（材料学专业论文）乳化沥青冷再生混合料水稳定性研究.pdf

摘要 乳化沥青冷再生沥青混合料中加入了废旧材料 而其又存在自身的特点 那 么它的性能如何 特别是其水稳定性能如何是工程界关心的问题 本文从国内外研究现状出发 介绍了乳化沥青冷再生混合料的适用范围和主 要优缺点 阐述了乳化沥青冷再生混合料强度形成机理 通过列举沥青混合料水 损害的主要表现形式 分析了沥青与矿料粘附剥落原理 并评价了乳化沥青与矿 料问的粘附性 结合国内外设计方法 采用正交试验设计 通过修正马歇尔试验 以劈裂强度 马歇尔稳定度 流值 抗压强度 空隙率为评价指标 确定乳化沥 青冷再生混合料配合比 即水泥用量 乳化沥青 混合料级配 用水量 在此基 础上应综合考虑旧料利用率 混合料路用性能以及社会 经济效益等因素 经过 比选 又确定出另一组较优的配合比方案 然后以此方案为基础 采用正交设计 的方法 对乳化沥青冷再生混合料进行水稳定性研究 通过比较沥青混合料水稳 定性评价试验 选用冻融劈裂试验的残余劈裂强度比和4 8 h 浸水马歇尔试验的残 留稳定度来表征乳化沥青冷再生混合料水稳定性能 以浸水马歇尔试验和冻融劈 裂试验结果为依据 分析乳化沥青 水泥 r a p 用量 用水量和空隙率对乳化沥 青冷再生混合料水稳定性的影响 关键词 乳化沥青冷再生混合料 配合比设计 水稳定性 粘附 剥落机理 a b s t r a c t c o l dr e c y c l i n ge m u l s i f i e da s p h a l tm i x t u r ew a si m p r e g n a t e dw i t ho l dr o a dm a t e r i a l s a n di o i n e dw i t ht h ee x i s t e n c eo fi t so w nc h a r a c t e r i s t i c s s oi t sp e r f o r m a n c e e s p e c i a l l y i t sw a t e rs t a b i l i t y b e c o m et h ec o n c e r no ft h ee n g i n e e r i n gf i e l d f r o mc u r r e n tr e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d t h i sp a p e ri n t r o d u c e dc o l dr e c y c l i n g e m u l s i f i e da s p h a l tm i x t u r e sm a i na d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s a n de x p o u n d st h ec o l d r e c y c l i n ge m u l s i f i e da s p h a l tm i x t u r es t r e n g t hf o r m a t i o nm e c h a n i s m b yl i s t i n gt h em a i n p e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r ew a t e r sd a m a g e a n a l y z e dt h em a i nf o r m so fa s p h a l ta n d s p a l l i n ga d h e s i v e n e s sp r i n c i p l e a n de v a l u a t e dt h ea d h e s i o nb e t w e e nt h ee m u l s i f i e d a s p h a l tm i x t u r ea n dm i n e b a s e do no r t h o g o n a ld e s i g nm e t h o d t h r o u g ht h em o d i f i e d m a r s h a l lt e s t a n du s es p l i t t i n gs t r e n g t h m a r s h a l ls t a b i l i t y f l o wv a l u e c o m p r e s s i v e s t r e n g t ha n dp o r er a t i of o rt h ee v a l u a t i o ni n d e x d e t e r m i n e dc o l dr e c y c l i n ge m u l s i f i e d a s p h a l tm i x t u r er a t i o n a m e l y t h ed o s a g eo fc e m e n t e m u l s i f i e da s p h a l tm i x t u r e a n d w a t e r b a s e do nt h eo r t h o g