低等级公路废旧沥青路面再生探析_衣松杰.pdf

Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 03 期105文章编号：2095-6835（2023）03-0105-03低等级公路废旧沥青路面再生探析衣松杰，杜武刚，张 刚，王 刚，寇景宇，胡 敏，王 林（中交路桥建设有限公司，北京 101121）摘要：对于低等级公路沥青路面来说，废旧沥青混合料再利用不仅降低了工程造价、节约了不可再生资源，更是重新恢复其路用性能的重要手段。依托铜仁市江口县凯德至黑岩坪公路路面改善提升工程项目，总结了沥青老化的原因与其再生的机理，对 5 种再生技术进行了介绍并根据其适用条件与优缺点对比分析了适合本项目的再生方式厂拌热再生技术。关键词：道路工程；废旧沥青路面；沥青老化；再生原理中图分类号：U414文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.03.0321研究意义截至 2020 年，中国公路维护保养里程达到 514.40万 km，占到公路总里程 519.81 万 km 的 99.0%1，这标志着中国已迎来了公路养护的高峰。由于设计、施工、维护和管理以及其他因素的影响，中国沥青混凝土路面经过短短几年的经营运行后便会出现磨损、变形、车辙、坑槽、裂缝等不同程度的损伤，需要进行不同程度的保养修复。届时，沥青路面维修养护工作将会产生大量的废旧沥青混合材料，据估算，中国沥青路面每年可回收再生使用的面层料约 2 亿 t2。若大量的废旧路面材料随意堆放丢弃，不仅仅是对资源的浪费，更是对环境的污染。在废旧的沥青混合料中，石料并未丧失性能，而且开采新的石料会导致一系列生态环境问题，与当代生态观相违背。因此在满足路用的要求下将石料循环利用是十分有必要的。研究表明3，54.01%的温室气体排放（二氧化碳当量）是在沥青混合料生产过程中产生的，43.18%是在原材料生产过程中产生的，原材料和沥青混合料运输产生的二氧化碳当量约占总二氧化碳当量的 1.35%，而铺设和压实阶段产生的二氧化碳当量约占总二氧化碳当量的 0.86%和 0.61%。因此，使用沥青再生混合料可以有效减少原材料生产阶段所释放的温室气体，还避免了沥青混合料填埋对环境带来的破坏。研究显示4，旧沥青混合料含量为 15%的再生沥青混合料将对气候变化的影响减少13%，对化石资源的消耗减少 14%。对沥青路面沥青混合料进行再生能节省不可再生资源，减少骨料的开采和新鲜沥青的使用，降低填埋料的数量。对于低等级公路来说，对废旧沥青路面进行再生既能降低工程造价，更是重新恢复路用性能的重要手段。2工程概况拟建的铜仁市江口县凯德至黑岩坪公路路面改善提升工程位于贵州省铜仁市江口县境内，项目起点位于江口县凯市村凯德坊，起点桩号 K0+000=管养桩号K0+000，项目整体向西南方向延伸，途经傅家、辣子垱，终点止于黑岩坪村，终点桩号 K7+564=管养桩K7+565，路线全 7.564 km。原有老路路基宽度 4.56.5 m，道路等级为四级，该道路建设于 2013 年，交通量小，由于年久失修且地方的养护资金有限，全线路面破坏严重。本工程道路经多年运营，路面局部坑槽严重，面层剥落，全线裂缝、龟裂路段较多。本次路面改造以“路面改造、完善安全设施为核心，辅以适当绿化、景观打造”为设计宗旨，维持原有道路平、纵线形指标不变，路基宽度不变。基于本次铜仁市江口县凯德至黑岩坪公路路面改善提升工程，重点在于利用原有路面的废弃沥青等路面材料对旧路面病害进行治理并完善交通安全设施、治理安全隐患等。3沥青老化及再生机理沥青同任何有机物一样，都会受到热、氧、紫外线等自然因素的作用。在其施工和使用期间，会发生一系列复杂的物理化学反应，如挥发、氧化等，这些作用会导致沥青性能发生变化，主要表现为沥青的硬化和脆性增加（即黏度和刚度增加），进一步引起路面结构的恶化，如疲劳开裂和水损坏，这种现象被称为沥青老化。