，至少需再生利用1 0 万t 废料才能收回 投资，如果按照废料利用率2 0 计算，需要5 0 万t 的再生混合料生产量。所以只有大规模推 广应用沥青再生技术才能使技术开发单位获得一定的经济效益，这是发展沥青再生技术 不容忽视的问题。随着环保要求日趋提高，沥青再生具有广阔的市场空间。以广东省为 例，至2 0 0 2 年底，广东省高速公路通车里程已达1 8 5 0 k m ，其中沥青混凝土路面超过1 2 0 0 k r n ； 至2 0 0 5 年，广东省高速公路通车里程预计已达2 5 0 0 k m 。而且新建高速公路中沥青混凝土 路面所占的比重越来越大。如果按沥青混凝土路面一般设计年限为1 5 年计算( 实际上通 常使用年限仅为1 0 年左右) ，全省高速公路平均每年产生的1 日沥青混合料将超过1 5 0 万t ；如 再考虑其他等级公路以及市政道路( 其中广州市2 0 0 0 年道路总面积2 8 0 5 万m 2 ，按8 0 为沥 青混凝土路面、平均厚度8 c m 、翻修年限1 0 年计算，平均每年产生的旧沥青混合料约4 0 万 t ；而东莞、番禺等珠江三角洲城镇也正加快道路黑色化进程) ，估计全省每年产生的旧沥青 混合料将超过2 0 0 万t 。而且，全国市场是广东省市场的1 0 倍以上。因此，沥青再生将具有 不可估量的市场前景。因此，如果重视沥青再生技术带来的社会效益，辅以适当的政策导 向，技术开发企业将能获得可观的经济效益。 1 5 研究思路和内容 1 5 1 研究思路 由上述可知，沥青路面老化后其轻组分( 饱和分和芳香分) 减少、胶质和沥青质增 第一张绪论 加，组分比例不协调使得性能降低。根据这一理论，若要改善老化沥青性能，则要从中 添加一定比例的富含芳烃软组分，使沥青各组分调整至合理比例范围。沥青质借助于胶 质更好地分散在芳香分、饱和分中，形成稳定的胶体结构，从而改变沥青的流变性能， 就可以使沥青性能得到改善。 1 5 2 研究内容 根据以上思路，本论文具体试验内容为： ( 1 ) 针对不同类型沥青研制不同再生剂，以达到最佳再生效果；( 2 ) 针对不同老 化程度进行再生剂再生效果分析，以获得再生剂最佳用量，并得到再生剂再生效果与老 化程度之间的关系；( 3 ) 再生沥青性能研究。 1 再生剂的研制 根据再生机理研制相应的再生剂；与轻油型再生剂进行性能对比，主要包括再生剂 抗老化性能( 旋转薄膜烘箱加热质量损失、组分变化) ；再生剂的再生效果分析。 2 老化沥青再生效果 ( 1 ) 老化沥青制备。利用旋转薄膜烘箱对新沥青进行不同时间的老化，获得不同 老化程度的沥青作为备用。 ( 2 ) 沥青再生效果试验。参照沥青规范j t g f 4 0 2 0 0 4 ，根据再生后沥青的针入度、 延度、软化点指标，确定再生剂的最佳掺量。根据再生剂对不同老化程度沥青的再生效 果，获得再生剂再生效果与老化程度之间的关系。 3 再生沥青的性能分析 包括再生沥青抗老化性、温度敏感性、高温性和低温性分析。 1 6 沥青再生技术难点和我国目前相应的技术条件 1 ) 技术难点 正如前面所述，沥青再生技术在国外已经是应用了2 0 3 0 年的成熟技术，有大量现 成的研究成果和实践经验，因此，我们发展沥青再生技术，主要是结合国内的气候条件和路 面工程特点进行技术引进、消化、吸收和推广应用。大量国内外研究成果和实践表明， 沥青再生技术主要难点包括： 废料的变异性问题。废料的沥青含量、沥青老化程度以及集料级配的变异性一般均较大， 直接影响再生沥青混合料的质量控制。 6 k 安人学顾 ：学位论文 再生沥青混合料的拌和工艺。在不烧伤旧沥青的前提下，保证拌和温度并使新旧沥青均 匀混合是技术关键。 