（道路与铁道工程专业论文）改性沥青混合料再生特性研究.pdf

授权书 授权书 本人同意将所著硕士学位论文改性沥青混合料再生特性研究 著作权中的数字化制品复制权、信息网络传播权和汇编权授权北京建 笪王猩堂院婴塞生处行使。上述授权的范围包括：j 匕宝建笪王猩堂院 自己使用或委托他人使用。 本人保证为该论文作者，依法享有著作权，并愿承担因著作权问 题引起的责任。 j 匕宝建篁王猩堂院须依照我国著作权法的有关规定，充分尊重本 人享有的著作权权利( 包括获酬权) 。 本授权有效期王年。 作者联系方式： 地址： 电话： 手机： 论文作者：碧暂 ( 签章) j 2 矿c 年歹月2e l 邮编： 传真： 电子信箱： 摘爱 摘要 本文首先研究了普通沥青与改性沥青的老化规律，在综合分析了改性沥青老化的宏 观指标( 针入度、软化点、延度、粘度) 和微观组分以及在1 0 0 0 倍显微镜下老化的改 性沥青结构照片后，对老化后改性沥青软化点的异常规律作出了合理的解释。然后作者 通过对阿布森法的分析和研究，提出了对沥青性质影响最小的阿布森法的改进方法，并 对其是否可以进行改性沥青( 以s b s 改性沥青为例) 的回收作出了一系列的试验验证方 法，并最终确定用改进后的阿布森法回收改性沥青是可行的。 在分析了改性沥青的老化规律并确定了改性沥青的回收方法之后，本文开始了对改 性沥青( 以s b s 改性沥青为例) 再生的研究，作者首先从再生机理上确定了改性沥青再 生的合理性，然后又对真实的废旧改性沥青( 南六环废旧沥青混合料) 进行了再生研究。 最终得出了改性沥青是可以再生的结论，并且指出再生后的改性沥青性质应介于新改性 沥青与普通沥青之间。 在前面研究的基础上，本文对再生改性沥青混合料进行了研究。首先进行了再生改 性沥青混合料的配合比设计，确定了废旧沥青混合料的掺量和再生沥青混合料的油石 比，然后通过对比添加普通沥青的普通再生沥青混合料和添加改性沥青的改性再生沥青 混合料的路用性能及疲劳性能，提出了再生改性沥青的适用性。 最后，作者分别对全新普通沥青路面、再生普通沥青路面、全新改性沥青路面、再 生改性沥青路面进行了预算分析，得出了再生沥青路面在经济上是可行的这一结论。并 认为再生沥青路面不仅是在经济上是可行的，而且在社会环境问题上具有巨大的效益。 关键词：改性沥青；再生；路用性能；疲劳性能 a b s t r a c l a b s t r a c t f o rs t u d i n ga s p h a l ta n dm o d i f i e da s p h a l ta g i n gr e g u l a t i o n ，t h et w ok i n d so fa s p h a l t ( a s p h a l ta n ds b sm o d i f i e da s p h a l t ) a r es e l e c t e dt oa n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e p e r f o r m a n c ei n d e x ( v i s c o s i t y , p e n e t r a t i o n ，s o f t e n i n gp o i n t ，a n dd u c t i l i t y ) ，c o n s t i t u e n t a n d s t r u c t u r ep h o t oa n da g i n gt i m ef r o mm a c r o s c o p i ca n dm i c r o s c o p i cv i e w m a k i n gar e a s o n a b l e e x p l a n a t i o nf o ra n o m a l yr e g u l a r i t y o fa g e dm o d i f i e da s p h a l t s s o f t e n i n gp o i n t a f t e r r e s e a r c h e da n di m p r o v e da b u s e na s p h a l tr e c y c l i n gm e t h o d s ，a g i n gm o d i f i e da s p h a l t s r e c o v e r yw a sp r o v e d t h er e c y c l i n gm e t h o d sa r eg i v e nt ot h er e c y c l e da s p h f l tm i x t u r eo fn a n l i u h u a n ，a n d d e c o v e r e dt h er e c y c l i n gm e t h o d sa r ef