沥青路面冷再生强度机理与设计方法研究.pdf
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1、PPT模板下载: TRANSPORTATION INSTITUTE目录CONTENTS01研究背景02主要研究成果03主要关键技术04总结Research Background研究背景研究背景01 研究背景道路可持续发展需求道路可持续发展需求 路面废弃材料的浪费及污染 高品质集料的缺乏 节能减排的工作压力未来全国公路因为维修产生的废旧材料超过18000万吨万吨,高速公路维修产生的旧料不低于7000万吨万吨,山东省每年道路沥青废旧材料达到220万吨万吨,如能加以利用每年可节省材料费3亿亿元元,且每年增加至少15%。01 研究背景配合比设计方法简单,控制指标单一设计方法仍需改进混合料施工工艺不完善
2、,质控手段单一结构设计参数与结构适应性仍需研究劈裂强度干湿劈裂冻融劈裂动稳定度低温弯曲抗松散试验马歇尔、重型击实旋转压实方法最佳含水量最佳沥青用量最佳水泥用量体积指标测定乳化沥青含量测定配伍性试验?沥青路面冷再生存在的技术问题沥青路面冷再生存在的技术问题乳化沥青生产与评价专用混合料生产设备乳化沥青质控水泥质控压实度控制与检验冷再生强度形成机理认识不清冷再生强度形成机理认识不清01 研究背景交通运输部应用基础研究项目(重点平台)山 东 省 交 通 科 技 计 划 项 目沥青路面冷再生强度再形成机理与性能评价指标体系的研究乳化沥青及泡沫沥青冷再生混合料强度形成机理冷再生混合料性能评价指标和体系研究
3、冷再生材料的结构设计参数和结构适应性施工工艺与质量控制体系Research Foundation主要研究成果主要研究成果02 研究成果冷再生混合料的物相组成 冷再生将旧沥青混合料(RAP)经过适当技术处理,掺加一定量的新集料、矿粉满足一定的级配要求后,添加适量乳化沥青(泡沫沥青)和水泥后、在常温条件下重新拌制生产沥青混合料的技术,其材料构成体系更加复杂。沥青矿粉填料矿料乳化沥青水泥水RAP料新矿料矿粉填料泡沫沥青水泥水RAP料新矿料矿粉填料HMAECRMFCRM1.乳化沥青冷再生的强度形成机理问题02 研究成果 原材料性质发生了改变-力学、粒度、旧沥青 起粘接作用的胶浆系统发生了改变-无机、有
4、机的复合 胶浆体系的连续性-粘弹性 无机、有机胶结料在强度形成上的相互协同与制约-最优量比 工作特性的变化:裹覆性如何?拌合性如何?压实性如何?力学特性如何?1.乳化沥青冷再生的强度形成机理问题冷再生混合料的物相组成02 研究成果1.乳化沥青冷再生的强度形成机理问题0.0002.0004.0006.0008.00010.00012.00014.00016.000Dch,mmnDch,mmnDch,mmnDch,mmn0-5mm5-10mm10-20mm某铣胞料颗粒表征参数beforeafter 冷再生冷再生RAP的颗粒参数会的颗粒参数会在溶剂(沥青)、碾压力在溶剂(沥青)、碾压力下发生改变,导
5、致密度、下发生改变,导致密度、强度等物理指标的变化;强度等物理指标的变化;从而带来混合料级配设计从而带来混合料级配设计中的复杂性,也带来强度中的复杂性,也带来强度机理形成上的复杂性。机理形成上的复杂性。R =100 eDch为特征粒径(mm),标识颗粒群宏观上的粗细程度;n为颗粒均匀性系数。02 研究成果1.乳化沥青冷再生的强度形成机理问题RAP旧沥青旧沥青 RAP料以一个颗粒团聚体的形式存在,颗粒表面多存在微细颗粒等;而酸除掉颗粒后,曾呈现相对匀质的沥青集合体,无大面积的荧光显示。旧沥青呈现一种类似天然岩沥青的特点,并不现荧光。旧沥青的胶体结构发生改变,稳定性减弱胶体结构发生改变,稳定性减弱
6、,沥青性能变差,主要表现为延度变差,软化点升高,针入度降低。酸处理后02 研究成果1.乳化沥青冷再生的强度形成机理问题乳化沥青乳化沥青 不同类型乳化沥青有着不同的流体特性,主要体现在液体体系的屈服值、温度敏感性不同。冷再生用慢裂慢凝乳化沥青表观屈服值小,冷再生用慢裂慢凝乳化沥青表观屈服值小,对温度相对稳定。对温度相对稳定。800800030354045505560G*,PaTEMPERATURE,1#2#3#4#5#类型类型1#2#3#4#5#原始原始pH值值11.4510.911.14/11.07皂液皂液pH值值2.522/2用量用量,%2.51.51.5/1.5平均粒度平均粒度15.61.
