（土木工程专业论文）旧沥青路面现场热再生关键技术应用研究.pdf

摘要 摘要 我国高速公路自1 9 8 8 年实现“零公里的突破后，进入迅速建设和发展阶 段，其中沥青混凝土路面所占比重很大，由于早期设计和施工技术等方面的原因， 修建的许多高等级公路已逐渐出现多种病害与不同程度破损，如何处理和利用好 废旧沥青混合料，进行合理的路面维护将成为高等级公路管理的一项重要内容。 旧沥青路面再生技术是在面层材料并未彻底老化而且基层仍然坚实完好的情 况下，进行现场热再生处理，使他恢复路面的使用性能，该技术可以有效地利用 废旧沥青混合料，既能节约资源，又保护环境，对我国经济建设具有重要的现实 意义。 1 日沥青路面再生技术是公路建设可持续发展战略的重要组成部分，但是由于 技术不成熟、工艺不完备、控制不合理等问题的存在，再生应用效果一直不理想， 限制了现场热再生的大范围推广应用。 本论文根据旧沥青路面的评价与分析要点，结合现场热再生技术的工艺特点， 以扩散理论为基础，通过一系列模拟试验，分析新旧沥青、新旧矿粉和再生剂之 间的混溶扩散作用，总结影响混溶效果的因素，分析研究了沥青路面的再生机理， 通过对再生前后胶结料的三大指标、感温指标进行试验检测，分析了沥青胶结料 的再生规律。论文根据京港澳高速公路漯河至驻马店段现场热再生试验路施工经 验，对再生工艺进行了探讨，提出了现场热再生的配合比设计方法，并总结提出 了现场热再生的施工技术指南。 关键词现场热再生机理配合比施工工艺 ：| 七京丁业大学t 程硕l ：学位论文 a b s t r a c t h i g h w a yc o n s t r u c t i o nh a sb e e nd e v e l o p e dv e r yr a p i d l ys i n c et h e1 9 8 8 w h e nt h e r ew a saz e r ob r e a k t h r o u g hi no u rc o u n t r y m o s to ft h eh i g h w a y i sa s p h a l tp a v e m e n t h i g h w a yb u i l ti ne a r l yy e a r sh a sb e e ns u b j e c t e dt o v a r i o u sd e t e r i o r a t i o n sa n dw e a ra n dt e a rf o rf a i r l yal o n gt i m e ，a n d h i g h w a ym a i n t e n a n c ei s t h e r e f o r eav e r yi m p o r t a n tj o bi nh i g h 。c l a s s h i g h w a ym a n a g e m e n t g e n e r a l l yi ft h eb a s ec o u r s e r e m a i n si ng o o dc o n d i t i o na n dt h e p a v e m e n tm a t e r i a l sh a v en o tf u ll ya g e d ，t h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c ec a nb e r e s t o r e db ys it eh o t - m i xr e c l a m a t i o n a s p h a l tr e g e n e r a t i v et e c h n o l o g yi so n ei m p o r t a n tp a r to ft h es t r a t e g y o fs u s t a i n a b l eh i g w a yd e v e l o p m e n t i no u rc o u n t r y b e c a u s eo ft h e i m p e r f e c t n e s s i nt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n ta n dt h ei r r a t i o n a l i t yi n c o n t r o lt h e r ei sap o o re f f e c to fr e g e n e r a t i v et e c h n o l o g ya p p li c a t i o na n d t h e r e f o r ear e s t r i c t i o ni nt h el a r g e s c a l ep o p u l a r i z a t i o no fs i t eh o t m i x r e c l a m a ti o n s oiti sv e r yi m p o r t a n tt oh a v ear e s e a r c ho nt h et e c h n o l o g y a