专利名称：重建沥青表面化路面的方法
技术领域：
本发明的背景本发明涉及重建沥青表面化路面(reconstructing bituminous surfacedpavement)。更具体地，本发明是一种使用来自现有路面的成分而不去除和置换它们而用于重建路面的方法。
通常在修复道路时，将材料研磨和去除。然后，将热沥青混合物(HMA)送到施工现场并放在研磨区域上。这种工艺的一个缺点在于费时，因为它需要两个操作。在一个操作中，将道路研磨，并去除该材料。然后，在第二操作中，将热沥青混合物输送至该场所并放在道路上。这种工艺的另一缺点在于，研磨材料通常不再利用。
最近，状态中等或不好的道路已使用构成该道路的沥青材料的全深回收(full-depth reclamation)(FDR)而被替换或修复。但这些FDR工艺缺乏周密设计和因此存在一致性问题，如乳液含量的不一致性。它们往往不提供所需性能。另外，使用常规FDR工艺制成的道路是不可靠的，和往往导致剥落(raveling)，坑洞(pot holes)，车辙，剥蚀问题，和裂缝。
为了克服这些缺点，提供了一种使用来自现有道路的现场材料(in-placematerial)用于设计和建筑新道路的方法。该工艺在使用回收材料的同时提供较好的道路性能。
本发明的概要本发明的一个目的是提供一种重建沥青表面化路面的系统方法，该方法使用路面中现有的材料，这实现了材料的成本节约并减少用于移动材料的时间。
根据本发明，前述和其它的目的通过一种重建沥青表面化路面的改进方法而实现。该方法包括评估路面以确定它是否是用于全深回收的合适候选物(candidate)；将乳液与来自路面的回收沥青路面(reclaimed asphaltpavement)(RAP)颗粒混合以形成沥青乳液混合物(asphalt emulsion mixture)；和使用抱合力试验(cohesion test)，水分敏感性试验(moisture susceptibilitytest)，和模量试验测试沥青乳液混合物的性能。在大多数情况下，来自路面的尘土和/或骨料(aggregate)也被包括在沥青乳液混合物中。本发明还包括，基于该试验数据设计全深回收(FDR)层。一旦设计出该层，将沥青表面化路面粉碎，将乳液与来自路面的RAP颗粒和来自路面沥青表面下面的可能的尘土和/或骨料混合，并将该混合物施用到路面上。
优选实施方案的详细描述如果路面表面处于其使用期的末期或如果路面需要改进以载运附加的通行量，应该考虑本发明的沥青表面化路面再建工艺。沥青表面化路面包括沥青表面，基层(base layer)，和路基层(subgrade layer)。如果路面具有显著的损坏如龟裂(疲劳)裂缝，热开裂，剥落和坑洞，车辙，涌料(flushing)或渗出(bleeding)，低耐滑性，或粗糙纹理，本发明的FDR工艺可能是理想的。如果在桥梁和陆桥上存在低净空(clearances)或如果关心路缘高度(curbheight)，那么本发明尤其理想。它可用于乡村道路，州际公路，州内公路，机场道面，包括但不限于飞机场跑道和滑行道，停车场，和其它需要修复的沥青表面。它尤其可用于约12-25年的受损路面。
FDR层的具体设计应该基于以下概述的工艺和条件，它们构成本发明的一部分。本发明解决了常规FDR工艺所发生的问题如剥落，热开裂，慢固化时间，和不可靠的性能。本发明的FDR方法提供对具有结构坚固的路基和良好排水的明显受损路面的全深修复。本发明的FDR方法还提供一种高效地和有效地增加需要载运较大负荷的任何路面的载荷容量的方法，而无论该路面受损或状态完好。本发明的工艺特别理想地用于重建道路(roadway)。
