面向道路廢棄物資源化利用的關(guān)鍵技術(shù)研究綜述

敖順通 肖 鵬 顧 萬(wàn) 焦 虎 王 靜

(揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院,揚(yáng)州 225127)

我國(guó)是一個(gè)資源短缺的資源消費(fèi)大國(guó),經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度和人們的生活質(zhì)量越來(lái)越受到資源和環(huán)境的約束[1].隨著國(guó)家基層設(shè)施建設(shè)進(jìn)程加快,建筑材料的開發(fā)及加工加速了資源的消耗和環(huán)境的破壞.據(jù)統(tǒng)計(jì),2016年末全國(guó)公路總里程達(dá)469.63萬(wàn)km[2].隨著近年來(lái)公路交通量和汽車載重量快速增長(zhǎng)的影響,我國(guó)道路建設(shè)鼎盛時(shí)期“九五”“十五”期間建成的道路已相繼進(jìn)入設(shè)計(jì)使用年限末,越來(lái)越多的道路因不能滿足交通量增長(zhǎng)的需求或路面損壞嚴(yán)重等原因而面臨擴(kuò)建或改建.據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)國(guó)省干線公路每年大中修里程占總里程的比例約為13%[3],道路的改擴(kuò)建工程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄路面材料,如何有效地處置舊路面翻修產(chǎn)生的廢棄物已成為必須面對(duì)和解決的問(wèn)題.隨著交通量的快速增長(zhǎng),早期建成的“白加黑”道路已面臨改建或擴(kuò)建,對(duì)于“白加黑”道路改擴(kuò)建工程中廢料再利用研究勢(shì)在必行[4].

1 “白加黑”路面在道路工程中的應(yīng)用技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 舊水泥混凝土路面改造技術(shù)發(fā)展歷程

舊水泥混凝土路面改造技術(shù)在國(guó)外的起源和應(yīng)用較早[5],20世紀(jì)30年代,英國(guó)在道路改擴(kuò)建工程中嘗試在原連續(xù)配筋混凝土面層上加鋪瀝青層,隨后西班牙、美國(guó)、法國(guó)、日本等一些國(guó)家也相繼鋪筑了“白加黑”復(fù)合式路面.美國(guó)深入研究了水泥混凝土路面瀝青加鋪層的設(shè)計(jì)方法,提出了包括經(jīng)驗(yàn)法、半經(jīng)驗(yàn)法、力學(xué)法等多種加鋪層的設(shè)計(jì)理論和方法,如AASHTO,Al,COE,ARE法和基于斷裂力學(xué)的瀝青加鋪層設(shè)計(jì)法等.“白加黑”技術(shù)在美國(guó)得到了全方位的推廣和應(yīng)用,美國(guó)交通管理部門將“白加黑”舊水泥混凝土路面改造技術(shù)納入到道路養(yǎng)護(hù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范體系中,用于指導(dǎo)具體工程實(shí)踐[6].

我國(guó)關(guān)于舊水泥混凝土路面改造技術(shù)的研究起步較晚,直到上世紀(jì)90年代才陸續(xù)提出一些理論、方法和技術(shù).田玉光[7]在總結(jié)了以往的施工經(jīng)驗(yàn),認(rèn)為在水泥混凝土上加鋪瀝青混凝土?xí)r,其加鋪的厚度通常為10cm～15cm.《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD40-2015)對(duì)于瀝青加鋪層的厚度有明確要求:瀝青加鋪層可設(shè)單層或雙層瀝青面層,至少有一層采用密集配瀝青混合料.瀝青加鋪層厚度應(yīng)兼顧混合料的公稱最大粒徑相匹配和減緩反射裂縫的要求確定.高速公路和一級(jí)公路的最小厚度宜為100mm,其他等級(jí)公路的最小厚度宜為80mm.周志剛[8]結(jié)合加鋪層的層間推移和反射裂縫等狀況,提出了基于荷載疲勞損傷分析的加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,具有較高的理論參考價(jià)值.

1.2 舊水泥混凝土路面改造具體實(shí)施方案

在舊水泥混凝土路面上瀝青加鋪層結(jié)構(gòu),其具體實(shí)施方案主要分為兩種:破碎舊水泥混凝土路面后加鋪瀝青混凝土路面和對(duì)舊水泥混凝土路面加固后加鋪瀝青混凝土.20世紀(jì)50年代,美國(guó)明尼蘇達(dá)州、德克薩斯州等地區(qū)逐漸開始利用重型壓路機(jī)、重力錘等機(jī)械沖擊破碎水泥混凝土路面,然后在原路面上鋪筑瀝青混合料面層;賓夕法尼亞州等地嘗試了新的路面破碎技術(shù),并在瀝青層之前采用特殊的碾壓工具穩(wěn)固破碎路段,大大緩解了反射裂縫的發(fā)生和發(fā)展[9].章福亮[10]為了解決舊混凝土面板對(duì)新覆蓋層的不利影響,將舊水泥面板徹底粉碎后碾壓用作基層,消除了原有路面的既有病害.舊面板的破碎使原來(lái)的混凝土成為粒度均勻的粒狀基層,使整個(gè)路面形成柔性體.過(guò)渡基層應(yīng)鋪設(shè)在破碎的基層上,以增加承載能力和抗反射裂縫.