n da p p li c a t i o no f s i t eh o t - m i xr e c l a m a t i o nm e t h o d u s e d i na s p h a l t p a v e m e n tb u i l d i n ga tt h ep r e s e n t s t a g eo fo u rc o u n t r y t a k i n gt h ee v a l u a t i o na n da n a l y s i so fo l da s p h a l tp a v e m e n ta s a s t a r t i n gp o i n t ，w i t ht h ec o n s i d e r a t i o no ft h ef e a t u r e so fs i t eh o t m i x r e c l a m a t i o na n dt h et h e o r yo fo l i s p e r s a l ，b y as e r i e s o fs i m u l a t i o n t e s t s ，t h i sp a p e ra n a l i z e dt h ed i s p e r s a lb e t w e e no l d n e wa s p h a l t ，o l d n e w m i n e r a lf i r e sa n dr e c y li n ga g e n t ，s u m m a r iz e dt h ef a c t o r sw h i c ha f f e c t e d i t 。a n a l i z e dt h er e c i a m a t i o nr e g u l a t i o no fa s p h a l tb i n d e rb yt e s t i n gi t s t h r e em a j o ri n d e x e sa n dt e m p e r a t u r e s e n s it i v ei n d e xb e f o r ea n da f t e r r e c l a m a t i o n i na d d i t i o n ，d i s c u s s i o nw a sa l s o m a d er e g a r d i n gt o t h e r e c l a m a t i o np r o c e s sa n dh o tm i xd e s i g no nt h eb a s i so ft h eh o tr e c l a m a t i o n o ft h ee x p r e s s w a yp a v e m e n tb e t w e e nl u o h ea n dz h u m a d i a n k e yw o r d s s it eh o t m i xr e c l a m a t i o n m e c h a n i s m m i x i n gr a t i o c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：曼生：望釜 日期：2 q q 墨生1 2 目 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：墅垃导师签名：乏弓疏1 7 1j 朝：盟 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究意义 我国高速公路在1 9 8 8 年实现“零公里的突破后，历时2 0 年，到2 0 0 7 年 底i l j ，公路通车里程已突破3 5 8 万公里，其中高速公路通车里程超过5 万3 千 公里，在已通车里程中，沥青混凝土路面占7 5 以上。虽然高等级沥青路面的 设计寿命为1 5 年，但由于我国超限运输现象一直存在，以及其他一些客观原因， 实际情形【2 j 是多数沥青路面在运营后短的2 , - - , 3 年，长的8 , - - - , 1 0 年就需要进行大 面积的维修和改造，我国九十年代初期开始修建的许多高等级公路已逐渐出现 多种病害与不同程度破损，路面维护将成为高等级公路管理的一项重要内容。 目前，我国经济建设虽有了很大发展，但实力仍不雄厚，公路建设资金不 能满足公路交通运输事业迅速发展的需求。同时，国内生产的道路沥青供不应 求，供应量还不足需求量的3 4 ，而常规的沥青路面大修、重建等改造维护方 法，耗用大量新沥青及砂石等限量资源，占用较多的公路工程建设资金，已逐 渐影响到我国高等级公路的建设进程及现代化公路交通网的规划与完善。很多 情况下，沥青混凝土路面虽然出现了不太严重的车辙、低温收缩裂缝，或表面 由于行车磨损失去了应有的粗糙度，但面层材料并未彻底老化而且基层还仍然 坚实完好，出现了这些情况时，是没有必要将路面面层进行大修的，而只要在 表面加以修整就能恢复路面的使用性能。因此出现了就地修复沥青混凝土路面 的施工方法，它可以使旧沥青路面材料全部被重新加以利用。 