泡沫沥青冷再生路面破损机理与二次冷再生方法研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 3.82MB 84 页 15积分

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摘要

近年来，泡沫沥青冷再生技术在我国迅速发展，但由于设计、施工、养护管

理等诸多原因，已修建的再生路段开始出现车辙、裂缝、坑槽等损坏现象，早期

修建的泡沫沥青冷再生路面将陆续进入维修改造阶段。本文通过理论研究与现场

调研相结合的方法，分析泡沫沥青冷再生路面主要的病害形式及其成因，针对目

前泡沫沥青冷再生技术在使用过程中存在的问题，进行再生混合料优化设计的研

究。

通过大量现场调查，总结泡沫沥青冷再生路面易出现的病害类型，通过微观

试验及相关理论研究发现，泡沫沥青冷再生混合料在水的浸泡作用下易产生破坏，

且常见的破坏模式有两种，模式一的破坏裂缝出现于泡沫沥青胶结剂与粗骨料颗

粒没有充分粘结的部位；模式二出现的裂缝位于泡沫沥青与细料形成的“玛蹄脂”

部位。为避免这两种常见破坏模式，必须控制泡沫沥青冷再生层施工时的含水量，

待再生层水分完全蒸发，泡沫沥青与集料粘结充分后再铺筑封层或面层，将显著

减少早期辙槽的发生。此外，压路机在压实时部分沥青胶浆会粘附于钢轮，导致

再生层表面出现不平整的坑洼，也为后期出现局部坑槽留下隐患。根据查找的病

因，从材料选用、混合料设计及施工工艺等方面提出了优化措施。

通过室内试验对沥青类铣刨料筛分方法进行研究，对多地铣刨料进行抽提，

并研究抽提前后铣刨料级配的不同，根据这两种级配分别进行混合料设计，测定

两种级配对应的再生混合料性能，发现按照规范中 60℃试验条件，其高温稳定性

能相差不大，而提高环境温度至 70℃时，按照真实级配设计的再生混合料高温稳

定性能明显优于前者，故在进行泡沫沥青冷再生混合料设计时，宜先对沥青类铣

刨料抽提然后筛分，以筛分后级配进行再生混合料设计，将有助于避免虚假颗粒

影响再生混合料的真实级配。

试验室对泡沫沥青冷再生混合料级配范围进行了研究，针对不同交通量的要

求，提出不同的级配范围，对于重载和特重交通参照振动成型法级配范围要求，

不但增加了泡沫沥青冷再生混合料的击实功，还使得混合料形成了骨架密实结构，

这将显著增加泡沫沥青冷再生混合料的高温稳定性能；对于中、轻交通在满足使

用要求的前提下，可以放宽级配的技术要求，减少新掺入材料的比例，以降低工

程造价。

以浙江省S102杭昱线为依托，选用泡沫沥青和水泥分别对泡沫沥青再生混合

料进行二次冷再生设计。研究得出，当采用泡沫沥青进行二次冷再生时，泡沫沥

青基层铣刨料添加量不宜超过60%，通过添加部分沥青面层铣刨料及新的碎石、石

屑，二次再生混合料水稳性及高温稳定性能满足泡沫沥青冷再生基层材料使用要

求。当采用水泥进行二次冷再生时，集料级配控制在骨架密实型级配范围要求，

通过添加4%的水泥，水泥二次再生混合料的无侧限抗压强度能满足水泥稳定类基

层材料使用要求。

以浙江省 S102 杭昱线为依托，进行二次冷再生相关试验及试验路的铺筑，并

确定了相应的施工方案，同时严格控制施工技术中的质量检测与验收要求。二次

再生试验路满足再生路面性能的要求，经一年追踪检测，较好的完成了路用性能

的要求。

关键词：泡沫沥青冷再生混合料破损机理防治对策配合比设计二

次冷再生

ABSTRACT

Recently, the cold recycled technique of foamed asphalt has rapidly developed in

our country. However, some damage phenomenon, such as rut, crack and pit slot,

appeared on the recycled roads. Foam asphalt cold recycled roads built in early stage

will gradually step into the maintenance and reconstruction stage. Through theory

research and site survey, this paper will analyze the main disease form and its factors of

foam asphalt cold recycled roads. In allusion to the questions existing in the usage

progress of foam asphalt cold recycled technique, the research on recycled mixture

optimal design will also be conducted.

First, through a great deal of site surveys, the disease forms of foam asphalt cold

recycled roads are summarized. Micro-tests and relative theory researches show that

foam asphalt cold recycled mixture is easy to be damaged if it soaks in cold water.

