论文部分内容阅读
摘 要：沥青热再生技术是老路重新再生所采用的沥青重新拌和利用技术，对于旧路面返修加固可以节约大量的资金成本，也能够实现资源的可持续发展要求，沥青路面的老化主要是沥青成分在紫外线、热能、氧化作用下使得沥青路面结构荷载降低产生破坏。目前对于沥青混合料的老化作用机理从宏观已经转向分子结构的微观结构认识，根据沥青老化分析中分子的运动规律，更好的分析热拌沥青混合料受剪切破坏的规律。本文通过综合分析热拌沥青混合料剪切破坏，及热拌沥青混合料特点，为热再生沥青的使用提供参考性建议。
关键词：剪切破坏;热拌再生;沥青老化
0 引言
沥青混合料在受热作用下使得在自然因素和交通荷载作用下产生疲劳破坏，主要是由于沥青使用寿命在这种温度和荷载双重作用下产生破坏。沥青产生的不可逆作用使得路面荷载降低通常是由于沥青老化作用。随着沥青老化沥青混合料的性能逐渐降低，这种老化呈现规律性变化。沥青混合料的老化作用主要受存储、运输、摊铺作用的影响，在沥青摊铺过程中沥青温度较高老化作用較为明显，在高温状态下沥青老化一直在发生和发展[1]。
1 沥青路面热再生技术
1.1 沥青热再生法注意事项
热再生沥青混合料拌和施工重点控制好几点：
（1）经过试验确定再生沥青混合料的有效加热拌和温度，避免温度过高或过低，尽可能避免由于高温加大沥青的老化。目前最常用的加热炉采用耐火材料的热风加热炉，其作用原理是采用高温烟气加热沥青混合料，避免混合料直接与火焰接触，降低沥青混合料再次老化问题。这种设备加热时间长，造成能源浪费是现在存在的缺点，导致施工时间延长。
（2）和新铺沥青一样，需要在运输过程中采取保温防粘结设备措施，尽可能减少加热后再生沥青料的长距离运输[2]。
（3）旧沥青混合料一般加热至130℃以上有大量的烟气产生，带走沥青中的部分轻油分，直接排放会对大气造成污染，直接采用布袋进行除尘，久而久之再生沥青设备的除尘效果就会受到影响。目前设备采用尾气二次燃烧进行解决二次污染问题。
1.2 沥青热再生优缺点分析
路拌沥青热再生法的优点：（1）现场路拌再生通过列车对旧路面进行加热后重新碾压后数小时后就能恢复交通，这样施工周期短对交通影响小。（2）热再生沥青混合料在现场再生使用有效降低施工成本。（3）机械设备施工完就可以转换场地，设备转场快。
路拌沥青热再生法的缺点：（1）路拌现场再生热拌沥青混合料设备投资大，对设备要求较高。（2）现场热再生混合料施工是一个动态的过程，质量控制较为困难，要控制好热再生沥青混合料路面施工质量进行实时检验。（3）现场热再生混合料需要添加新沥青拌和以弥补沥青老化产生粘性不足，这样会增加沥青混合料总量导致路面标高增加。（4）目前热拌沥青在现场拌和会产生大量的蓝色烟雾，污染环境，无法采用集中处理方式进行处理。（5）现场热再生沥青混合料无法进行转场使用，高等级路面再生料只能适用于高等级路面[3]。
集中厂拌沥青热再生法优点：（1）可以利用原有沥青拌和料进行改造后使用，设备投资成本低。（2）集中厂拌沥青混合料根据沥青含量、沥青的老化程度、含水率等进行掺加再生剂和选择合适的拌和工艺，这样拌和质量容易控制，很好的控制热拌再生料的生产质量。（3）可以按照现场实际路面标高进行配料，标高控制偏差较容易控制。（4）再生后的热再生混合料需要进行运输，因此可以进行工地灵活运输到适合铺筑位置，能更好的利用热拌再生混合料。（5）由于集中厂拌沥青流程控制较为成熟，烟雾的产生污染容易得到控制，目前为了更好的保护环境优先推荐采用厂拌法进行拌制。
集中厂拌沥青热再生法缺点：（1）集中厂拌再生料的运输费用有所增加，再生料运输到拌合场集中拌合，热再生后需要运输到现场进行摊铺，因此相对于现场热再生增加了运输费用。（2）相比于现场拌和，为更好保护环境，减少设备投入，因此较为常见的还是采用集中厂拌热再生沥青混合料。