7、8561.6172.718208.7比表面积比表面积676143545478423578731674备准备准慢裂慢凝慢裂快凝慢裂快凝快裂快凝慢裂快凝02 研究成果乳化沥青乳化沥青1.乳化沥青冷再生的强度形成机理问题初凝阶段固化阶段成型阶段铺展阶段02 研究成果乳化沥青乳化沥青 乳化沥青破乳是乳化沥青微粒由分散到聚结的不可逆变化,包括在矿料表面的破乳和乳化沥青颗粒的相互聚合破乳。在铺展阶段是裹附作用铺展阶段是裹附作用,初凝阶段是初凝阶段是电荷和聚合作用电荷和聚合作用,固化阶段是聚合作固化阶段是聚合作用用,成型阶段是相似相容作用成型阶段是相似相容作用,并在每个阶段其他的作用机理也在不同程度的发挥作
8、用。水膜集料表面乳化沥青颗粒乳化沥青在润湿的矿料表面展开的条件是S乳/石0;(水的计入)乳化沥青在润湿表面展开一层薄膜后,S乳/石0,在矿料表面的自憎现象(沥青膜铺裹程度有限,决定了用量、水的用量)矿料表面的电荷与阳离子乳化沥青所带的电荷异性相吸,使裹附于矿料表面的乳化沥青与矿料发生不可逆的吸附,引起乳化沥青的破乳。乳化剂的结构特点,与矿料粘附时,定向排列在矿料表面,改善其表面自由能,使乳化沥青与矿料具有较好的粘附性,同时乳化剂对沥青的其他性能也有不同程度的影响。1.乳化沥青冷再生的强度形成机理问题02 研究成果1.乳化沥青冷再生的强度形成机理问题 乳化沥青冷再生沥青混合料比热拌沥青混合料的物
9、相体系更为复杂,其中的胶浆体系也尤为不同。胶浆1:普通热拌沥青混凝土胶浆(矿粉+沥青)胶浆2:乳化沥青残留物+矿粉胶浆3:乳化沥青残留物+水泥胶浆4:乳化沥青残留物+水泥水化物胶浆5:2+3+4乳化沥青水泥水RAP料新矿料矿粉填料胶浆体系02 研究成果 冷再生沥青混合料强度冷再生沥青混合料强度形成过形成过程中程中,胶浆体系在不同时间所胶浆体系在不同时间所表现的方式是不同的表现的方式是不同的。乳化沥青更多扮演着混合料初期稳定的作用,水泥水化、矿粉、乳化沥青残留物以及形成的复合胶浆系统才是形成最终路用强度的保障。1.乳化沥青冷再生的强度形成机理问题02 研究成果1.乳化沥青冷再生的强度形成机理问题
10、矿粉+沥青水泥+乳化沥青 乳化剂与沥青之间有一定的配伍性,基质沥青四组份的差异会导致乳化沥青粒径、储存稳定性、残留物性质方面的差异。利用动态剪切流变仪检测则可以发现这些乳化沥青存在流动性和温度敏感性上的不同。相比基质沥青胶浆,乳化沥青残留物胶浆受矿粉类型影响更为明显。不同乳化剂同铣刨料的配伍性不同,导致其工作性不同。乳化沥青冷再生的强度形成受不同乳化剂类型、水泥剂量、水、乳化沥青用量等因素影响显著。02 研究成果1.乳化沥青冷再生的强度形成机理问题11.522.533.544.50.02.04.06.0G*m/G*0water/cementC-EH3.5%C-EH4.5%C-EH5.5%C-E
11、H6.5%2%0.000.250.500.751.000.000.250.500.751.000.000.250.500.751.00emulsion residuecementwater01 研究背景 强度来源于胶浆、来源于水泥和乳化沥青0.00.51.01.52.02.53.03.54.02.53.03.54.04.55.05.56.0emulsion%cement%432050435765648872107933865593781.010E+040.00.51.01.52.02.53.03.54.02.53.03.54.04.55.05.56.0emulsion%cement%3.560
12、4.1304.7005.2705.8406.4106.9807.5508.120模量分布相位角分布1.乳化沥青冷再生的强度形成机理问题02 研究成果2.乳化沥青冷再生混合料设计问题 不同混合料的模量主曲线对比 冷再生混合料在低频区模量较高,高频区模量变化,泡沫沥青偏低。胶结料的形式不同,泡沫冷混合料的模量敏感区短,而且模量幅度小;而乳化沥青冷再生与热拌料则敏感区长,模量变化大。模量敏感区,混合料模量相对接近!模量敏感区02 研究成果2.乳化沥青冷再生混合料设计问题 不同混合料的模量主曲线对比05101520253035401.00E-11 1.00E-09 1.00E-07 1.00E-05
