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泡沫沥青及泡沫沥青冷再生混合料技术性能研究

作　者: 徐金枝
导　师: 郝培文
学　校: 长安大学
专　业: 道路与铁道工程
关键词: 泡沫沥青 沥青发泡特性 泡沫沥青分散性状 拌和用水量 级配 设计方法 力学性能 永久变形性能 疲劳性能 施工工艺
分类号: U414
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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引　用: 15次
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内容摘要


对沥青路面废旧材料进行再生利用,可以有效提高资源利用率,保护生态环境,符合国家提出的发展循环经济、实现可持续发展的战略方针。因此,对沥青路面再生技术进行研究具有重要的意义。泡沫沥青是近年来兴起的一种冷再生稳定剂,用其稳定的再生混合料在材料性能、经济性以及环保性等方面具有独特的优势和发展前景。但到目前为止有关泡沫沥青冷再生混合料的材料特性、破坏机理等的研究十分有限,泡沫沥青再生混合料的设计也主要依赖于经验,这些均限制了泡沫沥青冷再生技术的推广应用。本文从泡沫沥青与泡沫沥青冷再生混合料的材料组成出发,旨在通过大量室内试验,对泡沫沥青冷再生混合料的物理力学性能以及使用性能进行系统深入的研究,以实现泡沫沥青冷再生混合料的优化设计,从而改善其各项性能,进而推动泡沫沥青冷再生技术的研究与应用。沥青发泡特性是影响泡沫沥青冷再生混合料性能的关键因素。本文选用不同等级的沥青进行发泡特性试验分析,研究沥青发泡特性的评价指标与方法、发泡剂对沥青发泡特性的影响以及沥青基本性质与其发泡特性之间的相关性。结果表明:发泡指数FI在一定范围内增大反映出沥青发泡特性的改善,但并非FI越大泡沫沥青的发泡特性就越好,FI不能代替膨胀率和半衰期两个基本指标单独用于泡沫沥青的设计与评价,而应将其作为一种辅助或补充指标,与膨胀率和半衰期相结合共同对泡沫沥青进行合理设计与评价;发泡剂可显著延长泡沫沥青的半衰期,但其对膨胀率影响较小;沥青的动力粘度指标与其发泡特性之间具有较好的相关性,PI、沥青的三大指标、密度、老化后的性质以及沥青等级等与其发泡特性之间相关性较小。通过筛分试验研究了不同条件下泡沫沥青冷拌混合料中沥青的分散性状,分析表明:设计中如不能合理控制泡沫沥青发泡特性、矿料温度、矿料级配组成以及混合料拌和水量等因素,将会造成沥青分散不均匀甚至结团现象,影响泡沫沥青冷拌混合料的相关性能;泡沫沥青均匀分散的混合料中,沥青主要裹覆＜1.18mm的细集料,尤其是＜0.3mm的细集料部分,形成泡沫沥青砂浆并将大粒径集料以点焊的形式粘结成整体。通过变化不同的沥青发泡特性以及矿料温度,研究其对泡沫沥青再生混合料力学性能的影响,结果表明:两因素对泡沫沥青再生混合料的ITS与UCS均具有显著影响,且沥青发泡特性的评价指标膨胀率与半衰期相比,膨胀率对再生混合料力学强度特性的影响更为显著,据此提出在沥青发泡特性的优化设计中,应偏向于按膨胀率较大相应选择最佳沥青发泡条件。水是泡沫沥青冷再生混合料关键的设计指标之一。本文设计了泡沫沥青稳定新料与旧料形成的不同类型混合料,研究泡沫沥青冷拌混合料的拌和用水量问题。分析表明:混合料的最佳拌和用水量随其组成中填料含量的增多而一定程度增大,根据研究结果推荐了不同类型及组成的泡沫沥青冷拌混合料适宜拌和用水量范围及最佳拌和用水量。矿料级配组成是影响泡沫沥青冷再生混合料性能的另一关键因素。本文设计了具有不同细料组成及不同粗料组成的泡沫沥青冷拌混合料,通过对其抗拉、抗压与抗剪等力学性能的研究发现:泡沫沥青混合料的最佳沥青用量与混合料中的填料含量密切相关,与热拌沥青混合料相比,泡沫沥青混合料具有相对较大的粉胶比;提高细料部分的密实程度可显著改善泡沫沥青冷拌混合料的各项力学性能;粗料部分组成的变化对最佳泡沫沥青用量基本无影响,对混合料的力学性能影响则较小;针对不同级配的研究结果,相应修正了Wirtgen推荐的泡沫沥青稳定材料级配范围;此外,通过研究关键筛孔的级配变异敏感性,推荐了泡沫沥青冷拌混合料施工中关键筛孔的允许波动范围。