2 沥青混合料老化性能分析
2.1 沥青组分老化分析
沥青的生产是通过石油进行蒸馏工艺调和处理形成的，其组成中由多种碳氢化合物形成的衍生化合物，这种化合物主要由芳香烃、烷烃、环烷烃等组成，沥青的化学组成中碳、氢占97%以上，其中还含有少量的硫、氮、氧、钒、铁、锰、镍等元素，我国最常采用四组分分析方法进行分析，这对于沥青老化作用机理的研究具有重要意义。四组分分析方法结构组分变化图如图1所示。
2.2 红外光谱分析沥青老化分析
道路石油沥青是红外吸收光谱结构分析中最常用的方法之一。通过红外光谱图与物质结构微观分析之间的对应关系进行分析，根据这种光谱分析来研究沥青混合料分子结构及有机化合物化学过程反应的发生推测。沥青的化学组分较为复杂，老化后会影响沥青整体的性能，该性能通过光谱分析后得到[4]。
光谱分析基本原理是通过红外光源照射在物质上通过不同波长被分子吸收产生振动和转动产生能级跃进，在光谱中由于波长被吸收而减弱形成红外吸收光谱，光谱红外根据物质的不同谱带强度及谱带形状进行识别，各种物质吸收红外物质的峰值、数量可以很好的反映出分子结构、分子团功能的物理和化学特性。物质的特性和红外光谱之间具有比较严格的对应关系，这是基于物质内部结构特点和分子内部结构对红外辐射光谱特征建立定性的分析方法，沥青混合料老化前后光谱试验结果比较如图2所示。
3 沥青剪切变形分析
本次对热拌沥青混合料进行四组剪切疲劳试验破坏进行了研究，以下分别对沥青混合料试件最大剪切破坏、试件抗剪强度进行了综合分析，分析计算数据如下表所示。
试件制作根据沥青混合料的最佳沥青用量进行试件制作，确定试件在60℃时的最大剪切破坏荷载，试验结果如表1结果所示。 根据剪切破坏试验最大破坏荷载应选用0.2～0.8倍最大荷载重复作用。试验通过支撑块和压块之间放置到试件的合适位置，试件处于支撑块和压块的凹陷处，剪切试验所采用半正弦矢波（振幅为施加荷载的大小）的方式控制剪切试验机的加载大小， 频率本次选用10 Hz，所得出的反复剪切作用使得试件破坏所需要的作用次数就是我们所确定的试件疲劳寿命[5]。
加载时间计算确定通过式确定，本次试验所需的加载时间为：=0.016 s，本次選用的破坏相当于最大65 km/h的行车速度所产生的疲劳损坏。经研究发现路面的破坏疲劳寿命和加载荷载正玄波有直接关系，由于结构的受力特点加载波形受力处于一侧，因此称作半正弦矢波加载。
根据试验对沥青荷载作用下产生的疲劳剪切破坏产生的剪应力-疲劳寿命关系如图3所示。根据试验数据拟合绘制剪应力和疲劳寿命（）曲线，为沥青混合料的层间界面剪应力，为混合料的疲劳寿命。
以上拟合的线形关系计算式得出剪应力-疲劳寿命线形关系函数，可表示为：
（1）
上式中：K表示疲劳寿命和竖曲线的截距;n表示疲劳寿命的对数曲线斜率。
根据试验结果曲线求得（2）（3）式：
（2）
（3）
当取值等于1时，单次荷载的作用对沥青混合料层间产生的抗剪强度值。
沥青受到剪力作用层间抗剪强度结构系数如下式（4）：
（4）
4 结语
本文通过对热再生沥青混合料进行性能和老化原因分析，从而更好掌握沥青产生老化的作用机理，常用的沥青热再生技术采用现场热再生和集中厂办沥青混合料再生两种方式，并对两种方法的优缺点进行了综合分析。
通过沥青混合料老化的分析方法对沥青混合料进行了综合成分分析和光谱老化分析研究沥青老化的基本原理，为缓解沥青老化速度采取必要的措施。最后根据实际工程中剪切变形曲线进行分析，反映出沥青剪切变形和疲劳寿命之间的变化关系。
参考文献：
[1]乔向军.沥青路面热再生技术在公路工程中的应用[J].交通世界，2020（25）：50-103.
[2]刘策.沥青路面厂拌热再生技术[J].建材与装饰，2019（14）：200-270.