1.3 舊水泥混凝土路面改造工程實(shí)例

夏彩翔等[11]、沈金榮[12]結(jié)合工程實(shí)例,在對(duì)舊水泥混凝土路面進(jìn)行調(diào)查評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,采用橡膠改性瀝青作為應(yīng)力吸收層,并結(jié)合瀝青混合料的實(shí)踐證明了覆蓋結(jié)構(gòu)能有效地防止反射裂縫.江蘇省交通研究院[13]在無(wú)靖、寧連、寧合等道路改造工程中,在混凝土板上采用20cm二灰碎石基層和15cm厚瀝青混凝土面層.G25長(zhǎng)深高速公路程柳城段對(duì)脫空板進(jìn)行壓漿處治后,加鋪層采用4cmAC-13+5cmAC-20的結(jié)構(gòu)形式[14].對(duì)舊板進(jìn)行加固后加鋪瀝青混凝土,可以使舊板充分發(fā)揮整體作用,形成穩(wěn)固的底盤.這種方法成本較高,但病害較少,使用的耐久性長(zhǎng).

2 銑刨料在無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定基層中的再生技術(shù)研究現(xiàn)狀

為了降低造價(jià)及能耗,舊瀝青混凝土路面銑刨料(Reclaimed Asphalt Pavement,簡(jiǎn)稱RAP)在無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定基層中的再生常采用就地再生工藝,這是目前世界各國(guó)普遍采用的路面基層再生維修養(yǎng)護(hù)方法.

2.1 銑刨料應(yīng)用于無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定基層的發(fā)展歷程

經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展,發(fā)達(dá)國(guó)家廢舊瀝青路面的回收利用技術(shù)已相對(duì)成熟,許多項(xiàng)目已將舊瀝青混凝土路面再利用于路基.Sorigues AAG使用維特根路面冷再生設(shè)備,使用現(xiàn)場(chǎng)冷再生技術(shù)維護(hù)西班牙卡托蘭那的高速公路,是目前為止歐洲最大的瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)冷再生工程[15],該路面結(jié)構(gòu)為22cm厚的水泥穩(wěn)定冷再生基層加8cm厚的瀝青混凝土表層[16].Taha Ramzi[17]采用水泥和水泥窯粉塵(水泥生產(chǎn)中的副產(chǎn)品)兩種材料作為膠結(jié)料,在舊瀝青路面碾磨材料中,摻入一定比例的新骨料,通過(guò)室內(nèi)配合比試驗(yàn),探討了利用水泥窯灰穩(wěn)定冷再生作為基材的可行性.結(jié)果表明,水泥冷再生材料可用于路面基層和路基,在基層施工過(guò)程中,水泥穩(wěn)定再生舊料幾乎可以替代密集配集料.

20世紀(jì)末,國(guó)內(nèi)開始展開對(duì)瀝青路面無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定基層冷再生技術(shù)的研究.1998年,邯鄲市交通局率先引進(jìn)了德國(guó)維特根公司的WR2500型冷再生設(shè)備,研究摻加不同劑量水泥、石灰等穩(wěn)定材料以及發(fā)泡瀝青對(duì)冷再生混合料路用性能的影響,并采用現(xiàn)場(chǎng)再生技術(shù)在河北省境內(nèi)鋪筑了一段試驗(yàn)路.此后,國(guó)內(nèi)各省市根據(jù)各自的地區(qū)特點(diǎn)先后展開了無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定基層冷再生的應(yīng)用研究,并頒布實(shí)施了許多地方標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范.國(guó)內(nèi)各大高校及科研機(jī)構(gòu)也做出了許多理論和試驗(yàn)研究,很多研究成果己應(yīng)用于實(shí)際工程.