首先，评估道路以确定它是否是用于全深回收的合适候选物。道路必须具有结构坚固的路基层。路基层的强度可通过用动态锥形透度计(dynamiccone penetrometer)(DCP)或落锤挠度计(falling weight deflectometer)(FWD)测试道路或测量道路的加利福尼亚承重比(California bearing ratio)(CBR)或R-值而确定。优选，强度测量在约每半英里处进行，并将表面防滚压。
另外，评估该道路确定在进行该工艺的总体可行性。该评估包括检查交通量，几何(geometries)，排水，线渠(culverts)，道路历史，和受损区域(distressed area)。然后，更彻底地，优选在春天解冻或雨季时评估道路的状态。此时，处于道路基层和路基层中的水最多。还测定道路的土壤类型，清洁度，级配(gradation)，岩石地基强度(rock base strength)和厚度。优选，这些测量针对可包括或可不包括基层和路基层的道路的顶部4-8英寸深度处进行。可进行典型的清洁度试验如砂等效试验(sand equivalence test)，洗涤粒度分级试验(washed gradation test)，亚甲蓝试验，和/或塑性指数(plasticityindex)试验。用于支持交通所需的道路的所需厚度随后由其承载能力及其通行量而确定。然后决定该道路是否是用于本发明FDR工艺的合适候选物。
在评估道路之后，本发明的FDR工艺包括使用直接得自工程现场的材料进行预施工配料设计。代表性样品得自所要回收的路面区域以评估现有路面。优选，将所取的样品分布在整个工程长度上，包括注意到或测到路面差异的地方。这些样品通常是沥青表面和松基层(loose base)材料的核的形式。松基层可包括，但不限于，骨料，尘土，土壤，砂，回收沥青路面(RAP)颗粒，或其组合。但仅当基层材料低于在修复道路时所要回收的沥青表面时，样品需要包括松基层材料。路面样品应该被粉碎，压碎，筛分，和/或筛选以形成回收沥青路面颗粒。如果得到，该松基层随后被引入RAP中。″回收材料″应该是指所得再用于FDR工艺的材料和应该包括其中不使用基层材料的单独的RAP以及RAP和基层材料的混合物二者。考虑到进一步配料设计，回收材料被认为是黑色岩石或骨料。如果样品在各个区域具有显著差异，如不同的种类或层厚度，那么应该针对这些路面片断的每个进行单独的配料设计。RAP在与松基层材料混合和/或加入沥青乳液之前应该满足表1所示的级配表1
混合物应该使用回收材料设计。配料设计包括确定粉碎沥青表面对于基层材料的比例和选择乳液的量和组成。本发明工艺包括制造沥青乳液混合物的试样和在确定用于产生FDR层的混合组成之前测量其物理性能。
在制造试样时，将沥青乳液引入回收材料中。所用的沥青乳液的种类或配方应该部分地由使用该乳液时的气候，它所处的温度，和回收材料的清洁度决定。也可被选择例如用于改善回收材料的涂覆或调节断裂性能。优选，混合物低温裂缝技术要求应该使用FHWA LTPP BindTM软件(版本2.1)的数据通过输入最接近该工程的气象站的数据而选择。配料设计技术要求的所需温度是路面结构中的FDR层顶部的最低温，使用98％可靠性。
沥青乳液是沥青，水，乳化剂，和可能的添加剂的共混物。它在环境温度下是液体。乳液的特定配方可根据所要实现的性能而变化。例如，它可被配制成迅速凝固。它还可被配制成改善沥青材料的涂覆，得到较少的道路裂缝或提高道路的强度。所用的沥青乳液的种类应该根据以下讨论的所设计的混合物而确定。
优选，乳液包括约0.5至10％重量乳化剂，约60-75％重量沥青固体，水，和任选的某些添加剂。优选，乳液基本上是无溶剂的和水基的。添加剂可以是乳液的约0.5至10％重量和可包括弹性体，塑性体，表面活性剂，其它粘合剂，和石油级分。优选，它包括最高约0.5％重量的燃料油。根据使用何种添加剂，这些添加剂可被加入沥青固体中或加入乳液中以制备改性沥青，包括聚合物改性沥青。乳化剂可以是阴离子，非离子，两性，或阳离子的。最优选，乳化剂是阳离子的。根据表面的气候历史和乳液的预期使用温度而选择乳液。