但是，由于沥青的化学组成和结构的复杂性以及路面的使用环境，沥青老化和再生的过程非常复杂。科技与创新Science and Technology&Innovation1062023 年 第 03 期3.1沥青老化沥青发生老化后，针入度减小，抗疲劳开裂等性能降低。沥青短期老化发生在路面施工过程中，这种老化效应主要表现在沥青的氧化和轻质分子组分的损失。沥青长期老化通常发生在路面的整个使用寿命期间，是由许多因素引起的，比如热、氧、紫外线。研究表明5-6，沥青老化时主要按照芳香分转换为胶质再转换为沥青质的路线进行组分迁移。在高温的作用下，饱和分挥发，含量减少，芳香分通过氧化聚合变为胶质，但生成沥青质的速度比生成胶质的速度更快，最终形成四组分中仅有沥青质质量分数增加，其他三组分（饱和分、芳香分、胶质）质量分数都有不同程度的减少5-7。3.2沥青再生沥青老化会不可逆地改变沥青的化学和物理性能以及路面性能，但如果采取适当的措施，老化沥青的性能可以部分甚至完全恢复到原来的状态。组分调节理论指出沥青老化从根本上来说是各组分含量产生了改变从而引起了沥青的劣化。如果能把在老化过程中沥青失去的部分通过加入再生剂来协调老化沥青的芳香分、饱和分、胶质以及沥青质组分，平衡各组分的含量，使混合后的老化沥青各组分之间重新达到平衡点，则老化沥青的性能将会得到有效的改善。相容性理论指出沥青老化使沥青中的沥青质与软沥青质的溶度参数差值大于了某一数值，以致沥青不能形成稳定的溶液5。因此，沥青再生的关键是减小这一差值，若通过某些手段使老化沥青中软沥青质与沥青质的溶度参数差值在某一数值内，那么就能提高老化沥青各组分间的相容性，老化沥青便实现了再生。4废旧沥青路面再生技术4.1厂拌热再生技术厂拌热再生技术就是对需修复的老沥青路面进行铣刨，通过装运车运至搅拌站后对废旧混合料进行破碎筛分，再根据配合比设计要求加入再生剂、新沥青、新矿料加热重新拌和均匀以实现废旧沥青混合料再生的过程。由于厂拌热收集的废旧沥青混合料来自不同地点甚至来自于不同路段，为保证回收料差异性不大，这就要求在回收过程中要分车道、分路段进行铣刨。在废旧沥青混合料进入拌和站后，为保证废旧沥青混合料各指标的均匀性，不同来源的混合料要分地点堆放。确定废旧沥青混合料各项性能指标后，依据设计要求确定再生剂种类及再生剂、新沥青、新集料的添加量。厂拌热再生技术能适用于多种情况下的路面损害处置，处置范围更广，沥青路面上较大病害通常是选用厂热拌再生技术。经过该技术得到的混合料，其各项性能能够不低于甚至超过新拌和沥青混合料，能达到国家规范的要求，性能优越。而且对回收的混合料进行筛分，可以生产不同级配的沥青混合料，能够更好地利用石料，节约资源。但是厂拌热再生不能掺入过高比例的旧沥青混合料，旧沥青混合料过多会导致再生料疲劳性能降低，在低温和高频作用下也极易发生破坏。4.2就地热再生技术就地热再生技术被认为是沥青道路路面再生的有效途径，是一种很有前途的技术。它的再生流程包括加热路面，对其进行翻挖、铣刨，若有需求再加入再生剂、新沥青、新集料使它们重新拌和均匀，最后铺筑并压实。由于就地热再生技术可以很大程度节省新料，并且因其就地取材很大程度上节约了路面修复的时间，被广泛应用在高速公路与不能长时间封闭施工、比较繁忙的沥青路面上8。就地热再生技术通过加热、加入再生剂、机械混合和压实等方法修复路面轻微开裂、路面轻微结构问题。加热路面是就地热再生技术的关键步骤，为保证施工和易性，路面应加热保温，保温温度相对较高。但就地热再生的加热温度较高，可能会对 SBS 改性沥青造成明显的老化。就地热再生技术形成的再生沥青路面水稳定性好，且无需来回运输沥青混合料，节约运输成本；但该技术对沥青路面处理厚度有限。4.3厂拌冷再生技术厂拌冷再生同厂拌热再生工作流程相似，原路面经铣刨、破碎、筛分后，加入新集料、再生结合料（再生混合料中起主要胶结的材料），与旧沥青混合料在常温下拌和再生，最后铺筑并压实。该技术在常温下（030）施工，能节约热源；通常有着较好的高温稳定性。