旧沥青路面现场热再生技术是相对于厂拌再生而言的，是指对不能满足使 用要求的沥青混凝土路面废料通过各种措施进行处理后重新利用的技术，包括 对旧沥青混凝土路面进行翻挖、破碎、筛分，再掺入一定比例的新集料、新沥青、 再生剂等，利用移动式现场拌和设备进行加热拌和，形成具有预期路用性能的 沥青混合料，并重新铺筑成路面面层。沥青再生技术通过重复利用沥青混合料 ( 主要为砂石料和沥青材料) 达到节约资源和保护生态环境的目的。 国外很早就开始对沥青路面现场热再生技术应用进行了深入的研究。根据 美国已有经验，旧沥青路面现场热再生利用的旧料掺加比例为7 0 1 0 0 ， 费用节省为1 7 - - 5 0 。节省费用的多少与所用的机械水平、工艺方法以及旧 料利用率等密切相关。从欧美等发达国家沥青路面再生利用技术状况来看，他 们都特别重视沥青路面再生实用性的研究，在再生剂的开发以及实际工程应用 中的各种机械设备的研制方面都取得了很大的成就，j 下逐步形成一套比较完整 的沥青路面再生实用技术，并且达到了规范化和标准化的成熟程度。 国外的应用实践证吲3 1 ，沥青再生技术是公路建设可持续发展战略的重要 组成部分，但是现场热再生技术在国内应用起步较晚，技术不成熟，工艺不完 北京t 业人学t 秤颂i j 学位论文 备，控制1 合理等m 题制约着冉生效果，束缚丫就地热再生的大范幽推广，凶 此，针对沥青路面现场热再生方法进行技术及应用的研究，在我国现阶段具有 尤其重要的实际意义。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究、应用情况 国外对沥青路面再生利用的研究是1 9 1 5 年从美国开始的，1 9 7 3 年石油危 机爆发以后，对这项技术逐渐重视起来。目前，各国对沥青路面再生利用技术 的研究还在不断深入，在集料设计、再生沥青混合料设计、旧沥青及其混合料 再生机理以及再生沥青混合料性能等方面都有显著的成果，在有些方面的研究 结论已趋于一致：多数国家认为对新集料级配的要求同样适用于回收旧集料【4 】， 针对不同类型的再生沥青混合料级配类型，应相应的限制旧料的最大含量，及 其最大粒径尺寸；多数国家认为再生沥青混合料设计和普通沥青混合料设计相 同；对于旧沥青及其混合料再生机理，吕伟民等人【5 】考虑到不同性质的沥青的 沥青质密度的差异，以及软沥青质和稀释剂粘度的不同，提出采用“当量直径 指标来表征新、旧沥青及再生剂之间的相容性，为在再生过程中选用沥青及再 生剂提供依据；对于再生沥青混合料的性能，澳大利亚的国家沥青规范规定当 旧沥青材料的掺加量大于1 5 且小于3 0 时，热再生沥青混合料劲度模量增加 明显，应采取相应的组成设计措施。 1 9 9 7 年国际经济合作组织发表的道路工程再生利用战略白皮书显示， 主要发达国家的沥青路面再生利用率普遍在8 0 以上 日本从1 9 7 6 年开始对旧沥青路面材料进行再生利用，2 0 0 0 年再生利用率 已达到9 0 ，再生的热拌沥青混合料达4 0 0 0 万吨，占总路面沥青混合料应用 量的5 5 以上1 6 j 。 1 9 7 8 年，联邦德国沥青路面旧料回收利用率已接近1 0 0 ，并率先将再生 沥青混合料应用于高速公路的路面维护。在芬兰，几乎所有的城镇都组织进行 旧路面材料的收集和储存工作，以前再生沥青混合料主要用于低等级公路的面 层和基层，近几年已开始应用于重交通道路路面。法国也己丌始在高速公路和 一些重交通道路的路面修复工程中推广应用再生技术。欧洲沥青路面协会 ( e a p a ) 已通过互联网宣布，其成员国的旧沥青路面材料1 0 0 通过再生进行 重复利用。 从欧美等发达国家沥青路面再生利用技术状况来看，他们都特别重视沥青 路面再生实用性的研究，在再生剂的开发以及实际工程应用中的各种挖掘、铣 刨、破碎、拌和等机械设备的研制方面都取得了很大的成就，j 下逐步形成一套 比较完整的沥青路面再生实用技术，并且达到了规范化和标准化的成熟程度。 第l 章绪论 1 2 2 国内研究、应用情况 二十世纪5 0 到7 0 年代，我国曾在不同程度上利用过旧沥青材料，但一般 只用于轻交通道路、人行道或道路的垫层。1 9 8 2 年，交通部设立沥青渣油路面 再生利用课题，对沥青路面的再生机理、再生设计方法进行了研究。通过理论 研究，对沥青路面再生的本质有了一定的认识，并在此基础上初步建立起沥青 ( 渣油) 路面再生利用方法。 8 0 年代后期，我国开始进行大规模的新修公路建设，沥青路面再生利用技 术研究的深化与延伸基本处于停滞状态。9 0 年代中后期，我国早期建成的沥青 路面陆续进入大修或改建阶段，沥青路面再生利用技术重新引起广泛重视。新 近颁布的公路沥青路面养护技术规范已提及再生沥青混合料级配及技术标 准等相关内容。 目前，国内对于沥青路面再生的研究也已展开，并在再生剂的研发和再生 沥青混合料性能研究方面取得了显著的成果：东南大学交通学院【2 0 1 与常州化工 厂联合初步研制了a 型和b 型再生剂，是将轻油与所合成的增粘树脂混溶，以 形成一种稳定的高分子溶液。