Transcript 沥青混凝土路面新技术
沥青混凝土路面 新技术 同济大学交通运输工程学院 薛 明 自我介绍 • • • • • • • 姓名：薛明 单位：同济大学交通运输工程学院 地址：上海市曹安公路4800号 邮编：201804 电话：021 – 69583663 手机：13003119117 邮箱：[email protected] 沥青混凝土路面新技术 • • • • • • 我们对道路工程的认识 沥青路面的损坏模式与机理 近年来沥青路面的研究方向 沥再生新技术 沥青混合料的温拌技术 新技术的选用原理 一、我们对道路工程的认识 1.1 社会上对道路工程的认识 • 路是人走出来的 • 大汽车也开不到地球里面去 • 公路、铁路与民航建设企业的开放 • 科技部的看法 一、我们对道路工程的认识 1.2 我们对道路工程的认识 • 道路工程是一项十分成熟的工程 • 道路工程是一项十分复杂的工程 • 道路工程是一项系统工程 • 道路工程是一项不容易出问题但又不 易做好的工程 • 做好道路工程的几大前提——设计、 施工、管理、材料 二、沥青路面的损坏模式与机理 2.1 沥青路面的主要损坏模式 • 沉陷 • 车辙 • 推移 • 开裂 • 松散与坑槽 二、沥青路面的损坏模式与原因 2.2 沥青路面损坏的可能原因 • 路基问题 • 材料选择 • 混合料组成设计 • 施工 • 管理 三、近年来沥青路面的研究方向 3.1 结构方面的探讨 • 重载路面 • 全寿命路面 • 防止反射裂缝的结构 • 简装路面 • 特殊地质条件下的路面 三、近年来沥青路面的研究方向 3.2 材料方面的探讨 • 沥青 • 集料 • 防裂材料 • 防水材料 • 沥青改性材料 • 抗变形材料 三、近年来沥青路面的研究方向 3.3 养护方面的探讨 • 白改黑方面的探讨 • 表面处置方面的探讨 • 预防性养护方面的探讨 • 快速修补方面的探讨 四、乳化沥青 冷再生新技术 本章主要内容 • • • • • 沥再生的提出 主要的路面再生技术 乳化沥青冷再生混合料的工作原理 乳化沥青冷再生技术特点和应用方向 近年来的国内主要应用案例 4.1 旧沥青路面材料再生 ——背景 • 100%再生利用沥青旧料已是发达国 家普遍现状，厂拌热再生是主角； • 可持续发展、资源再生利用国策化； • 公路建设中路产保存变主体； • 行业主管政策导向； • 资金投入的不可逆转变 4.2 主要路面再生技术 • 厂拌 • 就地 • 热再生 • 冷再生（水泥、乳化沥青、 泡沫） 冷再生的分类 • 按照胶结材料分为： – 水泥冷再生>>低成本，沥青再生料作为半刚性基层集料， 常与半刚性基层旧料掺混使用 – 乳化沥青冷再生>>沥青再生料再造柔性层，裹覆、粘结、 新旧胶结料渗透优 – 泡沫沥青冷再生>>成本低，裹覆、粘结较差 • 按照施工流程分为： – 现场冷再生>>一次性完成，质量可控性相对差，无机会 进行基层修复 – 工厂冷再生>>原材料受控，拌和与成型工艺均受控，再 生层施工前有充足的基层修复时间 4.3乳化沥青冷再生混合料的 工作原理 • 沥青乳化的原理 • 乳化剂 • 沥青的乳化 沥青乳化的原理 乳化剂是由极性的亲水基团（如胺基） 和非极性的亲油基团（如烷基）构成，在与沥 青在胶体磨中高速混合过程中，乳化剂将迅速 分散并聚集在沥青颗粒的表面，有效隔离水与 沥青界面，同样达到降低表面能的目的。同时， 亲水的极性基团，通常带有同性电荷，同性电 荷的排斥作用，有效维持了乳液的稳定性。 