瀝青路面乳化瀝青冷再生關(guān)鍵技術(shù) 節(jié)選

第1章緒論 1.1背景 截至2019年末，我國公路總里程達(dá)到501.25萬km，其中高速公路里程長達(dá)14.96萬kmW。瀝青路面的設(shè)計(jì)壽命一般為10～15年，目前已有大量的瀝青路面接近或達(dá)到設(shè)計(jì)壽命，亟須采取瀝青路面大修或重建等養(yǎng)護(hù)措施。總體來看，目前我國道路交通發(fā)展正由“建設(shè)為主”轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖B(yǎng)并舉”的發(fā)展模式。據(jù)測算，我國每年產(chǎn)生的廢舊瀝青混合料將會超過0.6億t。如此數(shù)量龐大的廢舊瀝青混合料，不但占用大量土地，而且污染環(huán)境。另外，瀝青路面養(yǎng)護(hù)經(jīng)費(fèi)缺口較大，同時優(yōu)質(zhì)集料的匱乏也嚴(yán)重制約了公路建設(shè)，導(dǎo)致公路建設(shè)中資源與環(huán)境問題日趨嚴(yán)峻。 在國務(wù)院印發(fā)的《“十三五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》中，廢舊路面材料的綜合利用被列為推進(jìn)資源集約節(jié)約利用重點(diǎn)領(lǐng)域；規(guī)劃同時將廢舊路面材料再生利用作為綠色養(yǎng)護(hù)共性關(guān)鍵技術(shù)列入重點(diǎn)發(fā)展規(guī)劃。《“十三五”公路養(yǎng)護(hù)管理發(fā)展綱要》要求大力發(fā)展和推廣綠色養(yǎng)護(hù)，并明確提出了“高速公路、普通國省道廢舊路面材料回收率分別達(dá)到100%、98%，循環(huán)利用率分別達(dá)到95%、80%以上”的發(fā)展目標(biāo)。中共中央、國務(wù)院于2019年9月印發(fā)《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》，其中第七條明確提出“綠色發(fā)展節(jié)約集約、低碳環(huán)保”的要求，要“促進(jìn)資源節(jié)約集約利用 推廣施工材料、廢舊材料再生和綜合利用”。 因此，在瀝青路面大修養(yǎng)護(hù)中，科學(xué)高效地再生利用廢舊浙青混合料（reclaimed　asphalt　pavement，RAP），對促進(jìn)公路交通的資源循環(huán)利用以及可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，已成為高等級路面大修中的熱點(diǎn)問題。其中，冷再生技術(shù)相較于現(xiàn)在發(fā)展成熟的熱再生技術(shù)，大幅提升了再生利用率，在實(shí)際工程中能夠再生利用70%以上的RAP料，而且粗細(xì)集料都能大比例投入再生利用，同時該技術(shù)中混合料全程在常溫下完成再生，真正實(shí)現(xiàn)了資源集約的發(fā)展模式，是降低路面維修養(yǎng)護(hù)成本并節(jié)約資源的更為高效的策略。 1.2冷再生技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展 瀝青路面再生技術(shù)，是將原有的路面材料以不同方式加以再生或重復(fù)使用的一種路面維修養(yǎng)護(hù)技術(shù)。根據(jù)再生工藝的不同，美國瀝青再生協(xié)會（ARRA）將再生技術(shù)分為5種不同的類型：廠拌熱再生、就地?zé)嵩偕S拌冷再生、就地冷再生和全深式再生[2]。我國現(xiàn)行《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTGF41—2008）中也沿用了上述分類方法[3]，其中冷再生是指通過對舊瀝青路面的銑刨、破碎、篩分，使其成為再生集料，并按一定比例添加新集料，以乳化瀝青或泡沬瀝青、水泥等為膠結(jié)料進(jìn)行常溫拌和鋪筑的一種路面再生形式[4]。