沥青老化机理及再生技术研究.pdf

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1、分类号：U 4 1 ；U 2 1 0 7 1 0B 2 0 0 6 1 0 2 M M Y 1 5 2 i ：】| ：醚 谖步大法 博士学位论文 沥青老化机理及再生技术研究 耿九光 导师姓名职称 申请学位级别 论文提交日期 学位授予单位 戴经梁教授 答辩委员会主席郝培文教授 学位论文评阅人吕伟民教授黄晓明教授 郝培文教授郑健龙教授 田小革教授 摘要 沥青路面材料再生技术具有显著的经济、社会和环境效益，是一项符合可持续 发展要求的道路维修措施。随着我国越来越多的沥青路面进入养护维修期，该技术 的推广应用势在必行。但目前我国的沥青路面再生技术还处于起步阶段，基础理论 研究和工程经验都比较缺乏，尤其

2、是对改性沥青路面再生技术的研究更少。因此， 本文深入分析了基质沥青及改性沥青的老化机理，然后在此基础上开发了新型再生 剂，并进行了沥青及沥青混合料的热再生技术研究。 论文首先系统地研究了路面沥青回收试验方法，试验发现规范方法容易造成矿 粉和溶剂的残留问题。通过对回收方法的改进最大程度的减小了抽提回收过程对沥 青性质的影响，提高了旧路面沥青性能评价的可靠性。 其次，论文利用室内模拟老化试验研究了沥青在不同老化条件下的老化规律， 比较了路面回收沥青和室内老化沥青老化程度的对应关系。通过对老化沥青的性能 测试分析了基质沥青与改性沥青抗老化特性的差异，采用组分分析、红外光谱分析 和凝胶色谱分析等化学分

3、析手段研究了沥青的老化机理，揭示了改性沥青抗老化性 能优于基质沥青的根本原因。 在分析沥青老化和再生原理的基础上，开发了新型沥青再生剂。通过再生剂再 生沥青试验考察了再生剂的性能；确定了再生剂最佳用量：并利用分层抽提试验和 流变试验研究了再生剂在沥青中的扩散规律。同时，针对当前再生剂评价方法的不 足，提出了采用电导率试验评价再生剂再生效果的试验方法。对不同再生剂的试验 结果表明本文开发的再生剂对沥青质的胶溶能力较好，从沥青本质的胶体结构角度 证明了该再生剂的优越性能。 论文采用添加新沥青、再生剂两种再生方法对基质沥青和改性沥青进行了再生 研究，详细探讨了再生沥青的路用性能，从微观角度分析了再生

4、沥青的老化机理。 研究了再生沥青抗老化性能，提出了利用A r r h e n i u s 图预估沥青使用寿命的试验方 法。 最后，论文通过室内试验研究了再生沥青混合料的配合比设计方法，分析了回 收沥青混合料掺配比例对配合比设计的影响。采用旋转压实仪研究了再生沥青混合 料的压实特性，提出了最佳拌和温度和压实温度的确定方法。从高温稳定性、低温 抗裂性、水稳定性和耐久性等方面对再生沥青混合料路用性能进行了研究，试验证 明再生沥青混合料具有良好的路用性能。 关键词：沥青路面、再生、改性沥青、老化机理、再生剂 长安大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 1 1 1 问题的提出 在过去

5、的二十年里，我国的公路建设事业得到了史无前例的发展。至U 2 0 0 6 年底， 全国等级公路里程达至1 J 1 9 3 万公里，其中高速公路总里程近4 5 4 万公里，已居世界第 二位【l 】。沥青路面凭借优越的使用性能和行车舒适性，在我国已建成的高速公路和 一级公路路面中占了8 0 9 6 左右的比重。在公路建设事业蓬勃发展的同时，交通量不断 增长给沥青路面带来了明显的车辙、表面松散及裂缝等损坏【2 】。我国八、九十年代 修建的许多沥青路面在巨大交通量的作用下已不堪重负，按照这些路面的设计寿命 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p 】。据估算，从现 在起每年约有1 2

6、 的沥青路面需要翻修。目前，我国对沥青路面的大修基本上是刨除 旧沥青路面而加铺新的沥青路面，这种做法会产生相当数量的沥青混合料废弃物。 预计每年产生的高速公路旧沥青混合料会达N 2 2 0 万吨，而这一数量还将以每年1 5 的速度增长，1 0 年之后，每年产生的旧沥青混合料将达到1 0 0 0 万吨【4 J 。由于我国改 性沥青消费量占道路沥青消费总量的比例逐年增大，早期铺筑的改性沥青路面也己 逐步进入中修和大修期。因而，废旧沥青混合料中也包含大量的改性沥青混合料。 如果采用抛弃的方式处理旧沥青混合料，不仅会造成环境的污染，也是一种极 大的资源浪费。大量新石料的开采也会带来严重的生态环境破坏。