从沥青的三大常规指标及s h r p 性能指标试验看 来，掺加一定比例再生剂的再生沥青性能能够恢复到使用初的水平，推荐的掺 加率是a 型为7 1 5 ，b 型为5 1 2 ；东南大学交通学院江臣的已有 试验结论【2 8 】证明：处于最佳油石比状态下的再生混合料的高温稳定性与普通 沥青混合料的相比，没有明显变化；再生剂的加入能明显改善老化沥青混合 料的低温变形能力，提高低温抗裂性能；随着旧料掺配率的提高，再生料的劈 裂强度略呈下降趋势，破坏拉伸应变明显下降，而破坏劲度模量呈上升趋势； 随着旧料掺配率的提高，再生料的冻融劈裂强度比呈下降趋势，即水稳性下 降。再生沥青混合料比普通沥青混合料的抗老化性能要略差一点。 2 0 0 2 年3 月华北高速公路股份有限公司从德国维特根公司引进中国市场上 的第一套沥青路面现场热再生设备【2 9 】。该机组于2 0 0 2 年在京津塘高速公路上进 行现场热再生施工，这是我国第一次用进口的设备在高速公路上进行的路面再 生尝试。 可以看出，我国早期对旧沥青路面进行再生的研究和应用，仅限于当时的渣 油低级路面，方法也多为冷再生方法或是利用原有的厂拌设备进行再生施工，近 年来，随着国内陆续引进了多台就地热再生机组，并成功的运用于多条高速公路 的修复，就地热再生技术逐渐得到国内i 司行们的认可。但是，由于缺乏必要的理 论指导及合适的再生剂支持，所以没有形成指导性的标准及规范。如今，高等级 路面比重迅速增加，其中的沥青质量、集料质量都大大提高，相应的材料技术、 机械设备、施工技术、复合改性技术等也都有较大发展。故针对目前情况，研究 大掺量、高性能的沥青路面就地热再生利用技术是紧迫和可行的，并将为制订沥 北京丁q k 人学t 稃硕i j 学位论文 青路血见场热冉生利刚的技术标准和施规范提供依据。 1 3 课题研究的主要内容 1 3 1 研究背景 京珠高速由首都北京经石家庄、郑州、武汉、长沙、广州至珠海，是国道 主干线“五纵七横”中的主要交通枢纽，随着运营年限的增加，已有部分路段出 现了局部的泛油，拥包，龟裂，沉陷等多种病害，影响了行车速度和行车安全， 降低了道路的通行能力，给道路的正常运营造成了很大的影响。课题以京珠高 速河南省郑漯段、漯驻段的旧路养护工程为依托，采用现场热再生技术进行京 珠高速沥青路面的大修。 本课题配套设备使用芬兰卡罗泰康( k a l o t t i k o n eo y ) 公司生产的热 再生机组，主要包括两台加热机( e c o h e a t e rk a p h8 s p ) 和一台再生主机 ( r o a d m i xk r m 2 0 0 0 r s ) ，其主要工作性能如下： 加热机( e c o h e a t e r ) ：每台加热机采用1 8 个燃油喷嘴，加热总功率8 兆瓦，工作耗油量为6 0 0 - 9 0 0 l h ，加热宽度3 1 0 0 - - - 5 0 0 0 n u n ，工作速度2 1 2 m m i n ，遥控无级调速。 再生主机( r o a d m i x ) ：工作速度0 1 0 m m i n ，行驶速度o 5 k m h ，铣刨宽 度2 5 0 0 - - - 4 5 0 0 m m ，铣刨深度0 , - - , 8 0 m m ，搅拌1 5 0 t h ，熨平板i 工作宽度2 5 0 0 一- 4 5 0 0 删，熨平板ii 工作宽度2 5 0 0 - - 一4 7 0 0 m m ，沥青喷洒5 5 - - 6 6 l m i n ，工作耗 油量7 5 l h 。 1 3 2 主要研究内容及技术路线 本课题研究的主要内容： ( 1 ) 对现场热再生关键技术的适用条件进行分析研究，提出现场热再生的 适用条件。 ( 2 ) 对沥青路面再生机理和沥青胶结料再生规律进行分析研究，总结影响 再生效果的因素，提出保证沥青再生成功的条件。 ( 3 ) 对现场热再生沥青混合料的配合比设计方法进行探索，提出再生沥青 混合料的配合比设计方法。 ( 4 ) 分析研究施工工艺对热再生混合料性能的影响，提出现场热再生施工 技术指南。 项目研究的技术路线： ( 1 ) 现场热再生关键技术的适用性分析 现场热再生方法有一定的适用条件，其工程适用性必须明确，以利于现场 热再生方法有效的应用。本课题将从结构承载能力、路面破损状况、旧路材料 性能、交通组织等方面进行分析。 第l 章绪论 ( 2 ) 沥青路面再生机理的研究 本课题尝试从扩散理论入手，通过分析新旧沥青、新旧矿粉和再生剂之间 的混溶扩散作用，总结影响混溶效果的因素，提出保证沥青再生成功的关键条 件。 ( 3 ) 沥青胶结料再生规律分析 沥青路面再生的首要问题是旧沥青胶结料的再生利用，只有深入的了解胶 结料再生的困难并解决它，才能顺利的进行下一步的工作。根据旧沥青的老化 状况，可使用专用再生剂进行旧沥青性能的恢复，也可使用新沥青进行调和， 或者结合两种方式进行旧沥青性能的恢复。本课题使用三大指标和感温指标对 再生前后胶结料物理性能进行检测，分析其变化的规律。 ( 4 ) 再生沥青混合料的配合比设计 再生沥青混合料使用的材料相对较多，因而其配合比设计比常规新沥青混 合料的配合比设计复杂很多，但马歇尔设计方法的总体思路还是基本类似的， 本课题将结合京港澳高速许漯段和漯驻段现场热再生工程配比设计的数据予以 说明，并进行分析研究。 ( 5 ) 工艺对热再生混合料性能的影响 目前国内还没有系统的研究现场热再生工艺的特殊性，因而导致许多再生 工程效果未能达到预期目的，极大的限制了再生技术的潜力。本课题将着重从 加热操作和再生机组运行速度两方面进行探讨。 ( 6 ) 沥青路面现场热再生施工技术指南 现场热再生工艺在国内因其施工准备和控制工艺还不成熟，许多具体的施 工细节问题需要分析和研究，本课题通过试验路铺筑过程的总结，吸取国外现 场热再生的施工经验，提出现场热再生施工技术指南。 北京下q 2 人+ t 秤硕j j 学位论文 第2 章现场热再生方法的适用性分析 沥青路面现场热再生( h i r ) 工艺是对旧沥青混凝土路面就地翻挖、破碎、 筛分，再掺入一定比例的新集料、新沥青、再生剂等，利用移动式现场拌和设备 进行加热拌和，形成具有预期路用性能的沥青混合料，并重新铺筑成路面面层， 以提高现有道路性能。根据所用施工工艺不同，h i r 分为表面再生、复拌与重 铺三类： 表面再生：就是用加热机加热并软化沥青路面，然后翻松路面达一定处 理厚度，按需要添加再生剂，充分拌和松散的再生混合料，最后整平摊铺碾压。 复拌再生是在表面再生方法的基础上，按需要加入新集料、新沥青和再 生剂，充分拌和上述混合料并均匀的摊铺成一层的h i r 法。 重铺法就是进行表面再生或复拌再生的同时，铺设一层新h m a 加铺层， 而且表面再生层或复拌层与h m a 加铺层一起碾压成型。 不同的h i r 工艺有其各自的适用条件，因此，h i r 技术运用之前需要进行 详细的工程分析。 2 1 原路面结构的调查分析及承载能力评价 2 1 1 原路面结构的调查分析 现有道路结构层厚度和沥青面层的厚度的影响。h i r 通常要求沥青路面的 最小厚度为7 5 m m ，如果h i r 处理厚度是5 0 m m ，且沥青面层小于7 5 m m ，则下卧 沥青路面的部分基层结构在h i r 过程中可能被翻松，影响拌和与摊铺施工。此 外，在施工过程中也需要足够的道路结构层厚度以承受h i r 设备。 沥青路面上面层的厚度的影响。如果上面层厚度和h i r 处理厚度接近，水 分就有可能停留在原路面层与再生层之间，因而处理厚度要大于沥青路面上面 层厚度，保证层间连结紧密。 橡胶或橡胶封层的影响。在配合比设计过程中需特别注意面层中是否存在 橡胶或橡胶封层，橡胶或橡胶封层对h i r 和碾压设备的橡胶轮胎有高粘附性， 它将对施工带来一些困难，。 碎石封层、稀浆封层、微表处、封缝和热塑塑胶类的影响。表面处治、封 缝和热塑塑胶类标线可加入到h i r 混合料中，但需在配合比设计过程中加以考 虑。这些材料会影响再生剂类型、外掺料及掺加率的选择。 2 1 2 路面结构承载能力评价 道路结构承载能力评价需结合维修设计年限内的预期交通量进行，通常， h i r 工艺要求至少7 5 r a m 的现有沥青路面厚度以确保工艺成功。如果现有路面 结构承载力需要补强，则需使用常规道路设计方法确定补强厚度，道路存在大 第2 帚现场热再生方泫的实用件分析 范围结构失效将不适合选用h i r 。若现有道路结构承载力足够满足预期交通量 的话，则可采用三种h i r 工艺中的任一种进行处理【2 3 2 4 1 。 ( 1 ) 所需补强厚度小于2 0 m m 的h m a 路面，可用重铺工艺或采用表面再 生( 复拌再生) 与随后的薄h m a 加铺层予以处理。 ( 2 ) 如果补强厚度大于2 0 m m ，小于5 0 m m ，可对重铺法进行进一步评价， 也可考虑采用表面再生或复拌再生，但需结合随后的薄h m a 加铺层一起使用。 ( 3 ) 所需补强厚度大于5 0 m m 时，应使用其它维修方法处理，如复合维修 方法、分期维修或h m a 加铺层等。 2 2 路面破损状况评价 由于h i r 并不可以处理所有的形式的路面病害，而且三种h 1 r 工艺都有各 自的适用条件，因此h i r 施：i ：- f i ；f 需进行详细的路面破损评价2 3 1 ，以确定需要 维修路段的破损类型、程度和频度。 h i r 技术通常可以用来处置表面缺陷、搓板现象、表面车辙、深度达到5 0 m m 的径向和滑移裂缝。h i r 以沥青路面面层为施工对象，因此当路面损坏涉及到 基层以下时，就地热再生方法原则上不适用。 大修或频繁修补将增加路面材料的变异性或降低现有材料的均匀性，这将 影响h i r 混合料的一致性。对于大范围的修补可能需要对修补区进行专门的配 合比设计，因为它们通常具有与原路面完全不同的材料。 表面再生工艺中，如果现有道路易磨光，h 1 r 道路也会易磨光，除非随后 加铺非磨光性的h m a 。复拌工艺中，通过合理选择外掺集料类型和掺加率，道 路的易磨光性可以减少。重铺工艺中，再生层之上将加铺新h m a 加铺层，加 铺层的集料应专门选择以便具有抵抗磨耗的能力。 深的车辙，通常是指大于预期h i r 处理厚度的约1 2 ，将影响所用h i r 工 艺的类型。如果车辙是磨损性车辙，则所有三种h i r 工艺皆可用。对失稳性车 辙，可选择复拌和重铺工艺，通过选择合适的再生剂和外掺料来加以纠正。