o n a ld e s i g nm e t h o d t h i sp r o g r a me m u l s i f i e da s p h a l tc o l d m i x t u r ef o rw a t e rr e c y c l i n gs t a b i l i t y t h e n t h i sr a t i ob a s e do nt h eo r t h o g o n a ld e s i g n m e t h o d s t u d i e dc o l dr e c y c l i n ge m u l s i f i e da s p h a l tm i x t u r ew a t e rs t a b i l i t y t h r o u g ht h e c o m p a r i s o no ft h ea s p h a l tm i x t u r e w a t e rs t a b i l i t ye v a l u a t i o nt e s t s e l e c t i o no f f r e e z e t h a ws p l i t t i n gt e s to ft s ra n d4 8 hi m m e r s i o nm a r s h a l lt e s to fm a r s h a l lr e m n a n t s t a b i l i t yt or e p r e s e n tt h ec o l dr e c y c l i n ge m u l s i f i e da s p h a l tm i x t u r ew a t e rs t a b i l i t y t o r e t a i ni m m e r s i o nm a r s h a l lt e s ta n df r e e z e t h a ws p l i t t i n gt e s tr e s u l t s a c c o r d i n gt o a n a l y s i so fe m u l s i f i e da s p h a l t c e m e n t r a p w a t e r a n dp o r o s i t yo fc o l dr e c y c l i n g e m u l s i f i e da s p h a l tm i x t u r ew a t e rs t a b i l i t y k e yw o r d s c o l d s p a l l i n ga d h e s i v e n e s s r e c y c l i n ge m u l s i f i e da s p h a l tm i x t u r e m i xd e s i g n w a t e rs t a b i l i t y p r i n c i p l 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 i y 坚 日期 2 z o 年6 月 pb 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s u r e 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 h 1 毡 日期 矽f d 年占月体日 指剥币龇糁芝芗钐 指导教师签名 丝乒努之7 钐 日期 如 d 年 月t 譬1 9 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 k i 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 墨 同期 弘f d 年6 月缪日 指导教师 日期 孰 6 年乡月 罗日 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 近年来 为了促进国民经济的发展 国家做出了扩大内需 加快基础设施建 设的重大决策 加大了对公路建设的投入 使得我国各等级公路罩程均有了飞速 的增长 尤其是 九五 末期和 十五 初期 全国各级公路部门认真贯彻中央实施的 积极财政政策和扩大内需的方针 牢牢把握发展机遇 加快了公路建设的步伐 加大了技术改造力度 使我国的公路网状况得到了明显的改善和显著的提高 随着社会经济的发展 我国高速公路的建设进入了一个高峰期 截至2 0 0 7 年 底 高速公路的总罩程己经达到4 5 4 万公里 稳居世界第二位 只用了短短十多年 的时间走完了发达国家半个多世纪的发展历程 沥青路面因具有行车舒适 环保 维护方便等优点而被广泛应用 目前 我国高等级公路路面中约占9 0 是沥青混凝 土路面 可见 沥青混凝土路面占的比重是相当大的 l 在已建设完成的公路中 沥青路面是主要的路面形式之一 按照沥青路面的 设计寿命1 5 2 0 年测算 在2 0 世纪9 0 年代以后陆续建成的高速公路 一 二级公 路已进入大 中修期 从现在起 每年约有1 2 的沥青路面需要翻修 大量的挖掘 铣刨沥青路面 将产生大量的废旧沥青混合料 