7、我国“十一五” 规划建议提出了提高资源利用效率要的目标。2 0 0 5 年1 1 月北京国际可再生能源大会 强调我国将进一步加大发展可再生能源的力度。2 0 0 6 年1 月1 日，我国正式实施可 再生能源法，国家从法律角度将可再生能源开发利用的科学技术研究和产业化发展 列为科技发展与高技术产业发展的优先领域。世界银行及其他有关机构的研究己表 明，任何国家经济的健康发展均离不开完善的基础设施，而良好的道路又是其中的 关键一环。当已建成的道路损坏后，必须找到较经济的道路修复方法，沥青混合料 再生利用即是其中之一。 沥青混合料再生利用技术，是将需要翻修的旧沥青路面，经过回收后再加入新 集料、新沥青

8、重新拌和成满足路用性能要求的再生沥青混合料的工艺技术。沥青混 合料的再生利用是一种经济、环保、符合可持续发展要求的路面修复技术。多年来， 第一章绪论 世界各国广泛进行沥青混合料再生利用的试验研究，取得丰硕的成果。沥青混合料 再生利用技术已成为当代公路建设中的重大科学技术之一。 1 1 2 研究意义 沥青混合料的再生利用，能有效处置废料，解决了旧沥青混合料( 简称凡心) 随意弃放的问题；由于旧沥青混合料得以全部就地利用，减少了新材料的开采量， 有利于环境保护。同时，再生技术能够节约大量的沥青和砂石材料，节省了工程投 资。在缺乏砂石材料的地区，采用再生技术还可节省大量的运输费用。美国调查研 究显示

9、，沥青混合料的再生可节约5 3 4 的工程材料成本，路面工程造价减少2 5 左 右。根据我国的经验，材料费节省4 3 “ - - 5 1 ，工程造价降低2 0 5 0 ，大体上与国 外的经验是一致的。1 9 8 0 年美国使用了约5 0 0 0 万吨旧沥青混合料，节约的资金达3 9 5 亿美元，目前美国每年再生利用的R A P 约为3 亿吨，根据各种考虑因素计算来看，可 直接节约材料费1 5 2 0 亿美元【4 1 。可见，沥青混合料的再生利用技术具有显著的经 济效益、社会效益和环境效益。 沥青混合料再生技术在国外已经被普遍采用，在国内则刚刚起步，处于技术探 索阶段，尚未大量推广应用。但是，我

10、国的公路网已经基本成型，公路的养护和维 修技术逐渐受到重视。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，估计至1 J 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【4 1 。 我国今后还要建设更多的高速公路，砂石材料和道路沥青的供应将更加紧张， 从而导致沥青路面建造和养护费用激增。因此，我国沥青混合料再生技术的研究和 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难题。 沥青混合料再生技术的研究和推广应用对降低公路建

11、设成本、保护环境、合理利用 资源有着极其重大的意义，是一项符合可持续发展战略的技术措施，对此技术进行 深入系统的研究具有重要的现实意义。 1 2 沥青混合料再生利用技术发展概况 1 2 1 国外沥青混合料再生利用技术发展概况 旧沥青混合料再生利用技术在发达国家已经得到了广泛的应用。公路网建设基 2 长安大学博士学位论文 本完成后，随之而来的就是养护和改建的高峰期，在这一时期，旧沥青路面材料的 再生利用技术将成为科研的主要方向之一。 美国在1 9 1 5 年最先开始沥青混合料再生利用的试验研究，但应用进展较慢。直 到1 9 7 3 年石油危机爆发，沥青路面材料的再生利用技术才逐渐受到重视。到2

12、0 世纪 末，美国再生沥青混合料的比例已占全部道路用沥青混合料的5 0 左右，各种再生 技术都达到了很成熟的水平【5 - 8 】。 日本及欧洲一些国家从7 0 年代中期开始对再生技术开展研究，并得到迅速推广 应用。2 0 0 0 年全国的旧料再生利用的比例已经超过9 0 ，再生沥青混合料的产量约 有4 7 0 0 万吨。联邦德国首先在高速公路路面养护中采用再生技术，：至f J l 9 7 8 年已经实 现旧沥青混合料全部再生利用。法国和芬兰对沥青材料再生技术的研究也很重视， 全国各地都在进行旧路面材料的回收利用工作。 国外对沥青路面材料再生利用的可靠性问题也进行了深入的研究。美国研究表 明，再

13、生沥青混合料路面与全新沥青混合料路面的路用性能和使用寿命没有明显区 别【9 。1 3 】，日本道路协会也得N - 5 同样的研究结论【1 5 1 。 综合国外沥青混合料再生利用技术研究发展状况可以发现，这些国家非常重视 沥青混合料的再生技术的研究及应用，在施工工艺以及配套机械的研制方面都取得 了很大成就，已经具备了比较完善的混合料再生技术体系，并达到了规范化的程度。 1 2 2 国内沥青混合料再生利用技术发展概况 我国在2 0 世纪五十年代就开始进行沥青混合料再生利用技术的研究，但主要是 作为废物利用考虑，一般用于轻交通道路。8 0 年代初，交通部和建设部分别下达了 沥青混合料再生利用的研究项

