沥青路面高效就地热再生技术研究.docx

摘要：本项目基于室内模拟试验和现场实体工程，分别从材料微观结构分析和宏观性能衰变规律两个方面开展了SMA混合料的衰变机理全面分析，深度探究了SBS改性沥青的老化机理和集料骨架结构的衰变规律，并结合SMA路面病害特征，重点分析了车辙病害与混合料性能衰变的相关性，实现了对SMA路面性能衰变机理和病害产生机理的全面评价。在此基础上依托试验路进行了实体工程验证，从理论分析到室内模拟再到实体验证，系统建立了合理的施工工艺和质量验收标准，有效提升了现场热再生技术的应用效果。1.技术概况(I)SMA路面性能衰变机理与典型病害特征研究传统的现场热再生技术主要针对连续级配AC/AK混合料路面，缺乏对间断级配SMA混合料性能衰变机理的系统研究，以及性能衰变机理与现场典型病害之间的相关性研究。本项目基于室内模拟试验和现场实体工程，分别从材料微观结构分析和宏观性能衰变规律两个方面开展了SMA混合料的衰变机理全面分析,深度探究了SBS改性沥青的老化机理和集料骨架结构的衰变规律，并结合SMA路面病害特征，重点分析了车辙病害与混合料性能衰变的相关性，实现了对SMA路面性能衰变机理和病害产生机理的全面评价。(2)基于改性再生与集料骨架恢复的SMA现场热再生混合料配合比设计方法传统再生剂实现老化基质沥青再生的方式对于SBS改性沥青并不完全适用，此外，采用常规级配调整方法对出现集料细化的SMA混合料骨架结构恢复并不理想，造成再生SMA混合料低温性能恢复不佳，高温性能出现衰减。本项目分别从材料微观组成和宏观性能角度，分析了再生剂对老化SBS改性沥青的再生机理和作用特性，研发了兼具再生和性能提升的复合再生剂，提出了控制关键粒径通过率的级配调整方法，建立了完善的SMA现场热再生混合料配合比设计方法，有效提高了再生混合料低温和疲劳性能，且保证良好的高温性能。（3）基于核心温度控制的SMA路面现场热再生适用工艺及质量控制标准目前的现场热再生技术施工工艺和质量控制标准，主要依据现场使用经验和新拌沥青混合料技术经验，缺乏理论支撑和深入研究，导致再生混合料室内设计与现场工艺不能很好匹配，再生质量无法保证。本项目通过有限元数值模拟方法开展了SMA路面加热温度场分析，深入探究了合理的加热工艺和温度要求，并基于室内模拟试验分析了现场热再生拌和与压实工艺条件及特征，在此基础上依托试验路进行了实体工程验证，从理论分析到室内模拟再到实体验证，系统建立了合理的施工工艺和质量验收标准，有效提升了现场热再生技术的应用效果。本项目建立了完善的SMA路面现场热再生技术体系，项目成果已在江苏、山西、贵州等省份高速公路沥青路面养护中得到推广应用，相对铳刨重铺方案节约养护成本28%,降低能耗37%、减少碳排放43%,同时减少了大量改性沥青和优质集料的使用，取得了显著的社会经济和环境效益，对我国高速公路沥青路面养护工作具有重要的借鉴作用。2.技术原理和内容该技术通过添加再生剂实现老化沥青的再生，恢复老化沥青的使用性能。通过添加新料微调衰变级配的骨架结构，填补车辙造成的集料损失。通过加热、摊铺、碾压等关节施工环节温度控制，保证再生沥青混合料路用性能。通过施工过程质量验收标准，保证就地热再生路面施工质量。结合高速公路沥青路面养护需求，针对SMA路面现场热再生技术难点，采用理论分析玲试验模拟好工程验证的技术路线，开展全方位、多维度、深层次技术攻关，形成SMA路面现场热再生技术系统性研究成果。项目总体技术路线如图1所示。SMA路面什能(!变机理研究/温度荷效耦含有限元车Ift模型SYA混合料衰变机理R度场数值分析模型理论分析SuA路由乍愀演变M2律分析SBS改性沥存老化和再生机舞分析U.