圖1-1所示為乳化瀝青冷再生混合料以及攤鋪?zhàn)鳂I(yè)施工現(xiàn)場。使用冷再生技術(shù)進(jìn)行瀝青路面養(yǎng)護(hù)的主要優(yōu)勢[5]包括： （1）循環(huán)利用不可再生的石料資源； （2）減輕廢舊瀝青料處理問題，保護(hù)環(huán)境； （3）相較于其他養(yǎng)護(hù)手段更節(jié)約能源； （4）修復(fù)路表裂縫，消除車轍、坑槽以及松散等病害； （5）不影響土基層和基層路面材料； （6）保持現(xiàn)有路面的線型和標(biāo)高，糾正路面縱橫向坡度； （7）選擇合適的新集料以及膠結(jié)料可以修復(fù)現(xiàn)有路面級配、膠結(jié)料等問題； （8）提高路面平整度以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度； （9）養(yǎng)護(hù)施工期短，縮短施工期交通封閉時間； （10）節(jié)省養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。 美國*早在1915年開始試驗(yàn)瀝青路面材料再生技術(shù)，但當(dāng)時大規(guī)模的新路建設(shè)導(dǎo)致這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)展緩慢；直到1973年全球石油危機(jī)爆發(fā)以后，瀝青路面養(yǎng)護(hù)與再生技術(shù)才逐漸被重視起來，并迅速在全美推廣應(yīng)用，且在全球范圍內(nèi)引發(fā)廣泛研究[6]。至1987年，美國已有24個州應(yīng)用乳化瀝青就地冷再生技術(shù)，5個州建設(shè)了冷再生試驗(yàn)路，主要應(yīng)用在郡縣級公路（31%）、次等級高速公路（31%）以及城市道路（19%），高等級高速公路以及州際高速公路僅占比12%和7%，且絕大部分（95%）都是應(yīng)用在路面基層。20世紀(jì)90年代開始，美國開展了大規(guī)模的冷再生路段試驗(yàn)。1996年，艾奧瓦州鋪設(shè)了97條就地冷再生路段，其中的18條路段被用來評估路面使用性能的影響因素，包括路齡、地理位置、交通量、瀝青罩面層特性以及路基條件等，并在US-20號公路上試驗(yàn)研究了泡沬瀝青的配合比設(shè)計(jì)方法西歐國家也十分重視這項(xiàng)技術(shù)。德國是*早將再生料應(yīng)用于高速公路路面養(yǎng)護(hù)的國家，1978年就將全部廢棄瀝青路面材料加以回收利用。芬蘭幾乎所有的城鎮(zhèn)都組織舊路面材料的收集和儲存工作。法國已在高速公路和一些重交通道路的路面修復(fù)工程中推廣應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)。 日本從1976年開始進(jìn)行再生瀝青混合料應(yīng)用技術(shù)的研究，1980年廠拌再生瀝青混合料累計(jì)達(dá)50萬t；日本道路協(xié)會于1984年出版了《路面廢料再生利用技術(shù)指南》，并且就廠拌再生有關(guān)技術(shù)編成了手冊，極大地推動了路面再生利用技術(shù)的發(fā)展；到2002年再生瀝青混合料已達(dá)4167.1萬t，占全年瀝青混合料產(chǎn)量的54.77%，極大地節(jié)約了材料、投資，并有效保護(hù)了環(huán)境。 