第1章绪论
1.1背景
截至2019年末，我国公路总里程达到501.25万km，其中高速公路里程长达14.96万kmW。沥青路面的设计寿命一般为10～15年，目前已有大量的沥青路面接近或达到设计寿命，亟须采取沥青路面大修或重建等养护措施。总体来看，目前我国道路交通发展正由“建设为主”转变为“建养并举”的发展模式。据测算，我国每年产生的废旧沥青混合料将会超过0.6亿t。如此数量庞大的废旧沥青混合料，不但占用大量土地，而且污染环境。另外，沥青路面养护经费缺口较大，同时优质集料的匮乏也严重制约了公路建设，导致公路建设中资源与环境问题日趋严峻。
在国务院印发的《“十三五”现代综合交通运输体系发展规划》中，废旧路面材料的综合利用被列为推进资源集约节约利用重点领域；规划同时将废旧路面材料再生利用作为绿色养护共性关键技术列入重点发展规划。《“十三五”公路养护管理发展纲要》要求大力发展和推广绿色养护，并明确提出了“高速公路、普通国省道废旧路面材料回收率分别达到100%、98%，循环利用率分别达到95%、80%以上”的发展目标。中共中央、国务院于2019年9月印发《交通强国建设纲要》，其中第七条明确提出“绿色发展节约集约、低碳环保”的要求，要“促进资源节约集约利用 推广施工材料、废旧材料再生和综合利用”。
因此，在沥青路面大修养护中，科学高效地再生利用废旧浙青混合料（reclaimed asphalt pavement，RAP），对促进公路交通的资源循环利用以及可持续发展具有重要意义，已成为高等级路面大修中的热点问题。其中，冷再生技术相较于现在发展成熟的热再生技术，大幅提升了再生利用率，在实际工程中能够再生利用70%以上的RAP料，而且粗细集料都能大比例投入再生利用，同时该技术中混合料全程在常温下完成再生，真正实现了资源集约的发展模式，是降低路面维修养护成本并节约资源的更为高效的策略。
1.2冷再生技术的应用与发展
沥青路面再生技术，是将原有的路面材料以不同方式加以再生或重复使用的一种路面维修养护技术。根据再生工艺的不同，美国沥青再生协会（ARRA）将再生技术分为5种不同的类型：厂拌热再生、就地热再生、厂拌冷再生、就地冷再生和全深式再生[2]。我国现行《公路沥青路面再生技术规范》（JTGF41—2008）中也沿用了上述分类方法[3]，其中冷再生是指通过对旧沥青路面的铣刨、破碎、筛分，使其成为再生集料，并按一定比例添加新集料，以乳化沥青或泡沬沥青、水泥等为胶结料进行常温拌和铺筑的一种路面再生形式[4]。图1-1所示为乳化沥青冷再生混合料以及摊铺作业施工现场。使用冷再生技术进行沥青路面养护的主要优势[5]包括：
（1）循环利用不可再生的石料资源；
（2）减轻废旧沥青料处理问题，保护环境；
（3）相较于其他养护手段更节约能源；
（4）修复路表裂缝，消除车辙、坑槽以及松散等病害；
（5）不影响土基层和基层路面材料；
（6）保持现有路面的线型和标高，纠正路面纵横向坡度；
（7）选择合适的新集料以及胶结料可以修复现有路面级配、胶结料等问题；
（8）提高路面平整度以及结构强度；
（9）养护施工期短，缩短施工期交通封闭时间；
（10）节省养护费用。
美国*早在1915年开始试验沥青路面材料再生技术，但当时大规模的新路建设导致这项技术进展缓慢；直到1973年全球石油危机爆发以后，沥青路面养护与再生技术才逐渐被重视起来，并迅速在全美推广应用，且在全球范围内引发广泛研究[6]。至1987年，美国已有24个州应用乳化沥青就地冷再生技术，5个州建设了冷再生试验路，主要应用在郡县级公路（31%）、次等级高速公路（31%）以及城市道路（19%），高等级高速公路以及州际高速公路仅占比12%和7%，且绝大部分（95%）都是应用在路面基层。20世纪90年代开始，美国开展了大规模的冷再生路段试验。1996年，艾奥瓦州铺设了97条就地冷再生路段，其中的18条路段被用来评估路面使用性能的影响因素，包括路龄、地理位置、交通量、沥青罩面层特性以及路基条件等，并在US-20号公路上试验研究了泡沬沥青的配合比设计方法西欧国家也十分重视这项技术。德国是*早将再生料应用于高速公路路面养护的国家，1978年就将全部废弃沥青路面材料加以回收利用。芬兰几乎所有的城镇都组织旧路面材料的收集和储存工作。法国已在高速公路和一些重交通道路的路面修复工程中推广应用这项技术。
日本从1976年开始进行再生沥青混合料应用技术的研究，1980年厂拌再生沥青混合料累计达50万t；日本道路协会于1984年出版了《路面废料再生利用技术指南》，并且就厂拌再生有关技术编成了手册，极大地推动了路面再生利用技术的发展；到2002年再生沥青混合料已达4167.1万t，占全年沥青混合料产量的54.77%，极大地节约了材料、投资，并有效保护了环境。
纵观发达国家的沥青路面再生利用技术的发展状况，可见其特别重视再生技术的实用性研究，并取得了很大的成果，已经形成一套比较完整的再生技术，达到了规范化和标准化的程度，但世界上对于沥青路面再生技术还没有统一的规范。在我国，沥青层的就地冷再生主要应用于高速公路，而沥青层和基层一起进行的全深式冷再生通常应用于普通公路，并且二者在原材料品质、路用性能以及工程目的等方面差异较大。表1-1中是我国应用冷再生技术的典型工程案例。
