CN115677271A

CN115677271A - 就地冷再生混合料及道路面层再生方法

Info

Publication number: CN115677271A
Application number: CN202211421080.9A
Authority: CN
Inventors: 赵存冬; 孙敏; 毕玉峰; 庄伟�; 陈赛; 张跃; 井硕; 刘冰; 黄照亮; 何汶翔; 王德垚
Original assignee: Shandong Yuantong Highway Engineering Group Co ltd; Shandong Jianzhu University
Current assignee: Shandong Yuantong Highway Engineering Group Co ltd; Shandong Jianzhu University
Priority date: 2022-11-14
Filing date: 2022-11-14
Publication date: 2023-02-03
Anticipated expiration: 2042-11-14
Also published as: CN115677271B

Abstract

本发明公开了一种就地冷再生混合料及道路面层再生方法，属于道路工程领域。所述混合料由沥青路面铣刨材料、粗集料、细集料、单组分湿固化聚氨酯胶结料及填料组成，其中的单组分湿固化聚氨酯胶结料由聚醚多元醇类化合物、含多个异氰酸根的化合物、酚类化合物、催化剂和偶联剂在80～120℃共混而成。与现有技术相比，本发明的就地冷再生混合料具有较高的强度、抗疲劳特性和动态力学特性，可应用于道路面层等结构层铺装及再生过程中。

Description

就地冷再生混合料及道路面层再生方法

技术领域

本发明涉及道路工程领域，具体提供一种就地冷再生混合料及道路面层再生方法。

背景技术

沥青路面再生技术一般可分为热再生和冷再生两种，根据施工工艺可以进一步分为就地再生和厂拌再生两种。由于热再生工艺存在施工温度高、能耗和排放大、设备投资多、成本投入高和质量不稳定等问题，目前的研究热点正向冷再生技术转变。其中就地冷再生技术可以实现铣刨旧料百分之百回收利用，具有施工周期短、节约集料运输成本、作业效率高、节能减排、适合大规模施工和成本低等特点，展现出广阔的应用前景。

然而，目前常用的泡沫沥青就地冷再生混合料、乳化沥青就地冷再生混合料存在强度形成早期粘结性较差，集料存在松散以及脱粒、稳定性不足等问题，且再生后混合料耐久性较差，就地冷再生后混合料多应用于基层，未能充分挖掘出再生混合料的使用价值，在一定程度上造成资源浪费。

中国专利CN 111560818公布了一种减少开裂泡沫沥青路面再生材料及制备和施工方法。该材料组分包括沥青路面铣刨材料85～100质量份、碎石5～10质量份、细集料3～5质量份、泡沫沥青2～3质量份、水4～5质量份、矿渣硫铝酸盐和/或铁铝酸盐水泥1～2质量份以及纤维0.1～0.5质量份，该材料具有较低的收缩开裂率。

中国专利CN 112252108 A公布一种沥青路面就地冷再生的道路施工方法。包括准备新集料和复合浆料、新集料预拌、铣刨拌和和灌浇复合浆料等关键工序。该施工方法不必在工作面上摊铺水泥、矿粉等，原料流失损耗少，再生层孔隙率低，结构致密。

中国专利CN 112358261 A公布一种就地冷再生泡沫沥青混合料及施工方法，包括矿料、水泥、泡沫沥青、纤维和拌合水，采用将矿料、水泥和纤维撒布于路面上，对所述路面进行铣刨和拌和的方法进行施工。

中国专利CN 108484072 B公布一种就地冷再生混合料及其级配方法和应用，根据冷再生结构层厚度和旧路面铣刨厚度确定新集料掺量，同时提供对新集料中的粗集料、细集料和水泥的级配进行控制的方法。

在就地冷再生混合料中添加纤维和复合浆料等材料，采用材料洒布、灌浇施工方法，或进行级配控制等，可以精确控制就地冷再生混合料的材料组成比例，在一定程度上提高就地冷再生混合料的抗裂性和耐久性，但是无法从本质上改变再生混合料性能受水泥沥青胶浆性能控制的特性，故仍存在养生周期长、疲劳寿命低、混合料综合性能差等问题。

发明内容

本发明是针对上述现有技术的不足，提供一种具有较高的强度、优异的抗疲劳特性和动态力学特性、抗开裂的就地冷再生混合料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：就地冷再生混合料，由以下质量份的原料制得：