泡沫沥青再生层的强度、刚度等力学性能受多种因素影响。本文从内外因两方面对泡沫沥青再生混合料的力学性能进行了试验分析,结果表明:沥青旧料掺量、泡沫沥青与水泥用量以及温度、养生、压实方法等对泡沫沥青再生混合料的抗拉、抗压、抗剪强度以及抗压回弹模量具有显著影响;泡沫沥青再生混合料力学性能的温度敏感性低于热拌沥青混合料。永久变形性能是泡沫沥青再生结构层使用中的重要性能之一。本文采用动态压缩蠕变试验分析了不同材料组成对泡沫再生混合料永久性能的影响,结果表明:一定程度增大水泥用量、矿料组成中的细料含量以及减小泡沫沥青用量,可提高泡沫沥青再生混合料的抗变形能力;在合理设计混合料级配组成的条件下,路面各结构层均可再生利用形成变形能力满足要求的再生混合料;泡沫沥青再生混合料的抗永久变形性能优于热拌沥青混合料;此外,泡沫沥青再生混合料蠕变试验的加载段可采用Burgers模型进行理想的拟合,从而获得泡沫沥青再生混合料的相关粘弹性参数。抗疲劳性能是泡沫沥青再生混合料铺筑路面基层或底基层时必须优化设计的关键性能。本文采用间接拉伸劈裂疲劳试验分析了不同材料组成对泡沫沥青再生混合料疲劳性能的影响,分析表明:水泥在小掺量条件下增多时有助于提高再生混合料的抗疲劳性能;最佳泡沫沥青用量下再生混合料可具有良好的抗疲劳性能以及强度与变形能力;改善沥青的发泡特性可相应提高再生混合料的抗疲劳性能;二灰砂砾基层材料形成的泡沫沥青再生混合料抗疲劳性能较差,将其与面层沥青旧料混合再生后形成的混合料性能有效改善;泡沫沥青再生混合料的抗疲劳性能介于半刚性基层材料与热拌沥青混合料之间。最后本文对泡沫沥青冷再生路面的施工工艺进行了研究,提出了泡沫沥青冷再生工程的施工质量检查方法与标准,并通过工程实例的验证得出,经合理设计与施工的泡沫沥青再生层具有良好的结构承载力,可作为高等级公路的基层或底基层。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-14
第一章 绪论  14-44
  1.1 沥青路面再生技术的背景与意义  14-15
  1.2 国内外沥青路面再生技术的研究概况  15-17
  1.3 沥青路面再生方法分类  17-19
  1.4 沥青路面冷再生  19-20
    1.4.1 沥青路面冷再生的优缺点  19
    1.4.2 沥青路面冷再生稳定剂  19-20
  1.5 泡沫沥青冷再生技术  20-21
    1.5.1 泡沫沥青的定义  20
    1.5.2 泡沫沥青冷再生的优缺点  20-21
  1.6 泡沫沥青冷再生技术研究综述  21-41
    1.6.1 泡沫沥青的发展历程  21-22
    1.6.2 泡沫沥青及泡沫沥青混合料的研究现状  22-41
  1.7 本文主要研究内容  41-44
第二章 泡沫沥青的发泡特性  44-78
  2.1 泡沫沥青的制备  44-45
    2.1.1 发泡装置  44-45
    2.1.2 泡沫沥青制备方法  45
  2.2 泡沫沥青的发泡原理  45-48
    2.2.1 泡沫沥青的发泡机理  45-47
    2.2.2 沥青泡沫的破灭机理  47-48
  2.3 沥青发泡的评价方法  48-51
  2.4 沥青发泡的影响因素  51-52
  2.5 沥青发泡特性试验研究  52-71
    2.5.1 不同沥青发泡特性试验分析  52-67
    2.5.2 添加发泡剂的沥青发泡特性研究  67-71
  2.6 沥青发泡特性与其性质的关系  71-75
  2.7 本章小节  75-78
第三章 泡沫沥青的分散性状  78-96
  3.1 泡沫沥青混合料中沥青的分散状态  78-80
  3.2 泡沫沥青混合料中沥青分散程度的影响因素  80-82
    3.2.1 沥青发泡特性  81
    3.2.2 含水量  81
    3.2.3 矿料级配组成  81
    3.2.4 矿料温度  81-82
    3.2.5 沥青含量  82
    3.2.6 混合料拌和工艺  82
  3.3 泡沫沥青在矿质集料中分散状态的试验研究  82-93