e a s i b l e p o i n t e do u tt h ep e r f o r m a n c eo fr e c y c l i n g m o d i f i e da s p h a l ta r eb e t w e e nn e wa s p h a l ta n dn e wm o d i f i e da s p h a l t o nt h eb a s i so fh o tm i x t u r ea s p h a l td e s i g nm e t h o d s ，t h ed i f f e r e n tk i n d so fr e c y c l i n g a s p h m tm i x t u r ea r em i x e du s i n gt h ed i f f e r e n tb i n d e rw h i c ha r ea s p h a l ta n dm o d i f i e da s p h a l t c o m p a r e dt h e s ed i f f e r e n tk i n d sr e c y c l i n ga s p h a l tm i x t u r e sp e r f o r m a n c ea n df a t i g u el i f e ， p o i n t e do u tt h ea p p l i c a b i l i t yo fr e c y c l i n ga s p h a l tm i x t u r e f i n a l l y , a u t h o ra n a l y s e db u d g e to fn e wa s p h a l tp a v e m e n t ，r e c y c l i n ga s p h a l tp a v e m e n t ， n e wm o d i f i e da s p h m tp a v e m e ta n dr e c y c l i n gm o d i f i e da s p h a l tp a v e m e n t ，i ts h o w sr e c y c l i n g m o d i f i e da s p h a l tp a v e m e n tw a st h eb e s tc h o s e n k e y w o r d s ：m o d i f i e da s p h a l t ，p e r f o r m a n c e ，f a t i g u el i f e 1 3 研究内容4 1 4 技术路线6 第2 章沥青老化性能研究7 2 1 沥青老化的原因与机理7 2 1 1 沥青老化的原因7 2 1 2 沥青老化的机理7 2 2 沥青老化规律研究8 2 2 1 普通沥青老化规律研究。8 2 2 2 改性沥青老化规律研究1 2 2 2 3 改性沥青老化规律与老化指标关系分析l8 2 3 改性沥青老化特点分析2l 第3 章老化沥青回收方法探讨2 3 3 1 抽提方法与溶剂的选择2 3 3 2 阿布森法沥青同收方法的研究2 4 3 2 1 阿布森法沥青回收方法的改进2 4 3 2 2 改进的阿布森沥青回收方法的主要过程2 5 3 2 3 改进的阿布森沥青回收方法对于改性沥青的适用性研究2 6 3 3 结论与分析3l 第4 章改性沥青再生研究3 3 4 1 沥青与改性沥青的再生机理3 3 4 1 1 基于沥青高分子溶液理论的再生机理3 3 4 1 2 基于沥青胶体结构理论的再生机理3 3 4 1 3 改性沥青的再生机理3 4 几录 4 2 沥青的再生方法3 4 4 2 1 沥青的粘流性质3 4 4 2 2 沥青的再生方法3 4 4 2 3 再生沥青的流变行为与路用性能的关系3 5 4 3 再生剂研究3 6 4 3 1 再生剂的作用与品种3 6 4 3 2 再生剂的技术要求与质量标准3 6 4 4 改性沥青再生规律研究：3 7 4 4 1 工程背景3 7 4 4 2 再生剂的选择。3 9 4 4 3 试验模拟旧改性沥青再生3 9 4 5 结论与分析4 4 第5 章改性沥青混合料再生研究4 5 5 1 热再生改性沥青混合料设计4 5 5 1 1 热再生改性沥青混合料合成级配设计4 6 5 1 2 热再生改性沥青混合料最佳油石比确定4 9 5 2 热再生改性沥青混合料路用性能评价5 l 5 2 1 热再生改性沥青混合料常规路用性能分析5 2 5 2 2 热冉生改性沥青混合料的疲劳性能研究5 8 5 3 本章小结6 3 第6 章铺筑再生沥青路面经济效益分析6 5 6 1 再生沥青路面的直接经济效益分析6 5 6 2 再生沥青路面的社会、环境效益分析7 0 第7 章结论与建议7 1 7 i 主要结论7 1 7 2 进一步研究的建议7 2 参考文献7 4 致 射7 8 第i 章绪论 ! 