14、目，对该技术进行了系统研究，并铺筑- j “ 3 0 0 0 0 m 2 以上 的试验路段。 到了上世纪8 0 年代中后期我国开始了大规模的公路建设，沥青混合料再生利用 技术的研究工作基本处于停滞状态。直到近几年，我国在早期很多高等级公路已经 到了使用年限，为恢复其使用性能，开始进行大规模改建及修复工作。沥青路面材 料再生利用技术再一次成为了道路工程科研中的热点问题。 2 0 0 0 年沈大高速公路营口段开展了旧沥青路面材料再生试验研究。2 0 0 1 年，北 京利用再生技术铺设了环保沥青路面。2 0 0 2 年北京市下发了北京市路面沥青混凝 土旧料再生利用管理办法，该法规严禁施工单位对废旧沥

15、青混合料随意废弃，要求 第一章绪论 运至指定施工单位进行再生。国家税务部门还对该技术的应用制定了税收优惠政策。 2 0 0 2 年京津塘高速公路采用德国维特根公司的热再生设备进行了就地热再生施工， 取得了令人满意的再生效果。2 0 0 2 年底江苏引进了芬兰的再生列车并先后在京沪高 速和京珠高速利用就地热再生技术铺设了试验路，获得了良好的再生效果【1 8 】。2 0 0 3 年，广佛高速公路大修工程采用了厂拌热再生技术，目前使用状况良好【1 9 】。2 0 0 3 年， 沪宁高速公路上海段进行了再生施工，再生路段的检测结果均满足规范要求例。2 0 0 4 年，山东进行了高速公路就地热再生试验，

16、成功提高了原路面的平整性和抗车辙特 性1 2 1 1 。 近年来，随着国内陆续引进了多台再生设备，并成功的运用于多条高速公路的 修复，再生技术逐渐得到认可。但与发达国家相比，我国的沥青路面再生技术还处 于起步阶段，且缺乏必要的理论指导，再生混合料的性能评价也有待深入研究。 针对这一问题，交通运输部于2 0 0 8 年4 月颁布了公路沥青路面再生技术规范， 提出了再生混合料材料技术要求、旧路面材料回收及试验要求、再生混合料配合比 设计及技术要求、施工工艺和质量控制标准，这为再生技术的推广应用提供了保证， 将极大的促进我国沥青路面再生技术的发展。 1 2 3 改性沥青混合料再生技术研究概况 S B

17、 S ( 苯乙烯一丁二烯苯乙烯嵌段共聚物) 能有效提高沥青的高温、低温、疲劳 等路用性能，对沥青的综合改性效果显著优于其它改性剂。2 0 世纪8 0 年代中期以来， S B S 在国外高速公路工程中得到了广泛应用，成为当前最为普遍的沥青改性剂。据 壳牌公司统计，1 9 9 8 年欧洲、美国和日本使用的各种改性沥青中，S B S 所占比例最 大，而且所占比例仍在不断增加【2 2 】。 我国在1 9 9 2 年首都机场高速公路上首次采用了改性沥青技术，1 9 9 7 年长安街改 造中的使用，标志着在高速公路上大规模应用的开始。此后，改性沥青市场需求快 速增长，从1 9 9 8 年的8 万吨增加到2

18、 0 0 2 年的8 9 万吨【2 2 】，年均增长率8 2 6 ，2 0 0 5 年消 耗量高达1 3 0 万吨。我国改性沥青消费量占道路沥青消费总量的比例已经大于1 0 ， 超过了世界平均消费水平7 5 的比例【2 3 1 。 由于改性沥青大规模应用于公路建设的时间较短，改性沥青路面还未进入大范 围的维修阶段。所以，前些年有关沥青路面再生技术的研究绝大部分是针对基质沥 青的，对改性沥青再生技术的研究较少。但是，改性沥青在我国的大规模应用已有 4 长安大学博士学位论文 近十年的时间，目前早期铺筑的改性沥青路面也已经逐步进入中修和大修期。因此， 改性沥青再生利用技术的研究和推广应用应该逐渐重视

19、。 近几年国外已经开始研究改性沥青的再生技术，并且在部分地区进行了应用。 N e g u l e s c u ，D a r a n g aC o d r i n 等【2 4 2 5 1 研究了改性沥青的再生技术，对室内老化沥青和回 收沥青分别加入新沥青进行再生，性能测试结果显示，再生方法是可行的，计划通 过对试验路的进一步观测提出合适的施工控制条件。M o h a m m a d ，N e g u l e s c u 等 2 6 1 研究 了红外光谱和热分析技术研究了改性沥青老化后的变化，回收了旧路面的沥青，分 析了其物理性能和化学成分，通过加入新的改性沥青进行再生，并测试了其性能。 S h