再生沥青混合料的配合比设计及其抗裂性能和耐久性能评价。再生沥青混合料的抗裂性 和耐久性是确保其性能不低于普通沥青混合料的关键。 再生剂的研制和使用。专门的再生剂研制需要在掌握沥青化学理论和再生机理的基础上 进行，并且需要长期的试验、检测和评价，才能应用于实际生产。但美国不鼓励应用专门 的再生剂，而建议在控制r a p 用量的前提下用软一级的新沥青直接调和使用。 2 ) 针对性措施 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，我们经过1 0 多年大规模建设高等级公路，已培养出了大批沥青 混凝土路面工程的科研、设计、施工等各方面的技术人才。同时，我们在沥青再生研究方 面也已取得了初步成果。因此，我们具备开发沥青再生技术所需的技术管理力量，对于上 述各技术难点，还可以采取下列有效的针对性措施： 以科学、有效和可操作性强的统计方法评价废料的重要技术指标，同时建立质量即时监 测和快速反应系统，进行细致而严格的管理控制，解决好废料变异性大的问题。 先行直接进口国外先进的再生沥青混合料拌和设备，确保拌和工艺和质量控制满足要求， 下一步再开展设备的研发工作。 引进专用的试验设备，解决混合料抗裂性能和耐久性能评价问题，事实上，国内一些机构 已具备相应的试验能力。 借鉴美国的实践经验，先期采用较低含量的r a p ，采用新旧沥青调和的方法。下一步再进 行再生剂的开发和应用研究。 本试验涉及的试验规范、规程包括： ( 1 ) t 0 6 0 4 - - 2 0 0 0 沥青针入度试验。用质量1 0 0 9 的针在一定温度下( 1 5 c ，2 5 。c ， 3 0 c ) ，贯入时间5 秒后试针沉入沥青的深度，以0 1 m m 计。 ( 2 ) t 0 6 0 5 - - 1 9 9 3 沥青延度试验。将八字模沥青试样在一定温度下( i o 。c 、1 5 ) ， 以一定速度进行拉伸( 5 c m m i n ) ，直到试样被拉断时记录其拉伸长度，以c m 计。 ( 3 ) t 0 6 0 6 - - 2 0 0 0 沥青软化点试验( 环球法) 。将圆环沥青试样在一定升温速度下 ( 5 。c r a i n ) 进行加热，直到沥青软化后其上钢珠下落一定高度，记录此时的温度，以 计。 ( 4 ) t 0 6 0 9 1 9 9 3 沥青薄膜加热试验。将一定质量沥青装入圆盘，在1 6 3 高温下 加热5 h ，测定加热后残留物的2 5 c 针入度比、1 5 c 和2 5 c 延度。 7 第一章绪论 ( 5 ) t 0 6 1 0 - - 1 9 9 3 沥青旋转薄膜加热试验。将一定质量沥青装入试样瓶，在1 6 3 c 高温下，一定旋转速度和通气量下加热7 5 r a i n ，测定加热后残留物的2 5 。c 针入度比、1 5 c 和2 5 延度。 长安人学工程硕上学位论文 2 1 旧料性能分析 第二章沥青再生及其性能分析 沥青作为一种复杂的高分子混合物，在长期的暴露于自然环境中与空气中的氧，太 阳光和温度的综合作用，使其物理力学性能不断劣化，表现为沥青变脆、变硬。为了更 好的反映再生剂的再生效果，我们选取了三种不同老化程度的路用老化沥青( 老化沥青 i ，老化沥青i i ，老化沥青i i i ) ，分别测得其针入度，延度和软化点指标，试验结果如 表2 1 所示。 