在制造试样时，将乳液加入回收材料中。乳液应该以足够量存在，这样该混合物不太干燥以造成剥落，但其量不太高以使混合物变得塑性。乳液通常是混合物的约1.5至8％重量。通常，它是混合物的约2.5至6.0％重量。用于设计混合物配方的推荐乳液含量是约1.5％，2.0％，2.5％，3.0％，3.5％，4.0％，4.5％，5.0％，5.5％，6.0％，6.5％，7.0％，7.5％，和8.0％重量乳液。优选，选择四种包括估计的推荐乳液含量的乳液含量。在加入乳液之前，加入在FDR施工工艺过程中确定所需的量的水分。
通常，在施工过程中不加入水。如果混合物中有任何添加剂，那么将这些添加剂按照类似于它们在工地生产时的方式加入。
在制造用于测试的试样时，将回收材料充分混合并将另外的水根据需要加入回收材料。然后，将回收材料与乳液混合。混合应该在约环境温度下进行。优选，与乳液混合的时间应该不超过约60秒。
优选，将松沥青乳液混合物试样在压实(compaction)之前在40摄氏度炉中放置30分钟。优选，每种试样应该使用Super-paveTM旋转式压实机(SGC)在150mm模具中在1.25°外角，600kPa锤压(ram pressure)，和30回转数下压实。模具不应被加热。试样随后在压实之后立即从模具中挤出。优选，将试样在通风装置位于其侧面和顶部的40摄氏度鼓风炉中放置，通常72小时。
对这些试样进行至少三种性能试验。它们是抱合力试验，水分敏感性试验，和模量试验。优选，使用热开裂试验和强度试验另外测试沥青乳液混合物的性能。这些试验测定试样的性能和该设计混合物是否适合使用。
优选，使用粘聚力仪(cohesiometer)测试试样的抱合力。抱合力试验的目的是评估试样的短期固化能力。该试验指示回收材料在工程过程中如何迅速地固化。
优选，抱合力试验根据ASTM D 1560的题为“利用Hveem装置测试沥青混合物的耐变形和抱合力的标准方法”的第10，11，12，和13部分而进行，只是以下不同测试设备被改变成适合150mm直径试样，和负荷速率是2，700克/分钟。试样如上所述而制备，只是试样在测试之前在25摄氏度下固化1小时。所得值表示混合物的抱合力。另外，抱合力值提供关于混合物的剥落潜力的信息。
优选，试样强度使用间接拉伸(indirect tensile)强度(ITS)试验而测定。该试验的目的是测定固化试样的强度。该试验指示试样的极限强度。对于ITS试验，优选，试样在40摄氏度下干燥72小时。在固化之后，将试样在环境温度下冷却最少约4小时和最多约24小时。最优选，遵循ASTM D 4867的题为“水分对沥青混凝土铺路混合物的作用的标准试验方法”的第8.10，8.11，8.11.1，和9部分，只是不同如下试样如上所述而制备，对试样中的空气空隙的最低或最高量没有要求，且针对每种乳液含量测试两个试样。
试样经受水分损害的能力使用水分敏感性试验测定。该试验的目的是确定试样在暴露于水和冷冻调节(conditioning)时的强度损失。对于水分敏感性试验，在水分条件试样上进行与在如上讨论的ITS试验所用的试样上进行的相同的调节和体积措施。优选，遵循ASTM D 4867的第8和9部分，只是不同如下试样如上所述而制备，对试样中的空气空隙的最低或最高量没有要求，针对每种乳液含量测试两个试样，并将试样真空饱和至55至75％体积的空隙。优选，对于较冷的气候，进行第8.7部分的冷冻-解冻步骤，只是试样在测试之前在25摄氏度水浴中解冻约24小时。平均水分调节的试样强度除以平均干试样强度，称为保留强度。其用于表示导致车辙和形成坑洞的剥离和强度损失。对于大多数FDR层设计，FDR层的保持稳定性必须较大或等于约50％。