20、e nJ u n a n ，A m i r k h a n i a n 等【2 7 】研究了橡胶改性沥青再生技术，认为1 5 的R A P 掺量是 可行的，再生混合料的路用性能与新拌混合料没有明显区别。 我国也逐步开始了此方面的探索。张道义等【2 8 】探讨了对再生沥青进行改性的可 行性，在短期老化后的改性沥青中添j J I T P S 、路孚8 0 0 0 等改性剂，通过再生沥青基 本性能试验比较了不同添加剂的作用。赵利吲2 9 】研究了老化S B S 改性沥青路面的现 场热再生技术，进行了沥青混合料的室内试验，并给出了老化S B S 改性沥青路面现 场热再生的配合比设计；通过现场试验检验了

21、室内试验成果并对老化S B S 改性沥青 路面再生后的路用性能做了综合评定。王冲掣3 0 J 主要研究再生S B S 改性沥青混合料 的抗老化性能，对再生沥青拌制的混合料及新鲜沥青混合料进行室内短期与长期老 化，并对老化后的沥青混合料进行性能试验与对比评价；分析了再生沥青混合料的 抗老化性能及其老化规律。 总体来看，国内外对改性沥青再生技术的研究较少，对改性沥青的老化和再生 机理研究还不够深入，有关再生改性沥青的性能评价以及混合料配合比设计和路用 性能的研究更加缺乏。因此，开展这方面的理论研究和技术推广应用工作具有重要 的现实意义。 1 3 沥青混合料再生技术研究热点及研究现状 1 3 1 旧

22、路面沥青回收方法研究 通过从旧沥青混合料中回收沥青可以评定沥青的含量和路用性能，这是进行沥 青混合料再生研究的基础。因此，对沥青室内回收试验方法的研究是十分必要的。 美国A S T M 试验规程中有关沥青的回收方法包含以下几种：离心抽提法、回流 第一章绪论 抽提法、改进的回流抽提法、真空抽提法，其中应用最多的是离心抽提法和回流抽 提法。研究【7 0 1 认为离心抽提法的回收效果要优于回流抽提法，这是因为离心抽提法 是在常温下操作，可以避免因加热溶剂而导致沥青老化的现象，降低了回收过程对 沥青的负面影响。 目前国内试验室最常用的方法是将混合料中的沥青溶解于三氯乙烯溶剂，通过 离心抽提的方法得到沥

23、青溶液，然后将溶剂蒸发得到回收沥青。侯睿等【7 u 研究了路 面旧沥青回收及其影响因素，通过设计不同试验比对，表征了在旧沥青回收过程中 矿粉等影响因素的作用。该研究认为现有回收方法存在易造成矿粉残留的不足，影 响了沥青的性能评价，并据此分析提出了相应的解决方法，以更准确地评价旧沥青 混合料中沥青的性能。 我国现行规范中有两种从沥青溶液中回收沥青结合料的试验方法：阿布森法和 旋转蒸发器法。 阿布森法是最常用的沥青回收方法。研究认为使用该试验方法可能在沥青中剩 余较多的溶剂，这会显著减小沥青的劲度，使回收的旧沥青性能变化很大。美国 N C H R P 研究表明0 5 的残余溶剂就可能导致沥青粘度下

24、降5 0 左右。国内研究【7 1 】 也证明该回收方法易造成溶剂残留，从而影响沥青的性能评价，还提出了在烘箱内 蒸发残留溶剂的方法，以解决这一问题。 旋转蒸发器法从2 0 世纪7 0 年代开始逐渐被用于沥青回收，由于该方法具有较少 的残留溶剂问题和较低的加热温度，因而在欧洲得到广泛应用，第1 7 届世界道路会 议也推荐该方法。我国也已经开始引进并使用这种设备，但目前尚未大范围用于回 收沥青。田小革等【7 2 】研究了旋转蒸发器法回收过程对沥青老化程度评价的影响，试 验结果表明不同老化程度的沥青在经过抽提回收过程后，其各项性能指标的变化均 较小，采用真空旋转蒸发器回收沥青时对沥青的老化程度的影响

25、可以忽略，因此可 以用于评价路面沥青的老化程度。 我国在抽提回收操作中使用的溶剂主要为三氯乙烯，但三氯乙烯毒性较大，危 害人体健康。熊出华等吲研究了沥青抽提回收中的替代溶剂，结果表明D B E ( 溴丙 烷) 溶剂具有足够的沥青溶解能力和抽提能力，且回收过程对沥青的影响较小，可 成为三氯乙烯的较理想替代溶剂。 总体来看，目前国内对沥青回收的研究相对较少，尚未有公认的研究结论。国 6 长安大学博士学位论文 内沥青回收试验方法基本都是参考美国及日本的方法。由于国内外所用材料及试验 条件的差异，我国在利用这些方法时还需要对其适用性和准确性进行系统的研究， 否则会影响对旧路面沥青性能的评价。另外，目前