预计每年将产生旧料达1 9 0 0 万吨 并将以1 5 的速度增长 1 0 年以后 我国沥青路面的大 中修产生的旧沥青混合料 预计将达n s o o o 万吨左右 若将这些材料废弃 一方面将会造成环境污染 另一 方面对于我国这种优质沥青极为匮乏的国家来说是一种资源的浪费 而且大量的 使用 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 若将沥 青材料全部再生利用每年则可节约直接材料费1 2 0 亿元 且由沥青再生利用所产生 的环境效益将更为巨大 因此 沥青再生技术的研究 推广 对降低建设成本 合理利用资源 保护生态环境以及促进我国公路建设都有着极其重大的意义 2 1 沥青路面再生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 重新拌和 形成具有一定路用 性能的再生沥青混合料 用于铺筑路面面层或基层的整套工艺技术 按照不同的 工艺 可以分为热再生技术和冷再生技术 3 j 热再生技术包括就地热再生和厂拌热 再生 冷再生技术包括厂拌冷再生和就地冷再生 热再生技术主要用于恢复老化 沥青的粘结性能 重新发挥沥青的胶结料作用 将沥青资源再生利用 因此用于 热再生的材料只能是沥青面层材料 而冷再生技术主要是将原有的路面材料加以 重复使用 原有的路面材料主要起骨料的作用 因此用于冷再生的路面材料不仅 2 第一章绪论 可以是沥青面层材料 还可以是无机结合料稳定的基层材料 与热再生相比 冷 再生不仅可以节约能源和资源 1 0 0 利用旧沥青混合料 而且可以延长施工季节 改善施工人员的工作条件 减少环境污染 与其他传统的施工方法相比 冷再生 一般可以节省总投资4 0 5 0 由于再生沥青混合料中加入了废旧材料 则其又存在自身的特点 那么它的 性能如何 特别是其水稳定性能如何是工程界关心的问题 沥青混合料水损害是路面早期破损的主要类型 它不仅导致了路面的耐久性 降低 使用功能下降 而且它还是引发其他路面病害的诱因 所以 公路界普遍 对这种早期损坏的严重性高度重视 所谓水损害是沥青路面在水或冻融循环的作 用下 由于车轮动态荷载的作用 进入路面空隙中的水不断产生动水压力或真空 负压抽吸的反复循环作用 水分渗入到沥青与集料的界面上 使沥青粘附性降低 沥青膜剥落 导致混合料的整体力学强度降低 从而出现沥青路面坑槽 松散等 损坏现象 引 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外发达国家早在二十个世纪6 0 年代丌始 就开始沥青混合料水稳定性的研 究 从水损害的形成机理 影响因素 评价水稳定性的试验方法到水损害的控制 防治等各个方面都进行过研究 并取得了相应的成果 但由于沥青路面水损害所 涉及的因素极其复杂 至今许多问题都没有得到很好解决 因此还在不断地研究 之中 国外在提高沥青混合料水稳定性方面所做的研究工作 主要体现在以下几个 方面 对评价沥青混合料水稳定性试验方法的研究 5 在国外 评价沥青混合料水稳定性或水敏感性的试验方法很多 一般可分为 两大类 一类是以未经压实的松散沥青混合料为研究对象进行定性的试验 一类 是以沥青混合料试件或芯样为研究对象进行定量的试验 前者通过视觉观察或仪 器检查来主观评价裹覆在集料表面的沥青膜剥离程度 并据此作为判定沥青和集 料粘附性及混合料水稳定性的依据 这类方法常见的有水煮法 静态浸水法等 后者则是通过测试试件在浸水条件下的某些物理力学指标 如马歇尔稳定度 劈 裂强度 径向回弹模量等的衰变程度来表征沥青混合料的水稳定性 这类方法包 括马歇尔试验 劈裂试验 浸水抗压试验 德克萨斯承台冻融试验 洛特曼试验 改进的洛特曼试验 t u n n i c l i f f a n dr o o t 试验 浸水车辙试验等 女h s h r p 在水稳定 第一章绪论 3 应用性研究中提出了自己的四种预测沥青粘结料水敏感性的试验方法 1 n a t 法 n a ta d s o r p t i o nt e s t 2 f t i r 法 f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e dt e s t 3 s w k u n 车 辙试验法 4 o s u 车辙试验法 随着各种评价沥青混合料水稳性试验方法的出现 关于它们的可靠性 可行 性以及评价等方面的研究也不断深入 但是由于实验室与现场有一定的区别 到 目前为止 还没有一种试验方法可以得到广泛地认可 为此 美国s h a p 开发了 e c s e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n i n gs y s t e m 其目的就在于能更好地模拟工程现场 以缩小实验室与现场之间的差距 从而能有效评价混合料水敏感性 1 6 17 1 但美国 科罗卡多州运输部在将其与两种常用方法 改进的洛特曼试验方法及水煮法进行 研究比较后指出 e s c 的方法与试验过程在其作为常规试验推广之前都需要进一步 改进u t e p u n i v e r s i t y o f t e x a s a te l p a s o 在研究中指出 e c s 应在以下两方面改进 1 e