There are two common failure modes, the mode of destruction of a crack appears

between the foamed asphalt cement and aggregate particles which are not fully

integrated; the other crack pattern emerged located at the "mastic" part that foam

bitumen and fine material. To avoid these two common failure modes, the water content

of foamed bitumen cold recycling layer should be controlled during the construction,

until the water has completely evaporated. After foamed bitumen and aggregate bond

fully can be paved and early rut slot occurred will be significantly reduced. In addition,

when the press roller press asphalt mortar, part of the asphalt mortar will adhere to the

drum, resulting in that regeneration of the surface layer of has uneven potholes, also

leave the possibility of appearing local pits in the future. According to the cause, we

should take optimization measures such as material selection, mix design, construction

technology.

Through laboratory experiments, milling material of many places is extracted ,the

differences between before they are extracted and after, according to the two gradation，

the mixture design is conducted and the respective regeneration mixture performance of

the two gradation are tested. The result shows that the high-temperature stability of

milling materials in many places has no obvious changes at 60℃. However, when the

temperature is raised to 70℃, the high-temperature stability of recycled mixtures which

is designed on the base of real gradation is obviously better than the former. Therefore,

when being conducted the recycled mixtures design, asphalt pavement milling material

should be firstly extracted and then sieved so that the real gradation of recycled

mixtures won’t be affected by false particles.

The scope of gradation of foamed recycled mixtures is researched in the laboratory.

Aiming at requirements of different traffic volume, various scopes of gradation are

raised. As for heavy and extra heavy traffic, vibration formation method should be

adopted to form dense framework and increase the compaction work of mixtures, and

the mixture have become skeleton dense texture, which can obviously improved the

high temperature stability of foamed asphalt recycled mixtures. On the light traffic, if

the operating requirements are satisfied, the technical requirements of gradation can be

broaden. In order to reduce the building cost of projects, the proportion of new materials

is allowed to be reduced.

In this paper, based on S102 highway in Zhejiang province, foamed bitumen and

cement are respectively chosen to design the secondary foam asphalt cold recycling

mixtures. Studies concluded at when foamed bitumen is used to design secondary cold

recycling mixture, the amount of foam milling asphalt base material added should not

exceed 60%, by adding section milling asphalt surface materials and new gravel, stone

chips, water stability and high temperature stability of secondary recycled mixture can

meet the performance requirements of foamed bitumen cold recycling mixes. When

cement is adopted in secondary cold recycling, gradation is in the charge of the

requirement of dense framework, by adding 4% of cement, the unconfined compressive

strength of secondary regeneration mix can meet the requiremen of the cement

stabilized base material.

On the base of S102 highway in Zhejiang province, the relative experiment of

secondary cold recycling has been conducted and the test road has been paved. At last

the corresponding construction programs are determined and at the same time quality

testing and inspection requirements are strictly controled in construction techniques.

Secondary regeneration test road pavement performance has met the requirements of

regeneration, by one year’s track test, the road performance requirements are well

completely.

Key words: cold regeneration mixture with foamed bitumen，damage

mechanisms，prevention and control measures，mix proportion design，

secondary cold recycling

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ................................................................................................................ 1

1.1 泡沫沥青冷再生技术背景 ............................................................................... 1

1.2 国内外研究与应用现状 ................................................................................... 3

1.2.1 国外研究与应用现状 ................................................................................ 3

1.2.2 国内研究与应用现状 ................................................................................ 4

1.3 课题的研究意义与必要性 ............................................................................... 7

1.4 课题研究的主要内容和技术路线 ................................................................... 8

1.4.1 研究内容 .................................................................................................... 8

1.4.2 技术路线 .................................................................................................... 8

第二章泡沫沥青冷再生路面破损机理与防治对策研究 ...................................... 10

2.1 泡沫沥青冷再生路面病害调查 ..................................................................... 10

2.2 泡沫沥青冷再生路面病害机理分析 ............................................................. 12

2.2.1 再生混合料破坏形式 .............................................................................. 12

2.2.2 车辙 .......................................................................................................... 14

2.2.3 坑槽及松散 .............................................................................................. 16

2.2.4 横向裂缝 .................................................................................................. 18

2.3 本章小结 ......................................................................................................... 19

第三章泡沫沥青冷再生混合料配合比设计与施工工艺优化研究 ...................... 20

3.1 泡沫沥青冷再生材料选用 ............................................................................. 20

3.1.1 沥青发泡 .................................................................................................. 20

3.1.2 集料 .......................................................................................................... 21

3.1.3 铣刨料 ...................................................................................................... 22

3.2 铣刨料筛分方法优化 ..................................................................................... 23

3.3 设计优化 ......................................................................................................... 27