2.2 銑刨料應(yīng)用于無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定基層的理論研究

鄭彥軍[18]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)給出了適宜冷再生材料的級(jí)配、抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度以及回彈模量等主要指標(biāo)取值范圍,結(jié)合試驗(yàn)路的檢測(cè)結(jié)果修正室內(nèi)試驗(yàn),提出了冷再生基層、底基層結(jié)構(gòu)的質(zhì)量檢測(cè)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).柴林林[19]根據(jù)我國(guó)現(xiàn)有的道路設(shè)計(jì)方法,提出了應(yīng)將裂縫作為再生水穩(wěn)碎石基層道路的設(shè)計(jì)控制模式,計(jì)算并推薦了層間設(shè)置SBS應(yīng)力吸收層的再生水穩(wěn)碎石基層道路的道路結(jié)構(gòu).姚輝[20]比較并分析了原材料篩分和抽提篩分差距的原因并得出了相關(guān)換算關(guān)系.楊泉[21]提出了冷再生混合料的配合比設(shè)計(jì)方法,并進(jìn)一步研究了再生后的瀝青路面力學(xué)性能、施工工藝、質(zhì)量檢測(cè)與控制方法等.國(guó)內(nèi)外已有大量學(xué)者將舊瀝青混凝土路面銑刨料用于再生無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定基層中,再生混合料具有較好的抗干縮特性、抗溫縮特性、水穩(wěn)定性和耐久性,且具有良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益.

張西綿[22]對(duì)冷再生基層的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了研究.室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明,影響冷再生混合料強(qiáng)度的主要因素是水泥用量和級(jí)配,推薦水泥用量為5.0%左右.王真等[23]人研究表明,瀝青或水泥的使用較少,這將顯著影響冷再生混合料的疲勞性能.劉濤[24]研究發(fā)現(xiàn),膨脹劑和粉煤灰在一定劑量下能降低RAP材料的收縮應(yīng)變,改善RAP材料的收縮性能.高效減水劑可降低RAP材料的最大收縮應(yīng)變,但會(huì)增加材料的早期收縮應(yīng)變,增加材料早期開裂的風(fēng)險(xiǎn).

2.3 銑刨料應(yīng)用于無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定基層的工程實(shí)例

蘇曉艷[25]、馬松林等[26]人和楊寧[27]結(jié)合實(shí)體工程,研究了原位冷再生技術(shù)處理半剛性基層瀝青路面的技術(shù)機(jī)理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法.結(jié)果表明,原位冷再生路面基層技術(shù)具有理論可行性、可操作性和經(jīng)濟(jì)性.李海濱[28]、黃衛(wèi)兵[29]、程志豪[30]通過(guò)試驗(yàn)以二灰為添加劑的瀝青路面冷再生基層技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)段研究,劉強(qiáng)[31]通過(guò)添加無(wú)機(jī)添加劑對(duì)冷再生后的廢舊瀝青路面進(jìn)行了應(yīng)用研究,認(rèn)為冷再生混合料具有較好的抗干縮、抗溫縮特性、水穩(wěn)定性和耐久性.權(quán)登州等[32]人、王益[33]、劉思涵[34]、魯巍巍[35]通過(guò)試驗(yàn)研究水泥穩(wěn)定舊瀝青路面的原位冷再生技術(shù).結(jié)果表明,冷再生材料的主要性能不低于水泥穩(wěn)定瀝青路面,具有良好的路面性能.劉蓓蓓[36]和姜鋒[37]對(duì)廢舊瀝青路面及其混合料的特性、檢測(cè)方法、冷再生技術(shù)的特點(diǎn)及再生機(jī)理、試驗(yàn)方法及施工工藝等開展了相關(guān)研究.研究結(jié)果表明,瀝青路面維修采用冷再生技術(shù)不但可以直接降低公路建設(shè)成本,縮短工期,節(jié)約能源,還可以有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境.張麗巖[38]分析表明利用就地冷再生工藝比水穩(wěn)基層的老工藝節(jié)約造價(jià)約30%.

3 混凝土回收料再生技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1 混凝土回收料再生技術(shù)的發(fā)展歷程

關(guān)于廢棄混凝土回收料(Recycled Aggregate,簡(jiǎn)稱RA)的合理有效利用,國(guó)外研究遠(yuǎn)早于我國(guó),二次世界大戰(zhàn)之后美國(guó)、日本和歐洲地區(qū)發(fā)達(dá)國(guó)家陸續(xù)開展了相關(guān)研究,并頒布了再生粗集料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)程.ASTM美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)[39]和BS[40](英國(guó)標(biāo)準(zhǔn))都對(duì)應(yīng)用于不同工程中再生粗骨料的評(píng)價(jià)指標(biāo)的給出了規(guī)定.TAMV.W.Y.、TAMC.M[41]等通過(guò)對(duì)廢棄混凝土進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究,在BS和ASTM的基礎(chǔ)上對(duì)再生骨料進(jìn)行進(jìn)一步分級(jí).