c s 回弹模量测定装置 2 剥落百分率及空气 水的渗透系数的测量精度 对混合料离析与不均匀问题的研究 5 沥青混合料的离析和路面在局部压实度的不均匀是造成路面局部水损害的根 源所在 一般包括两种类型 集料 级配 离析和温度离析 1 9 9 6 年夏季美国 s t e v e r e a d 在研究华盛顿沥青路面的周期性离析问题的原因和可能的解决方案时 首先提出了温差引起的破坏问题 他指出 周期性离析问题与从沥青混合料拌和 厂将混合料运送到铺筑现场过程中沥青混合料的温度差别有关 在铺筑之前 热 拌沥青混合料的温度差别导致了施工过程中铺筑层产生的潜在破坏 目前 设在 美国奥本大学的美国国家沥青技术中一l m c a t 正在开展国家联合公路研究项目 n c h r p9 1 1 热拌沥青混合料的离析 的课题研究 其研究内容包括离析的定义 测定离析的方法和步骤 离析对沥青混合料性质和路面使用性能的影响和评价等 通过研究 n c a t 提出了两种可供研究混合料离析的方法 1 采用红外线温度探测 器测定温度离析 2 采用构造深度测定仪发现离析区域 确定离析程度 对排水结构层的研究 4 j 1 9 6 0 年德国首次采用了大孔隙排水型路面 1 9 7 4 年和1 9 7 6 年法国修建了多孔 隙贫混凝土路面试验路 1 9 7 9 年至1 9 8 1 年在戴高乐机场水泥混凝土路面结构中将 1 0 c m 厚的多孔隙贫混凝土层铺设于面板与水泥处治基层之间 以增加基层的排水 功能 贫混凝土的多孔性是靠砂量达到的 g 殳为2 0 0 3 0 0 k g m 3 孔隙率可达 1 0 2 8 这种多孔贫混凝土排水基层在欧洲的其他国家也广泛地使用于硬路肩 下 长期观测表明 未处治多孔隙材料基层 大大促进了路面结构内部渗入水的 排出 减少了路面卿浆 错台等损坏现象发生 对于其他西方国家以及日本 则大多采用多孔沥青碎石作面层 但美国道路 专家认为最可靠的排水措施是在整个路面宽度下采用开级配排水层 美国早在2 0 4 第一章绪论 世纪6 0 年代末和7 0 年代初通过调查和经验总结 就认识到了路面内部排水的重要 性 在1 9 7 3 年由联邦公路局制定了路面结构内部排水系统设计指南 以引导和推 动公路部门采用路面内部排水系统 到1 9 8 6 年 经过1 0 多年的使用经验与研究成 果积累 美国又进一步在路面结构设计方法中把路面结构的排水质量作为一项设 计因素考虑入内 现在 路面结构内部排水系统在美国己成为一项常用的措施 1 9 8 9 年 h a g e n m g 等在美国明尼苏达州修建了设置四种路面排水设施共长1 8 2 4 m 的试验 路段 并在1 9 9 0 1 9 9 4 年期间进行了表面水的渗入及排放量检测试验 四段路面构 为 第一段是透水基层 第二段是横向排水管 第三段仅有纵向边缘排水 第四 段采用横向复合土工排水带 试验结果表明 采用横向复合土工排水带的排水量 最大 其次是沥青透水基层 横向排水管的排水量最小 此外 为了判别当时表面水是否通过水泥混凝土路面和沥青路面路肩间的纵 向接缝 缝隙宽6 r a m 渗入路面结构 对接缝进行了填封处理 并在填封前后测量出 水口处的渗入水排放量 测试结果表明 接缝填封仅能在短期内起到阻止表面水 下渗的作用 因此 设置路面排水系统是非常必要的 这可以使积滞在路面及结 构内的水迅速排除到路基和路面结构外 大大地提高路面的使用寿命 对抗剥落剂与集料性质的研辩5 国外常用的抗剥落剂种类一般有3 种 1 波兰特水泥 2 液体化学类 3 化学 石灰 主要是熟石灰 液体化学类是通过降低沥青和集料界面间的表面张力来改善 混合料水稳定性的 一般以夸电位作为其预选标准 它可分为两类 聚胺类化合 物与酞胺脂类 前者主要用于新拌沥青混合料 后者主要用于稀释沥青粘结料及 沥青乳液 对这种抗剥落剂有两点应予以注意 1 有些液体化学类抗剥落剂的热稳 定性差 在高温下易分解而不能发挥效用 2 如果用量过多 反而会促使沥青的剥 落 对于抗剥落剂的剂量 认为存在一个最佳剂量 此时 抗剥落剂才能有效地 改善集料表面的物理化学性能及其与沥青的胶结性能 至于化学石灰类抗剥落剂 大量研究表明 它能有效提高沥青混合料的抗剥落性能 水稳性以及改善沥青的 龄期老化性能 再加上石灰价格较便宜 施工也简单 为此国外普遍推荐使用 1 9 9 2 年美国国家沥青路面协会 n a p a 曾出版了一本关于沥青混合料水稳定性 的专著 尽管n a p a 在对许多化学抗剥落剂进行评价之后明确指出许多抗剥落剂在 长期性能方面尚有疑问 但多方详细比较后仍认为效果最好 最稳定的还是掺加 石灰 用石灰处治集料的方法一般有以下几种 1 用干的消石灰与干的集料掺和 2 用石灰浆或石灰水涂覆 3 将干的消石灰与潮湿的集料相拌和 4 用热的生石灰 另外 还有两种比较有发展前景的副产品抗剥落剂一水泥窑灰 c e m e n t k i l n d u s t 和 妥尔油焦油沥青 t a l l o i l p i t c h 也正处于研究之中 有研究表明 高百分率的水泥 第一章绪论 5 窑灰可以达到消石狄同样的抗剥落效果 对于妥尔油焦油沥青 据英国哥伦比亚 交通运输部的研究 它能够成为液体抗剥落剂的一种替代品 1 2 2 国内研究现状 相对而言 