所述单组分湿固化聚氨酯胶结料由聚醚多元醇类化合物、含多个异氰酸根的化合物、酚类化合物、催化剂和偶联剂在80～120℃共混而成。

上述本发明混合料固化反应方程式如式(a)、式(b)所示。第一步是聚氨酯混合料的初步固化反应，异氰酸酯基与水(环境水，包括空气中的水、材料吸附水等)反应，生成二胺类物质，并释放二氧化碳气体；第二步是聚氨酯混合料的后续固化反应，二胺类物质进一步与异氰酸酯基反应，发生扩链反应，生成脲基，材料固化。第一步固化持续时间约为4～8h，第二步反应持续进行20d左右。

(a)

(b)

聚氨酯胶结料中的异氰酸酯与集料、回收料表面吸附水及空气中的水发生反应形成共价键，同时所生成的脲键与集料及回收料中的金属氧化物之间由于氢键而螯合形成酰脲-金属氧化物络合物，化学键作用使聚氨酯与集料、回收料之间的粘结性极强，有效保障了再生后混合料强度。

而酚类化合物与异氰酸酯的反应速度弱于醇羟基，苯酚等酚类与过剩的多异氰酸酯继续反应，实现酚羟基对异氰酸酯部分封端，制备封端型聚氨酯胶黏剂。当温度较高时，异氰酸酯与酚羟基化合物间将发生式(c)所示的逆反应，有利于反应型聚氨酯再生沥青混合料的再生利用。

(c)

作用优选，就地冷再生混合料中各原料的用量为：

作为优选，单组分湿固化聚氨酯胶结料中聚醚多元醇类化合物、含多个异氰酸根的化合物、酚类化合物、催化剂和偶联剂的质量比为(40～70):(15～25):(10～15):(0.2～0.6):(0.2～0.5)，特别优选为(50～65):(18～22):(12～14):(0.3～0.5):(0.3～0.5)。

作为优选，所述聚醚多元醇类化合物为主链含有醚键(—R—O—R—)，端基或侧基含有大于2个羟基(—OH)的低聚物，如聚醚二醇、聚醚三醇、聚氧化丙烯醚二醇、聚氧化丙烯醚三醇、聚四氢呋喃聚醚多元醇等。

作为优选，所述含多个异氰酸根的化合物为4，4-二苯基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯和/或六亚甲基二异氰酸酯。

作为优选，所述酚类化合物为酚羟基在同一个苯环上的化合物，如苯酚、苯二酚、连苯三酚等，可以是其中的一种酚类化合物，也可以是两种或两种以上酚类化合物的混合物。

作为优选，所述催化剂为至少一种胺类化合物和至少一种有机金属类化合物的混合物，胺类化合物和有机金属类化合物的质量比为(10～90):(90～10)，进一步优选为(30～70):(70～30)，特别优选为(40～60):50。

作为优选，所述胺类化合物为叔胺类化合物或季铵盐类化合物中的任意一种化合物。所述叔胺类化合物优选为三亚乙基二胺、三乙烯二胺、三乙胺、N-烷基吗啡啉、双(2-甲基氧基乙基)醚、二乙醇胺、三乙醇胺或二甲基乙醇胺等。所述季铵盐类化合物优选为烷基三甲基季铵盐、烷基二甲基苄基季铵盐或烷基二甲基羟乙基季铵盐烷等。

作为优选，所述有机金属类化合物为二月桂酸二丁基锡或辛酸亚锡等。

作为优选，所述偶联剂为硅烷偶联剂，硅烷偶联剂与长链聚氨酯进一步反应，使预聚物中含有聚氨酯链与Si-O-Si键的双重特性，一方面使聚氨酯胶结料与水反应生成氢键或者缩合共价键，提高再生混合料耐水性、耐温性和粘结强度，另一方面可以通过氢键和共价键将旧沥青和聚氨酯间的界面连接起来，增加聚氨酯胶结料与旧沥青之间的联结，发挥旧沥青结合料的作用。