13、1.00E-03 1.00E-01 1.00E+01 1.00E+03 1.00E+05 1.00E+07 1.00E+09,frequency,Hz50-AC2070-AC2090-AC20E-CRMMAC-AC2070-AC2570-AC13F-CRM-AF-CRM-B 胶结料的粘弹性决定了沥青混合料的粘弹性状态。泡沫沥青混合料的相位角变化幅度,远小于沥青混合料和乳化沥青混合料。乳化沥青的存在为冷再生混合料提供了一个较低的初始低频相位角,但是在外力作用下,可以表现出宽的粘弹结构变化幅度,体现更大的频率敏感性。粘弹性与普通沥青相当!02 研究成果冷再生混合料的粘弹特征由于不同沥青混合料的物象
14、组成和粘弹性的不同,其在特定温度、交变应力环境下,松弛时间也有所不同。泡沫冷再生混合料的松弛时间最长!泡沫冷再生混合料的松弛时间最长!在水泥固化的作用下更多呈现(半)刚性状态刚性状态!在一个较宽的频率范围内呈现出较弱的粘弹行为较弱的粘弹行为。作为“柔性基层”而言,泡沫冷再生达不到作为“柔性基层”而言,泡沫冷再生达不到LSPM混合混合料的效果,但是乳化沥青冷再生则可以!料的效果,但是乳化沥青冷再生则可以!12.5910.001.770.69 0.650.540.300.290.25 0.240.110.02.04.06.08.010.012.014.0F-CRM-BF-CRM-AMAC-AC20
15、50-AC20E-CRMLSPM-30SMA-1370-AC2070-AC2590-AC2070-AC13松弛时间,S2.乳化沥青冷再生混合料设计问题乳化沥青冷再生更倾向于柔性材料方向,而泡沫沥青冷再生则倾向于半刚性材料方向!02 研究成果旋转压实试验采用50次或70次的压实次数。冷再生的最佳含水量采用旋转压实确定。采用旋转压实设计方法确定最佳乳化沥青含量。旋转压实试验确定混合料干湿劈裂强度。旋转压实试验确定混合料水稳定性。设计方法材料设计现场施工评价指标体系混合料指标体系有所调整:明确了不同交通等级下冷再生混合料设计要求;提高了冷再生混合料的空隙率控制标准;摒弃了马歇尔稳定度试验,增加了干湿
16、劈裂强度、动稳定度及低温弯曲试验指标;增加了40工作时间的控制指标;较现行规范提高了劈裂强度、冻融劈裂强度的控制标准;2.乳化沥青冷再生混合料设计问题02 研究成果3.乳化沥青冷再生结构设计参数与结构适应性由于冷再生混合料动态模量相位角的由于冷再生混合料动态模量相位角的变化趋势与热拌混合料基本一致,因此其变化趋势与热拌混合料基本一致,因此其性质表现为粘弹性,但模量偏低,乳化沥性质表现为粘弹性,但模量偏低,乳化沥青冷再生动态模量范围青冷再生动态模量范围(2020,10HZ10HZ)介于介于40008000MPa40008000MPa,泡沫沥青冷再生动态,泡沫沥青冷再生动态模量范围模量范围(202
17、0,10HZ10HZ)介于)介于35007500MPa35007500MPa;从另一方面冷再生混合料;从另一方面冷再生混合料孔隙率在孔隙率在10%10%左右,与密级配沥青混合料、左右,与密级配沥青混合料、开级配沥青混合料及粒料材料相比,建议开级配沥青混合料及粒料材料相比,建议泊松比可取泊松比可取0.30.3。动态模量取值与泊松比02 研究成果沥青冷再生混合料疲劳性能试验采用三分点加载四点弯曲疲劳试验,现场切件及实验室内成型切割疲劳试件,试件尺寸为50.0mm63.5mm381mm,试验温度为20,加载频率选为10Hz,采用应力控制模式加载。冷再生混合料试件冷再生混合料试件在低应变在低应变时,荷