表2 1 不同程度老化沥青三大指标 沥青类型2 5 针入度1 5 延度( r a m )软化点( 环球法) ( ) ( o 1 r a m ) 老化沥青i ( 约3 年) 5 3 87 8 95 6 o 老化沥青i i ( 约7 年) 3 0 1 8 96 2 5 老化沥青i ( 约1 0 年) 1 9 88 96 0 5 a h 一7 0 规范要求6 0 8 0 之1 0 0 0 4 4 - - - 5 4 从表2 1 中可以看出： 1 ) 三种沥青的各种指标均有所下降，其中老化沥青i i i 针入度，延度下降最大，老化程 度明显较大，初步分析可能是该沥青在空气中经过长期的化学、物理变化造成的。 2 ) 由老化沥青i i ，老化沥青i i i 的1 5 。c 延度可以发现，沥青的延性、柔韧性在3 - - - - 7 年使 用期中下降最大。 2 2 老化沥青试样制备 为了对比反映三种沥青的老化程度。我们从三种a h 7 0 的沥青( 韩国，克炼，中海) 中选取一种比较合适的沥青来作为三种老化沥青的比照试样。这三种沥青的各项指标详 情见下表2 2 。 9 第_ 二章沥青再生及) e 性能分析 表2 2 三种a h 7 0 沥青的性能分析 项目韩国克炼 中海 1 5 2 2 72 7 32 2 5 针 入 度 2 5 6 5 57 0 35 3 9 ( 0 1 m m ) 3 5 1 0 3 01 0 3 5 8 9 0 1 0 3 1 71 4 5 4 6 1 延度( m m ) 1 5 1 5 0 0 1 5 0 0 1 5 0 0 软化点 4 9 05 0 54 9 5 感温系数a0 0 4 4 10 0 3 8 90 3 9 5 针入度指数p 1 0 6 40 1 98 5 5 当量脆点( t 1 2 ) 1 4 12 0 o一1 7 当量软化点( 丁8 0 0 ) 5 0 o5 2 65 4 胶体类型溶一凝胶型溶凝胶型溶胶型 注：针入度指数p i 法 p i 法是目前使用最广泛的感温性能指标，它反映了沥青针入度随温度变化而改变的 程度。p r e i f f e r 幂l v a nd o o r m a a l 早在1 9 3 6 年就对大量沥青进行了一系列试验，统计结果表 明，不同温度下针入度对数和温度呈线性关系。我国交通部公路交通研究所的专家也认 为沥青的针入度对数( p ) 与针入度的测定温度具有良好的线性关系，即： l g p = k + a t( 2 1 ) 对沥青测定3 个以上不同温度下的针入度值，按( 3 ) 式进行一元线性回归计算，可得截距 k 、斜率a ( 感温系数) 。沥青的针入度指数( p i ) 、当量软化点( t s o o ) 、当量脆点( 丁u ) 可 通过截距k 、斜率a 用下式计算： ：旦一1 0( 2 2 ) l + 5 0 a t：19800-k800( 2 3 ) = 一 l z jj a m ：! 璺! ：三二茎( 2 4 ) l o k = 安大学工程顾- j ：学位论文 壳牌公司根据沥青的p i 将沥青分为三类：当p i + 2 时，由于结构的生成，具有很强弹性和触变性，为凝胶型沥青。大部分的氧化 沥青属于此类，而且沥青氧化程度越高，沥青质的浓度越大，贝j j p i 值越大。 从表2 2 中可以发现： 1 ) 中海不合格，克炼的感温性能并不理想，所以我们选取韩国沥青采用旋转薄膜烘箱 试验，采用短期老化与三种不同程度的老化沥青做比照试验。 2 ) 以上试验由于仪器和人为原因可能导致误差，影响评价的准确性。可以通过重复性 试验来解决。 - 老化沥青试样的制备 为了制备达到我们要求( 针入度指标在2 0 - - 一3 0 m m ) 的老化沥青。我们采用旋转薄 膜烘箱进行了几组试验。最终选定以4 个8 5 m i n 烘箱老化后的沥青作为本次试验的样本。 具体选样过程如下表2 3 所示。 