料骨架衰变特性分析纤维使用性能Z化分析加熔1：2和温度控制分析耳生混合料配合比设计方法/再生路面性能室内再生混令“路用性能研究再生剂研发及再生效祟讨价饮科竹架结构恢发研究新纤维选择分析型内邦和与压实1：艺研究/催工工艺及MiR控帆标准一SMA再生混合杆质量控制标准现场拌和与田实工艺研究图1研究总体思路(1) SBS改性沥青衰变机理研究基于微观和宏观两方面，对比分析了热氧、水和光等多种因素对基质沥青和SBS改性沥青结构和性能的影响。基于四组分、红外光谱和凝胶色谱三种分析方法，并结合沥青常规性能和SHRP沥青性能试验，深入探究了SBS改性沥青在不同老化时间和SBS掺量条件下的结构衰变机理和性能劣化规律，验证了热氧为SBS改性沥青性能衰变的主导因素，水、光等因素加速了沥青老化。60100200300400500600700800位移（mm）302)§图25BS改性沥青测力延度试验分析(2) SMA集料骨架结构衰变规律研究建立了SMA集料骨架力学模型，结合理论分析和试验验证，研究了SMA集料骨架内部荷载传递过程和力学特性，深入分析了集料破碎特性和变化规律，提出了粗集料破碎率指标，并以±4%为控制标准。基于室内模拟破碎率试验和现场实际路面状况，系统揭示了集料骨架结构破碎的内在规律和SMA级配的衰变特征，证明了4.75mm粒径集料在骨架结构中的关键作用，为矿料级配设计奠定理论基础。粒径(mm)图3SMA集料骨架结构破碎分析(3)木质素纤维老化分析作为SMA混合料的重要组成部分,木质素纤维性能的衰退势必导致SMA沥青混合料路用性能的降低。本项目针对模拟老化纤维、旧料抽提纤维、再生料抽提纤维，从室内模拟试验到现场实体工程，全面分析了木质素纤维的老化特性，并基于灰分含量、吸油率、析漏飞散率等指标，评价了现场加热过程对木质素纤维性能的影响，证明了木质素纤维在长期使用或加热过程中会出现一定性能衰减,但不影响其功能。(%)ti505050221IuOOo.o.s60.0.Oooooo54321()<足3幅和东悭(4)SMA路面车辙演变规律及分布特征研究结合轴载和温度场分布状况，建立了基于温度荷载耦合作用下的有限元车辙模型，通过理论模拟分析了SMA路面车辙演变规律。结合实体工程断面单点取芯、并排取芯和切条三种方式，分析了SMA路面的车辙分布特性，从时间-空间多维度立体解析了车辙的演变规律和产生层位，与理论分析结论进行了相互验证，重点研究了SMA混合料性能衰变与车辙病害的相关性，证明了材料微观结构衰变会引起路表宏观性能的变化。()三春田图5SMA路面车辙分布特性下面层中面层上面层2520151050测点位置图6SMA路面车辙层位分析（切条）3.现场热再生混合料配合比设计方法研究（1）沥青再生剂再生机理和作用特性研究基于微观组分调和理论和宏观性能复合理论，分析了沥青再生剂的再生机理,基于再生剂扩散特性和再生沥青胶浆状态评价，分析了再生剂对老化沥青和老化沥青混合料的作用特性。基于理论和实践相结合方式，通过再生剂扩散数学模型和自主设计的扩散针入度试验，深入分析了温度、再生剂性质和沥青性质三种影响因素对再生剂扩散能力的影响和再生剂扩散变化规律。基于沥青胶浆层状差异性、沥青胶浆转移、混合料路用性能影响三个层次，分析了再生沥青胶浆性能和分布状态。图7再生剂扩散模拟试验再生剂A再生剂B:再生剂C再生剂D图8沥青针入度随扩散时间的变化规律(EE.O)褪<44（2）SBS改性沥青复合再生剂研发现有通过添加富含轻质油分再生剂实现老化基质沥青再生的方式，并不能完全使老化沥青恢复到原样沥青的材料组成和性能，难以实现对SBS改性沥青的再生。