当 出现少量结构性车辙时，如果整个加铺层厚度足以保证路面结构强度，可使用 重铺法。 2 3 旧路材料性能评价 2 。3 1 取样方法 以道路的历史信息和路面评价的结果为依据，以材料或性能要素将再生工 程整体分成不同区域或段落，分别制定现场取样计划，使用固定间隔或随机取 样的方法，确定现场取样点。现场取样可采用钻芯的方法，也可使用块状( 锯 块) 取样的方法。 北京t 业人学t 稃硕l j 学位论文 h l r 工艺中，沥肯路面在翻松或铣刨操作前将被加热腼变软，凶此矿料级 配的退化问题将会好转很多，因而现场取样不能用小型铣刨机冷刨取得，因为 如此取样所得集料的级配退化情况将非常大。但在t t i r 施工过程中，肯定有部 分粗集料被铣刨而细化，而细集料进一步细化的程度较小，虽然钻芯或锯块的 方法不能完全反映再生过程中旧料的级配状态，但并不影响旧料中的沥青性质 和集料性能，而局部的级配细化现象可以通过试铺后的再生混合料情况进行再 次微调。 取样时必须考虑到h i r 的处理厚度，由于沥青路面面层可能不只一种结构 和材料，各层的组成材料当然各不相同，因而在取样后必须在实验室内对试样 进行进一步的分离，对需要进行热再生厚度内的旧路材料进行分析和评价。 因为不同层次的旧料所含的旧沥青性能会有所不同，所以回收沥青所用的 旧料一定要是混合均匀的旧料，这样回收的旧沥青性能才能比较真实的反应出 整个油面中旧沥青的性能。对不同批次回收的沥青进行性能试验时也要经过多 次试验，有时可能会离散性比较大，这时应经过适当的数据处理。特别是旧沥 青的针入度指标尤为重要，因为在配合比设计中再生剂掺量的选择上，我们将 以此为主要依据。 现场取样的频率随工程规模、相似材料或性能区域的大小和现有材料差别 而变化。通常，小的均匀区域取样点为3 , - - , 5 个，大的不均匀区域为2 0 个或更 多。取样频率大约是每车道每1 千米一个点。每个现场取样点钻芯的数量将取 决于现场取样点数量，室内试验的数量和随后的h i r 配合比设计是否需要取样。 如果进行5 点马歇尔配合比设计，通常共需1 8 2 0 个芯样，或大约4 0 千克的 材料。 2 3 2 评价指标 取样后应仔细检查，观测是否存在不同的道路结构层次、表面处治、夹层、 土工织物、路用纤维、专用混合料、剥落迹象、易碎或已经碎裂混合料、多余 的水分滞留和任何分层趋势。应记录观测情况，留下照片资料，按预期的h i r 处理厚度修整样块，然后对代表性样品进行室内试验以确定以下性能： ( 1 ) 旧混合料的毛体积密度和现场含水量 采用表干法或水中重法等密度试验方法对芯样进行测试，确定旧料的毛 体积密度，以备配合比设计使用； 1 日料的现场含水量对于就地热再生的加热效率影响很大。测试1 日料现场 含水量指标时，取样过程中不能用水进行冷却，应采用于钻法，此时为保护钻 头，可先用干冰约3 k g 放在取样位置上冷却路面约l 小时，钻孔时通以c o ：等冷 却气体代替冷却水。 ( 2 ) 旧沥青含量确定与性能评价 第2 章现场热再乍方法的实用性分析 旧沥青是再生沥青混合料胶结料的重要组成部分，其含量大小与性能特点 对再生混合料的性能和就地热再生加热效果影响非常大。国内通常采用离心抽 提法确定旧料的油石比，再通过阿布森回收试验回收旧沥青，并测定针入度、 延度、软化点等指标，用于评价旧料的老化程度以及配合比设计。日本1 9 8 8 年 发行的路面就地热再生技术指南中规定，采用复拌再生的旧路面沥青针入度应 在2 0 以上。由于针入度是基质沥青分级与设计指标，故对旧沥青来讲，针入度 乃是主要评价指标。 下表2 1 是江苏宁连公路马武段段回收旧料抽提沥青的技术指标。 表2 1 同收旧沥青的技术指标 针 入 度软化点延度1 5 粘度6 0 沥青品种 2 5 0 1 m m c m p a s 老化沥青 3 5 4 25 7 5 “1 52 洲4 2 m 4 5 0 a h 7 0 规范要求 6 0 8 04 4 5 4 l o o 可以看出，同基质新沥青相比，老化沥青在流变指标上表现为针入度降低、 软化点提高、延度减少、粘度增大，明显趋于老化。 ( 3 ) 旧矿料级配与性能评价 旧矿料在再生混合料中贡献的依然是级配和强度，所以应了解车辆荷载、 环境气候作用多年后旧矿料性状变化情况，判断其再生适用性。 级配特征 旧矿料的级配情况直接影响到其作为路面结构层的适用性，并制约了就地 热再生混合料的级配范围，国内通常采用离心分离法抽提沥青后，检测剩余的 矿料级配( t 0 7 2 5 2 0 0 0 ) 。 矿料性能 将旧料进行抽提后，进行各项常规性能的检测，通常需检测以下指标：压 碎值、洛杉矶磨耗损失、视密度、吸水率、粘附性、细长扁平颗粒含量等。 在以上的各项性能检测试验中，最关键也是最复杂的就是确定回收沥青的 性能指标，由于现有规范方法的不足，导致很难准确的测定旧沥青性能，因而 本课题将对规范方法予以改进，提出优化的沥青抽提回收方法。 2 4 交通控制评价 h i r 方法可以显著节省修复时间，也就特别适合于繁忙的公路或街道，因 为这些道路中断交通时间不能太长： h i r 工艺由于比传统道路维修方法工期要短，从而使得交通中断和用户不 便最小化。