表2 3 韩国沥青的老化选样过程 项目沥青种类试验时间 针入度值( 0 1 m m ) 3 个8 5 m i n3 2 2 旋转沥青薄膜烘箱试验 韩国a h 7 04 个8 5 m i n2 4 o ( 1 6 3 ，4 0 0 0 m l m i n ) 5 个8 5 m i n1 5 7 然后我们采用旋转薄膜烘箱试验，在1 6 3 士0 5 c 温度下，以流速4 0 0 0 - j ：2 0 0 m l m i n 的 热空气喷入转动着的盛样瓶的试样中，以1 5 士0 2 r m i n 速度转动，持续4 个8 5 m i n 的老 化后，取得需要的韩国老化沥青。与三种老化沥青进行对比试验结果见表2 4 。 2 4 韩国老化沥青与三种不同老化程度沥青性能比较 沥青类型 2 5 针入度 1 5 延度( m m )软化点( 环球法) ( ) ( o 1 m m ) 韩国老化沥青 2 4 o1 3 9 6 6 5 老化沥青i ( 约2 年) 5 3 87 8 95 6 0 老化沥青i i ( 约5 年) 3 0 18 9 6 2 5 第二章沥青佴生及其性能分析 1 0 1 988 96 05l 老化沥青i i i ( 约 年) 1 i 1 从表2 4 中可以看出： 1 ) 随着老化时间的延长，沥青结合料残留物的针入度逐渐减小，软化点随老化时间的 增加而逐渐提高，延度越来越小，其变形能力越来越小。 2 ) 从针入度角度来看，旋转薄膜烘箱试验可以近似模拟沥青的老化。 2 3 再生剂的确定 再生剂是研究沥青再生的关键因素，本文将在第三章进行详细的分析。 2 4 再生效果分析 2 4 1 不同掺量下再生沥青的针入度变化 我们通过严格认真的试验获得再生剂的掺量与针入度的关系，详情如下表2 5 。 表2 5 再生剂掺量对针入度的影响 不同掺量o 2 4 6 8 韩国老化沥青 2 4 03 4 5 3 7 34 7 36 6 5 老化沥青i 5 3 87 7 19 1 51 2 8 41 3 7 5 老化沥青i i3 0 14 1 86 3 97 5 49 7 3 老化沥青 1 9 83 2 84 4 56 1 46 7 8 长安人学工程硕j ：学位论文 图2 1 再生剂掺量与针入度关系图 由图2 1 数据进行回归分析，得到再生剂的掺量与使用性能关系数据模型，如表2 6 所示。 表2 6 再生剂掺量与针入度关系 项目 数学模型置信度 韩国老化 y = 4 8 9 x + 2 2 3 6 o 0 5 老化沥青i y = 1 0 9 3 5 x + 5 3 9 2 o 0 5 老化沥青i i y 28 4 0 x + 2 8 1 0 0 5 老化沥青 y = 6 2 3 x + 2 0 3 4 0 0 5 注：p l 针入度( 2 5 ，0 1 m m ) ；x 再生剂的用量( ) 由上图得出以下结论： 1 ) 老化沥青加入再生剂后针入度指数得到了较好的恢复，不同老化程度的沥青其再生 剂的掺量与针入度的线性关系不同。主要原因可能是沥青在老化过程中各组分的变 化( 尤其是芳香分的减少) 。 2 ) 沥青再生后，其主要性能完全可以达到重交通公路沥青指标要求。 