    3.3.1 沥青发泡特性及料温的影响  83-88
    3.3.2 矿料级配组成的影响  88-91
    3.3.3 拌和用水量的影响  91-93
  3.4 本章小节  93-96
第四章 泡沫沥青混合料的拌和用水量  96-118
  4.1 试验方案  96-97
  4.2 试验材料  97-98
  4.3 试验结果分析  98-115
    4.3.1 泡沫沥青稳定新料的拌和用水量研究  98-108
    4.3.2 泡沫沥青稳定RAP的拌和用水量研究  108-112
    4.3.3 泡沫沥青稳定基层旧料的拌和用水量研究  112-115
  4.4 泡沫沥青混合料合理拌和用水量的确定  115-117
  4.5 本章小节  117-118
第五章 泡沫沥青混合料级配组成研究  118-170
  5.1 连续级配设计方法  118-127
  5.2 泡沫沥青混合料的矿料级配试验研究  127-166
    5.2.1 试验级配设计  129-130
    5.2.2 细料部分组成的影响  130-149
    5.2.3 粗料部分组成的影响  149-158
    5.2.4 泡沫沥青稳定材料的级配下限  158-163
    5.2.5 泡沫沥青混合料级配组成波动的研究  163-166
  5.3 泡沫沥青冷拌混合料配合比设计方法  166-168
  5.4 本章小节  168-170
第六章 泡沫沥青再生混合料力学性能研究  170-222
  6.1 沥青发泡特性与矿料温度对再生混合料强度特性的影响  170-183
    6.1.1 试验方案  170-171
    6.1.2 不同条件下的ITS测试结果及分析  171-176
    6.1.3 不同因素与泡沫沥青再生混合料ITS的回归分析  176-180
    6.1.4 不同条件下的无侧限抗压强度测试结果及分析  180-183
  6.2 沥青旧料掺量对再生混合料强度特性的影响  183-191
    6.2.1 试验材料  183-184
    6.2.2 不同RAP掺量的泡沫沥青混合料配合比设计  184-188
    6.2.3 不同RAP掺量再生混合料强度特性分析  188-191
  6.3 泡沫沥青用量对再生混合料力学性能的影响  191-194
    6.3.1 试验级配  191
    6.3.2 泡沫沥青用量与混合料强度特性的相关性分析  191-194
  6.4 水泥用量对再生混合料强度特性的影响  194-200
    6.4.1 试验设计  194
    6.4.2 不同水泥用量的再生混合料强度增长规律  194-196
    6.4.3 不同水泥用量的再生混合料水稳定性分析  196-197
    6.4.4 不同水泥用量的再生混合料稳定度分析  197-199
    6.4.5 不同水泥用量的再生混合料强度特性分析  199-200
  6.5 养生方法对再生混合料强度特性的影响  200-203
    6.5.1 试验设计  200
    6.5.2 不同养生条件下的强度特性分析  200-203
  6.6 泡沫沥青再生混合料的温度敏感性  203-207
    6.6.1 试验设计  203
    6.6.2 不同沥青旧料掺量对再生混合料温度敏感性的影响  203-205
    6.6.3 泡沫沥青用量对再生混合料温度敏感性的影响  205-207
  6.7 泡沫沥青再生混合料的模量  207-217
    6.7.1 抗压回弹模量测试方法  207-208
    6.7.2 抗压回弹模量的数据处理  208-209
    6.7.3 不同方法所测模量的比较  209-210
    6.7.4 泡沫沥青用量及温度对抗压回弹模量的影响  210-213
    6.7.5 水泥用量对再生混合料模量的影响  213-214
    6.7.6 沥青旧料掺量对再生混合料模量的影响  214-215
    6.7.7 压实度对再生混合料模量的影响  215-216
    6.7.8 养生方法对再生混合料模量的影响  216-217