一, , 一 i i i i 鼍曼量曼曼毫曼曼曼曼曼曼鼍曼量量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼 1 1 研究目的与意义 第1 章绪论 国家进行公路的建设，是为了让社会收益，使经济能快速发展。但是修建公路，特 别是高等级的公路，需要国家的投资时相当巨大的，同时在修建公路时会需要使用大量 的砂石材料，会对环境造成一定的破坏。沥青路面在公路的建设中所占的比例是很大的， 所以我们设计方案应该以如何减少工程造价和对环境的破坏为前提。旧沥青路面材料的 重复利用技术的出现，很大程度上节约了沥青材料和沙石材料方面的费用，但是这项技 术是否可行是以用其修建的沥青道路的路用性能和使用寿命全新沥青路面性能和使用 寿命相近为前提的。 我国从9 0 年代初开始将改性沥青用于路面工程，并很快取代普通沥青成为路面表面 层的常规材料。从刚开始的p e 改性发展至u p e + s b s 改性再到现在的s b s 改性已经有了近 2 0 年的时间了。而改性沥青路面的使用寿命为十六年左右，所以现在我国的大部分改性 沥青路面都到了使用期的末端。如何解决如此多的改性沥青混凝土路面废料已经成为我 们必须面对的问题。因此研究改性沥青的再生问题是很有必要的。 北京市在改性沥青路面技术应用领域处于领先地位，从1 9 9 2 年修建首都机场高速 公路利用奥地利改性沥青技术依赖的十余年间，在高等级公路和城市快速路，主干道建 设中多采用各种类型的聚合物改性沥青技术，以提高沥青路面的技术性能，适应大交通 量重载交通的作用。目前，改性沥青路面己成为北京市沥青路面( 尤其是作为表面层) 最常规的结构形式。基于此，这些路面达到使用末期而面临改建与大中修时必将存在旧 改性沥青混合料的处理问题。 北京城市道路建设在快速发展对社会发展起到了巨大的促进作用的同时也造成了 北京地区天然自然资源的大量消耗，破坏了北京市的自然环境。为此，近年来北京市开 始限制和禁止天然砂石材料的开采，对保护环境起到了积极作用，但是砂石等建筑材料 供应缺口不得不依靠河北省等周边省市填补，直接造成了建设材料紧缺和建设造价的增 加，间接造成交通量增加、和重载交通的增加，加速了路面破坏。 为了维护路面使用功能，北京市每年需要进行大规模的道路养护作业，在提高道路 服务功能的同时，也产生的大量废旧路面材料。这些废料绝大多数没有得到有效地再生 利用。目前在北京市每年用于道路建设桥梁建设等基础设施而是用的沥青混合料接近 1 0 0 0 万吨，每年由于旧路大修等原因而产生的沥青混凝土废料1 0 0 1 5 0 万吨。但是目前， 废旧沥青混合料得到再生利用的仅有1 0 万吨左右，其余的1 0 0 多万吨废旧沥青混合料 被作为建筑垃圾废弃或处理掉。 综上可知，北京市每年生产大量的废旧道路材料，目前几乎没有得到再生利用，造 第1 章绪论 成了重大的环境污染和经济损失。如果将发生的废旧道路材料进行合理的再生利用，在 创造巨大经济效益的同时，将会减少建筑垃圾污染，促进北京市循环经济的顺利发展。 1 2 国内外研究与应用现状 1 2 1 国外研究状况 如今在发达国家中沥青路面的再生已经是一项普及的技术。在道路工程再生利用 战略这本由o e c d ( 国际经合组织) 与1 9 9 7 年发表的白皮书中显示，现在沥青路面 的再生利用率在发达国家中已经可以普遍在8 0 以上【l 】 美国的沥青路面再生利用技术的研究开始于1 9 1 5 年，在上个世纪7 0 年代开始了重 视研究并把沥青混合料再生技术作为成熟的技术加以大规模推广，到了1 9 8 9 年的时候， 美国铺筑路面所用沥青混凝土的一半以上来自再生沥青混合料，废旧沥青混合料的再生 利用率达到了8 0 以上。 3 1 欧洲各国也很重视再生技术。芬兰在把沥青路面再生技术应用于低等级公路很多年 积累了丰富的经验后，近几年也开始将这项技术应用于高等级的公路。德国是最早在高 速公路维修中使用再生沥青混凝十的国家。法国在高等级公路也大力推广再生技术。【3 】 图1 1 ：2 0 世纪8 0 年代的就地热冉生设备 日本从1 9 世纪8 0 年代就开始研究沥青混合料的再生利用技术。到十九世纪9 0 年 代其厂拌热再生沥青混合料就已经累计达到了5 0 万吨，这个数字相当于当时日本路面 废旧材料的5 0 。1 9 8 4 年，日本道路协会将有关沥青厂拌再生技术编制成为路面废 料再生利用技术指南并加以出版。【4 】 综上所述，美国、欧洲各国，日本等发达国家在路用沥青混合料的再生技术方面起 步早，并且由于各国道路科研工作者的努力，这些国家在沥青混合料的再生技术已近达 2 第1 鼋绪论 到了一个很高的水平，在再生混合料的生产工艺以及与之配套的设备研发施工等方面均 取得了显著的成就，并逐步形成了一整套实用且规范化、标准化的沥青路面再生技术。 