测定每个试样的模量以评估材料的相对质量以及得到用于路面设计或路面评估和分析的数据。试验是非破坏性的。在试样直径或轴上进行ASTMD 4123，AASHTO TP31，或相当的方法。优选，模量按照题为“用于沥青混合物的弹性模量的间接张力试验的标准试验方法”的ASTM D 4123测定，只是不同如下试样如上所述制备，针对每种乳液含量测试两个试样，使用一种测试温度(25摄氏度)，负荷频率是1Hz，和测试每种试样的弹性模量仅一次。优选，该试验在其试验之前在与ITS试样相同的试样上进行。
另外在试样上进行间接拉伸(IDT)试验以测试热开裂。更具体地，该IDT性能试验估计该混合物的低温开裂开始。它预言该混合物可在FDR层的顶部经受和避免开裂的最低温度。IDT试验是一系列的两个试验，拉伸蠕变试验和拉伸强度试验。优选，间接拉伸试验根据AASHTO TP9-96进行，这是使用间接拉伸试验设备用于确定热沥青混合物(HMA)的蠕变柔量和强度的标准试验方法，只是不同如下试样应该是约150mm的直径和至少约115mm的高度和被压实至设计的乳液含量的设计空气空隙的空气空隙±1％。优选，试验试样应该在40摄氏度下固化约72小时。在固化之后，应该从每个压实试样上切出两个试样至约50mm高度。随后在切割之后进行体积比重试验。
优选，在三种温度的每个下最低需要两个试样。选择包括所需技术要求温度的间隔约10摄氏度的三种温度。例如，如果所需技术要求温度是-25摄氏度，那么应该选择-20摄氏度和-30摄氏度和-10摄氏度或-40摄氏度的测试温度。拉伸强度试验应该直接在拉伸蠕变试验之后在与蠕变试验相同的温度下在每个试样上进行。环境室应该能够达到至少低至约-40摄氏度的温度。
临界裂缝温度被定义为计算的路面热应力曲线(由蠕变数据得出)和拉伸强度线(该线连接在三个温度下的平均拉伸强度的结果)的作图交切点(plotted intersection)。为了通过该试验，IDT预期的热开裂温度应该满足LTPPBindTM程序在98％可靠性下对FDR层的顶部在该工程所处气候中的最低温度的要求。
如果需要，可使用添加剂对配料设计进行改性以满足FDR层的所需混合性能。添加剂，如石灰，其它的骨料，RAP，聚合物，飞灰，胶接剂，化学品如CaCl2，或其组合可被加入混合物中。
如果正被回收的材料在道路的不同位置上明显变化，那么应该尝试开发满足每种不同路段的所需标准的配料设计。例如，一些道路区域可能需要比其它区域更高的乳液含量。
在沥青表面化路面上进行FDR工艺之前，应该将草和其它植物从现有路面的边缘去除以防在回收操作过程中对粉碎沥青材料的污染。
现有路面应该被粉碎至所需深度和宽度。优选，路面不足1英寸深的沥青表面在被粉碎之后保留在道路上。最优选，基本上所有的沥青表面与回收的在沥青路面下方的一些基层材料，如骨料和灰尘一起被粉碎。优选，约4至12英寸深度的路面被回收。优选，大于约2英寸的回收材料是沥青材料。更优选，约4至8英寸深度的路面被回收。最优选，约6至8英寸深度的路面被回收。通常，回收材料的组成是20-100％体积的RAP。优选，它是40-100％体积的RAP，和最优选，它是60-100％体积的RAP。粉碎沥青材料的样品应该在加入乳液之前约每1/12″英里处得到和筛选以确定该粉碎材料是否满足配料设计的最大粒度要求。
优选，自推进的回收机用于在单程中将现有沥青材料粉碎至所需深度。优选，正被回收的深度在粉碎工艺过程中被控制。回收机/粉碎机能力用于将路面沥青材料在其与松基层材料和沥青乳液混合时减少至所需尺寸。优选，所有的粉碎沥青路面应该被处理以满足配料设计的最大尺寸要求。
优选，使用具有水和乳液计量和配料能力的回收单元。优选，它与计算机控制的液体计量设备结合。粉碎混合单元可被集成或包括。优选，液体计量设备应该能够自动调节沥青乳液的流动以补偿粉碎机速度的任何偏差。
沥青乳液和水应该在配料设计所确定的起始速率下被引入粉碎沥青材料中。根据需要基于混合物的涂覆和断裂性能对沥青乳液和水的比率进行调节。取样和配料设计可决定，在道路的各部分需要不同的含量的沥青乳液。