我国汽车工业起步较晚 轴载轻 高等级路面在改革开放以后才 得到广泛发展 在水损害方面的认识相对滞后 理论研究起步较晚 无论是在对 水损害的机理认识 还是在对防治沥青路面水损害的应用性研究方面 其深度 广度都与国外有相当大的距离 对于沥青与集料粘附性能的研究 国内多是从改 善沥青在温度 老化方面的路用性能着手的 而在集料的性质对沥青与集料之间 粘结性能的影响方面研究较少 我国的沥青混合料水稳定性研究起步较晚 是随着二十世纪八十年代高等级 公路建设的发展而丌始的 八五期间我国对沥青混合料水稳性进行比较系统的研 究 目的针对我国沥青路面的实际 通过大量实验并借鉴国外较为成熟的试验方 法及指标 提出适合国情的实验方法和指标 最后推荐用冻融劈裂强度比和残留 马歇尔稳定度末评价沥青混合料的抗水害能力 东南大学的黄晓明 6 提出浸水马歇尔试验与路面的实际状况相差较远 其残留 稳定度也未能反映出沥青混合料水稳定性的真实情况 以真空循环饱水条件下的 沸煮劈裂试验的残留稳定度来评价沥青混合料的水稳定性明显好于马歇尔残留稳 定度方法 同济大学的孙立军提出传统的沥青混合料水稳定性评价力法不能反映混合料 在整个使用过程中水稳定性能 由此设计了一种新的全程评价方法 7 1 以结合混合 料老化试验来评价沥青混合料在路面不同阶段的水稳定性能 并采用此方法评价 了液体抗剥落剂对沥青混合料不同使用阶段的水稳定性 长安大学的郝培文 8 i 0 1 提出不同的抗剥落剂均可以提高集料和沥青之间的粘 附性 但不同抗剥落剂对沥青混合料的水稳定性有不同的影响 掺加消石灰沥青 混合料的长期抗水损害能力要优于掺加胺类抗剥落剂的 是一种优良的抗剥落剂 同济大学的吕伟引1 1 j 4 l 提出消石灰和水泥能有效提高沥青混合料的水稳定 性 且消石灰以稀浆的形式效果较好 并提出一种新型的超声波加速水损害的试 验方法来分析沥青混合料水稳定性 沙庆林院士对半刚性基层沥青路面的早期损害进行了较为系统的研究 其在 对我国多条高速公路调查基础上 归纳了水损害现象 并对半刚性路面产生水损 害的内因和外因进行了分析 最后从设计和施工的角度出发提出了半刚性路面减 少早期破坏的主要措施 一是沥青面层的各层都用空隙率不大于5 的密实沥青混 合料 二是提高沥青与矿料的粘结力要求 三是提高压实标准 降低现场空隙率 6 第一章绪论 指标 四是路面结构中设置排水层或防水层 l 5 1 华南理工大学的王瑞宜等人对沥青路面的水损害进行了机理分析并选出了相 应的防治措施 认为水进入沥青路面结构层内削弱了沥青与石料之间的粘结力甚 至完全剥落 在汽车荷载作用下很快导致破坏 在分析了沥青混合料空隙率对水 敏感性的影响及空隙率和渗透之间的关系后 提出用吸水率指标来评价沥青混合 料的设计空隙率和水敏感性 并用数字图象技术加轮迹试验预测沥青路面的水损 害及其程度 l o 1 3 本论文研究内容 本文研究的主要内容如下 材料性能检验 分别选取路面铣刨料 新加集料 乳化沥青和水泥等再生 混合料中所必需的组成部分 以国家强制性规范和实验规程为依据 对性能进行 试验检测 对水泥乳化沥青冷再生技术特点进行分析 列出了不同的路面病害形式 并从理论和微观上分析了混合料强度形成的原理 最后针对水泥乳化沥青冷再生 的特性 分析了这项技术的适用条件和优缺点 分析沥青与矿料间的粘附 剥落机理 通过实验 分析乳化沥青与矿料间 的粘附性 乳化沥青冷再生配合比设计及混合料性能分析 查阅资料 列出了国内外 的冷再生混合料的配合比设计方法 通过对比参考 首先选用正交设计方法 以 劈裂强度 马歇尔稳定度 流值 抗压强度 空隙率为评价指标 确定乳化沥青 冷再生混合料配合比 即水泥用量 乳化沥青 混合料级配 用水量 通过正交的试验 分析用水量 乳化沥青用量 水泥用量 r a p 用量对 乳化沥青冷再生混合料的水稳定性的影响 第二章原材料基本性能 7 第二章原材料基本性能 乳化沥青再生混合料是由乳化沥青胶结料 r a p 新加集料 水泥 外加水 矿粉等原材料组成 对于乳化沥青冷再生混合料的水稳定性而言 沥青与集料界 面的粘附特性是影响水稳定性的显著因素之一 因此 应对原材料进行测定 从 源头上以确保所采用的原材料是满足沥青混合料水稳定性要求 2 1 乳化沥青性能测定 乳化沥青品质的好坏直接影响到沥青与集料的粘附性及混合料最终强度的形 成 本文实验采用的是慢裂型阳离子乳化沥青 根据 公路沥青路面再生技术规 范 1 8 j t gf 4 1 2 0 0 8 中对乳化沥青的要求 和 公路工程沥青及沥青混合料 试验规程 1 9 1 j t j0 5 2 2 0 0 0 中相关试验方法进行沥青材料的指标测定 其主要 技术指标如下 表2 1 乳化沥青技术指标 试验项目单位质量要求试验方法测试值 破乳速度慢裂或中裂 t 0 6 5 8 慢裂 粒子电荷艮i 离子 t 0 6 5 3 群 离子 筛上残留物 1 1 8 筛 0 1t 0 6 5 2 3 4 与粗 细粒式集料拌和试验均匀 t 0 6 5 9 均匀 2 2r a p 性能测定 本文所采用的r a p 均来自于渝涪高速公路病害处置工程 现场冷再生机为 维特根w 2 2 0 0 c r 铣刨速度控制在约为8 m r a i n 依据 公路沥青路面再生技术规 范 j t gf 4 1 2 0 0 8 其主要指标如表2 