1 3 1 经过近3 0 年的大规模生产实践，路用沥青混合料的再生技术已经被证实了是一项可行 的技术。随着各国环保意识的增加以及出于对自然资源的保护方面意识的加强，就地再 生技术已经被世界各国广泛重视起来，路用沥青混合料再生已经成为普遍应用的技术手 段。 改性沥青再生方面的研究在国外并没有被作为一项单独的技术来推广和实施，这也 和改性沥青混合料应用于道路建设工程时间比较短有关。 1 2 2 国内研究状况 我国的公路建设事业在改革开发以来发展非常迅速，截止2 0 0 3 年年底我国公路通 车的总里程数已经达到了1 8 l 万公里。但是许多早年建造的道路已经达到了设计寿命的 极限，需要进行翻修。上个世纪7 0 。8 0 年代，我国就已经开始了沥青混合料再生技术的 研究，并把这项技术用于轻交通路，但是利用率不是很高。从上个世纪八十年代开始， 虽然我国开始了大规模的高等级道路建设，但是新建道路几乎都是使用新沥青混合料， 沥青混合料再生技术的研究推广也基本停滞。道路维修产生的废i e l 沥青混合料都被丢 弃，造成了资源的大量浪费和环境的污染。【4 】 近几年，由于早年设计建设的道路大部分需要大修或者重建，废旧沥青混合料的再 生利用情况被重新得到重视，一些高校和科研院所开始着手进行废旧沥青混合料的再生 利用技术的研究并加以推广。 第1 章绪论 图1 - - 3 ：我国引进德国威特根公司的冷再生铣刨机 从2 0 0 4 年到2 0 0 6 年短暂的时间里，就先后沥青路面厂拌热再生的技术在广佛高速 公路大修工程中的应用以及沥青路面厂拌冷再生技术分别在江苏宁沪高速公路改扩建 工程及江西昌九高速公路上的应用。京津塘高速公路、成渝高速公路等使用了面积不等 的就地热再生技术；【4 】山东、辽宁、河北等地公路部门使用了就地冷再生技术。 图1 - - 4 京津塘高速公路联络线再生施工状况 但是，由于技术难度大，涉及的技术领域较多，沥青路面再生技术本身又在不断地 发展进步，我们开始沥青路面再生技术研究和应用的时间比较晚，各方面的研究空间还 很大，并且由于对于沥青混合料再生的标准和指南比较缺乏，不同再生技术适用性、i e t 路面材料评价、再生混合料设计、再生施工工艺、再生施工过程控制、竣工验收方法等 方法都存在大量技术问题和难题，急需通过研究加以解决。 1 3 研究内容 本文的主要研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 普通沥青与s b s 改性沥青的老化规律研究。 作为有机高分子材料，沥青性能的衰变( 即老化) 是必然的，老化后沥青的黏附性、 延展性等性质会出现劣化，使沥青的耐久性、水稳定性和低温抗裂性降低。本文拟采用 实验室模拟老化的方法测定不同老化时间下普通沥青和s b s 改性沥青的各项性能指标， 以此来找出普通沥青与s b s 改性沥青的老化规律，并通过对比来找出它们老化规律的异 4 第1 翠绪论 ! m _ _ mm _m 曼 l l mi m 曼曼曼蔓曼皇曼曼曼! 曼曼曼! 曼! 曼! 曼曼曼曼曼鼍苎曼皇曼皇曼曼曼曼皇曼皇量曼! 曼曼曼! 曼曼曼量曼曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼 i 司。 ( 2 ) 老化改性沥青回收方法的探讨。 旧改性沥青回收是改性沥青再生技术研究的关键环节之一，直接影响旧改性沥青技 术性能的分析以及再生改性沥青的设计实施与性能评价，在准确有效回收旧改性沥青的 基础上，可以得到老化改性沥青的性能及旧改性沥青混合料的级配，并据此进行老化改 性沥青的再生和掺配以及确定新混合料的级配，这是确保再生改性沥青路面质量的重要 基础。 ( 3 ) 改性沥青再生的可行性研究。 普通老化沥青通过一定的手段可以获得再生，这一结论已经被很多研究和工程实例 证明过。但是改性沥青能否再生，其再生的手段和再生后的性质是怎样的，研究的结论 却不是很多。本文拟采用通过真实的路用老化改性沥青混合料中抽提出老化改性沥青并 对其进行实验室模拟再生的手段，测定再生后的老化改性沥青的宏观指标和微观指标的 变化规律来解决改性沥青再生的诸多问题。 ( 4 ) 改性沥青混合料再生的研究。 路用改性沥青再生后的用途必然是用来铺筑沥青路面，那么改性沥青混合料的再生 问题的研究就成了研究改性沥青再生的一个重要环节。本文拟采用添加再生剂的方法来 模拟再生老化改性沥青混合料，并通过掺加新普通沥青与新改性沥青两种不同的结合料 的方法对比分析再生后的改性沥青混合俩的路用性能，以此来研究再生改性沥青混合料 的再生以及再生后的用途等诸多问题。 ( 5 ) 铺筑再生沥青路面的经济效益分析。 再生沥青固然是在材料方面节省了铺筑沥青路面的投资，但是却在铣刨堆放费用及 掺加再生剂等方面增加了筑路的投资。本文拟通过对比分析普通沥青路面、改性沥青路 面、普通再生沥青路面、改性再生沥青路面四种不同形式的沥青路面的预算造价和他们 的社会环境效益，来判断铺筑再生改性沥青路面的经济效益。 