沥青乳液最好在施用过程中处于不大于约120的温度。优选，它在施用过程中是约60至120。
FDR混合物离开混合室和铺展在道路上。混合物随后被压实。优选，辊用于压实回收混合物。最优选，压实使用足印辊(padfoot roller)而完成，随后用机动平路机去除足印痕迹，随后使用钢轧辊和气胎碾。在完成回收材料的压实之后，优选不允许在回收材料上通行直至它已充分固化。
本发明的另一方面是对该工艺的在视监控(on-sight monitoring)。应该在约每1/12英里处的切口的两外立面上检查额定(nominal)粉碎深度。另外检查混合物的所需级配的上限尺寸。优选，FDR层的压实使用密度测量设备监控以确认适当的压实。另外，用于制备FDR层的混合物的乳液含量应该定期监控。
单独的FDR材料可在其上放置磨损面之前支持通行。如果在FDR上放置磨损面，应该允许它固化直至其水分减至约2.5％重量或更低。磨损面可以是冷，热，或温的混合覆盖物(warm mix overlay)，密封涂层(sealcoat)，碎石封层(chip seal)，喷雾封层(fog seal)，或其它表面处理如混凝土。优选，进行路面设计以确定磨损面的合适的厚度。
优选，本发明工艺在至少约40的环境温度下进行。最优选，该工艺在至少约50的环境温度下进行。优选，不存在雾或雨。优选，在放置该工程的任何部分之后的7天内没有冻结温度。
通过使用抱合力试验，水分敏感性试验，和模量试验设计全深回收层，产生优异的路面层。本发明的全深回收工艺可去除路面损坏如裂缝和车辙，重建路顶(crown)，保持净空和路缘高度，改善不良集料级配，提高路面质量，质量高于原始路面，重新使用现有材料，尽量减少对新材料的需要，尽量减少车道关闭时间，和提供新的较好的表面。本发明的FDR方法改善剥落，分离车辙，乳液含量的一致性，延长的固化时间，压实问题，在通行下的松散，水分敏感性，和耐开裂性。它与常规FDR方法相比更加一致，更加可预测，具有改进的性能，较长的耐久性，较好的模量，更高的柔韧性和更好的固化。
本发明FDR工艺还产生更多的应用时间(以每年的天数表示)，因为该工艺可在较低的温度下进行，这是因为FDR材料被压实和比常规工艺更迅速地固化。如果在本发明工艺过程中产生的FDR材料已达到其耐用期的末期时，回收路面本身可被回收。
从上文可以看出，本发明非常适用于实现以上所给出的所有目的和目标，以及本发明显然固有的其它优点。
因为本发明可采取许多可能的实施方案而不背离其范围，应该理解，在此给出的所有内容要被理解为说明性的，而不具有限定意义。
尽管已经给出和讨论了特定实施方案，当然可进行各种改变，但本发明不局限于本文所述部件和步骤的特定形式或排列，除非这些限制被包括在以下权利要求中。另外要理解，某些特点和次组合是有用的和可不论其它的特点和次组合而被采用。这是本发明范围所考虑和包括的。
权利要求
1.一种重建沥青表面化路面的方法，包括由所述沥青表面化路面得到回收沥青路面颗粒；将沥青乳液与所述颗粒混合以形成沥青乳液混合物；和使用抱合力试验，水分敏感性试验，和模量试验测试所述沥青乳液混合物的性能。
2.权利要求1的方法，进一步包括使用热开裂试验测试所述沥青乳液混合物的性能。
3.权利要求2的方法，进一步包括使用强度试验测试所述沥青乳液混合物的性能。
4.权利要求1的方法，进一步包括评估所述路面以确定所述路面是否是全深回收的适当候选物。
5.权利要求4的方法，其中所述沥青表面化路面由沥青表面，基层，和路基层组成和其中所述评估步骤包括测量所述路基层的强度。
6.权利要求5的方法，其中所述评估步骤进一步包括(a)测量所述路面的通行量，土壤类型，清洁度，岩石地基强度，级配，承载能力和厚度；和(b)检查所述路面以确定几何，线渠，道路历史，和排水。
7.权利要求1的方法，进一步包括根据所述路面的气候历史和所述乳液的施用温度选择用于所述混合步骤的基本上无溶剂的乳液。