由于本发明聚氨酯胶结料与集料、回收料表面具有极高的粘结强度，可应用于沥青路面各结构层的铺装中，尤其是可以将其应用于道路面层铺装、面层就地冷再生中。

作为优选，混合料矿料级配满足以下条件时，可应用于路面面层铺装或就地冷再生中：

19.0mm筛孔通过百分率为100％，16.0mm筛孔通过百分率为84～92％，13.2mm筛孔通过百分率为70～84％，9.5mm筛孔通过百分率为50～60％，4.75mm筛孔通过百分率为26～46％，2.36mm筛孔通过百分率为18～32％，1.18mm筛孔通过百分率为12～18％，0.6mm筛孔通过百分率为8～14％，0.3mm筛孔通过百分率为6～10％，0.15mm筛孔通过百分率为4～8％，0.075mm筛孔通过百分率为2～6％。

混合料矿料级配进一步优选为：

19.0mm筛孔通过百分率为100％，16.0mm筛孔通过百分率为84～89％，13.2mm筛孔通过百分率为70～78％，9.5mm筛孔通过百分率为50～58％，4.75mm筛孔通过百分率为29～35％，2.36mm筛孔通过百分率为20～26％，1.18mm筛孔通过百分率为15～18％，0.6mm筛孔通过百分率为10～14％，0.3mm筛孔通过百分率为7～10％，0.15mm筛孔通过百分率为5～8％，0.075mm筛孔通过百分率为4～6％。

作为优选，所述粗集料为石灰岩、玄武岩和/或辉绿岩；所述细集料为石灰岩、玄武岩和/或辉绿岩。

作为优选，所述填料为无水氯化钙。无水氯化钙对水汽有一定吸附作用，可减缓水与异氰酸酯的反应速度，从而使聚氨酯再生沥青混合料的二氧化碳释放更为平缓，减少再生混合料的体积膨胀问题。

本发明进一步的技术任务是提供一种道路面层再生方法。

本发明道路面层再生方法，包括以下步骤：

S1.施工及材料准备；

S2.利用就地再生设备对旧路面进行铣刨，同时按比例将单组分湿固化聚氨酯胶结料、粗集料、细集料和填料送入铣刨室内；

S3.在铣刨室内，通过拌和装置将沥青路面铣刨材料、单组分湿固化聚氨酯胶结料、粗集料、细集料和填料拌和均匀；

S4.通过摊铺机组中布料装置将再生混合料均匀摊铺到下承层表面，经压实与养生，完成道路面层就地再生，

沥青路面铣刨材料、粗集料、细集料、单组分湿固化聚氨酯胶结料、填料的质量配比为：

作为优选，铣刨作业采用下切式施工，铣刨速度为4～12m/min，转子转速为150～180转/min，铣刨厚度与再生结构层厚度相当，如4～10cm。

作为优选，压实过程包括初压、复压及收面。

作为优选，采用12t中型压路机对摊铺层再生混合料进行静压初压1遍，振动碾压1遍，碾压速度为1.5～2km/h，完成初压。

作为优选，采用16t重型压路机进行振动复压1～3遍，静压1～3遍，碾压速度为2～3km/h，完成复压。

作为优选，复压完成后2～6h后，采用胶轮静压1～2遍收面，碾压速度为2～3km/h。

本发明的就地冷再生混合料及道路面层再生方法和现有技术相比，具有以下突出的有益效果：

(一)解决了现有就地冷再生施工工艺复杂、施工和易性较差的问题，低温施工，节能减排效果显著。采用单组分湿固化聚氨酯作为胶结材料，无需添加水泥、水等材料，避免撒布水泥等所带来的扬尘跑料问题，简化了施工工序、提高了作业效率，机械化程度更高。

(二)单组分湿固化聚氨酯胶结料与集料之间具有极高的粘结强度，解决了现有泡沫沥青就地冷再生混合料存在的松散以及脱粒、稳定性不足等问题，原材料利用率高，所形成的就地冷再生混合料表现出较高的强度、耐久性和温度稳定性，可应用于道路工程的面层结构铺装及再生中，提高了铣刨料的使用价值，经济效益显著。

(三)酚类化合物的添加使得本发明混合料更容易被再生利用，为后续路面维护提供有利条件。

(四)“胺-有机锡”催化剂混合使用，可调节链增长速度，起到协同效应，改善聚氨酯胶结料的流动性，促进聚氨酯胶结料的固化反应速度。

(五)采用本发明的就地冷再生混合料在施工完成后，1d即可达到快速开放交通或者施工上一结构层的要求。解决了现有就地冷再生混合料施工后，无法快速开放交通的问题。

(六)针对混合料特性对压实工艺进行了相应调整，复压完成一段时间后进行“收面”，可消除就地再生混合料强度形成过程释放二氧化碳所引起的体积膨胀，有效保证就地再生混合料的空隙率、压实度等指标满足规范要求。