第1 章绪论 1 4 技术路线 6 第2 章沥青老化件能研究 第2 章沥青老化性能研究 2 1 沥青老化的原因与机理 2 1 1 沥青老化的原因 沥青的老化过程一般分为两个阶段，即施工过程中的热老化( 蒸发损失) 和路面在 长期使用过程中的长期老化( 氧化) 。 在沥青路面的施工过程中，沥青的运输与贮存、沥青混合料的拌和以及拌和后的施 工期间，沥青始终处于高温状态，特别是在沥青与矿料的拌和阶段，沥青在薄膜状态处 于1 7 0 , - 一1 9 0 的环境中，在此短暂时间内由于空气氧化以及沥青中挥发成分的丧失，使 沥青的性质发生实质性变化，这是沥青老化的最主要的阶段，该施工阶段的老化称为短 期老化。另外，沥青路面的长期使用过程中，由于空气、辐射、水与光等作用，特别是 在路面空隙率较大的情况下，沥青结合料同样也会发生老化，此过程发生的老化称为长 期老化。 引起沥青老化的原因很多，主要有大气( 氧) 、日照( 光) 、温度( 热) 、雨雪( 水) 、 环境( 氧化剂) 、与矿料的相互作用以及交通( 应力) 等因素。 通过无数的试验及使用沥青的实践证明，沥青在作业及使用过程中变硬变脆的主要 原因有以下三个方面，即蒸发损失、暗处氧化及光照氧化。 综合以上老化作用过程，都是沥青老化后粘度和沥青混合料强度得以增高，但沥青 黏度增高会使路面变脆，其结果是增加路面磨损，降低其形变能力，最终导致沥青混合 料路面出现裂缝。经研究表明，沥青在拌和过程中老化最为严重，运输摊铺碾压等施工 过程中老化相对比较轻微，而在道路使用过程中老化比较缓慢，但运营时间很长，所以 这一过程的老化也是不容忽视的。有研究表明，沥青的老化主要发生在路面使用期的前 1 8 个月。老化严重的沥青混合料的水稳性和低温抗裂性差。所以沥青的老化特征是沥青 的一个重要品质，采用合适的试验方法评价沥青的老化特征就显得尤为重要。【6 】 2 1 2 沥青老化的机理 沥青的老化是一个逐渐发生的过程，沥青在储存、运输、施工及使用的过程中由于 受到了氧气、阳光，高温和水等环境因素下发生的一系列氧化、缩合、挥发以及其本身 内部疾结构的变化，导致其性质、组分发生变化，最终导致路用性能劣化的一个过程。 沥青的老化速率是影响沥青路面耐久性的重要因素，对沥青路面的使用寿命的长短起到 了决定性的作用。【4 】 从微观上来说，沥青的老化过程可以看做是沥青化学组分发生移行的过程：沥青在 7 第2 审沥青老化t 牛能研究 光和氧的作用下引起了氧化、缩合反应。沥青在氧化缩合作用时，沥青混合料在矿质骨 料的催化作用下高分子化合物不断增加。具体在沥青中是因为芳香烃由于不稳定，其分 子量会增大而转化为胶质；胶质分子量进一步增大从而向沥青质转化；沥青质本身则聚 合成为更大的官能团和分子组；饱和烃比较稳定，一般发生的变化较小。沥青组分移行 越显著，沥青的老化程度也就越深。 5 1 组 份 变 化 2 2 沥青老化规律研究 原沥青老化沥青 图2 1 沥青老化组分变化图 2 2 1 普通沥青老化规律研究 晚嵇j 分 r 一芳蓍分 r _ 一腔质 s 一 爵霄质 作为有机高分子材料，沥青性能的衰变( 即老化) 是必然的，老化后沥青的黏附性、 延展性等性质会出现劣化，使沥青的耐久性、水稳定性和低温抗裂性降低。下表为典型 路面的老化普通沥青与原沥青性质指标对比： 第2 帝沥青老化性能研究 曼曼皇in m m m m m l _ m ! i 一一 n 曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇! ! 皇皇量曼曼曼曼曼曼曼曼曼 表2 2 典型老化普通沥青与原沥青性质宏观指标对比【5 】 针入度o i m m软化点延度 2 5 1 5 典型路段 变化率测定值 变化率 变化率 测定值 测定值 0 1 n l l l ln u n 江苏 原始沥青8 64 7 51 2 0 六杨老化7 年 5 33 8 45 31 1 65 55 4 2 公路老化1 0 年3 06 5 16 74 189 3 3 沈大原始沥青 1 2 84 0 51 4 0 高速老化8 年8 53 3 64 8 51 9 62 38 3 6 公路 老化l o 年 4 7 56 2 95 63 8 31 2 29 1 3 美国 原始沥青9 54 5 某条老化4 年 5 24 5 35 2 51 6 7 道路 老化8 年4 5 55 2 15 5 22 2 7 图2 - 2 针入度随老化时间变化趋势图 9 第2 章沥青老化性能研究 图2 3 软化点随老化时间变化趋势图 图2 - 4 延度随老化时间变化趋势图 从表中可以看出随着使用时间的增长，普通沥青的针入度的变化趋势是一直降低 的，软化点变化趋势是一直升高的，延度的变化趋势是一直降低的。这就是普通沥青老 化的宏观指标趋势，也是沥青变形能力变小，变硬变脆的主要原因。 