3.3.1 最大干密度与最佳含水量 ...................................................................... 27

3.3.2 泡沫沥青再生混合料技术指标 .............................................................. 28

3.3.3 设计优化试验 .......................................................................................... 30

3.4 施工工艺优化 ................................................................................................. 35

3.5 本章小结 ......................................................................................................... 36

第四章二次冷再生混合料设计方法的试验研究 .................................................. 37

4.1 稳定剂的选择 ................................................................................................. 37

4.2 泡沫沥青作稳定剂二次冷再生混合料设计 ................................................. 37

4.2.1 沥青发泡原理 .......................................................................................... 37

4.2.2 沥青发泡特性评价指标 .......................................................................... 38

4.2.3 泡沫沥青二次冷再生混合料级配设计 .................................................. 38

4.2.4 最佳拌和用水量 ...................................................................................... 40

4.2.5 沥青发泡与试件成型 .............................................................................. 40

4.2.6 试验结果分析 .......................................................................................... 41

4.3 水泥作稳定剂二次冷再生设计 ..................................................................... 43

4.3.1 水泥作稳定剂二次冷再生级配设计 ...................................................... 43

4.3.2 最佳含水量与最大干密度确定 .............................................................. 45

4.3.3 无侧限抗压强度试验 .............................................................................. 46

4.3.4 其它力学性能试验 .................................................................................. 47

4.4 本章小结 ......................................................................................................... 49

第五章二次再生试验路前期路况调查分析 .......................................................... 51

5.1 旧冷再生路面状况调查 ................................................................................. 51

5.1.1 旧路概况 .................................................................................................. 51

5.1.2 路面状况调查 .......................................................................................... 51

5.1.3 路面病害调查 .......................................................................................... 53

5.2 泡沫沥青冷再生试验路段病害成因分析 ..................................................... 55

5.2.1 旧冷再生路面车辙 .................................................................................. 55

5.2.2 旧冷再生路面水损坏 .............................................................................. 55

5.3 本章小结 ......................................................................................................... 57

第六章二次再生试验路工程应用 .......................................................................... 58

6.1 二次再生施工工艺与质量控制 ..................................................................... 58

6.1.1 二次再生就地冷再生施工工艺 .............................................................. 58

6.1.2 二次再生厂拌冷再生施工工艺 .............................................................. 61

6.2 厂拌二次冷再生试验路铺筑 ......................................................................... 63

6.2.1 泡沫沥青二次冷再生试验路 .................................................................. 63

6.2.2 水泥二次冷再生试验路 .......................................................................... 67

6.3 二次冷再生试验路现状调查 ......................................................................... 69

6.4 经济社会效益分析 ......................................................................................... 70

6.5 本章小结 ......................................................................................................... 71

第七章主要结论与展望 .......................................................................................... 72

7.1 主要结论 ......................................................................................................... 72

7.2 主要创新点 ..................................................................................................... 73

7.3 研究展望 ......................................................................................................... 73

参考文献 .................................................................................................................... 74

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ........................................ 78

致谢 .......................................................................................................................... 79