为进一步减少交通中断，h i r 也可在晚上或避开高峰期进行。 依据现有道路宽度，h i r 操作将占用h i r 施工区域内5 4 3 2 车道。对于 狭窄道路，需要解决米往车辆的通行能力。 对于两车道道路，需保留通过施工区域的单行交通，应准备合适的交通控 制方案，如旗工、车道划分标志和疏导交通标线( 常用交通控制方案见图2 一1 ) 。 非常狭窄的两车道道路增加了交通调节困难，尤其是只有少许或没有路肩的道 路。 城市环境下，交叉路口和商业通道也需要进行交通控制。由于h i r 工艺速 度快，交叉路口和通道中止服务时间不长，通常用旗工或车道划分标志来控制。 交管人员每天必须提前拟定作业路段，确定养护作业的交通控制区，按道 路养护规范及公安、路政部门的相关规定配齐提示标、减速标、转向标、警示 标和锥形标等，同时在保护区的前端增设标志车灯，保证运行正常。 h i r 施工前进方向应尽量采用顺向作业，即与车流前进方向相同。一般需 要封闭两个车道的交通，一个车道为再生作业车道，另一车道供施工人员和施 工辅助设备使用。作业结束待路面冷却后，交管人员应逆车流方向拆除标志标 牌。 匿_ 0 ；量i ij ：_ i ：0 ：；0 西i ：- i i 中央分割带：- ：。? ? ：i ? ：? ：豢；i ；：! _ i i ：? 一j j 超车道嘲 爷鞘- f缫 警告区上游过渡区缓冲区作业区下游过渡区终止区 紧急停靠带 2 5 本章小结 ( 1 ) 根据所用施工工艺不同，就地热再生技术可细分为三类：表面再生、 复拌再生与重铺再生，不同的工艺有其各自的适用条件，因此，就地热再生技 术运用之前需要进行详细的工程分析。 ( 2 ) 旧沥青路面整体路用性能的评价主要集中在：原路面结构的调奄及分 析、路面破损状况的评价以及路面结构承载能力的评定。原路面结构的调查及 分析主要通过查看道路的设计文件、施工文件和养护记录，收集相关路段的材 料组成和结构厚度资料。破损与承载力的评价主要通过现场检测和专家评估来 进行。 第2 章现场热再生方法的实用件分析 ( 3 ) i t j 路材料性能的评价是通过对规范规定的抽提回收沥青方法予以改 进，结合正确的取样方法，对旧沥青路面材料进行相关指标的测试。 ( 4 ) 现场热再生技术能否顺利应用还需要考虑交通控制方案进行评定。 北京- v 业大学t 召顺t j 7 ：位论文 第3 章沥青路面再生机理的探讨 旧沥青路面的再生是通过旧沥青胶结料的再生和旧骨料的再生来实现的， 乓中起主要作用的是旧沥青胶结料的再生，是影响旧沥青路面再生质量的最基 謇的环节。本章着重基于扩散理论，分析再生剂与旧沥青之间的扩散机理，并 恿过模拟试验分析旧沥青和旧矿粉在热再生过程中的扩散转移情况，来阐述现 历热再生的原理和工艺。 1 1 再生剂的分类 1 1 再生剂的分类 再生剂是一种碳氢化合物，可以将老化沥青胶结料恢复至满足现行沥青规 范的要求。目前常用的再生剂可以归纳为以下三种类型： ( 1 ) 专用沥青再生剂 主要用于老化的针入度很低的沥青胶结料，或者再生混合料中掺加回收沥青 混合料的比率超过5 0o 6 0 的情况，能够较为有效地解决油分挥发性强以及再生沥青 相容性差的问题。 本课题共使用了三种专用再生剂：分别是o pr o a d p o w e r9 0 0 ( r 9 0 0 ) 、o p r o a d p o w e r11 0 0 ( r 11 0 0 ) 、北京华宇再生剂( r b j ) 。 ( 2 ) 软沥青 美国再生指南( 2 3 j 认为如果再生沥青混合料中的总胶结料含量需要增加，并 且再生剂与老化沥青混合后的沥青胶结料满足满足要求时，可以使用较软的沥 青作再生剂。本课题使用兰炼1 3 0 # 沥青( l - 1 3 0 ) 作为软沥青。 美国再生指南指出在老化沥青的性能仍保持良好或旧沥青掺加比例小于1 5 时，才可利用软沥青作为再生剂，才能通过掺加新沥青调和出符合性能要求 的再生沥青。 ( 3 ) 低粘度的油分 沥青的粘度随着沥青老化程度的增加逐渐增大，从单纯降低旧沥青粘度的 角度出发，较为有效的方法是直接向其中加入低粘度的油份。但是，已有的研 究发现：轻质油分在自然界风、热、光等的作用下极易挥发，加入的油分并不 能长期稳定的存在于沥青中，只能短期地改善混合料的性能；并且，加入过量 的油分，会加快油分一胶质一沥青质这一不可逆化学反应的进程，反而加速了 混合料的老化；最后，由于油分与沥青质的溶解度参数相差较大，油分的加入 仅是机械性的加入，虽能起到降低老化沥青粘度的作用，并不能保证形成稳定 的高分子浓溶液。所以，用轻油再生的旧沥青混合料其自身的抗老化性能较差， 再生后的路面有效服务期较短，达不到真正再生的目的。 第3 苹沥青路面再生机理的探讨 现在国内基本没有这种再生剂品种，本课题通过查阅大量资料，通过将柴 油和机油按6 0 ：4 0 比例混合( r f y ) 合成了一种轻油型再生剂。 3 1 2 再生剂的指标标准 品质良好的再生剂应具有适当的粘度、良好的流变性质、足够的芳香烃含量、 较低的薄膜烘箱试验粘度比、较高的闪点和燃点。