2 本文所用r a p 筛分级配见表2 3 第二章原材料基本性能 表2 2r a p 集料试验结果及技术要求 材料检测项目技术要求试验方法检测结果 含水率实测o 凡垤级配实测 公路工程沥青及 实测 r a p 沥青混合料试验规 沥青含量 实测3 5 程 j t j0 5 2 2 0 0 0 砂当量 5 06 2 针入度实n o 1 m m 抽提 公路 t 程沥2 3 6 0 粘度实测青及沥青混合料试 r a p 中的沥青 软化点实测 验规程 j t j 6 5 3 1 5 延度实测 e r a 0 5 2 2 0 0 0 1 2 针片状颗粒含量 抽提 公路工程集 1 5 r a p 中的粗集料实测 压碎值料试验规程 j t g1 9 r a p 中的细集料棱角性实测 e4 2 2 0 0 5 注 为丫便于试验控制 试验所采用的均是烘十后的路面铣刨料 所以含水率为0 表2 3r a p 实测矿料级配 l2345 平均规规 规 通过通过百通过百通过百通过百 通过范范范 孔径 百分分率分率分率分率 窒 中上 下 m m 率 值限限 3 7 5o0ooo1 0 01 0 01 0 01 0 0 3 1 5o000o1 0 09 51 0 0 9 0 2 6 59 9 3 29 9 5 81 0 01 0 01 0 09 9 7 8 8 5 59 27 9 1 9 9 3 6 79 5 0 7 9 4 9 9 9 7 6 4 9 5 5 5 9 5 3 87 48 26 6 1 68 7 6 69 0 5 58 9 4 59 2 1 09 2 7 39 0 5 06 87 75 9 1 3 28 0 0 58 3 4 48 1 6 78 5 0 88 6 3 68 3 3 26 27 2 5 2 9 5 6 2 9 0 6 8 0 66 6 6 76 7 6 66 9 4 7 6 6 9 5 5 36 34 3 4 7 53 4 0 83 7 2 l3 7 7 03 7 9 94 0 9 33 7 5 84 25 23 2 2 3 61 8 6 22 0 0 82 1 0 82 0 5 82 3 1 72 0 7 l3 3 54 2 2 5 1 1 8 1 2 7 5 1 3 3 91 4 2 l1 3 0 91 5 3 61 3 7 6 2 53 21 8 0 6 7 6 7 8 28 3 77 5 99 2 58 2 21 92 51 3 0 32 7 53 2 32 6 62 9 73 4 83 0 21 31 8 8 0 1 51 0 21 1 90 6 51 2 01 3 51 0 8 91 35 0 0 7 5o 2 5o 3 2o 2 4o 2 50 2 10 2 1573 筛底 000oo0o 00 第二章原材料基本性能 9 2 3 新加集料性能测定 本文采用的再生料来源于渝涪高速公路路面处置工程 依据 公路沥青路面 再生技术规范 j t gf 4 1 2 0 0 8 和 公路工程集料试验规程 2 0 1 j t ge4 2 2 0 0 5 对集料和矿粉进行试验 测定出的技术指标 粗集料 本文采用的矿质集料为石灰岩 为重庆本地材料 粗集料采用网篮法测定 其技术指标如表2 4 所示 表2 4 石灰岩粗集料试验结果及技术要求 t a b 2 4s p e c i f i c a t i o n sa n dt e s tr e s u l to nl i m e s t o n ec o a r s ea g g r e g a t e s 试验项目中 卜 面层技术要求试验方法测试值 压碎值 不人于 2 8t 0 3 1 61 7 洛杉矶磨耗损火 不大丁 3 0 t 0 3 1 72 0 视密度不小于 2 5 0 t 0 3 0 42 7 0 3 吸水率 不人丁 3 o t 0 3 0 40 2 8 坚同性 不人丁 1 2t 0 3 1 44 细长扁平颗粒含量 不大于 1 8t 0 3 1 21 1 0 0 7 5 颗粒含量 不大子 lt 0 3 1 0o 6 软石含量 不人丁 5t 0 3 2 00 7 细集料 细集料采用比重瓶方法测定 其技术指标详见下表2 5 表2 5 石灰岩细集料试验结果及技术要求 试验项目试验结果 技术要求 试验方法 表观相对密度 2 7 1 8 不小于 2 5 0t 0 3 2 8 砂当量 7 2 不小于 6 0t 0 3 3 4 坚固性 4 不大于 1 2t 0 3 4 0 填料 矿粉 本文采用的为普通石灰石粉 按照 公路工程集料试验规程 中的方法经水 筛分试验 确定出其中小于0 0 7 5 m m 的含量为8 8 6 5 在称量中扣除大于0 0 7 5 m m 的部分充当填料 各种矿粉的性质如表2 6 所示 1 0 第二章原材料基本性能 指标 细度 目 粒径 u r n 密度烧失量 种类 干i 灰 f i 粉2 6 9 6 2 4 其他外加料的性z 月 匕l c 测 定 除去以上材料之外 乳化沥青再生料里还需要加入适量的水 并根据使用要 求 添加一定量的水泥或者石灰 水 制作乳化沥青用水 以及冷再生用水均应为可饮用水 使用非饮用水 经试 验验证 不影响产品和工程质量时方可使用 本文采用的为城市自来水 水泥 水泥作为再生结合料或者活性添加剂时 可以采用普通硅酸盐水泥 