下表是普通沥青老化后微观指标与原沥青的对比： 1 0 第2 章沥青老化件能研究 表2 3 典型老化普通沥青与原沥青性质微观指标对比 p l j 组分分析( ) 典型路段 饱和分芳香分胶质沥青质 江苏原始沥青 1 8 63 0 24 7 53 7 六杨老化7 年1 6 8 2 5 14 61 2 1 公路 老化1 0 年 1 62 1 24 8 11 4 7 沈大 原始沥青2 4 63 4 33 7 93 2 高速老化8 年 2 4 22 1 33 8 71 5 6 公路老化1 0 年2 2 62 3 14 0 7 1 4 2 图2 5 普通沥青老化后饱和分含量变化趋势图 图2 石普通沥青老化后芳香分含量变化趋势图 第2 聋沥青老化千牛能研究 图2 7 普通沥青老化后胶质含量变化趋势图 图2 - 8 普通沥青老化后沥青质含量变化趋势图 从以上的图表中的观测结果，沥青材料经过长期作用后，回收沥青的化学组分与原 沥青相比较有明显的变化，表现为：各组分之间配伍的失调，油份减少，胶质和沥青质 增多。沥青组分变化的主要原因是氧化、缩合作用。【7 】在沥青中，油份的分子量较小， 氧化缩合作用的结果使油份中芳香烃分子量增大，向胶质转化、而饱和烃由于分子比较 稳定，变化不大，胶质向沥青质转化，而沥青质本身则聚合成更大的分子，随着沥青路 面使用年限增加，旧沥青中的油份愈少，胶质和沥青质就愈多，因而旧沥青的针入度愈 小，沥青材料愈向脆硬方向转化。 2 2 2 改性沥青老化规律研究 与普通沥青的老化规律不同，改性沥青由于有改性剂的存在，其老化规律是怎样的 尚不明朗，本文拟以s b s 改性沥青为例进行改性沥青的室内模拟老化试验来探讨改性沥 青的老化规律。 1 2 第2 翠沥青老化件能研究 2 2 2 1 试验方案 沥青路面在使用过程中引起老化的原因很多，但起主要影响的是由于氧化缩合而导 致的老化，在这个过程中对沥青的老化起到主要作用的是氧和温度，因此本研究所进行 的实验室沥青老化模拟主要针对的就是沥青的氧化缩合引起的老化，通过在规定温度下 进行不同时间的沥青老化以模拟实际路面沥青的老化程度。主要控制因素为温度、氧和 时间。具体做法如下： 按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程( j ”0 5 2 - - - 2 0 0 0 ) 中改性沥青的老化 方法沥青旋转薄膜加热实验( t f o t ) ( t 0 6 1 0 - - - 1 9 9 3 ) ，将改性沥青试样装入玻璃瓶中， 老化温度为1 6 3 ，老化时间分别采用8 5 m i n 、1 7 0 m i n 、3 4 0 m i n 和6 8 0 m i n 。分别测定不 同老化时间后沥青的针入度、软化点、延度和粘度，并对其进行微观组分分析。本试验 采用壳牌重交7 0 号普通沥青作为对比。 图2 - 9 旋转薄膜烘箱 2 2 2 1 试验结果及分析 本试验采用的改性沥青为壳牌i b 型s b s 改性沥青，试验结果见下表： 第2 章沥青老化件能研究 表2 - 4s b s 改性沥青老化后宏观指标汇表 2 5 针入度5 延度软化点1 3 5 粘度 老化时间( m i n l 0 1 m m锄 p a s 9 5 4 o 6 65 7 92 9 6 4 ( 甘油) 8 7 1 8 5 6 43 8 23 1 3 1 ( 甘油) 7 9 6 1 7 05 72 8 13 2 0 9 ( 甘油) 7 3 9 3 4 0 4 81 9 63 5 9 1 ( 水) 7 7 9 6 8 03 69 o4 2 8 4 ( 水) 9 1 8 1 3 6 0 f 甘油) 表2 5 壳牌重交7 0 号普通沥青老化后宏观指标汇表 2 5 针入度5 延度软化点1 3 5 。c 粘度 老化时间( m i n l 0 1 1 1 1 i t l c m p a s o8 01 75 4 10 3 7 9 1 63 7 5 4 96 2 60 6 3 5 2 42 6 60 96 6 40 8 5 6 4 82 4 60 7 57 2 9 2 5 9 2 图2 1 0s b s 改性沥青老化后针入度变化趋势图 1 4 第2 章沥青老化性能研究 图2 - 11s b s 改性沥青老化后延度变化趋势图 图2 1 2s b s 改性沥青老化后软化点变化趋势图 图2 1 3s b s 改性沥青老化后粘度变化趋势图 由以上图表可以看出壳牌卜_ b 型s b s 改性沥青经t f o t 老化后指标的变化趋势为： 针入度不断降低、延度逐渐降低、粘度逐渐升高，这些和普通沥青的变化规律是一样的， 但是其软化点的变化比较怪异，是先降低后升高。( 沈金安在改性沥青与s m a 路面 一书中也指出：s b s 改性沥青在进行r t f o t 后软化点有老化减小的情况) 。 1 5 第2 审沥青老化性能研究 下面为老化改性沥青的微观指标和其在1 0 0 0 倍显微镜下的照片汇总。 