第一二章沥青再生及其性能分析 2 4 2 不同掺量下软化点与延度的变化 再生剂的掺量对延度，软化点的影响见下表2 7 表2 7 再生剂掺量对延度，软化点的影响 不同掺量再生剂 o 2 4 6 8 韩国老化沥青1 3 91 3 41 5 73 7 7 5 9 7 老化沥青i7 8 9 1 1 0 0 1 1 0 0 l l o o l l o o 1 5 延度( m m ) 老化沥青i i 8 92 3 2 1 1 0 0 l1 0 0 l l o o 老化沥青i 8 99 7 5 9 09 3 2 1 1 0 0 韩国老化沥青 6 6 56 35 9 5 5 6 55 2 5 老化沥青i5 65 3 54 74 6 54 6 软化点( 环球法) ( ) 老化沥青i i6 2 55 7 55 45 1 55 0 老化沥青i 6 0 55 8 5 65 3 55 0 软化点与再生剂掺量关系图 入 j 一韩国老化沥青 一老化沥青i 一老化沥青i i 。 k - 一老化沥青i i i 2 4 6 8 1 0 再生剂掺量 j 图2 2 软化点与再生剂掺量关系 1 4 o 5 o 5 o 5 o 7 6 6 5 5 4 4 趟鸶旨v蛭甚溪 k = f c = 人学t 程硕上学位论文 由表2 7 和图2 2 可以得出： 1 ) 沥青的三大性能在再生过程中都得到了较好的恢复。再生后的沥青可以达到重交通 公路沥青指标的要求。 2 ) 再生剂的掺量与软化点，针入度，延度都成一定的线性回归。再生剂的掺量主要与 老化程度关系密切。 2 4 3 几种再生沥青的最佳掺量 根据t 0 5 2 2 0 0 0 的规范，a h 7 0 号沥青的标准要求。可以发现各种老化沥青的最佳再 生剂掺量。见下表2 8 。 表2 8 各种老化沥青的最佳再生剂掺量 最佳掺量2 5 针入度1 5 延度( m m )软化点( ) 老化沥青 ( m m ) 老化沥青i ( 约3 年) 2 - - 4 7 7 1 - - 8 0 1 1 0 04 7 - - 5 3 5 老化沥青i i ( 约7 年) 4 6 6 3 9 - - 7 5 4 1 1 0 0 5 1 5 - - 5 4 老化沥青h i ( 约1 0 年) 8 1 0 6 7 8 8 0 l 1 0 04 4 5 0 由表2 8 可以看出 1 ) 随着老化时间的延长，最佳掺量也随着增加。他们之间存在着一定的线性关系。 2 ) 同一种沥青，不同老化程度的，在添加最佳掺量添加剂后，其性能之间还是有一定 的差距。这主要原因可能是沥青质含量的多少的关系。 3 ) 就地采用再生沥青作为新沥青使用时不够的。我们需要混合一定比例的新沥青使再 生沥青的性能达到更高要求。 2 5 再生沥青性能分析 按一般的工程情况，沥青路面经过1 0 年的交付使用，其路面性能已达不到使用要求， 这时需要添加再生剂或重建公路。根据这情况我们选取老化i i i 沥青，添3 n 8 的再生剂 来研究其再生后性能。具体内容如表2 9 所示。 第二章沥青再生及儿性能分析 表2 9 9 化沥青再生沥青与规范a h 一7 0 性能比较 项目 老化沥青i i ia h - 7 0 1 5 2 5 针入度( o 1 m m ) 2 5 6 7 86 0 8 0 3 5 1 0 4 5 1 0 5 9 7 延度( m m ) 1 5 1 1 0 0 1 0 0 0 软化点 5 0 4 4 - - , 5 4 感温系数a 0 0 4 1 7 针入度指数p i 一0 2 8 一1 0 当量脆点一1 6 7 4 9 1 胶体类型溶一凝胶型 由表2 9 可以看出： 1 ) 该老化沥青再生后的物理性能，感温性能，低温性能，高温性能均达到规范要求。 说明沥青的再生是可行的。 2 ) 作为工程应用，我们还应该考虑再生沥青混合料的路用性能。 1 6 长安人学t 程硕i ：学位论文 第三章沥青再生剂的研制 3 1 沥青老化与再生机理 3 1 1 沥青再生的胶体结构理论 沥青的胶体结构 沥青是以相对分子量很大的沥青质为中心，在周围吸附了一些胶团组成分散相，这 些胶团是极性很大的可溶质形成的复合物，随着于沥青质分子距离的增大，可溶质的极 性减弱，芳香度减小，半径继续向外扩大，则为极性更小的甚至几乎没有极性的脂肪族 油类所组成的分散介质。