本项目以沥青胶体相系调衡理论为基础，以再生混合料路用性能为主要控制指标和手段，基于再生剂浸润扩散组分、结构调节组分、增粘改性组分三种功能影响因素，分别开展单因素试验，确定材料类型和掺量，并基于正交试验确定三种因素交互影响下的复合配方,研发了能够恢复沥青老化性能,且具有良好高、低温性能和疲劳性能的SBS改性沥青复合再生剂。基于再生剂、再生SBS改性沥青和再生SMA混合料三个层次建立了合理的再生剂多级评价体系。扩散时间（三）图9添加不同再生剂的再生沥青针入度随扩散时间的变化规律(UIE-.0)将<苏Gdw)SOOO000204002468111图10原样沥青及再生沥青的长期老化性能验证针入度/O.Imm延度/cm软化点/60oC粘度dPas图IlSBS改性沥青再生前后性能对比(3)SMA再生混合料配合比设计方法研究粗集料和关键粒径比例对于SMA骨架结构的形成至关重要，基于SMA混合料集料破碎特征和骨架结构衰变规律，结合SMA骨架力学特性理论分析和室内试验研究，分别提出了控制粗集料破碎率和控制4.75mm关键粒径通过率的级配调整方法，恢复SMA再生混合料的骨架结构。基于老化SBS改性沥青再生技术和SMA骨架结构恢复技术，提出SMA再生混合料配合比设计方法，所设计的SMA再生混合料相比常规方式高温性能提高18%,低温性能提高24%,疲劳性能提高30%o(NpoR圣<哲图12室内集料贯入试验分析图13常规法和新方法合成级配对比(%)肾朱,口以表1基于改性再生与集料骨架恢复的SMA现场热再生混合料路用性能对比混合料类型新SMA混合料常规SMA再生混合料本项目SMA再生混合料析漏损失率/%0.060.050.04飞散损失率/%2.43.82.7残留稳定度/%92.290.289.5冻融劈裂强度比/%89.986.688.4动稳定度/(次mm)455872628586破坏应变2935.72561.13172.5模量损失率/%7.110.87.64 .适用工艺及质量控制标准研究（1） SMA路面加热温度场数值分析加热温度是现场热再生混合料质量保证的关键因素，基于高速公路沥青路面典型结构材料热物特性，综合考虑太阳辐射、空气对流、空气辐射和加热源辐射四种热交换方式，建立了SMA路面加热温度场数值分析模型，分析了间歇式和连续式加热方式以及环境因素对加热温度场的影响，重点针对间歇式加热方式,深层次分析了往返距离（加热机间距）、往返次数（加热机数量）和运行速度对加热温度场的影响，建立了回归模型，并进行了实体工程验证，基于此提出了合理的现场热再生加热工艺。图14间歇式加热温度场(P)物嫄茂耳数据点图15加热温度场拟合曲线（2） SMA路面现场热再生拌和与压实工艺研究旧料翻松后的分散状态和新旧材料拌和的均匀性直接影响再生混合料的质量，基于自主设计的拌和分散筛分试验和沥青胶结料转移试验，分别模拟分析了10SMA混合料的分散性和再生沥青胶浆拌和的均匀性，深入研究了加热温度、拌和时间、旧料掺量和再生剂掺加顺序等拌和工艺因素对再生混合料性能的影响。基于理论分析，探究了不同摊铺温度条件下碾压温度场的变化规律和最低碾压温度要求，基于室内试验，分析了马歇尔、旋转压实和轮碾三种成型方式以及不同压实温度条件对再生混合料体积指标的影响。基于上述研究，建立了合理的SMA路面现场热再生拌和与压实工艺。