26、有关回收方法研究都是针对基质 沥青的，而对改性沥青的研究较少。因此，有必要对改性沥青的回收问题进行系统 分析，以提出合适的回收试验方法。 1 3 2 沥青老化规律及老化机理 再生是老化的逆过程，要研究沥青的再生必须认识沥青老化规律和机理。沥青 老化是指沥青在贮存、施工及路面使用过程中由于长时间暴露在空气中，在环境因 素的作用下发生的挥发、氧化、聚合等物理化学作用，导致沥青内部分子结构和化 学组分发生变化，进而促使沥青物理化学性质劣化的过程。沥青老化问题一直是国 内外道路工作者研究的重点，众多学者对沥青老化进行了多方面的研究。 1 物理性能衰变规律 沥青老化过程相当复杂，早在1 9 0 3 年D

27、 o w 就提出了沥青混合料中的沥青由于加热 导致质量损失和针入度减小。到目前为止，对沥青老化研究最为广泛的依然是物理 性能的变化。众多学者【3 0 。9 1 研究了沥青老化对路面使用性能影响，通过对沥青进行 不同时间的老化，然后分析针入度、软化点、延度、粘度、蠕变劲度和动态粘弹性 参数的变化。道路工作者对沥青老化后物理指标的变化、性能的衰减已经有了较为 深刻地认识。普遍认为不同沥青有不同程度的抗老化性能，但性能变化规律基本一 致，即随老化时间的增加，沥青的针入度逐渐减小，针入度指数P I 逐渐增大，软化 点升高，延度越来越小，而粘度、复数剪切模量、蠕变劲度逐渐增大，表明老化使 沥青弹性增强，

28、感温性减弱，抗疲劳开裂能力变差，缩短了路面使用寿命。 1 9 8 4 年P e t e r s e n 研究了沥青在长期老化过程中物理化学变化，并研究了道路沥青 老化过程中6 0o c 动力粘度随老化时间的变化【3 8 】。丛玉凤等【3 9 】以软化点为参数建立了 沥青一级老化动力学模型，并用该动力学模型对这两种沥青的抗老化性能进行了研 究，求得了动力学参数。 2 组分变化规律 由于沥青是极其复杂的多组分混合物，给沥青老化的研究带来很大的困难。许 多研究者认为沥青组分与使用性能之间存在较好的相关关系，所以有关沥青老化后 组分的变化也是研究的热点。 第一章绪论 戴跃玲等4 0 1 通过薄膜烘箱老

29、化试验研究了沥青老化后化学组分与路用性能的关 系。张昌祥等【4 1 】采用超临界流体精密分离和四组分分析方法比较了两种沥青窄馏分 薄膜烘箱试验前后化学组成的变化，分析了沥青化学组分分布对耐久性的影响。亓 玉柱等【4 2 1 研究认为沥青在老化时各组分间的变化属于顺序连串反应，即芳香分转化 为胶质，胶质转化为沥青质，沥青质转化为甲苯不溶物，还考察了沥青老化过程中 极性分子之间的缔合与缩聚作用。原健安【4 3 】测定了中国产的6 种沥青老化前后的蜡含 量，阐述了老化过程中结晶性蜡的生成导致了沥青性质劣化的观点，并用热分析方 法予以证实。 刘忠安脚1 和金鸣林等【4 5 J 采用薄膜热老化方法考察了

30、道路沥青族组成与性质的 变化，老化试验结果表明芳香分与胶质含量减少，沥青质含量增加，且这种变化符 合宏观一级反应动力学规律。闫锋等【4 6 1 根据老化过程中正戊烷沥青质的变化得到了 沥青老化动力学方程。 3 分子结构变化 虽然对沥青老化前后的组分变化有相对清楚的了解，但沥青老化的原因相当复 杂，对光、氧、热等因素作用下沥青老化的具体化学反应机理还缺乏深层次的研究。 随着化学分析技术的进步，对沥青老化的研究逐渐从宏观指标的变化转向对微观的 认识，许多学者通过分析分子结构的变化来探究沥青老化机理。 T r a x l e r 得出沥青老化的主要原因是轻组分挥发、氧化、内部结构变化、光聚合 和热缩

31、聚1 4 7 】。刘忠型删利用模拟老化方法考察了国产道路沥青老化过程中分子量分 布的变化，测试结果表明平均分子量与分散度显著增加。H e r r i n g o nER 等利用凝胶 色谱测试了沥青老化前后分子量分布的变化【4 引。水恒福等M 通过H - N M R 结合红外光 谱对沥青老化进行了探究。亓玉台【5 0 J 研究了单家寺和胜利直馏道路沥青及其组分在 吸氧老化中化学族组成和平均结构参数的变化，认为老化后沥青的各组分变重，平 均分子量增大；各种试样平均分子的总碳数、总环数、缩合指数和芳香度增加。周 安娜等【5 1 】通过薄膜烘箱老化试验，认为沥青在老化过程中平均分子量与分散度显著 增加