第一章绪论

1.1 泡沫沥青冷再生技术背景

随着我国国民经济急剧发展，我国公路建设也得到了空前的发展，随着“九

五”以来国家做出了扩大内需增长、加速基础设施建设的决策，加大了对公路建

设的投资，使我国各级公路里程均有了飞速增长。具统计，2013 年底我国高速公

路总通车里程已超过 10 万公里，已建成世界上规模最大的高速公路系统。根据我

国交通部最新出台的《国家公路网规划》（2013 年-2030 年），预计至 2030 年末建

成公路网总规模约 580 万公里，国家高速公路约 13.6 万公里[1]。随着早期修建的

公路已经逐步进入大、中修期，我国公路基础设施已由建设为主逐步转化为建设

与养护并重，公路养护技术与养护管理能力已受到越来越多的重视。

在我国已建道路中，沥青路面占了很大的比例。随着交通量迅猛增长，轮胎

压力和轴载不断加大以及路面使用年限的增长，都加速了沥青路面的老化，根据

一般沥青路面设计寿命（8～15 年），每年约 12%的沥青路面需重新翻修，常采用

的方法是先铣刨旧路面层，在加铺新面层的措施[2]。旧沥青路面废弃料若直接丢弃，

将需要大片土地进行放置，并且易造成环境污染[3]。对于这些铣刨下来的路面材料，

其本身也具有一定的利用价值，若直接舍弃也是对资源的一种浪费。这种现状对

道路工作者提出了挑战，旧路面废旧材料的再生利用就是解决当前问题的有效途

径之一。另一方面，我国沥青资源普遍匮乏，多年来在修建道路时经常采用减少

沥青面层厚度的措施，以满足我国日益增长的道路建设需要。

经调查发现，我国公路基层、底基层结构常为半刚性材料[4]，半刚性基层的最

大优点是整体性强，有较高的承载能力，弯沉较小且投资较少。显然我们在利用

半刚性基层优点的同时，忽略了其缺点。半刚性基层路面经常出现温缩裂缝，而

这些裂缝经常是由半刚性基层开始，逐步延伸至面层和路基，最后导致整个路面

结构发生破坏[5]。半刚性路面一旦发生以上破坏，普通的养护维修已不能起到很大

作用，通常要采用大、中修的维修方式。这就引发人们在技术上认真考虑这一问

题。

为解决道路建设面临的这些普遍问题，人们希望开发新型的道路基层以解决

半刚性基层结构带来的种种问题，以避免发生路面结构性的损坏，同时又能解决

大量废弃材料污染的问题。通过前人研究发现，泡沫沥青混合料可作为一种新型

道路材料适用于路面基层。这一研究引起许多国家和地区道路界研究人员的重视。

1956 年，根据美国依阿华大学的 Ladis H.Csanyi 教授研究发现，泡沫沥青能

够成为泥土稳定剂，由此，欧美等发达国家正式对泡沫沥青技术进行研究，作为

一种新型粘结剂，泡沫沥青技术现已普遍应用于道路建设工程。泡沫沥青的优势

上海理工大学硕士学位论文

主要在于：

（1）泡沫沥青混合料与水泥、石灰等半刚性材料强度相差不大，其抗疲劳性、

抗剪切强度较高，水敏感性较低，泡沫沥青混合料整体性能偏柔性，用泡沫沥青

混合料取代半刚性材料可明显减少路面反射裂缝病害的发生，以提高道路使用寿

命[6]。

（2）泡沫沥青混合料经拌和压实后可立即开放交通，对于道路的维修，可大

大减少养护时间，增加其工作效率。

（3）泡沫沥青混合料生产过程当中，仅要求加热沥青，常温状态即可进行集

料与泡沫沥青的拌和，可有效避免工作人员因高温环境导致职业病的产生，是一

种环保、经济的道路材料。

（4）泡沫沥青混合料可以长期储存用于道路日常维修，一般不会发生离析现

象。

（5）泡沫沥青与集料的粘结是在常温下进行，现场施工时不用担心阴雨等不

利天气对施工造成影响。

（6）泡沫沥青可粘结的集料范围较广，高质量的碎石或低质量的矿石、矿渣

均可作为回收料进行使用，可根据实际施工地点就地取材，大大提高道路维护的

经济效益与效率。

根据国内外使用经验，泡沫沥青再生技术主要分为就地与厂拌再生，经多年

工程应用，无论采用何种再生方式，均可取得较好的应用效果和较高的经济效益。

面对人们日益关注的资源及环境问题，泡沫沥青再生技术开创了一条新型环保的

道路施工方法，具有广阔的应用前景。

近年来我国重点研究泡沫沥青冷再生技术，全国各地修筑了多条泡沫沥青冷

再生路段，在积累经验的同时也发现了一些不足：

（1）沥青的发泡需要有专业的设备，而目前只有少数国家掌握沥青发泡技术

的核心内容。

（2）泡沫沥青只能裹附细集料，再以点焊的形式与粗集料相结合，因此对于

大多数铣刨料均需加入一定量的细集料，以满足其混合料早期强度的形成。

（3）泡沫沥青冷再生技术在我国还处于起步阶段，虽然已有许多国外应用经

验，但其研究成果仍不完善，且对于我国具体国情并不完全适合，该技术在我国

的应用还需投入大量研究。

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摘要近年来，泡沫沥青冷再生技术在我国迅速发展，但由于设计、施工、养护管理等诸多原因，已修建的再生路段开始出现车辙、裂缝、坑槽等损坏现象，早期修建的泡沫沥青冷再生路面将陆续进入维修改造阶段。本文通过理论研究与现场调研相结合的方法，分析泡沫沥青冷再生路面主要的病害形式及其成因，针对目前泡沫沥青冷再生技术在使用过程中存在的问题，进行再生混合料优化设计的研究。通过大量现场调查，总结泡沫沥青冷再生路面易出现的病害类型，通过微观试验及相关理论研究发现，泡沫沥青冷再生混合料在水的浸泡作用下易产生破坏，且常见的破坏模式有两种，模式一的破坏裂缝出现于泡沫沥青胶结剂与粗骨料颗粒没有充分粘结的部位；模式二出现的裂缝...

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