250000200000150000100000500000旧料温度拌合时间旧料比例再生剂掺加工生图16不同拌和工艺的疲劳寿命705030109070HIa«11摊铺层温度一下承层温度1453015Q2516515140110×BxX米X*×BxXBX×SXXBXX*XX×*×$X*X*X*X.X×X×X×I×XtxX,*XlXXtXMvXiXIIrIa1I,rV'II111I1IIrII024681012141618202224262830时间（Inin）+100oC120旋转次数（次）图18不同温度条件下空隙率随旋转压实次数的变化规律（3）SMA路面现场热再生施工质量验收标准研究基于有限元理论分析、室内模拟试验研究、实体工程验证结果，针对SBS改性沥青SMA路面，提出了科学合理的现场热再生加热、拌和、摊铺、碾压温度要求，并提出了翻松后裸露面等影响再生质量的关键位置加热温度要求，以不小于90为标准，再生SMA混合料的摊铺温度以不小于135。C为控制标准。基于试验路实施效果，提出了SMA路面现场热再生混合料施工过程质量控制标准和再生路面质量验收标准。表2现场热再生施工过程中质量控制标准检有项目检责度而V要求或允许Ia差表向平整密实.XWJ外观随时W»tii.H<ft.推挤.目测油包.离析等虢陷横接续合度随时<3mm.必须限实三米五尺块接缝育是随时<3mm.必别旗实三米直尺4默尔宙度：98%站芯法T0924限实度(9200Ui处Jft大理论语度：94%6.5%再生厚度200m-ft设计厚度的8S%-12S%T0912再生宽度W100m-不小于设计宽度.边绿炊密齐,顺适IH尺测依T09I1三米五尺6»100m一次3UUUT0931平簇度标准差钠连续<1.0xumT0932澹水系数fitIhulO个点每点3处取平均值评定60n1.min.合格率N90%T0971一操擦系句IIon不少于5个点知点3处取平均值殂定SSBPNT0964构造深度>0.6minT09615 ,技术创新点（1）老化与再生技术评价方法：国内对于老化沥青性能评价主要基于抽提回收试验，结果变异性大；对于再生剂评价主要依靠材料本身，评价方法单一；对于再生沥青评价主要模拟再生剂与老化沥青充分混溶，不符合实际状态。本项目提出了基于沥青胶浆性能的老化沥青性能评价方法和基于稠度和测力延度的SBS改性沥青老化性能与再生效果评价方法，建立了基于再生剂、再生沥青和再生混合料三个层次的再生剂多级评价体系。机理研究：国内外当前针对沥青及沥青混合料老化及再生机理的研究主要是以沥青性能为基础，且重点针对基质沥青，缺乏对SBS改性沥青、集料骨架结构和木质素纤维等沥青性能衰变规律与性能恢复的系统性研究。本项目从材料微观结构和宏观性能角度深入研究了SBS改性沥青及其改性剂的老化失效机理，基于室内试验和数值模拟计算分析了荷载作用下沥青混合料集料的破碎以及骨架衰变规律与机理。（2）配合比设计方法SBS改性沥青再生：国内外针对基质沥青再生剂的研究立足于单一功能的恢复，再生剂成分单一，主要为轻质油分或者辅以少量的黏性组分，对再生混合料性能恢复不佳，且耐久性难以保障。本项目提出了基于再生剂浸润扩散组分、结构调节组分、增粘改性组分三种功能影响因素交互影响下的复配技术，研发了能够恢复沥青老化性能，且具有良好高、低温性能和疲劳性能的SBS改性沥青复合再生剂。SMA集料骨架恢复：国内外对于集料级配的恢复研究主要针对连续级配沥青混合料，采用的方法主要依据新热拌沥青混合料级配设计方法。本项目结合SMA骨架力学特性理论分析和室内试验研究，分别提出了控制粗集料破碎率和控制4.75mm关键粒径通过率的级配调整方法，恢复SMA再生混合料的骨架结构。基于老化SBS改性沥青再生技术和SMA骨架结构恢复技术，提出SMA再生混合料配合比设计方法。（3）施工工艺与质量控制标准施工工艺：国内外对于普通沥青路面现场热再生施工工艺研究较为成熟，对于改性沥青路面主要集中在AC/AK路面，针对SMA路面研究主要依据经验，导致再生混合料室内设计与现场工艺不匹配，再生质量无法保证。