32、。G o o d r i c h 5 2 1 通过分析老化后沥青分子量分布变化认为沥青的老化是由于沥青 分子间发生缔合的结果。 研究认为，热氧化反应是沥青老化的最主要原因。L uX i a o h u ，U l fI s a c s s o n 和 M i l l 5 3 , 5 4 】均发现沥青老化过程中生成羰基和亚砜官能团，而且存在先生成后分解的 8 长安大学博士学位论文 过程。金鸣林【5 5 】等通过试验测定了韩国7 0 # 沥青薄膜热老化前后的特征官能团变化， 认为引起该沥青老化的主要原因是沥青分子中的活性基团与空气中的氧反应生成极 性分子，沥青分子中氧、硫原子主要以羰基、亚砜官能团以

33、及硫醚、硫醇的形式存 在。V a n 掣5 6 】研究认为沥青的氧化过程与温度有关，当温度高于1 0 0 时发生脱氢反 应，生成H 2 0 与C 0 2 ；在温度低于1 0 0 时以氧化为主，生成含氧化合物。 也有学者【5 7 也】对沥青的光氧老化机理进行了研究，认为紫外老化和热老化对沥 青的影响不相同，紫外老化后沥青的流变特性变化更为显著，老化后同样表现为羰 基和亚砜官能团含量增大。沥青抗紫外老化性能不同的内在原因是老化反应程度不 同，胶质和芳香分是影响沥青紫外老化的主要因素。丁苯橡胶能够非常有效地增强 沥青抗强紫外线光老化的能力。 综合以上研究，道路沥青的老化是由于沥青中活性基团与空气中氧

34、反应的结果， 氧化的产物主要为羰基与亚砜官能团，深度老化有可能生成羧基官能团。分子间的 缔合与缩聚作用，使得老化后沥青的平均分子量增加。从组成与性质上分析，老化 后沥青中胶质减少，沥青质增加，软化点升高，粘度增大，针入度与延度下降。 4 改性沥青老化研究 随着S B S 改性沥青在国内的广泛应用，对改性沥青老化规律的研究也受到了相 应的重视。庞凌等【6 3 】对A H 9 0 基质沥青及P G 7 0 2 8 改性沥青分别进行了室内旋转薄膜 烘箱老化、压力老化及室外光氧老化试验，采用针入度、针入度指数、延度、软化 点等指标分析考察了室内热氧老化对沥青高温稳定性、低温开裂性及温度敏感性能 的影响

35、，结果表明改性沥青的抗老化性能明显优于基质沥青。刘东杰 6 4 1 考察了S B S 改性沥青老化后的动态力学性能、粘度变化和低温物理性能，结果表明S B S 改善了 沥青老化后的性能，改性沥青长期使用性能良好。李晓引6 5 】研究了改性沥青老化后 动态粘弹力学行为，表明改性沥青的线粘弹范围小于基质沥青的线粘弹范围，橡胶 改性沥青、复合改性沥青老化后动态粘弹行为向基质沥青转变，P E 改性沥青和S B S 改性沥青老化后低频区域的复数模量变小。王仕峰1 6 6 】研究了S B S 改性沥青的薄膜烘 箱老化行为，表明S B S 改性沥青老化后增加了羰基和亚砜基，S B S 和沥青的相对分子 质量

36、都发生了变化，S B S 改性沥青老化程度小于基质沥青。 还有学者研究了改性沥青抗老化性能影响因素。张争奇1 67 J 研究T s B s 改性沥青 的性能以及老化对性能的影响，表明改性沥青经老化后的性能取决于改性沥青的相 9 第一章绪论 容性，基质沥青的选择是最重要的影响因素。余剑英等侧研究认为有机化蒙脱土明 显改善- j “ S B S 改性沥青耐热氧老化性能。钱春香【删对L g “ S B S 和S E B S 改性沥青及混 合料抗老化的能力，表明沥青老化后改性剂中双键断裂造成改性沥青老化后的性能 下降，S E B S 改性沥青及其混合料的热稳定性和抗光氧老化能力好于S B S 改性沥青

37、及 其混合料。 虽然国内外针对沥青的老化已做了大量工作，但试验手段主要是室内老化试验， 对影响沥青老化的因素认识和研究不够，如水对老化的影响机理；对模拟老化与自 然老化之间的关系研究较少，自然老化与模拟老化之间的区别也不深入；有关改性 沥青老化行为和老化机理方面的研究仍有欠缺。因此，还需采用借助先进的现代分 析测试手段，进一步利用多种老化试验方法深入研究沥青老化行为和机理，为沥青 路面再生提供理论依据。 1 3 3 再生剂研究 沥青老化后组分发生了变化，主要是芳香油分减少，沥青质增多，使得沥青的 胶体结构发生改变，从而影响沥青路用性能。沥青再生就是在老化沥青中加入低粘 度油分，或者加入适当粘度