(七)对矿料级配进行了调整，使再生混合料形成紧密骨架密实结构，在尽量降低聚氨酯胶结料用量的情况下，混合料仍然具备良好的高温抗永久变形、抗水损坏的能力。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例1：以某沥青路面翻修工程为例进行说明。

旧沥青路面结构层为：18cm沥青混合料面层(4cmAC-13上面层+8cmAC-20中面层)+20cm水泥稳定碎石基层+20cm级配碎石底基层。

新路面结构为：4cmSMA-13沥青混合料上面层+8cm反应型聚合物冷再生混合料下面层+20cm水泥稳定碎石基层+20cm级配碎石底基层。

该沥青路面的基层使用状况良好，各项指标满足设计规范和施工要求。施工前对旧沥青路面铣刨料进行检测，其含水率≤1.5％，沥青含量4.8％，砂当量64％。施工过程中需将原路面4cm上面层铣刨并外运，采用本发明道路面层再生方法，再生利用8cm沥青混合料下面层，作为新路面结构的下面层。下面层再生施工完成后，重新摊铺沥青混合料上面层。

下面层就地冷再生的施工步骤如下：

(1)施工准备：

上面层铣刨外运，清理工作面，清除工作面上的杂物和积水，处理原路基和基层病害，保证路面平整；

(2)材料准备：

根据试验段内对旧沥青路面的铣刨、测量和计算获知单位面积上旧沥青路面铣刨料的平均质量，依据工作面面积及下述的用量配比准备新集料和聚合物胶结料，所用材料均符合设计规范和施工要求。

粗集料、细集料为不同粒径范围的石灰岩，符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)标准，枣庄鑫金山智能装备有限公司；

单组分湿固化聚氨酯胶结料由以下原料在100℃共混而成：

4，4-二苯基甲烷二异氰酸酯，万华化学Wannate MDI-100，工业级；聚醚二醇，江苏润丰合成科技有限公司，工业级；聚醚三醇，江苏润丰合成科技有限公司，工业级；苯酚，南通润丰石油化工有限公司，工业级；二月桂酸二丁基锡，山东豪顺化工有限公司，工业级；三亚乙基二胺，山东豪顺化工有限公司，工业级；γ-氨丙基三乙氧基硅烷，山东豪顺化工有限公司，工业级。

MDI-100、聚醚二醇、聚醚三醇、苯酚、二月桂酸二丁基锡、三亚乙基二胺、γ-氨丙基三乙氧基硅烷的质量比为20:30:30:13:0.2:0.2:0.4。

填料为无水氯化钙，山东锦沅材料科技有限公司，工业级。

本实施例就地冷再生混合料的材料配比如下(以质量份计)：

沥青路面铣刨材料58份、粗集料22份、细集料15.5份、单组分湿固化聚氨酯胶结料3.5份和无水氯化钙1份。

(3)铣刨、拌和与摊铺：

在冷再生机上设置用于输送聚合物胶结料的管道，并配置体积流量计，将胶结料输送管道、集料及填料输送管道的末端开设在冷再生机的铣刨室内，对准铣刨料，通过布料装置将冷再生混合料(包括单组分湿固化聚氨酯胶结料、粗集料、细集料、填料、沥青路面铣刨材料)拌和均匀，然后通过就地再生设备中的摊铺机组将冷再生混合料摊铺到路表面，铣刨作业采用下切式施工，冷再生机的铣刨速度为6m/min，转子转速为160转/min，确保得到的旧路面铣刨料级配均匀。

(4)压实与养生：

采用12t中型压路机对摊铺层再生混合料进行静压1遍，振动碾压1遍，碾压速度为1.5km/h，完成初压。然后采用16t重型压路机进行振动复压2遍，静压2遍，碾压速度为2.5km/h完成复压。养生4小时后，采用胶轮静压1遍收面，碾压速度为1.5km/h。