本项目通过有限元数值模拟方法开展了SMA路面加热温度场分析，深入探窕了合理的加热工艺和温度要求，并基于室内模拟试验分析了现场热再生拌和与压实工艺条件及特征,最后依托试验路进行了实体工程验证与优化。质量控制标准：国内外对于质量控制标准主要依据现场使用经验和新拌沥青混合料技术经验，缺乏理论支撑和深入研究。本项目从理论分析到室内试验模拟再到实体工程验证，建立了合理的SMA路面现场热再生质量控制和验收标准，有效提升了现场热再生技术的应用效果。6 .技术应用情况相对于传统的铳刨重铺养护方式，就地热再生技术施工时间短，因此，减少了施工对交通的影响，降低了车辆堵塞和车辆延误，相对而言，提高了施工作业的安全性。基于我国高速公路SMA路面现场热再生技术难点，采用理论分析T试验模拟T工程验证的技术路线，开展全方位、多维度、深层次技术攻关，形成SMA路面现场热再生技术系统性研究成果，依托沪宁高速公路和G312国道无锡段路面养护工程进行了实体验证，并在江苏、山西、贵州等省份的高速公路中得到了推广应用。SMA路面现场热再生技术可以有效处治沥青路面的车辙病害，实现旧沥青路面材料100%的循环利用，节约大量SBS改性沥青，显著减少新矿料用量70%90%,节约生产能耗30%50%,有效降低生产排放40%以上，具有交通干扰小，开放交通快，施工安全性好，节能减排效益显著等特点。7 .技术效益分析7.1节能低碳效益各施工环节的能耗和碳排放计算结果如图19所示。结果表明，现场热再生的能耗和温室气体排放量分别较传统铳刨重铺低37.35MJm2和3.33kgm2,降低约37.1%和42.5%,节能量折合标准煤为12.76kgt,碳减排量折合CO2为33.3kgt0现场热再生的能耗和碳排放产生主要为加热复拌过程。按照项目依托工程总量计算，现场热再生相对于传统的铳刨重铺方案可减少C02排放265.2t,降低能耗2970OOOMJ,具有显著的节能减排效果。同时现场热再生可以大量减少原材料的开采，实现旧料的重复利用，减少了沥青混合料在生产过程中的有害气体排放量。此外，针对大交通量高速公路，现场热再生对交通影响相对较小，有效缓解了交通压力，减少了车辆延误和交通堵塞，降低了汽车尾气排放。挑刨重铺现场熬再生铳刨碾压摊铺运输集料沥青图19能耗和温室气体排放量对比7.2经济效益基于现场热再生施工的各环节，本文分析了现场热再生技术的成本单价和对交通延误产生的用户费用，结果如图20所示。现场热再生技术成本单价相比传统的铳刨重铺技术每平方米低22元，降低约26.8%。按照项目依托工程单车道34.14km计算，现场热再生相对于传统的铳刨重铺方案节约养护成本281.64万兀。综合工作区延误产生的时间价值和加减速的总费用，对比分析SMA路面现场热再生和铳刨重铺两种技术的用户费用，本项目依托工程施工期间对车辆加减速造成的延误费用和额外增加的费用达到了124万元，较铳刨重铺方案造成的交通延误费用的187万元节省了63万元，如若按照20132015年全国推广的工程量计算，可减少交通延误费用1600万兀，取得了更好的间接经济效益。现场熟再生优刨重健安全生声费利润及税金*s*«其他工程费箕他加热复棒100806040200Iis章¼翟200150100500延误时间价值加派速费用现场热再生It(M虞铺图20现场热再生和铳刨重铺成本单价7.3社会效益SMA路面现场热再生技术可以快速处治高速公路沥青路面出现的车辙病害,进一步延长路面使用寿命，有效实现旧SMA沥青混合料的100%循环利用，节约大量SBS改性沥青和优质矿料等自然资源，降低能耗和温室气体排放，快速开放交通，减少交通干扰，具有显著的社会效益