乳化剂 在水相和液相同时可溶 带极性的头部是亲水基团（如胺基） 不带极性的尾部是碳氢链的憎水基团（如亲油基团） CH3CH2CH2CH2 CH2CH2CH2CH2 尾部 CH2CH2 CH2CH2 O 头部 CH2CH2CH2C NH CH2CH2 2 NH NH CH2CH2 2 沥青的乳化 • 冷再生技术需要解决的首要问题是使胶结 料在常温下具有工作性。 • 乳化沥青采用机械结合化学的方法形成水 包油的乳液系统来实现这个目的。 • 沥青颗粒悬浮在水相介质中，整个乳液的 流动性取决于水的流动性，胶结料的常温 工作性借此实现。 沥青的乳化设备简图 胶体磨的作用 转子 定子 乳化过程 DEFORMATION RUPTURE/CAPTURE 稳定乳液的形成 影响乳化效果的因素 • 硬件: 胶体磨（功率、定转子高速运行稳定 性、间隙和磨头设计）、管路、散热系统、 压力系统、计量系统 • 乳化沥青配方设计（乳化剂、乳化剂用量、 乳化剂激活、稳定剂） • 沥青的品种，化学匹配 乳化沥青的凝结（强度形成）过程 沥青 石料表面 集料的电荷 乳化再生技术成套要素 高品质乳 化沥青 化学配伍 的混合料 设计和质 控 专用生产 设备 项目 专业施工 单位 项目级乳 化沥青设 计 旧料分级/分析和试配 乳化沥青配方 拌和试验 差 裹覆和工作性 确定预湿水 侯选乳化沥青配方 早期强度 乳化配方选定 密 实 度 问 题 配合比调整 成型 空隙率/稳定度 目标配比确定 性能验证 生产配比确定 设计完成 强 度 问 题 水 损 坏 问 题 乳 化 再 生 混 合 料 设 计 流 程 江苏沪宁高速 • 1996年建成通车，交通量很快超过预期，原有4 车道扩建为双向8车道。 • 为了降低工程造价，减少废弃料对环境的影响。 沪宁高速公路改扩建项目先后在镇江支线和无锡 段实施了乳化沥青冷再生的试验段和实体工程。 • 无锡段采用柔性路面结构：16cm二灰碎石再生 层+20cm级配碎石+10cm乳化沥青冷再生+10cm 普通沥青LSM-25+8cm普通沥青sup25+8cm改性 沥青sup-20+4cm改性沥青SMA13。 江西昌九高速公路 • 江西昌九高速公路是江西省第一条高速公路 • 原路路面结构：30cm未筛分碎石＋20cm二灰碎 石＋6cm热拌沥青碎石＋4cm中粒式沥青砼。 • 2006-2007年，对该路进行了乳化沥青再生大修。 大修结构为：原路基及碎石层+20cm修复的基层 +12cm再生层+6cm普通AC20+6cm改性 AC20+4cm改性AC13。 4.6 旧沥青路面材料再生 ——现状和展望 • 厂拌再生在市政应用更多、更早，很可能 是再生体系最早完善的系统 • 无论是厂拌还是现场，配套技术和管理体 系均滞后，不利其规范发展 • 现场再生在公路体系或许前景更广阔，但 改性沥青面层现场再生体系还需更成熟 • 厂拌再生料应用于面层结构是大势所趋， 但利用率与性能的平衡点还需提高 五、沥青混合料的 温拌技术 北京长安街 普通热拌施工 温拌施工 SMA双改性 路面施工 讲座的主要内容 一、为什么要提出温拌技术 二、温拌技术的定义与分类 三、温拌技术的应用方向 四、温拌技术的应用方法 一、为什么要提出温拌技术 • • • • • • • 沥青材料的特性 环境需求 节能需求 筑路工人的身心健康需求 基本的工作条件需求 道路施工质量需求 沥青混凝土路面长期使用的需求 1.1 沥青材料的特性—— 感温性能 • 沥青的感温特性 • 沥青感温特性对道路工程 的影响 1.2 道路施工中环境的需求 • 施工中沥青对环境的影响 • 城市道路施工对环境的要 求。 