38、的新沥青进行调配，使调配后的再生沥青达到适当的粘 度和所需要的路用性能，以满足铺筑路面的要求7 4 1 。在这一过程中所加入的低粘度 添加剂，也就是通常所说的再生剂。 国外从七十年代石油危机后就开始沥青再生剂的研制工作，而且是在道路材料 与化工行业的科研人员的密切配合下有针对性地进行研制，大多为树脂类化合物与 石油工业合成油分的混合物，实践证明其对废旧沥青混合料的再生效果较好【4 】。 我国在上世纪8 0 年代初曾有单位研制过再生剂，如上海市政工程研究所、云南 交通科研所等，但那时使用的废旧沥青再生剂主要是针对等级较低的渣油路面，主 要成分是石油工业生产出的轻质油，如润滑油、柴油、机油、减五油

39、或它们的混合 物，此类再生剂虽能恢复老化沥青的部分性能，但实践证明其效果不是很好，主要 是稳定性较差【4 1 。 近几年，随着沥青路面大修期的到来及再生技术研究的广泛开展，再生剂的研 究成为热门课题。东南大学交通学院研N T A 型和B 型再生剂7 5 , 7 6 J ，即采用轻质油分 与共聚树脂( 丁二烯与丙烯酸酯) 进行混溶、增粘作为再生剂。从沥青的三大指标及 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 l O 长安大学博士学位论文 水平，推荐的掺加率为5 1 5 。王永刚等【7 7 】采用炼油厂废料开发了沥青再生剂，并 考察了复合再生剂在老化过程

40、中化学组成的变化及其再生效果。但有的沥青路面再 生剂中含有煤基芳香族成分，可能会对人体带来危害7 引。 目前国内的再生剂仍然是轻质油分为主，普遍存在耐老化- 蚪I Z l T 厶匕I = J 匕不足的问题【7 7 1 。 在加热拌合及使用过程中，轻质组分容易挥发，或与空气中的氧发生反应，故此不 能长期稳定的存在于沥青中并改善老化沥青的性能。因此，开发能满足我国现阶段 沥青混合料再生需要的高效再生剂是研究的主要方向之一。另外，针对改性沥青再 生的需求，也应相应地开发满足市场需求的改性沥青再生剂。 1 3 4 沥青再生机理与再生沥青性能 1 沥青再生机理 目前，对于沥青的认识有三种理论：胶体结构理

41、论、高分子溶液理论和橡胶理 论。与之对应，沥青再生理论也有三种，即组分调和理论、相容性理论和橡胶增塑 理论。三种理论对沥青再生机理分析的结论是一致的，可以采用添加低粘度油分， 尤其是芳香族油分的方法来实现，即在老化沥青中加入含有合适化学成分的再生剂 可以恢复其性能。 目前，对再生剂与沥青的调和再生规律方面的研究较多。刘军等【7 9 1 利用复合添 加剂再生沥青，并用数学回归模型对复合添加剂含量进行优化。马涛等【8 0 】分析了新 沥青、再生剂对老化沥青的复合再生规律，认为再生沥青与再生剂掺量在针入度、 软化点、高温车辙因子等指标方面具有良好的对数线性或线性复合关系。徐蜴和张 起森【8 1 】通

42、过S U P E R P A V E 的方法研究热拌再生沥青混凝土路面的车辙因子、疲劳因 子、开裂因子与旧料掺配率的关系及其变化规律。 国内研究表明，对软硬不同的沥青进行调和，调和沥青针入度的对数是两种沥 青各自针入度对数的线性函数，与A r r h e n i u s 粘度复合模型相符。但是，粘度差别很 大的再生剂与沥青进行调和，其调和规律较为复杂，应对复合模型的粘度偏离指数 进行修正1 s 1 , 8 2 】。因此，进行沥青调和- 1 1 4 土P 月台匕B 的研究，总结再生剂与沥青间调和规律对 沥青路面的再生利用具有实际意义。 N C H R P 研究报告【8 3 1 认为R A P 并

43、非只起“黑石头作用，即仅仅作为集料起作用， 其中的旧沥青仍起到粘结剂作用，与再生剂一起构成再生沥青混合料的胶结料。旧 沥青与再生剂( 新沥青) 的混溶程度决定了再生沥青的整体性能。因此，再生剂在 第一章绪论 旧沥青表面的扩散情况会对混合料的再生效果产生巨大影响。D a v i d s o n 等【8 4 J 先将成 型好的马歇尔试件进行老化，再把能在紫外光照射下发出荧光的再生剂添加到试件 表面，通过在紫外光条件下进行观测，研究了再生剂的扩散情况。瑞典的R o b e r t K a r l s s o n 和U l f I s a c s s o n 8 5 s 6 1 采用傅立叶红外电镜衰减