18、载作用次数时,荷载作用次数较较大,应大,应变为变为8080时,时,试件承受接试件承受接近近200200万次加载仍万次加载仍未破坏,未破坏,冷冷再生沥青混合料的疲劳性能再生沥青混合料的疲劳性能是远低于热拌沥青混合料。是远低于热拌沥青混合料。3.乳化沥青冷再生结构设计参数与结构适应性02 研究成果沥青冷再生混合料结构适应性3.乳化沥青冷再生结构设计参数与结构适应性02 研究成果通过对乳化沥青冷再生和泡沫沥青冷再生混合料通过对乳化沥青冷再生和泡沫沥青冷再生混合料的动态模量分析,在的动态模量分析,在20条件下,条件下,乳化沥青冷再乳化沥青冷再生动态模量范围生动态模量范围(20,10HZ)介于)介于40
19、008000MPa,泡沫沥青冷再生动态模量范围,泡沫沥青冷再生动态模量范围(20,10HZ)介于)介于35007500MPa。动态模量泊松比冷再生混合料泊松比介于密级配沥青混合料和冷再生混合料泊松比介于密级配沥青混合料和开级配沥青混合料泊松比的中间值开级配沥青混合料泊松比的中间值0.3。疲劳特性冷再生混合料在较低应变水平下可以承受一定的冷再生混合料在较低应变水平下可以承受一定的疲劳荷载,但在与基质沥青疲劳荷载,但在与基质沥青200200时,疲劳性能时,疲劳性能是基质沥青的三十分之一是基质沥青的三十分之一。因此冷再生混合料并因此冷再生混合料并不适合抵抗疲劳开裂的层位。不适合抵抗疲劳开裂的层位。0
20、20004000600080001000012000051015202530加载频率/Hz动态模量/MPa1015204054051015202530051015202530加载频率/Hz相位角/10152040543.乳化沥青冷再生结构设计参数与结构适应性Key technologies关键技术关键技术03 关键技术1.1.应用结构应用结构全线冷再生应用路段(普通乳化再生)推广应用课题(高性能乳化再生)采用常规的乳化沥青冷再生技术,可以用以替代柔性基层,具有造价相对较低、铣刨料利用率高、实现简单、性能稳定的特点,根据济青高速的交通量以及永久性路面结构的特点,全线采用此方案。此推广项目来源为交
21、通部课题沥青路面冷再生强度再形成机理与性能评价指标体系(国际领先)的相关研究。高性能乳化沥青性能远高于常规乳化沥青冷再生技术,疲劳性能提高10倍以上,可以用于特重交通的下面层。03 关键技术2.2.关键技术关键技术 基质沥青 乳化剂 新集料 水泥 旋转压实设计 标准化的再生设备改装技术 专用混合料设备 施工控制及细部处理工艺 层间粘结处理工艺 环保要求 早强要求 高抗疲劳性要求 高抗水损性能材料选择 一旋转压实为基础的评价方法设计方法设计方法设备改装标准化及专用设备的研发施工工艺及控制指标高性能乳化再生技术03 关键技术关键技术关键技术1 1-材料选择及试验材料选择及试验1.油源选择与控制2.
22、乳化剂与原油配伍性 乳化沥青与油源的配伍性油源确定红外光谱检测乳化沥青生产性能检测3.性能试验02 研究成果乳化沥青 实验表明,乳化沥青质量对生产工艺和参数敏感。并对沥青来源、乳化剂类型存在选择性。01234502461d稳定性,%pH值02468101205101520分布频率,%粒度,微米pH-1.2pH-1.8pH-2.63.7192.692.6253843846960397940500010000150002000025000300003500040000450005000022.22.42.62.833.23.43.63.8ph-1.2ph-1.8ph-2.6比表面积,cm2/cm3
23、平均粒度,um平均粒度,um比表面积,cm2/cm3工艺pH值关键技术关键技术1 1-材料选择及试验材料选择及试验02 研究成果乳化沥青 实验表明,乳化沥青质量对生产工艺和参数敏感。并对沥青来源、乳化剂类型存在选择性。沥青来源关键技术关键技术1 1-材料选择及试验材料选择及试验02 研究成果乳化剂用量乳化沥青 实验表明,乳化沥青质量对生产工艺和参数敏感。并对沥青来源、乳化剂类型存在选择性。关键技术关键技术1 1-材料选择及试验材料选择及试验03 关键技术关键技术关键技术1 1-材料选择及试验材料选择及试验 工业级乳化沥青生产冷再生专用乳化沥青的性质冷再生专用乳化沥青的性质,除受,除受乳化剂用量
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