[3]王小兵.高掺量RAP在沥青路面热再生技术中的应用[D].郑州大学，2019.
[4]郭瑾.谈沥青路面热再生技术的应用要点[J].山西建筑，2018（36）：120-130.
[5]刘莎莎.沥青路面热再生技术在高速公路养护中的应用[J].交通世界，2018（22）：22-85.
关键词：剪切破坏;热拌再生;沥青老化
0 引言
沥青混合料在受热作用下使得在自然因素和交通荷载作用下产生疲劳破坏，主要是由于沥青使用寿命在这种温度和荷载双重作用下产生破坏。沥青产生的不可逆作用使得路面荷载降低通常是由于沥青老化作用。随着沥青老化沥青混合料的性能逐渐降低，这种老化呈现规律性变化。沥青混合料的老化作用主要受存储、运输、摊铺作用的影响，在沥青摊铺过程中沥青温度较高老化作用較为明显，在高温状态下沥青老化一直在发生和发展[1]。
1 沥青路面热再生技术
1.1 沥青热再生法注意事项
热再生沥青混合料拌和施工重点控制好几点：
（1）经过试验确定再生沥青混合料的有效加热拌和温度，避免温度过高或过低，尽可能避免由于高温加大沥青的老化。目前最常用的加热炉采用耐火材料的热风加热炉，其作用原理是采用高温烟气加热沥青混合料，避免混合料直接与火焰接触，降低沥青混合料再次老化问题。这种设备加热时间长，造成能源浪费是现在存在的缺点，导致施工时间延长。
（2）和新铺沥青一样，需要在运输过程中采取保温防粘结设备措施，尽可能减少加热后再生沥青料的长距离运输[2]。
（3）旧沥青混合料一般加热至130℃以上有大量的烟气产生，带走沥青中的部分轻油分，直接排放会对大气造成污染，直接采用布袋进行除尘，久而久之再生沥青设备的除尘效果就会受到影响。目前设备采用尾气二次燃烧进行解决二次污染问题。
1.2 沥青热再生优缺点分析
路拌沥青热再生法的优点：（1）现场路拌再生通过列车对旧路面进行加热后重新碾压后数小时后就能恢复交通，这样施工周期短对交通影响小。（2）热再生沥青混合料在现场再生使用有效降低施工成本。（3）机械设备施工完就可以转换场地，设备转场快。
路拌沥青热再生法的缺点：（1）路拌现场再生热拌沥青混合料设备投资大，对设备要求较高。（2）现场热再生混合料施工是一个动态的过程，质量控制较为困难，要控制好热再生沥青混合料路面施工质量进行实时检验。（3）现场热再生混合料需要添加新沥青拌和以弥补沥青老化产生粘性不足，这样会增加沥青混合料总量导致路面标高增加。（4）目前热拌沥青在现场拌和会产生大量的蓝色烟雾，污染环境，无法采用集中处理方式进行处理。（5）现场热再生沥青混合料无法进行转场使用，高等级路面再生料只能适用于高等级路面[3]。
集中厂拌沥青热再生法优点：（1）可以利用原有沥青拌和料进行改造后使用，设备投资成本低。（2）集中厂拌沥青混合料根据沥青含量、沥青的老化程度、含水率等进行掺加再生剂和选择合适的拌和工艺，这样拌和质量容易控制，很好的控制热拌再生料的生产质量。（3）可以按照现场实际路面标高进行配料，标高控制偏差较容易控制。（4）再生后的热再生混合料需要进行运输，因此可以进行工地灵活运输到适合铺筑位置，能更好的利用热拌再生混合料。（5）由于集中厂拌沥青流程控制较为成熟，烟雾的产生污染容易得到控制，目前为了更好的保护环境优先推荐采用厂拌法进行拌制。
集中厂拌沥青热再生法缺点：（1）集中厂拌再生料的运输费用有所增加，再生料运输到拌合场集中拌合，热再生后需要运输到现场进行摊铺，因此相对于现场热再生增加了运输费用。（2）相比于现场拌和，为更好保护环境，减少设备投入，因此较为常见的还是采用集中厂拌热再生沥青混合料。
2 沥青混合料老化性能分析
2.1 沥青组分老化分析