同時(shí),歐、美、日等國(guó)[42]對(duì)廢棄混凝土的再利用研究主要集中在對(duì)再生骨料和再生混凝土基本性能的研究.這些基本性能包括物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)性能、工作性能和耐久性能等.研究成果表明[43]再生混凝土基本能滿足普通混凝土的性能要求,其應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)是可行的.相比其他發(fā)達(dá)國(guó)家,我國(guó)廢混凝土再利用研究起步晚,國(guó)內(nèi)一些專家學(xué)者對(duì)廢棄混凝土利用方面進(jìn)行了一系列研究,對(duì)建筑垃圾處理取得了一定的研究成果.

3.2 混凝土回收料再生技術(shù)的理論研究

肖建莊等[44]人、熊子君[45]就再生集料的定義、分類及再生集料的各項(xiàng)性能進(jìn)行了研究,認(rèn)為經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)募庸ぬ幚?能夠得到符合規(guī)范要求的再生骨料或高質(zhì)量的再生骨料,并提出廢棄混凝土塊體破碎及篩分工藝,該再生骨料生產(chǎn)工藝基本能滿足廢棄混凝土的破碎與分級(jí)要求.岳昌盛等[46]人研究表明利用普通的破碎、篩分工藝能方便地生產(chǎn)出符合規(guī)范要求的再生骨料.再生骨料具有較大的吸水率和特殊的表面性質(zhì),再生混凝土內(nèi)的水分隨時(shí)間的推移而減少,會(huì)影響混凝土正常的凝結(jié)硬化和內(nèi)部質(zhì)量.左亞[47]分析了建筑廢料的組成及其綜合回收利用的途徑,提出了建筑垃圾資源循環(huán)再生骨料的技術(shù)工藝和方法.上海《再生混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(DG/TJ 08—2018—2007)是我國(guó)首部關(guān)于再生混凝土技術(shù)的地方性標(biāo)準(zhǔn)(表1),其中對(duì)再生粗集料進(jìn)行了分級(jí).

表1 上海地方規(guī)范對(duì)再生骨料的分級(jí)Table 1 Classification of recycled aggregates by Shanghai local regulations

王沖[48]針對(duì)再生骨料混凝土的施工性能和力學(xué)性能進(jìn)行研究,認(rèn)為用廢棄混凝土做骨料代替粗骨料配制再生混凝土是可行.石義海[49]設(shè)計(jì)了一套生產(chǎn)再生骨料的處理工藝流程,驗(yàn)證了再生骨料的二灰碎石基層的可行性.

3.3 混凝土回收料再生技術(shù)的工程實(shí)例

李少康[50]、陳強(qiáng)[51]、秦春麗[52]、陳坤[53]結(jié)合實(shí)體工程,研究表明,道路舊水泥混凝土再生骨料可用于道路基層,無(wú)論是水泥穩(wěn)定、石灰穩(wěn)定或灰穩(wěn)定,都能達(dá)到高等級(jí)公路基層設(shè)計(jì)所需的強(qiáng)度和水穩(wěn)性.再生骨料水泥混凝土可以滿足高等級(jí)公路對(duì)混凝土強(qiáng)度的要求.再生骨料瀝青混凝土可以滿足高等級(jí)公路瀝青混合料的穩(wěn)定性和流動(dòng)要求.傅工范等[54]人研究表明,用舊混凝土再生骨料配制的水泥混凝土與普通砂礫混凝土相比,抗壓強(qiáng)度差異不大,甚至抗折強(qiáng)度有所提高.孫平平[55]估算了再生骨料的生產(chǎn)成本,并運(yùn)用經(jīng)濟(jì)學(xué)原理分析了廢混凝土再生的經(jīng)濟(jì)性.他認(rèn)為廢棄混凝土的再利用具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景.再生骨料的使用范圍極廣,在道路工程中,可以用于水泥混凝土路面、再生水泥穩(wěn)定碎石、二灰穩(wěn)定碎石基層及道路附屬工程.

4 結(jié)語(yǔ)

目前,瀝青混凝土再生技術(shù)和水泥混凝土再生技術(shù)已相對(duì)比較成熟,再生料也已在國(guó)內(nèi)外大量實(shí)體工程中得到應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)“白加黑”道路混合舊料全循環(huán)再生利用是完全可行的.然而,如何改進(jìn)舊路面材料回收工藝,提高其再生料的性能、如何結(jié)合不同道路的特點(diǎn),根據(jù)再生料的性質(zhì)指標(biāo),采取相應(yīng)的回收方案,最大效益化將其應(yīng)用于道路結(jié)構(gòu)層相適應(yīng)的部位、如何管理、控制好改擴(kuò)建工程的各階段,使各方面因素相互協(xié)調(diào),提高舊路面材料回收利用率等問(wèn)題亟需進(jìn)一步探討,這對(duì)于規(guī)范、合理、高效地全循環(huán)再生舊路面材料具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值.