沥青分子对极性强大的胶质所具有的强吸附力是形成胶体结构 的基础。没有极性很强的沥青质中心，就不能形成胶团核心，同样若没有极性与之相当 的胶质被吸附在沥青质的周围形成中间相，也不会形成稳定的胶体溶液，沥青质就容易 从溶液中沉淀出来。只有当沥青质与可溶质的相对含量相匹配时，沥青的胶体体系处于 稳定状态。按其胶体状态不同，可将沥青分为三类： 溶胶型沥青 当沥青质的含量不多( 例1 0 以下) ，相对分子质量不大，与胶质的相对分子量差 不多时，这样的沥青实质上可视为真溶液与分散度非常高的近似真溶液。这种溶液具有 牛顿液体的性质，粘度与应力成正比。此时沥青的粘附力主要是由范德华力和偶极力引 起的。这类沥青对温度的变化很敏感，在沥青的分子中没有相对很大或很小的物质，即 相对分子量的分布比较窄。分散相和分散介质之间化学组成及性质比较接近。 溶凝胶型沥青 沥青中沥青质含量适当，并有较多芳香度较高的胶质。这样形成的胶团数量增多， 胶体中胶团浓度增加，胶团距离相对靠近，他们之间有一定的吸引力。这是一种介乎溶 胶与凝胶之间的结构称为溶凝胶型结构。这种结构的沥青称为溶凝胶型沥青。这类沥 青在高温时具有较低的感温性，低温时具有较好的变形能力。修筑高等级路面路用沥青， 都属于这类胶体沥青。 凝胶型沥青 当沥青质的浓度增大，若可溶质没有足够的芳香族成分，分散介质的溶解能力不足， 生成的胶团较大，由于分子聚集体的形成而生成网状结构。具有结构粘度，表现出非牛 第三章沥青再生剂的研制 顿流体的性质，这类沥青一般为凝胶型沥青。这类沥青虽然具有较好的温度敏感型，但 低温变形能力差。 沥青质与可溶性质的性质对沥青胶体结构的影响 从沥青质的相对浓度外，沥青质的性质或组成对沥青胶体状态也有很大影响。例如 当沥青质的c h 比较小，即在沥青质的化学结构中可能有较多的饱和族组分( 环烷及烷 基侧链) ，形成较大的胶团。应可溶质的组成不同，可能形成溶胶型也可能形成凝胶型 沥青。若沥青质的c h 很大，则形成凝胶型沥青的趋势很小或者根本没有趋势。当可溶 质中芳香烃含量不足时，就容易沉淀析出。 除了沥青质的含量组成等影响外，可溶质的性质及含量对沥青的胶体结构也有一定 影响。当可溶质中芳香族的浓度和吸附力都足够时，沥青为溶胶型；若可溶质中没有足够 的芳香族组分则为凝胶型。沥青在氧化过程中，由于可溶质中的芳香族组分逐渐变为沥 青质而含量下降时，沥青质的含量却增大，沥青逐渐由溶胶型变为凝胶型。 在可溶质中对沥青的胶溶性起主导作用的芳香族化合物。因为芳香族化合物最容易 被沥青质所吸附，而且吸附力还相当大，他们本身对沥青质的溶解能力也最强。烷烃实 际上没有溶解能力，环烷族化合物介于两者之间。实验证明，可溶质中的环烷族化合物 对沥青质的溶解能力约相当于芳香族结构的1 3 。沥青的类型与可溶质中芳香烷炭c a 及 环烷炭c n 有关，即与c a + i 3 c n 大小有关。当c a + i 3 c n 较大时属于溶胶型；当c a + l 3 c n 值变小时，沥青表现出更多的粘弹性，针入度指数p i 变大，沥青为凝胶型。 沥青在使用过程中组分和性质的变化 沥青在使用中由于空气、温度和阳光作用会老化变质，究其原因乃是由于化学组成 发生变化而使其胶体性质变坏所致。表3 1 是孤岛原油沥青经薄膜烘箱实验前后组成和 性质的变化，表3 2 是美国某沥青在道路上使用1 8 年后组成和性质的变化。这两个表中 所反映的规律是一致的，就是沥青老化后针入度降低，软化点增高，延度减小。