沥青的生产是通过石油进行蒸馏工艺调和处理形成的，其组成中由多种碳氢化合物形成的衍生化合物，这种化合物主要由芳香烃、烷烃、环烷烃等组成，沥青的化学组成中碳、氢占97%以上，其中还含有少量的硫、氮、氧、钒、铁、锰、镍等元素，我国最常采用四组分分析方法进行分析，这对于沥青老化作用机理的研究具有重要意义。四组分分析方法结构组分变化图如图1所示。
2.2 红外光谱分析沥青老化分析
道路石油沥青是红外吸收光谱结构分析中最常用的方法之一。通过红外光谱图与物质结构微观分析之间的对应关系进行分析，根据这种光谱分析来研究沥青混合料分子结构及有机化合物化学过程反应的发生推测。沥青的化学组分较为复杂，老化后会影响沥青整体的性能，该性能通过光谱分析后得到[4]。
光谱分析基本原理是通过红外光源照射在物质上通过不同波长被分子吸收产生振动和转动产生能级跃进，在光谱中由于波长被吸收而减弱形成红外吸收光谱，光谱红外根据物质的不同谱带强度及谱带形状进行识别，各种物质吸收红外物质的峰值、数量可以很好的反映出分子结构、分子团功能的物理和化学特性。物质的特性和红外光谱之间具有比较严格的对应关系，这是基于物质内部结构特点和分子内部结构对红外辐射光谱特征建立定性的分析方法，沥青混合料老化前后光谱试验结果比较如图2所示。
3 沥青剪切变形分析
本次对热拌沥青混合料进行四组剪切疲劳试验破坏进行了研究，以下分别对沥青混合料试件最大剪切破坏、试件抗剪强度进行了综合分析，分析计算数据如下表所示。
试件制作根据沥青混合料的最佳沥青用量进行试件制作，确定试件在60℃时的最大剪切破坏荷载，试验结果如表1结果所示。 根据剪切破坏试验最大破坏荷载应选用0.2～0.8倍最大荷载重复作用。试验通过支撑块和压块之间放置到试件的合适位置，试件处于支撑块和压块的凹陷处，剪切试验所采用半正弦矢波（振幅为施加荷载的大小）的方式控制剪切试验机的加载大小， 频率本次选用10 Hz，所得出的反复剪切作用使得试件破坏所需要的作用次数就是我们所确定的试件疲劳寿命[5]。
加载时间计算确定通过式确定，本次试验所需的加载时间为：=0.016 s，本次選用的破坏相当于最大65 km/h的行车速度所产生的疲劳损坏。经研究发现路面的破坏疲劳寿命和加载荷载正玄波有直接关系，由于结构的受力特点加载波形受力处于一侧，因此称作半正弦矢波加载。
根据试验对沥青荷载作用下产生的疲劳剪切破坏产生的剪应力-疲劳寿命关系如图3所示。根据试验数据拟合绘制剪应力和疲劳寿命（）曲线，为沥青混合料的层间界面剪应力，为混合料的疲劳寿命。
以上拟合的线形关系计算式得出剪应力-疲劳寿命线形关系函数，可表示为：
（1）
上式中：K表示疲劳寿命和竖曲线的截距;n表示疲劳寿命的对数曲线斜率。
根据试验结果曲线求得（2）（3）式：
（2）
（3）
当取值等于1时，单次荷载的作用对沥青混合料层间产生的抗剪强度值。
沥青受到剪力作用层间抗剪强度结构系数如下式（4）：
（4）
4 结语
本文通过对热再生沥青混合料进行性能和老化原因分析，从而更好掌握沥青产生老化的作用机理，常用的沥青热再生技术采用现场热再生和集中厂办沥青混合料再生两种方式，并对两种方法的优缺点进行了综合分析。
通过沥青混合料老化的分析方法对沥青混合料进行了综合成分分析和光谱老化分析研究沥青老化的基本原理，为缓解沥青老化速度采取必要的措施。最后根据实际工程中剪切变形曲线进行分析，反映出沥青剪切变形和疲劳寿命之间的变化关系。
参考文献：
[1]乔向军.沥青路面热再生技术在公路工程中的应用[J].交通世界，2020（25）：50-103.
[2]刘策.沥青路面厂拌热再生技术[J].建材与装饰，2019（14）：200-270.
[3]王小兵.高掺量RAP在沥青路面热再生技术中的应用[D].郑州大学，2019.
[4]郭瑾.谈沥青路面热再生技术的应用要点[J].山西建筑，2018（36）：120-130.
[5]刘莎莎.沥青路面热再生技术在高速公路养护中的应用[J].交通世界，2018（22）：22-85.