44、全反射方法，通过甲基和羰基的 含量进行沥青再生剂扩散研究。候睿旧进行了再生剂扩散简单模拟试验，在老化沥 青表面涂覆再生剂膜，通过测量沥青针入度的变化研究再生剂的扩散过程。李海军 【8 8 1 通过测定旧料中矿粉转移至新集料表面的多少来研究扩散规律。吕伟民掣2 1 提出 采用“当量直径”指标来表征沥青与再生剂之间的相容性，为再生过程中选用再生 剂提供依据。C a r p e m e r h J ：究1 8 9 J 表明，再生沥青混合料的回弹模量随时间变化而有较 大的变化，从宏观性能方面证明了再生剂在旧沥青中的扩散效果随时间而变化。 然而，在沥青再生过程中，再生剂、老化沥青以及新沥青之间的作用机理

45、目前 还没有得出明确结论。例如，某些再生工程的实测数据表明，再生沥青路面的劲度 比预期设计的要小，对这种现象的一种解释是再生剂未能在一定时间内扩散进入旧 沥青，导致存在润滑效果。所以研究再生剂在沥青中的扩散规律，以及再生剂对沥 青的胶溶效果对沥青再生技术有重要意义。 2 再生沥青性能 国内外众多的研究表明再生沥青的路用性能能够满足路面铺筑的需要。安中华 等【9 0 】运用灰色关联理论分析了再生沥青三大指标与四组分之间的关系。王永刚，杨彦 海等【9 1 明】采用针入度粘度指数( P v N ) 法、粘温指数( V T S ) 法和针入度指数( P I ) 法分别 考察了再生沥青的感温性，表明再生

46、沥青的感温性与新沥青相接近，有的甚至优于 新沥青。赵晓争等【9 5 】采用针入度指数法与胶体不稳定指数法从不同角度评价了几种 沥青再生后的胶体状态，同时考察了它们的感温性能与抗老化性能。 再生沥青中添加了轻质油分较多的再生剂，由于轻质油分易挥发，耐老化性较 差，因此再生沥青的抗老化性能很受关注。王永刚等9 6 母9 1 在实验室采用失重系数法 和老化指数法分别考察了再生沥青及其原沥青的抗老化性z 日匕l - - ；分析了再生沥青不同 老化温度与不同老化时间下薄膜烘箱老化后族组成变化；建立了以正戊烷沥青质为 参数的老化动力学模型，通过考察老化过程中反应的活化能，比较了再生沥青以及 原沥青的抗老化

47、性能，结果表明再生沥青抗老化性能较好。但是，再生沥青粘度变 化较一般道路沥青敏感，延度稳定段较原沥青短，从这方面来看，再生沥青的抗老 1 2 长安大学博士学位论文 化性能比原沥青差。可见，再生沥青的老化规律有其特殊性，仅仅沿用般沥青抗 老化性能评价方法是不合适的，应考虑提出直观地评价再生沥青抗老化性能的试验 方法。 1 3 5 再生混合料配合比设计及路用性能 再生沥青混合料的组成与普通沥青混合料类似，不同之处就是其加入了R A P 和 再生剂。因此，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。德 国、瑞典、荷兰等许多国家应用马歇尔方法进行再生沥青混合料的设计。美国部分 州采用S U

48、 P E R P A V E 方法来设计再生沥青混合料，并给出了实验室和现场操作的技术 手册【1 0 0 】。我国新颁布的公路沥青路面再生技术规范中采用的是马歇尔设计方法 【1 0 1 】，热再生沥青混合料的技术要求和性能检验应符合公路沥青路面施工技术规范 的相关规定。 沥青混合料热再生技术分为厂拌热再生和就地热再生，因此其配合比设计方法 皇 也少有区别，主要是由于R A P 掺配比例的不同，厂拌再生R A P 的掺配比例一般不超 过3 0 ，而就地再生中只需添加很少的新集料【4 】。 再生沥青混合料的设计分为以下步骤：确定工程设计级配范围；确定R A P 掺配 比例；选择沥青标号和再生剂用量

49、；矿料配合比设计；确定最佳沥青用量；配合比 设计检验。沥青混合料再生技术最基本的是沥青结合料的再生，就是通过掺加再生 剂使得老化沥青性能得到恢复；同时，再生后的沥青混合料性能满足要求。 美国沥青再生技术指南提出了新沥青标号建议：当R A P 掺量低于1 5 时， 新沥青的标号不需改变；当R A P 掺量在1 5 2 5 时，新沥青的标号需提高一个等级； 当R A P 掺量大于2 5 时，必须采用试验方法来确定新沥青的标号级别。沥青协会还 提出了沥青用量估算公式。日本对再生沥青混合料马歇尔试验提出了不同于普通沥 青混合料的具体技术指标1 0 2 1 。一般R A P 掺配比例越大，沥青结合料的性能恢复和级 配的调整都越困难，配合比设计的难度也越大。另外，R A P 掺配比例对沥青最佳用 量也会有影响【1 0 3 1 。 由于R A P 和再生剂的加入，再生沥青混合料与常规沥青混合料的配合比设计还存 在一定的差异。许多理论方法和实际操作中的问题将会不断出现，需要不断总结经 验，开展进一步的研究，提出满足规范要求和工程实际情况的配合比设计方法。 国内外研