化学组 成的组要成分缩合成胶质和胶质缩合成沥青质，使体系中沥青质的含量增多，这样由于 分散相的增多和分散介质胶溶能力减弱，导致沥青的胶体稳定性下降，使用能力变差。 长安人学工程硕： 学位论文 表3 1 孤岛原油沥青薄膜烘箱试验前后变化 孤岛沥青 项目 试验前试验后 针入度( 2 5 。c ，0 i m m ) 9 24 9 软化点( ) 4 6 65 2 o 延度( 1 5 c ，c m ) 8 29 饱和分1 1 61 1 8 芳香分3 0 72 8 7 质量组成( ) 胶质3 7 83 0 9 戊烷沥青质1 9 52 6 o 表3 2 美国某沥青在道路上使用1 8 年后的变化 孤岛沥青 项目 试验前试验后 针入度( 2 5 ，0 1 m m ) 6 52 4 粘度( 6 0 c ，p a s ) 3 1 51 8 4 0 饱和分 9 31 0 3 芳香分 3 4 32 4 6 组成 胶质 4 0 54 0 8 ( 质量) 正庚烷沥青质1 5 52 3 7 我国在“七五”计划期间修筑了许多试验路，对这些路面的使用情况进行来许多年的 跟踪观测并在现场挖样分析。表3 3 位沈大高速公路1 0 年的跟踪观测，表3 4 为江苏六 扬一级公路断跟踪挖样分析结果。根据两个表中的观测结果沥青在性质和组分上的变化 规律与表3 1 、表3 2 时相同的。 1 9 第三章沥青再生剂的研制 表3 3 辽河稠油沥青的回收沥青的某些性质 原始铺路l o 年后 铺路2 年后铺路8 年后 项目沥青 坚实路面断裂路面 针入度( 2 5 。c ，0 1 m m ) 1 2 88 2 8 55 54 0 软化点( ) 4 0 54 64 8 55 4 4 5 7 5 1 5 1 4 08 52 31 6 28 3 延度( e r a ) 2 5 1 4 01 4 07 19 76 9 密度( 2 5 。c ，g c m 3 ) 1 0 4 51 0 1 6 2 1 0 3 3 41 0 2 81 0 1 1 饱和分 2 4 6 22 3 0 02 4 2 42 3 6 4 2 1 4 7 芳香分3 4 2 72 8 4 12 1 4 32 3 7 92 2 4 3 四组分 胶质 3 7 8 93 9 8 03 8 7 3 3 8 5 84 2 7 7 分析 沥青质 3 2 28 9 91 5 6 01 3 9 9 1 4 3 3 表3 4 原始沥青及回收沥青性质 软化点针入度延度( c m )四组分分析 项目 ( ) ( 2 5 ，0 1 m m 2 5 1 5 饱和分芳香分胶质沥青质 ) 原始沥青 4 7 58 6 1 5 0 1 2 01 8 63 0 24 7 5 3 7 7 年后 5 35 37 05 51 6 82 5 14 6 0 1 2 1 1 0 年后6 73 01 981 6 02 1 24 8 11 4 7 老化沥青再生机理 通过前面的论述我们了解了沥青老化的机理以及沥青的组分变化，那么如何对老化 的沥青进行再生呢? 是由沥青生产方法中的调和法可能对我们有一定的启示。调和法生 产沥青是指按沥青质量或胶体结构的要求来调整构成沥青的组分之间的比例，得到满足 使用要求的产品。由于原油生成条件的复杂性，即使是同类组分，亦因油源不同，表现 出的特征不尽相同，最终反映在沥青质的性能和胶体结构上出现差异。一般认为沥青质 是液态组分的增稠剂，较之对改善沥青的延度有明显效果，芳香烃对沥青质有很好的交 长安大学工程硕t ：学位论文 融效果，形成稳定的胶体结构，则饱和烃是软化剂。归纳起来，各组分对沥青性质的影 响，大致如表3 5 所示，可供选择调和方案时参考。通过多种沥青的