8.权利要求7的方法，其中选择所需量的回收沥青路面颗粒和所需量的乳液用于所述混合步骤。
9.权利要求8的方法，其中所述沥青表面化路面由沥青表面和基层组成和其中所述基层在所述混合步骤过程中被引入所述沥青乳液混合物中。
10.权利要求7的方法，其中所述混合物包括约1.5至8％重量乳液。
11.权利要求1的方法，其中所述沥青乳液混合物具有至少约50％的保留强度。
12.权利要求1的方法，进一步包括粉碎所述沥青表面化路面以得到回收材料，其中所述沥青表面化路面由沥青表面和基层组成和其中小于约1英寸深的所述沥青表面在所述粉碎步骤之后留下。
13.权利要求12的方法，其中所述回收材料包含来自所述沥青表面之下的所述基层的尘土和骨料。
14.权利要求12的方法，其中所述回收材料是20-100％体积的回收沥青路面颗粒。
15.权利要求12的方法，其中所述回收材料是40-100％体积的回收沥青路面颗粒。
16.权利要求12的方法，其中所述回收材料是60-100％体积的回收沥青路面颗粒。
17.权利要求12的方法，其中4至12英寸深的所述路面被粉碎成回收材料。
18.权利要求17的方法，其中4至8英寸深的所述路面被粉碎成回收材料。
19.权利要求17的方法，其中大于2英寸深的所述沥青表面被粉碎成回收沥青路面颗粒。
20.权利要求17的方法，其中基本上所有的所述回收材料是被粉碎成回收沥青路面颗粒的所述沥青表面。
21.权利要求12的方法，进一步包括根据所述抱合力试验，所述水分敏感性试验，和所述模量试验选择用于产生全深回收层的乳液；将所述回收材料与所述全深回收层乳液混合以形成全深回收层混合物；和将所述混合物施用到所述路面上。
22.权利要求21的方法，进一步包括铺展所述混合物以形成全深回收层；和压实所述全深回收层。
23.权利要求21的方法，其中所述混合物在至少约40的温度下施用。
24.权利要求21的方法，进一步包括在所述混合步骤过程中将骨料加入所述全深回收层混合物。
25.权利要求22的方法，进一步包括在所述全深回收层上施用磨损面，其中所述磨损面选自冷混合覆盖物，热混合覆盖物，或温混合覆盖物，密封涂层，碎石封层，和喷雾封层。
26.权利要求21的方法，其中配制至少两种具有不同组成的全深回收层混合物用于所述路面的至少两个不同的部分。
27.一种重建由沥青表面，基层，和路基层组成的沥青表面化路面的方法，所述方法包括由所述沥青表面得到回收沥青路面颗粒；将沥青乳液与所述颗粒混合以形成沥青乳液混合物；使用抱合力试验，水分敏感性试验，模量试验，间接拉伸试验，和强度试验测试所述沥青乳液混合物的性能；评估所述路面以确定所述路面是否是全深回收的适当候选物；粉碎所述沥青表面以得到回收材料，其中留下小于约1英寸深的所述表面；基于所述抱合力试验，所述水分敏感性试验，所述模量试验；所述间接拉伸试验；和所述强度试验选择用于产生全深回收层的乳液；将所述回收材料与所述全深回收层乳液混合以形成全深回收层混合物；和将所述混合物施用到所述路面上。
全文摘要
本发明提供了一种重建沥青表面化路面的方法。该方法包括评估路面以确定它是否是全深回收的适当候选物；将乳液与来自路面的回收沥青路面颗粒混合以形成沥青乳液混合物；和使用抱合力试验，水分敏感性试验，和模量试验测试沥青乳液混合物的性能。在许多情况下，来自路面基层的尘土和/或骨料也被包括在沥青乳液混合物中。本发明还包括，基于该试验数据设计全深回收(FDR)层。一旦设计该层，将路面的沥青表面粉碎，将乳液与来自沥青表面的粉碎回收沥青路面颗粒和路面沥青表面下方的可能的尘土和/或骨料混合，并将该混合物施用到路面上。
文档编号G01M99/00GK1894470SQ200480037515
公开日2007年1月10日 申请日期2004年11月17日 优先权日2003年12月18日
发明者比尔·格鲁巴, 托德·托马斯 申请人:西姆材料公司