矿渣硅 酸盐水泥 火山狄硅酸盐水泥 水泥的初凝试件应在3 h 以上 终凝时间宜在6 h 以上 不使用快硬水泥 早强水泥 水泥应疏松 干燥 无聚团 结块 受潮变 质 水泥强度等级为3 2 5 或4 2 5 本文采用的是普通3 2 5 硅酸盐水泥 2 5 本章小结 通过对乳化沥青再生料所采用的各种原材料的试验研究 可以得出以下结论 本文所采用的原材料 除乳化沥青蒸发残留物含量略低于规范要求 本文所 采用的乳化沥青的蒸发残留物含量为6 0 规范要求不低于6 2 其它各种材料 均能满足 公路沥青路面施工技术规范 j t gf 4 0 2 0 0 4 和 公路沥青路面再 生技术规范 j t gf 4 1 2 0 0 8 技术要求 由于本文仅作实验室研究 此项对试验 结果没有太大影响 通过对r a p 性能测定的实验结果可以看出 r a p 的破碎级配相比原路面级 配有所细化 特别是0 0 7 5 m m 以下的偏少 但是抽提之后 筛分后得到的级配较 细 细集料占到很大的比例 由于冷再生所采用的r a p 级配是未经抽提的破碎级 配 所以必须添加一定量的粗细集料 方能满足设计要求 第二章乳化沥青冷再生技术特点 第三章乳化沥青冷再生混合料特点及强度形成原理 3 1 乳化沥青冷再生混合料特点 3 1 1 乳化沥青冷再生适用条件 乳化沥青冷再生混合料适用于所有路面标高不受限制的道路 因此 乳化沥 青冷再生技术主要适用于一般公路 等外公路 部分城市道路及其它场地的维修 改造 对于低等级公路特别是乡村公路 这种经过冷再生的路面就是最终路面 对于高等级公路 这种路面可作为高等级公路的基层 2 5 1 3 1 2 乳化沥青冷再生技术的优缺点 乳化沥青冷再生混合料具有许多优越性 具体优点为 乳化沥青与旧路面材料的粘结力强 乳化沥青中沥青微粒带有电荷 能稳 固 均匀地吸附在旧路面材料颗粒表面 从而提高路面的强度特性和结构承载能 力 乳化沥青冷再生混合料是在常温下施工 施工简单 进度快 开放交通早 对交通的影响较小 特别适用于交通繁重的旧路改造升级 施工机械采用传统的 沥青混合料摊铺和碾压设备即可 乳化沥青冷再生混合料循环利用沥青和矿料等材料 降低新材料的用量 可节省大量的材料成本和运输成本 有巨大的经济效益 该技术可降低因废弃旧沥青路面材料 开发新的自然资源和使用大量燃料 所引起的环境污染问题 具有重大的环保效益 乳化沥青冷再生混合料应用很广泛 该技术可用于沥青路面车辙 荷载类 裂缝和非荷载类裂缝等病害的处治及路面大修工程 在工程应用中 乳化沥青冷 再生混合料结构层可用于高等级公路的基层和下面层 以及其它等级公路的各结 构层 将沥青路面再生技术用于公路的养护维修具有重要的现实和长远意义 不仅 可以将原有的路面材料再生利用 保护环境 节省资源 降低工程造价 而且通 过再生技术 还可以矫正原有路面材料的缺陷 改造原有路面的结构 延长路面 的寿命 不过在有如此的优越性的同时 由于在沥青结合料和集料上和热拌混合料差 异 就地冷再生集料也有着它与生俱来的缺点 1 2 第三章乳化沥青冷再生技术特点 乳化沥青混合料的粘结性低于热拌沥青混合料 乳化沥青乳化完成之后 如果不采取一些预防和保护措施 一般都会产生 结皮现象 块状或团状结皮的存在对乳化沥青的使用性能影响较大 最重要的是 由于结皮而改变了乳液的油水比 使油水比不能满足技术要求 在稀浆封层 透 层油等作业中 乳化沥青中的结皮使施工效果大为下降 2 6 1 乳化沥青混合料的强度形成是一个长期的过程 随着水分的蒸发 强度会 逐渐增加 最终达到路用的要求 而热拌沥青路面在路面温度降低到一定程度便 能开放交通 大约在5 0 c 左右 2 0 在混合料压实成型后 乳化沥青并未完全破乳 混合料还是很松散的 必须要严格的养生 路面铣刨料既不同于新集料 也不能简单的看作 黑色集料 变异性是很大 的 至今 大家的研究仅能达到回收集料继配和回收沥青这一程度 在更为关键 的方面却还没有多大的成果 比如 铣刨料的评价 再生料最终级配的确定标准 回收沥青的再生程度等等 3 2 乳化沥青冷再生混合料强度形成原理 混合料的强度主要是由材料的内聚力和内摩阻力组成 内聚力包括再生混合 料中发挥粘结作用的沥青的粘聚力和沥青与集料之间的粘附力两部分 内摩阻力 主要是指再生混合料中集料之间相互嵌挤和摩擦所形成的作用力 在强度形成过 程中 再生混合料的内聚力和内摩擦力会发生相应的变化 其对再生混合料强度 形成的影响在不同时期有不同的作用 乳化沥青冷再生混合料的强度形成过程是乳化沥青与r a p 及新矿料相互作用 的综合过程 乳化沥青混合料最终强度的构成从本质上讲与热拌沥青混合料是一 致的 因此乳化沥青冷再生混合料的强度可以采用摩尔一库仑包络线方程来描述 如式 3 1 和图3 1 所示 f c 仃t a n 矽 式 3 1 式中 z 一沥青混合料的剪应力 c 一材料的粘结力 盯一沥青混合料的正应力 矽一材料的内摩阻力 第二章乳化沥青冷再生技术特点 1 3 图3 1 莫尔 库伦包络线图 f i g3 1t h eg r a p ho fm o h r c o u l o m bs t r e n g t he n v e l o p e 乳化沥青是将粘稠沥青加热至流动态 经机械力的作用 而形成微滴 粒径约 为2 5 i i m 