表2 - 6s b s 改性沥青老化后微观指标汇表 老化时间饱和分胶质 芳香分( )沥青质( ) ( m i n )( )( ) 08 15 3 31 9 91 8 7 1 7 08 6 4 7 5 2 5 81 8 1 3 4 09 64 4 82 7 21 8 4 6 8 09 33 9 9 2 7 8 2 3 图2 1 4 老化s b s 改性沥青微观指标变化趋势图 由以上图表可以看出改性沥青的微观指标变化趋势和普通沥青基本一致，都是随着 老化时间的提高饱和分基本不变，芳香分不断减少，胶质和沥青质不断增加。 图2 15 原状改性沥青微观照片 1 6 匀了。 图2 1 6 老化1 7 0 r a i n 后微观照片 从图中可以看出s b s 在改性沥青中依然以网状形式存在，但是分布已经不是很均 图2 - 1 7 老化3 4 0 m i n 后微观照片 从图中可以看出s b s 仅在改性沥青中呈少量块状分布，分布没有规律，很不均匀。 第2 章沥青老化件能研究 图2 1 8 老化6 8 0 m i n 后微观照片 从图中可以看出沥青中几乎看不到s b s 的痕迹。 以上照片均为1 0 0 0 倍的电子显微镜下的照片，理论上在这种放大倍数下是可以看 到s b s 在沥青中的分散状态的。事实上在原状改性沥青的微观照片可以明显的看到一些 网状结构，s b s 在改性沥青中分布均匀。在老化1 7 0 分钟后的照片可以看出s b s 在改 性沥青中依然以网状形式存在，但是分布已经不是很均匀了。在老化3 4 0 分钟后的照片 可以看出s b s 仅在改性沥青中呈少量块状分布，分布没有规律，很不均匀。在老化6 8 0 分钟后的照片中可以看出沥青中几乎看不到s b s 的痕迹，说明s b s 改性沥青已经完全 老化，改性剂已近不起任何作用。 通过这组照片可以说明了s b s 在老化过程中软化点先降低后升高的原因：s b s 改 性沥青在r t f o t 过程中改性剂和沥青同时开始老化，但是在刚开始老化的时候s b s 改 性剂在沥青中形成的网状结构首先开始解体，而s b s 改性剂的作用之一就是使沥青的软 化点升高，所以沥青的软化点在s b s 开始逐渐失去作用的情况下开始降低，而沥青老化 变现出来的宏观指标特征是软化点升高。但是由于在刚开始老化的阶段软化点下降的速 率超过了沥青本身老化所引起的软化点上升的速率，所以在刚开始的老化阶段改性沥青 的软化点综合表现出来的现象是软化点下降。随着老化时问的增加，s b s 改性剂开始逐 渐失去作用，最终完全失去作用，沥青开始显现出由于本身老化所显示出来的性质，即 软化点表现出升高的趋势。 通过以上的分析，我们可以认为改性沥青的老化是分两部分同时进行的。即改性沥 青的老化实质上是改性剂的老化与普通沥青的老化的一个复合过程。 2 2 3 改性沥青老化规律与老化指标关系分析 2 2 3 1 老化指数与老化时间的关系 沥青的老化指数可用下式分析： 第2 帝沥青老化性能研究 1 7 = l g l g ( r l x l 0 0 0 ) - l g l g ( r h x l 0 0 0 ) ( 式2 - 1 ) 嘲 式中：c 一老化指数； r t1 沥青老化后的粘度( 1 3 5 ( 2 ，p a s ) ； r l 厂沥青老化前的粘度( 1 3 5 。c ，p a s ) ； 经过计算，改性沥青与普通沥青的老化指数列入下表并回归出趋势图： 表2 7s b s 改性沥青老化指数表 老化时间( m i n l 1 3 5 1 2 粘度p a s 老化指数c o2 9 6 4 0 8 53 1 3 l0 0 0 3 0 1 7 03 2 0 90 0 0 4 3 3 4 03 5 9 l0 0 1 0 3 6 8 04 2 8 4o 0 1 9 6 表2 - 8 普通沥青老化指数表 老化时间( w i n )1 3 5 。c 粘度p a s老化指数 c 00 3 7 90 9 6 00 6 3 50 4 6 1 4 4 00 8 5 60 6 2 2 8 8 0 2 5 9 2o 8 9 图2 1 9s b s 改性沥青与普通沥青老化指数变化趋势对比图 1 9 第2 章沥青老化性能研究 由以上图表町以看出： ( 1 ) 随着老化时间的增加沥青的老化指数不断升高，并且老化指数和老化时间有 很好的线性关系。说明沥青随着老化时间的增加老化程度不断加深。 ( 2 ) 普通沥青的斜率明显比改性沥青的斜率大，这说明普通沥青比改性沥青的老 化速率快，s b s 改性沥青抗老化能力强。 2 2 3 2 分散系数与老化时间的关系 根据沥青胶体理论，沥青质是分散体系中的分散相，油份是分散介质，胶质具有使 高度聚合的沥青质分散在油份中的能力。当他们的相对含量和性质配伍时，就能形成相 对稳定的胶体溶液。【6 】沥青老化的结果，改变了组分的相对含量和性质，因而也改变了 沥青的胶体性质，与此同时，沥青的黏流性质也发生了变化。