  6.8 泡沫沥青冷拌混合料的技术指标与标准  217
  6.9 本章小节  217-222
第七章 泡沫沥青再生混合料永久变形特性研究  222-254
  7.1 沥青混合料永久变形特性的研究方法  223-225
  7.2 泡沫沥青混合料永久变形特性研究方法的确定  225-226
    7.2.1 试验测试方法  225
    7.2.2 试验参数  225-226
  7.3 泡沫沥青混合料永久变形性能研究思路及方案  226-230
    7.3.1 研究思路  226-227
    7.3.2 试验方案  227-230
  7.4 蠕变试验测试结果及分析  230-243
    7.4.1 蠕变试验结果  230-231
    7.4.2 蠕变试验结果分析  231-241
    7.4.3 不同蠕变性能参数的相关性  241-243
  7.5 泡沫沥青再生混合料粘弹性分析  243-251
    7.5.1 粘弹性力学模型  243-244
    7.5.2 Burgers模型的蠕变特征  244-245
    7.5.3 泡沫沥青再生混合料粘弹性试验分析  245-251
  7.6 本章小节  251-254
第八章 泡沫沥青再生混合料疲劳性能研究  254-286
  8.1 沥青混合料疲劳性能研究概述  254-256
  8.2 沥青混合料疲劳性能研究方法  256-258
  8.3 泡沫沥青混合料疲劳性能研究方法的确定  258-261
    8.3.1 疲劳试验方法  258-259
    8.3.2 加载模式  259
    8.3.3 加载频率和加载波形  259
    8.3.4 试验温度  259-260
    8.3.5 疲劳破坏的临界点  260
    8.3.6 应力水平  260
    8.3.7 疲劳试验条件参数  260-261
  8.4 疲劳性能研究思路及方案  261-262
    8.4.1 研究思路  261
    8.4.2 试验方案  261-262
  8.5 试验结果及分析  262-283
    8.5.1 间接拉伸强度测试结果  262-263
    8.5.2 疲劳性能测试结果及分析  263-280
    8.5.3 不同类型路面混合料的疲劳性能比较  280-283
  8.6 本章小节  283-286
第九章 泡沫沥青冷再生施工  286-310
  9.1 泡沫沥青冷再生施工方法  286-289
    9.1.1 厂拌冷再生  286-287
    9.1.2 就地冷再生  287-289
    9.1.3 两种冷再生方法的比较  289
  9.2 泡沫沥青冷再生施工中的材料要求  289-291
    9.2.1 泡沫沥青的发泡特性  289-290
    9.2.2 待稳定材料的性质  290-291
  9.3 泡沫沥青就地冷再生施工  291-295
    9.3.1 施工前的准备  291-292
    9.3.2 试验段施工  292
    9.3.3 再生层施工  292-295
  9.4 泡沫沥青厂拌冷再生施工  295-296
  9.5 质量控制(QC)与质量验收(QA)  296-300
    9.5.1 质量控制  296-298
    9.5.2 质量验收  298-300
  9.6 泡沫沥青冷再生工程实例  300-308
    9.6.1 室内设计结果  300-302
    9.6.2 厂拌冷再生施工  302-305
    9.6.3 泡沫沥青再生层的观测  305-307
    9.6.4 经济效益分析  307-308
  9.7 本章小节  308-310
主要结论、创新点与研究展望  310-316
  1 主要研究结论  310-313
  2 主要创新点  313-314
  3 进一步研究设想  314-316
参考文献  316-322
攻读博士学位期间发表的主要论文  322-324
致谢  324

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