很多国家都对再生剂的指标和 标准提出了要求，但相互之间仍有一定的差异，这是各国沥青材料、再生剂类型 和施工工艺的差异造成的。 ( 1 ) 我国早期提出的再生剂指标建议值【5 】 表3 1 再生剂推荐技术指标 技术粘度 流变指数芳香烃表面张力薄膜烘箱试验 指标 2 5 ( p a s )2 5 含量2 5 c ( 1 0 。)粘度比( 后前) 建议值0 0 l 一2 0 0 9 0 3 0 3 6 1 9 0 2 0 0 3 2 再生剂扩散机理分析 3 2 。1 扩散概念 扩散是随机的分子布朗运动而导致的物质转移，可以发生在气体、液体和固 体中。沥青再生过程中的各种胶结料的互溶就是沥青胶结料扩散的结果。 沥青再生过程中胶结料之间通过扩散而混溶是一个复杂的过程，通常只能进 行间接的分析，即使仅考虑胶结料之间组成的系统( 将集料排除在外) ，观测再 生剂扩散进入沥青的过程也是相当困难的。 总结国外已经完成的对沥青热再生中扩散问题的研究成果【2 ，可发现他们所 采用的方法可以分为两类：一是通过标记其中一种胶结料来进行观测，另一种是 通过寻找两种胶结料之间的可识别差异来开展研究。 影响沥青再生过程中胶结料的混溶状况的因素很多，主要有以下几方面： 机械故备的拌和效率，机械拌和效力义受到多种凶素的影响：例如拌和机 械类型、拌和温度、拌和时问、胶结料的粘度和混合料类型等； 再生剂的扩散能力，再生剂的扩散可以使得再生胶结料变得均匀； 胶结料之间的兼容性，例如溶解度参数和分子重量分布，胶结料之间的兼 容性是构成均匀稳定胶结料的必要条件，并主要依赖于分子间联系的自然特性和 分布。 3 2 2fic k 定律 描述扩散问题的数学模型通常有两类，第一类是费克( f i c k ) 定律使用的扩 散系数，简称扩散模型：第二类使用一种可逆速率常数的传质系数，简称传质模 型。由于扩散模型发展的较为成熟，所以本课题使用f i c k 扩散模型进行沥青热再 生过程中物质的扩散混溶分析。 混合物中不同成分的分布存在浓度梯度时，则会发生分子扩散。f i c k 定律假 设研究对象整体具有统一的压力和温度，并使用一种简化的微分方程描述扩散过 程，其守恒方程如下： ! 一o c ：4 冀- i 三丝堡1 ( 3 。1 ) a i 勿2么瑟瑟j 式中：c 浓度 t 时间 z 啦置 d 扩散系数 a 扩散发生的截面积 当面积a 为常数时，就成为一维非稳态扩散的基本方程： 一a c ：d 丝 ( 3 2 ) 西 岔 f i c k 定律中的一个重要概念就是扩散系数。估算扩散系数d 的最常用方法是 s t o k e e i n s t e i n 公式，它非常有助于理解影响扩散系数的各种因素，其数学表达式 如公式3 3 ： d ：一k b t ：上巴 ( 3 3 ) f 6 7 础。 式中： k b 波尔兹曼常数( 1 3 8 0 7 x1 0 之3 j k ) t 绝对温度 f 溶质的摩擦力 第3 荦沥青路面再牛秽【理的探讨 p 溶剂粘度，在本研究中，溶剂就是沥青胶结料 舶溶质分子半径，在本研究中，溶质就是再生剂 从公式3 3 可以看出，扩散系数随着界面温度的升高、溶剂粘度降低，溶质 分子半径减小而增大。由此可以推测，在现场热再生工程中，提高拌和温度，降 低再生剂或新沥青的粘度，对新旧沥青相互之间的渗透、扩散非常有利。 3 3 再生剂对旧沥青的扩散 3 3 1 影响扩散效果的因素 依据国外研究成梨2 l 】并结合扩散理论公式的推导，可以认为温度、再生剂 性质和沥青性质是影响沥青热再生中再生剂扩散能力的三个重要因素。 ( 1 ) 温度对扩散的影响 温度对扩散效能的显著影响是源于温度变化影响了沥青的粘度，从而导致沥 青性质的改变( 由固态变为液态) ，其效果远远大于分子布朗运动能量增加对扩 散的影响。 ( 2 ) 再生剂性质对扩散的影响 由于各种再生剂的组成各不相同，其在沥青中的扩散能力自然差别很大。 若想研制高效、迅速和稳定的再生剂，就必须首先了解再生剂的哪些性质影响 其扩散性能。总结已有研究成果并结合理论分析，可发现再生剂分子( 团) 的分 子量、形状和极性对其扩散速度影响都很大。 ( 3 ) 沥青性质对扩散的影响 研究表明可溶质的粘度控制着扩散速度，因此沥青老化对扩散过程并没有 显著的影响，并推荐使用可溶质的粘度来预测扩散系数。但是如何准确的界定 可溶质和沥青质仍在争论之中，这样就无法确定提取可溶质的方法并测定其粘 度。 3 3 2 再生剂扩散模拟试验 ( 1 ) 试验方法 课题利用常规沥青设备，通过针入度值的定量变化来定性的反映温度、再生 剂品种对扩散的影响。详细的试验方法如下： 首先定量称取4 份老化沥青( 4 0 9 ) 于4 个针入度试模内，待到沥青冷却后， 再分别添加相同重量的再生剂( 7 9 ) ，并使液面低于针入度试模的侧壁，这样就 简单的模拟了热再生时老化沥青及其表面的再生剂膜的状念，如下图3 1 。 将针入度试模放入指定温度( 室温2 5 * ( 2 、中温1 0 0 和高温1 6 0 。c ) 的烘箱 内保温统一的时间( 3 h ) ，让再生剂自由扩散进入沥青内部，到达指定时间后打 开烘箱门冷却试样至室温。 北京t 业火学t 稃硕i j 学化论：之 墩出试模，