当前，在世界范围内来看，乳化沥青冷再生混合料仅用于基层或者应用于低交通等级道路。在我国，乳化沥青冷再生混合料已开始在高等级路面的下面层进行了较大规模的应用。随着节能减排与资源循环利用意识的不断增强，冷再生技术的应用由路面较低的结构层次向较高的结构层次拓展是必然的趋势，也是实现RAP高效再生的重要途径之一。
1.3冷再生关键技术理论研究现状与发展趋势
欧美等发达国家重视再生实用性的研究，在再生剂的开发以及实际工程应用中挖掘、铣刨、破碎、拌和等机械设备的研制方面都取得了很大的成就，正逐步形成一套比较完整的再生实用技术，并且达到了规范化和标准化的程度，但对沥青再生机理的理论研究较少。
目前，冷再生结构层多用于路面基层或者沥青层下面层，当前的发展趋向于应用在更高的结构层，这就对冷再生混合料的性能提出了更高的要求。乳化沥青冷再生混合料的路用性能与普通沥青混合料存在明显的差距。近年来，已有研究开始关注与提高冷再生混合料的使用性能，进一步提高其应用层位[13]。国内外研究人员针对提髙冷再生混合料的抗水损害性能、抗车辙性能及耐久性等方面开展了大量的研究。其中，冷再生混合料强度是研究的重点及热点问题，也是其应用中*重要的力学指标；在强度机理方面，国内外研究人员侧重关注养生时间及冷再生混合料的宏观性能变化规律。一般认为，水泥在冷再生混合料中能够促进乳化沥青的破乳，同时水化产物能够提高内摩擦力，从而提高混合料的早期及后期宏观强度，其中养生温度、含水率都对早期强度有着重要的影响，而较多的水泥会加大冷再生混合料的开裂风险。
传统的沥青混合料设计基本上采用宏观试验研究的现象学经验方法，忽略了浙青混合料内部的空隙、浙青胶浆和集料的力学特性、界面的相互作用等因素。随着各种先进材料测试设备的开发应用，微细观尺度测试技术被引入了路面材料的研究中，以评价混合料组分的微细观形态与分布状况以及沥青-集料的黏附作用、新旧沥青融合状态等微细观形态，进而从微观-细观-宏观多尺度联立的角度来评价混合料的使用性能。
相比于热拌沥青混合料以及热再生沥青混合料，冷再生沥青混合料复合多相的材料组成使得其内部结构尤其是界面结构更加复杂。针对冷再生浙青混合料，基于X射线CT扫描、扫描电子显微镜和数字图像处理等技术，对乳化沥青冷再生混合料的空隙分布特性、水泥水化产物形态、砂浆厚度组成、粗集料分布与颗粒形状特性等微细观形态的研究取得了较多的成果。研究发现，首先，水泥水化产物水化硅酸钙（C-S-H）在混凝土胶浆-集料界面微观结构中呈针状和簇状分布，与沥青膜相互交织，形成空间立体网状结构裹覆在集料周围，对胶楽-集料界面、复合胶浆以及空隙起“加筋”与“填充”作用，其有助于提高混合料的抗拉强度，但是其内部微观缺陷会降低沥青与水泥的黏结力以及水化产物的强度[151。其次，RAP颗粒团内部结构以及强度对冷再生沥青混合料的强度以及变形性能有非常关键的影响。RAP颗粒团主要由旧集料、填料、老化浙青黏结形成，其物理与力学性质不均匀，受荷载时易松散或变形；冷再生沥青混合料离散元仿真表明，随着压实过程中碾压遍数增多，发生破损的RAP颗粒会增多，从而导致混合料的级配发生变化。再者，元素分析表明，水泥乳化沥青冷再生混合料存在与普通水泥混凝土相同的水泥基界面过渡区，由钙矾石、氢氧化钙和硅酸钙结构组成，其强度和模量均低于水泥胶浆部分，而孔隙率、氢氧化韩晶体含量及取向性高于水泥胶浆[16]。
综上，浙青路面材料多尺度力学特性表征的研究为解决目前沥青混合料性能预估与沥青路面服役期间病害发展程度无法匹配的矛盾提供了有力的工具，也是当前冷再生关键技术研究的发展趋势。
第2章乳化沥青作用原理与制备
2.1概述
乳化沥青是由微小颗粒悬浮在水介质中形成的溶液。所谓乳化沥青，就是将沥青热熔，经过机械作用，沥青以细小的微滴状态分散于含有乳化剂的水溶液中，形成水包油状的沥青乳液，这种乳状液在常温下呈液态[17]。乳化沥青的组成通常包括沥青、水、乳化剂、稳定剂、无机酸和必要的改性剂等。图2-1所示为实验室内制备的乳化沥青样品。
乳化沥青冷再生混合料是以乳化沥青、水泥等为主要胶结料，将铣刨后的回收旧料以及新集料重新黏结而形成的新混合料。其中乳化沥青是*重要的组成部分，直接决定冷再生混合料的性能优劣。乳化沥青的性能直接影响到乳化沥青的生产、储存、施工和长期使用性能。在生产过程中，沥青应当容易乳化；在施工过程中，乳化沥青应具有合适的破乳时间，充分满足施工要求和开放交通的要求。同时，乳化沥青与集料之间应具有良好的黏附性能，以确保混合料的性能。因此，乳化沥青的选择是沥青路面冷再生技术中的重点工作。
本章着重阐述乳化沥青的成乳-稳定-破乳作用机理，并对乳化沥青的制备过程与质量检验进行了分析，主要内容包括第2节乳化沥青简介与分类、第3节乳化沥青作用原理、第4节乳化沥青的制备以及第5节乳化沥青破乳速度表征与分析。
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