常温下养生1d，再生层验收合格。

具体实施方式中，其他实施例的聚合物就地冷再生混合料的材料组成比例不同于实施例1，具体施工工方法与实施例1相同，实施例2和实施例3的材料组成如表1所示，实施例1、2、3混合料矿料合成级配如表2所示。

表1实施例1、2、3的就地冷再生混合料的材料组成

表2实施例1、2、3各筛孔通过百分率(％)

实施例1-3所述就地冷再生混合料养生1d后强度均可满足开放交通或者铺筑上一结构层需求，且其强度随着养生时间的增长而提高。根据《公路沥青路面再生技术规范》(JTG/T 5521-2019)要求，在聚合物就地冷再生混合料施工过程中进行材料取样，室内成型试件，常温养生3d后进行性能检测，具体测试结果见表3。

表3实施例1、2、3的就地冷再生混合料性能测试指标

检测项目	实施例1	实施例2	实施例3
				25℃劈裂强度/MPa	3.5	3.8	4.0
冻融劈裂强度/MPa	2.5	2.8	3.0
				冻融劈裂强度比/％	71.4	73.7	75.0
马歇尔稳定度/KN	57	62	61
				60℃动稳定度/次	30590	34780	35650
-10℃低温弯曲应变	3542	3865	3980
				15℃10Hz下动态模量/MPa	14750	15840	14590

由表3可知，实施例1-3的就地冷再生混合料养生3d后的冻融前后劈裂强度、马歇尔稳定度、动稳定度、低温弯曲应变和动态模量等指标均高于乳化沥青冷再生混合料、泡沫沥青冷再生混合料和基质沥青混合料，具有良好的力学特性、高低温稳定性、水稳定性和抗车辙性，满足面层材料技术要求，并可提高路面结构的耐久性和承载能力。

就地冷再生混合料下面层养生1d后可以铺筑上面层，此时对冷再生路面开展性能指标测试，测试结果见表4。

表4实施例1、2、3的就地冷再生混合料下面层检测结果

检测项目	实施例1	实施例2	实施例3
				压实度/％	96.4	96.8	96.9
弯沉/0.01mm	8.9	7.7	7.8
				平整度/0.01mm	1.6	1.8	1.7
渗水系数/％	23	20	18

检测结果表明，本发明的就地冷再生混合料面层结构承载能力高，荷载作用下回弹变形值小，平整度高，渗水系数小，性能与新建沥青混合料面层相媲美，完全满足面层铺装要求。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.就地冷再生混合料，其特征在于，由以下质量份的原料制得：

2.根据权利要求1所述的就地冷再生混合料，其特征在于，单组分湿固化聚氨酯胶结料中聚醚多元醇类化合物、含多个异氰酸根的化合物、酚类化合物、催化剂和偶联剂的质量比为(40～70):(15～25):(10～15):(0.2～0.6):(0.2～0.5)。

3.根据权利要求1或2所述的就地冷再生混合料，其特征在于，

所述聚醚多元醇类化合物为主链含有醚键，端基或侧基含有大于2个羟基的低聚物；

所述含多个异氰酸根的化合物为4，4-二苯基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯和/或六亚甲基二异氰酸酯。

4.根据权利要求1或2所述的就地冷再生混合料，其特征在于，

所述酚类化合物为酚羟基在同一个苯环上的化合物。

5.根据权利要求1或2所述的就地冷再生混合料，其特征在于，

所述催化剂为至少一种胺类化合物和至少一种有机金属类化合物的混合物，所述胺类化合物为叔胺类化合物或季铵盐类化合物中的任意一种化合物，所述有机金属类化合物为二月桂酸二丁基锡或辛酸亚锡；

所述偶联剂为硅烷偶联剂。

6.根据权利要求1或2所述的就地冷再生混合料，其特征在于，混合料矿料级配满足：

7.根据权利要求1或2所述的就地冷再生混合料，其特征在于，填料为无水氯化钙。

8.道路面层再生方法，其特征在于，包括：

S1.施工及材料准备；

9.根据权利要求8所述的道路面层再生方法，其特征在于，铣刨作业采用下切式施工，铣刨速度为4～12m/min，转子转速为150～180转/min。

10.根据权利要求8所述的道路面层再生方法，其特征在于，压实过程包括初压、复压及收面，复压完成后2～6h后，采用胶轮静压1～2遍收面。