縱觀發(fā)達(dá)國家的瀝青路面再生利用技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，可見其特別重視再生技術(shù)的實(shí)用性研究，并取得了很大的成果，已經(jīng)形成一套比較完整的再生技術(shù)，達(dá)到了規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的程度，但世界上對于瀝青路面再生技術(shù)還沒有統(tǒng)一的規(guī)范。在我國，瀝青層的就地冷再生主要應(yīng)用于高速公路，而瀝青層和基層一起進(jìn)行的全深式冷再生通常應(yīng)用于普通公路，并且二者在原材料品質(zhì)、路用性能以及工程目的等方面差異較大。表1-1中是我國應(yīng)用冷再生技術(shù)的典型工程案例。 當(dāng)前，在世界范圍內(nèi)來看，乳化瀝青冷再生混合料僅用于基層或者應(yīng)用于低交通等級道路。在我國，乳化瀝青冷再生混合料已開始在高等級路面的下面層進(jìn)行了較大規(guī)模的應(yīng)用。隨著節(jié)能減排與資源循環(huán)利用意識的不斷增強(qiáng)，冷再生技術(shù)的應(yīng)用由路面較低的結(jié)構(gòu)層次向較高的結(jié)構(gòu)層次拓展是必然的趨勢，也是實(shí)現(xiàn)RAP高效再生的重要途徑之一。 1.3冷再生關(guān)鍵技術(shù)理論研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 歐美等發(fā)達(dá)國家重視再生實(shí)用性的研究，在再生劑的開發(fā)以及實(shí)際工程應(yīng)用中挖掘、銑刨、破碎、拌和等機(jī)械設(shè)備的研制方面都取得了很大的成就，正逐步形成一套比較完整的再生實(shí)用技術(shù)，并且達(dá)到了規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的程度，但對瀝青再生機(jī)理的理論研究較少。 目前，冷再生結(jié)構(gòu)層多用于路面基層或者瀝青層下面層，當(dāng)前的發(fā)展趨向于應(yīng)用在更高的結(jié)構(gòu)層，這就對冷再生混合料的性能提出了更高的要求。乳化瀝青冷再生混合料的路用性能與普通瀝青混合料存在明顯的差距。近年來，已有研究開始關(guān)注與提高冷再生混合料的使用性能，進(jìn)一步提高其應(yīng)用層位[13]。國內(nèi)外研究人員針對提髙冷再生混合料的抗水損害性能、抗車轍性能及耐久性等方面開展了大量的研究。其中，冷再生混合料強(qiáng)度是研究的重點(diǎn)及熱點(diǎn)問題，也是其應(yīng)用中*重要的力學(xué)指標(biāo)；在強(qiáng)度機(jī)理方面，國內(nèi)外研究人員側(cè)重關(guān)注養(yǎng)生時間及冷再生混合料的宏觀性能變化規(guī)律。一般認(rèn)為，水泥在冷再生混合料中能夠促進(jìn)乳化瀝青的破乳，同時水化產(chǎn)物能夠提高內(nèi)摩擦力，從而提高混合料的早期及后期宏觀強(qiáng)度，其中養(yǎng)生溫度、含水率都對早期強(qiáng)度有著重要的影響，而較多的水泥會加大冷再生混合料的開裂風(fēng)險(xiǎn)。 傳統(tǒng)的瀝青混合料設(shè)計(jì)基本上采用宏觀試驗(yàn)研究的現(xiàn)象學(xué)經(jīng)驗(yàn)方法，忽略了浙青混合料內(nèi)部的空隙、浙青膠漿和集料的力學(xué)特性、界面的相互作用等因素。隨著各種先進(jìn)材料測試設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用，微細(xì)觀尺度測試技術(shù)被引入了路面材料的研究中，以評價混合料組分的微細(xì)觀形態(tài)與分布狀況以及瀝青-集料的黏附作用、新舊瀝青融合狀態(tài)等微細(xì)觀形態(tài)，進(jìn)而從微觀-細(xì)觀-宏觀多尺度聯(lián)立的角度來評價混合料的使用性能。 