但形成的再生混合料水稳定性不好，再生混合料质量差，经济效益低，因此常在处理基层或底基层损害中使用。4.4就地冷再生技术与其他再生技术相比，就地冷再生技术在现场施工中无需加热（施工温度通常为 030），对环境更为友好，该技术由就地铣刨、破碎，加入添加剂、再生沥青和新集料，进行就地拌和、铺筑并压实组成。这种技术的优点是回收的沥青混合料根本不用离开施工现场，而是就地处理并立即重新使用。旧沥青混合料的利用率达到了最高，因此减少了运输中的能源消耗，降低了施工成本，也大大减少了施工时间，适合Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 03 期107交通繁忙的沥青路面维修。但就地冷再生技术对施工环境要求较高，通过就地冷再生技术再生的沥青混合料水稳定性不好，质量差异性较大，通常不作为修复面层使用。4.5温拌热再生技术由于废旧沥青混合料厂拌、就地热再生（生产温度通常高于 150）会在生产过程中发生沥青老化的问题，因此温拌热再生技术越来越受到大家的重视。温拌热再生技术是沥青道路路面可长期使用、改善环境的关键。温拌沥青再生是指在较热拌沥青更低的温度下生产再生沥青混合料，并在此温度下形成沥青路面。温拌沥青通常在 100140 范围内生产（半温拌沥青通常在 70100 范围内生产），生产温度可比热拌沥青降低 30 及以上，且不影响再生混合料的性能。若沥青生产温度每降低 10，就能减少近 1 L 的燃料消耗，并且温室气体的排放也会减少 1 kg/t（二氧化碳当量）。温拌热再生技术可以降低废气排放量，改善施工人员的工作条件，减少对能源的消耗，降低生产成本，并且能提高废旧沥青混合料掺量；而且随着温度降低、冷却时间缩短，还加快了施工速度。但中国现行沥青路面再生规范未对温拌热再生技术材料、工艺等提出具体要求，温拌热再生技术因此未在国内大规模推广使用9。5基于工程情况的再生方式在沥青路面的施工和养护中，再生沥青路面正被广泛用作传统热拌沥青的廉价替代材料，根据工程特点确定沥青的再生方式必须考虑到再生沥青混合料的生命周期、使用效果。此外还要考虑地域特点，确保在工程所在地气候条件下使用再生沥青混合料是经济、有效的。对于各种再生方式，它们各有优点、适用条件。经过对比研究分析，确定厂拌热技术为本工程的再生手段，原因如表 1 所示。表 1原因分析表序号层次原因分析1气候本工程所在地贵州省铜仁市江口县属于亚热带季风湿润气候，江口县的雨水十分充沛而厂拌热再生混合料水稳定性更好，更适合当地气候条件2原路面状况本工程沥青路面经多年运营，沥青路面局部坑槽严重，面层剥落，全线裂缝、龟裂路段较多，厂拌热再生技术适合于多种情况下的路面损害处置，该技术处置范围更广3再生料质量厂拌热再生混合料质量较冷拌再生混合料质量好，再生料的各项性能能够不低于甚至超过新拌和沥青混合料；提高了再生质量，可以减少维护次数表 1（续）序号层次原因分析4技术厂拌热再生在中国发展最为成熟，相应施工设备齐全，方便工程施工5环保即使厂拌热再生不能实现旧沥青混合料的完全利用，但混合料还可以用于其他行业，有助于资源的节约6结语沥青再生路面不仅能节约资源还减少了对环境的破坏，符合当代生态自然观。对于低等级公路沥青路面来说，废旧沥青混合料再利用不仅降低了工程造价，更是重新恢复其路用性能的重要手段。随着中国跨入“十四五”时期，以“旧料变原料，旧料换新料”为目标将使得路面的使用寿命得到延长2，这对促进公路事业循环经济发展和可持续发展、对建设美丽中国有重大的意义。本文结合铜仁市江口县凯德至黑岩坪公路路面改善提升工程实例，总结了沥青老化的原因与其再生的机理，对 5 种再生技术进行了介绍并根据其适用条件与优缺点对比分析了适合本项目的再生方式，可以为类似的工程施工提供更多的理论和技术支撑，为公路废弃沥青回收利用施工技术的推广应用起到促进与示范作用。参考文献：1交通运输部.2020 年交通运输行业发展统计公报EB/OL.2022-10-17.https:/ F，SHA A，LIN R