沥青的老化速率与组分分 散系数之间有很好的相关性。分散的好的沥青则老化速度较慢；反之，分散不好的沥青 则老化速度较快 t r a x l e r 将沥青组分的分散系数表示为： 组分分散系数= ( 胶质+ 芳香分) ( 沥青质+ 饱和分) 用 s b s 改性沥青不同老化时间下的组分分散系数列表如下： 表2 - 9s b s 改性沥青不同老化时问组分分散系数表 老化时间 o1 7 03 4 06 8 0 ( m i n ) 组分分散 2 7 32 7 22 5 72 1 系数 图2 2 0s b s 改性沥青不同老化时间组分分散系数趋势图 由以上图表可以看出： ( 1 ) 随着老化时间的不断增加，s b s 改性沥青的组分分散系数不断减小，这说明 了这s b s 改性沥青的抗老化能力不断下降，老化逐渐加深。 第2 章沥青老化r = 能研究 ( 2 ) s b s 改性沥青在最初的老化时间段内组分分散系数下降的速率比较缓慢，在 3 4 0 分钟后组分分散系数下降速率明显加快。这是因为在前3 4 0 分钟内s b s 改性剂所组 成的网状结构在沥青中起到了很好的抗老化能力，阻止了改性沥青的加速老化；随着老 化时间的加长，在3 4 0 分钟后改性沥青中的s b s 网状结构几乎失去作用，沥青开始加速 老化。这也从另一个角度解释了s b s 改性沥青在宏观指标软化点上表现出来的先降后升 的原因的合理性。 2 3 改性沥青老化特点分析 本章主要对沥青的老化性能做了比较全面的研究，分别进行了普通沥青的老化性能 的研究与改性沥青老化性能的研究。重点分析了改性沥青的老化性能规律。通过室内模 拟改性沥青老化，分析了改性沥青在不同老化时间下的宏观指标的变化规律以及微观指 标的变化规律，并对比了改性沥青在不同老化时间1 0 0 0 倍显微镜下的微观照片，提出 了s b s 改性沥青在老化后软化点先降低后升高这一反常现象的科学合理的解释。并通过 老化指数和组分分散系数从指标上分析了改性沥青的老化指标和老化时间的关系。 通过分析，本章的主要结论如下t ( 1 ) 普通沥青老化后在宏观指标上的表现为：针入度的变化趋势是一直降低的， 软化点变化趋势是一直升高的，延度的变化趋势是一直降低的。 ( 2 ) 普通沥青老化后的微观指标上的表现为：饱和分含量变化不大，芳香分含量 有不断减少的趋势，胶质与沥青质的含量有逐渐增大的趋势。 ( 3 ) 壳牌卜- b 型s b s 改性沥青经t f o t 老化后宏观指标的变化趋势为：针入度 不断降低、延度逐渐降低、粘度逐渐升高，但是其软化点的变化比较怪异，是先降低后 升高。并在分析了微观结构照片和组分分散系数后对这一点现象做出了解释：s b s 改性 沥青在r t f o t 过程中改性剂和沥青同时开始老化，但是在刚开始老化的时候s b s 改性 剂在沥青中形成的网状结构首先开始解体，而s b s 改性剂的作用之一就是使沥青的软化 点升高，所以沥青的软化点在s b s 开始逐渐失去作用的情况下开始降低，而沥青老化变 现出来的宏观指标特征是软化点升高。但是由于在刚开始老化的阶段软化点下降的速率 超过了沥青本身老化所引起的软化点上升的速率，所以在刚开始的老化阶段改性沥青的 软化点综合表现出来的现象是软化点下降。随着老化时间的增加，s b s 改性剂开始逐渐 失去作用，最终完全失去作用，沥青开始显现出由于本身老化所显示出来的性质，即软 化点表现出升高的趋势。 ( 4 ) 壳牌i b 型s b s 改性沥青经t f o t 老化后微观指标的变化趋势为：饱和分含 量变化不大，芳香分含量有不断减少的趋势，胶质与沥青质的含量有逐渐增大的趋势。 ( 5 ) 改性沥青的老化实质上是改性剂的老化与普通沥青的老化的一个复合过程。 ( 6 ) 随着老化时间的增加沥青的老化指数不断增加，并且沥青的老化指数和老化 2 1 第2 聋沥青老化件能研究 时间之间有着很好的线性关系。 ( 7 ) s b s 在沥青中形成的网状结构对沥青起到很好的抗老化作用：随着老化时间的 加长，s b s 在沥青中所形成的网状结构逐渐消失，改性沥青的抗老化作用也逐渐降低， 最终显现出和普通沥青一样的老化规律。 第3 争老化沥青回收方法探讨 第3 章老化沥青回收方法探讨 旧沥青回收是沥青再生技术研究的关键环节之一，直接影响旧沥青技术性能的分析 以及再生沥青的设计实施与性能评价，在准确有效回收旧沥青的基础上，可以得到老化 沥青的性能及1 日沥青混合料的级配，并据此进行老化沥青的再生和掺配以及确定新混合 料的级配，这是确保再生沥青路面质量的重要基础【5 】o 3 1 抽提方法与溶剂的选择 对旧沥青性能与再生技术的研究，首先需要对旧路面沥青混合料进行抽提，然后对 抽提液进行老化沥青的回收。我国公路工程沥青及沥青混合料试验规程( j t j0 5 2 - 2 0 0 0 ) 中规定了两种旧路面沥青的回收方法；阿布森法和旋转蒸发法。两种方法的试验 操作过程控制的优劣