分散在有乳化剂一稳定剂的水中 形成的均匀稳定的乳液 乳液中沥青 必须经过与骨料的粘附 分解破乳 排水 蒸干等过程后才能完全恢复原有的粘 结性能 因此 乳化沥青混合料强度形成有一个逐渐发展稳定的成型过程 主要 表现在乳液中水分排出 在乳化沥青混合料拌和之初 分散在混合料中的水分不 能立即排净 这些水分大多数呈游离状念 占据着混合料分散体系的空隙 由于 水的粘度低 就会降低骨料之间的内摩阻力 从而降低了混合料的强度和稳定性 在一定的养生条件和行车荷载的压实作用下 混合料中的水分逐渐排出蒸干 混 合料中的残留沥青在骨料表面的分布状况得到进一步的调整 粗细骨料之间的位 置也相应地调整到最佳状态 使得沥青混合料的密度逐渐增大 这个过程中再生 混合料的内聚力和内摩阻力逐渐增大 强度不断增长 养生完成之后 乳化沥青 冷再生混合料具有和热拌沥青混合料相似的沥青包裹集料的结构形式 再生混合 料的内聚力和内摩阻力同时发挥作用 其强度有较大增长 最终成为与热拌沥青 混合料本质上一样的路面材料 3 2 1 水泥 乳化沥青冷再生混合料的强度形成原理 乳化沥青在破乳之后 同原沥青性质一样 因而乳化沥青混合料也存在与热 沥青混合料一样的缺点 对温度敏感 同时 由于乳化沥青中含有水分 待乳化 沥青且水分蒸发后混合料才开始具有一定强度 因而其早期强度较低 2 2 通常为了提高乳化沥青混合料的强度 可在混合料中添加一部分水泥 就冷 再生混合料而言 添加的水泥质量为1 0 2 o 水泥的增加会降低混合料的疲 劳性能 维特根公司建议的最大水泥用量为2 0 2 3 1 水泥一乳化沥青混合料强度形成涉及到两个重要的过程 乳化沥青的破乳和 1 4 第三章乳化沥青冷再生技术特点 水泥的水化作用 两个过程相互作用 共同形成水泥一乳化沥青混合料的最终强 度 阳离子乳化沥青与集料拌和时 如果集料是干燥不含水分的 乳液中的水分 首先与集料接触 润湿集料表面 并沿毛细孔进入集料内部集料吸收水分 在集 料表面形成一层吸附水膜 在水相流动的同时 乳化剂分子也在移动 由于乳化 剂分子是亲油亲水基 它的分子移动是有一定方向的 亲水基一端沿着水流的方 向流向集料表面 乳液分子也随之移动 当乳液分子接触到集料表面时 乳液体 系就失去了平衡 沥青微珠也向集料表面移动 在这个过程中沥青微珠发生变形 逐渐趋于薄膜形 同时 微珠界面上的乳化剂分子由于具有向集料表面移动的趋 势从而发生重新排布 原有的界面膜破裂 乳化剂分子排布到薄膜下部 亲油基 插入沥青中 亲水基则向着集料方向插入水中 由于阳离子乳化剂亲水基的组成 元素主要是氮原子 氮原子无论与酸性集料还是碱性集料都有强烈的吸附性和亲 和性 与集料接触后 立即紧紧吸附于集料表面 并深入到毛细孔中 牢固地附 于其上 而乳化剂的亲油性质又决定了在乳化剂分子亲水基端吸附于集料表面的 同时 亲油基端也随之向集料靠近 与亲油基相互交织的沥青微珠也被拉向集料 表面 与集料接触 铺展开粘附在集料表面 乳化剂分子就像桥梁一样 架起了 沥青微珠通向集料表面的通途 由于乳化剂分子的 桥梁 和 牵引 作用 使得沥青 微珠与集料表面的结合力大于水与集料表面的结合力 于是在沥青微珠到达集料 表面与集料接触的瞬间 产生了一个较大的积压力 这个积压力把集料表面的水 分挤出去 让位于沥青 这样沥青微珠相互吸附 扩散 渗透 最后融合到一起 界面消失 集料表面被沥青完全裹覆 形成一层薄膜 在沥青薄膜形成之时 水 分被完全挤出 处于沥青薄膜的表面 如果在气温高 通风的环境中 水分迅速 挥发 这样阳离子乳化沥青就完成了其破乳的整个过程 在乳化沥青中掺加一定比例的水泥 由于这种水硬性胶凝材料的加入 乳化 沥青与水泥共同作用 与单一的沥青混合料强度形成具有较大的区别 在水泥与 水作用约4 5 m i n 后 丝状的结构不仅很快地在水泥表面形成 而且在粒子之间填 充水的空间内发展 随着水泥水化时间的延长 一方面由于水泥水化所产生的多 种水泥纤维以水泥浆体为中心向周围空间发展 纵横交叉 逐渐填充混合料内的 空隙 水泥与乳化沥青除物理吸附和化学吸附外 还可能发生化学反应 其结果 是水泥水化产物与沥青膜交织在一起 并同细集料牢固结合而形成柔性空间网 正是水泥产物的凝结力及沥青的粘聚力 水泥与乳化沥青的结合力 组成强固的 复合力 使混合料成为一种 密实一骨架 结构 2 4 1 此时 水泥砂浆充满空隙 形 成均匀 密实 孔隙闭合的整体 从而提高了混凝土的总体强度 一方面 混凝 土中的沥青乳液因压实等原因 已开始分解破乳 沥青从乳液的水相中分解出来 第三章乳化沥青冷再生技术特点 1 5 许多微小沥青颗粒相互聚结 成为连续的沥青薄膜 以结构沥青的形式粘附在骨 料的表面 由于这两种作用是同时进行的 两种胶凝材料之间既相互独立又相互 贯穿 不可分割 形成两种材料和性质均不相同的立体空间网络 把骨料紧紧地 结合在一起 与普通沥青混合料相比 除了原有单独起作用矿质骨架和沥青的粘 结外 水泥 乳化沥青混合料提供了一种新型的 以水泥凝胶为主体的第一骨架 这种质地坚硬的骨架 不仅大大提高了混凝土的抗压性能 并且由于其自身的凝 固力 对混凝土的抗拉能力也有所改善 同时 因水泥水化时体积增加 生成的 水化产物填充了乳液中水分蒸发形成的空隙 使混凝土更加密实 也相应地提高 了混凝土的稳定性和耐久性 3 3 本章小结