1.2 道路施工中环境的需求 1.2 道路施工中环境的需求 ——温度与沥青烟气 1.2 道路施工中环境的需求 ——温度与有害物 1.3 社会对节能的需求 • 沥青混合料拌合与温度 • 沥青混合料施工与温度 • 降温对节能减排的影响 1.4 筑路工人健康需求 • 沥青挥发物对人体的危害 • 沥青中轻质油份的挥发与 温度 1.5 基本工作条件需求 • 基本工作条件的内容； • 施工人员对环境条件的耐受； • 施工设备对环境条件的耐受； 1.6 道路施工的质量需求 • 施工温度与压实度； • 施工温度与平整度； • 施工温度与路表磨阻系数； • 施工温度与结构层防渗。 1.7 长期使用需求 • 沥青的老化与路面耐久性； • 路面抗渗与耐久性； • 路面密实与耐久性； • 路面平整度与耐久性。 二、温拌技术简介 2.1 基本定义 2.2 基本术语 2.3 温拌技术分类 2.4 技术要求 二、温拌技术简介 2.1 基本定义 a）与同类型热拌沥青混合料相比，加入 温拌剂后可使沥青混合料的拌和温度 及摊铺碾压温度降低30℃以上； b）加入温拌添加剂的沥青混合料，其技 术性能应达到同类型热拌沥青混合料 的技术指标； c）加入温拌添加剂后不得在施工过程中 产生额外的有毒有害气体。 二、温拌技术简介 2.2 基本术语 温拌添加剂 通过物理或化学作用， 能显著降低沥青混合料施工 温度的添加材料。 二、温拌技术简介 2.2 基本术语 温拌沥青混合料 将温拌添加剂与道路石油沥青混 合均匀，形成既符合道路石油沥青技 术指标，又能显著降低沥青混合料施 工温度的产品。 二、温拌技术简介 2.2 基本术语 低温施工 与相同类型热拌沥青混合料相比 ，在基本不改变沥青混合料配合比和 施工工艺的前提下，通过温拌添加剂 、成品温拌沥青或者沥青发泡工艺作 用等技术手段，能使沥青混合料的施 工操作温度相应降低30℃，性能达到 热拌沥青混合料的新型沥青混合料。 二、温拌技术简介 2.3 温拌技术分类 • 表面活性型温拌技术 温拌添加剂型 成品温拌沥青 • 沥青发泡型温拌技术 • 有机降粘型温拌技术 二、温拌技术简介 2.4 基本的技术要求 拌和过程中如何帮助裹附及增 加工作性？ 如何提高压实性能？ 添加剂最终的存在状态？ 三、温拌技术成熟度 3.1 温拌技术原理 3.2 国内应用历程 3.3 温拌技术关键点 3.4 可以达到的技术性能 3.1 温拌技术原理 空气 空气 水 沥青 胶团润滑结构提高工作性 胶团润滑结构帮助碾压 拌合剪切及 机械碾压作 用下 胶团润滑结构 11 热拌 %现场空隙率 9 温拌 7 5 3 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 碾压温度℃ 添加剂最终存在状态 压实完毕后润滑结构解散，温 拌有效成分转移界面增强粘结 沥青 温拌工作温度降低后，沥青粘度 增加、集料微空隙不易打开，沥 青与石料之间物理热粘结作用下 降，易带来温拌沥青混合料抗水 损害和抗车辙性能下降的隐患。 而添加剂最终存在状态中类似于 化学铆钉的粘结增强有效弥补上 述缺失，有利于提高沥青混合料 的抗水损害和抗车辙性能。 沥青 石料表面 乳化剂以及抗剥落在沥 青与石料交界面上经常 的存在形式 石料表面 3.2 国内应用历程 2005年，交通部公路科研所，率 先进行温拌应用研究并与北京市政 路桥合作，完成了全国首条试验路。 