相比于熱拌瀝青混合料以及熱再生瀝青混合料，冷再生瀝青混合料復(fù)合多相的材料組成使得其內(nèi)部結(jié)構(gòu)尤其是界面結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。針對冷再生浙青混合料，基于X射線CT掃描、掃描電子顯微鏡和數(shù)字圖像處理等技術(shù)，對乳化瀝青冷再生混合料的空隙分布特性、水泥水化產(chǎn)物形態(tài)、砂漿厚度組成、粗集料分布與顆粒形狀特性等微細(xì)觀形態(tài)的研究取得了較多的成果。研究發(fā)現(xiàn)，首先，水泥水化產(chǎn)物水化硅酸鈣（C-S-H）在混凝土膠漿-集料界面微觀結(jié)構(gòu)中呈針狀和簇狀分布，與瀝青膜相互交織，形成空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)裹覆在集料周圍，對膠楽-集料界面、復(fù)合膠漿以及空隙起“加筋”與“填充”作用，其有助于提高混合料的抗拉強(qiáng)度，但是其內(nèi)部微觀缺陷會降低瀝青與水泥的黏結(jié)力以及水化產(chǎn)物的強(qiáng)度[151。其次，RAP顆粒團(tuán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)度對冷再生瀝青混合料的強(qiáng)度以及變形性能有非常關(guān)鍵的影響。RAP顆粒團(tuán)主要由舊集料、填料、老化浙青黏結(jié)形成，其物理與力學(xué)性質(zhì)不均勻，受荷載時易松散或變形；冷再生瀝青混合料離散元仿真表明，隨著壓實(shí)過程中碾壓遍數(shù)增多，發(fā)生破損的RAP顆粒會增多，從而導(dǎo)致混合料的級配發(fā)生變化。再者，元素分析表明，水泥乳化瀝青冷再生混合料存在與普通水泥混凝土相同的水泥基界面過渡區(qū)，由鈣礬石、氫氧化鈣和硅酸鈣結(jié)構(gòu)組成，其強(qiáng)度和模量均低于水泥膠漿部分，而孔隙率、氫氧化韓晶體含量及取向性高于水泥膠漿[16]。 綜上，浙青路面材料多尺度力學(xué)特性表征的研究為解決目前瀝青混合料性能預(yù)估與瀝青路面服役期間病害發(fā)展程度無法匹配的矛盾提供了有力的工具，也是當(dāng)前冷再生關(guān)鍵技術(shù)研究的發(fā)展趨勢。 第2章乳化瀝青作用原理與制備 2.1概述 乳化瀝青是由微小顆粒懸浮在水介質(zhì)中形成的溶液。所謂乳化瀝青，就是將瀝青熱熔，經(jīng)過機(jī)械作用，瀝青以細(xì)小的微滴狀態(tài)分散于含有乳化劑的水溶液中，形成水包油狀的瀝青乳液，這種乳狀液在常溫下呈液態(tài)[17]。乳化瀝青的組成通常包括瀝青、水、乳化劑、穩(wěn)定劑、無機(jī)酸和必要的改性劑等。圖2-1所示為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制備的乳化瀝青樣品。 乳化瀝青冷再生混合料是以乳化瀝青、水泥等為主要膠結(jié)料，將銑刨后的回收舊料以及新集料重新黏結(jié)而形成的新混合料。其中乳化瀝青是*重要的組成部分，直接決定冷再生混合料的性能優(yōu)劣。乳化瀝青的性能直接影響到乳化瀝青的生產(chǎn)、儲存、施工和長期使用性能。在生產(chǎn)過程中，瀝青應(yīng)當(dāng)容易乳化；在施工過程中，乳化瀝青應(yīng)具有合適的破乳時間，充分滿足施工要求和開放交通的要求。同時，乳化瀝青與集料之間應(yīng)具有良好的黏附性能，以確保混合料的性能。因此，乳化瀝青的選擇是瀝青路面冷再生技術(shù)中的重點(diǎn)工作。 本章著重闡述乳化瀝青的成乳-穩(wěn)定-破乳作用機(jī)理，并對乳化瀝青的制備過程與質(zhì)量檢驗(yàn)進(jìn)行了分析，主要內(nèi)容包括第2節(jié)乳化瀝青簡介與分類、第3節(jié)乳化瀝青作用原理、第4節(jié)乳化瀝青的制備以及第5節(jié)乳化瀝青破乳速度表征與分析。