2006年，表面活性温拌技术趋于 成熟并在上海市首次应用。 3.2 国内应用历程 2007年，8个省区展开应用技术研究（13个 试验项目），交通部西部研究项目启动， 在交通部公路科研所、同济大学、东南大 学、江苏省交通科研院等研究机构主导下， 多数完成试验路。 2008年，向实际应用转化，河北、北京、 上海、江西应用于实际工程。河北省地方 标准、上海临时地方标准批准。辽宁省应 用指南通过评审。张家口低温应用12000吨 混合料。12个省区应用。 3.2 国内应用历程 2009年，延长施工季节、隧道路面、 密实型超薄层应用方向，全面进入规 模应用阶段。北京、青海地方标准出 台长安街和宾西法尼亚大道示范项目。 国内总用量超过500000吨混合料。 2010年，北京市决定30%的沥青混合 料切换为温拌，3-5年内全部切换为温 拌。今年应用总量将突破150万吨。 3.2 国内应用历程 2010年，江西省质量监督局发布 江西省地方标准DB36《温拌沥青 混合料路面施工技术规范》 2011年，湖北省质量监督局组织 湖北省地方标准编制《温拌沥青混 合料路面施工技术规范》 3.3 温拌技术关键点 更低的温度下具有材料工作性（拌 和、裹覆、摊铺） 更低的温度下具有良好的施工性能， 保证工程 降温不牺牲粘聚力，不降低抗水能 力及抗变形能力等关键路用性能 3.4 可以达到的技术性能 ——减少排放，改善施工环境 3.4 可以达到的技术性能 ——减少温度离析（热拌温度的离析） F 华氏度 热拌沥青技术中的温度离析 3.4 可以达到的技术性能 49.5% 得益于温拌沥青老化程度的降低和压实程度的改善，温拌沥青混合料-10℃ 低温疲劳开裂应变能相比热拌有近50%的提高！ 3.4 可以达到的技术性能 ——降低沥青的老化程度 140 热拌 温拌 120 针入度 针入度 (dmm) 100 80 60 40 20 0 原沥青 回收沥青 2年以后回收 3.4 可以达到的技术性能 ——辗压曲线对比 11 HMA %现场空隙率 9 Evotherm 7 5 3 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 温度℃ 150 160 170 180 四、温拌技术的应用方向 • • • • • • • 人口密集城镇沥青路面的施工 低温施工条件下沥青路面的施工 薄层沥青路面的施工 长大隧道沥青路面的施工 粘度较高的改性沥青路面的施工 旧沥青路面材料再生利用 高海拔地区的沥青混合料施工 五、温拌技术的应用 5.1 温拌设备及其安装； 5.2 原材料的技术要求； 5.3 温拌沥青混合料设计； 5.4 温拌沥青混合料施工； 5.5 旧沥青路面材料再生； 5.6温拌沥青混合料路面检验； 五、温拌技术的应用 5.1——示意图 五、温拌技术的应用 5.1——喷杆安装示意图 五、温拌技术的应用 5.1——工程安装示意图 5.1—— 五 、 温 工拌 程技 安 术 装 示的 意应 图用 总结——温拌沥青混合料工程价值 • • • • • • • 改善混合料工程性能 减轻沥青老化，延长路面寿命 避免温度离析，改善压实条件 延长施工时间 减少施工的环境污染 保证质量的低温施工 减轻老化的改性沥青混合料施工 六、新技术的 选用原则 新技术的选用原则 6.1 与当地自然地理条件相适应 6.2 与欲建道路的交通量与交通类型相适应 6.3 尽量使用工程可能的建材供应 6.4 尽可能利用当地所产固体废弃物 6.5 绝对不能对当地环境造成不利影响 谢谢大家！