廢舊瀝青路面再生利用研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

李清富　裴俊杰　呂小永　陳淵召

摘 要：廢舊瀝青路面再生利用是世界各國(guó)廣泛研究和推廣應(yīng)用的一項(xiàng)重要技術(shù)，是減少資源浪費(fèi)、保護(hù)環(huán)境、提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的迫切需要。本文在對(duì)現(xiàn)有廢舊瀝青路面再生利用進(jìn)行研究和應(yīng)用總結(jié)的基礎(chǔ)上，分析了國(guó)內(nèi)外廢舊瀝青路面再生技術(shù)的研究現(xiàn)狀，從瀝青路面老化與再生、再生工藝、再生劑的使用等方面闡述了廢舊瀝青路面再生的研究進(jìn)展，以期能對(duì)今后的研究與應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：瀝青路面;瀝青混合料;回收瀝青路面材料;再生劑;再生瀝青

中圖分類號(hào)：U416.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）20-0108-04

Research Status and Progress of Recycling and Utilization of

Waste Asphalt Pavement

LI Qingfu1 PEI Junjie1 LYU Xiaoyong2 CHEN Yuanzhao3

（1. School of Water Science and Engineering， Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001;2. Jiyuan Highway Administration Bureau，Jiyuan Henan 454650;3. North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

Abstract： The recycling of waste asphalt pavement is an important technology widely studied and popularized by countries all over the world. It is an urgent need to reduce resource waste， protect the environment， and improve economic and social benefits. Based on the research and application summary of the existing waste asphalt pavement recycling， this paper analyzes the research status of waste asphalt pavement regeneration technology at home and abroad， and expounds the research progress of waste asphalt pavement regeneration from the aspects of aging and recycling of asphalt pavement， recycling technology and the use of recycling agent， in order to provide reference for future research and application.

Keywords： asphalt pavement;asphalt mixture;reclaimed asphalt pavement （RAP）;recycling agent;recycled asphalt

瀝青路面在世界各國(guó)均占有相當(dāng)大的比例，特別是高等級(jí)公路路面，瀝青路面的占比甚至超過90%。隨著世界各地瀝青路面道路的老化，每年的養(yǎng)護(hù)改造等作業(yè)產(chǎn)生了大量的廢舊瀝青路面材料（RAP），若將其廢棄，不但占用土地，而且會(huì)導(dǎo)致較嚴(yán)重的環(huán)境問題。研究發(fā)現(xiàn)，在新瀝青混合料中摻入RAP可以顯著節(jié)省成本[1，2]，所以將其摻入新的混合料中再生利用顯現(xiàn)出巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。舊瀝青混合料不僅可以用于生產(chǎn)再生瀝青路面，節(jié)約成本，還可降低運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放量，顯著減少道路建設(shè)的碳足跡。

多年來(lái)積累的經(jīng)驗(yàn)表明，瀝青路面回收是一種技術(shù)上可行的施工和修復(fù)技術(shù)。合理設(shè)計(jì)的添加回收材料的混合料在許多情況下與傳統(tǒng)路面的性能表現(xiàn)類似，甚至優(yōu)于傳統(tǒng)的路面結(jié)構(gòu)層[3]。廢舊瀝青路面再生技術(shù)具有環(huán)境友好、資源浪費(fèi)較低、經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益明顯等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已被世界各國(guó)廣泛研究和推廣應(yīng)用。美國(guó)、德國(guó)以及日本等發(fā)達(dá)國(guó)家很早就開始發(fā)展瀝青路面再生利用技術(shù)，如今已經(jīng)形成了比較規(guī)范的再生利用技術(shù)體系[4]。2012年，我國(guó)交通運(yùn)輸部明確指出：到2020年，全國(guó)公路路面舊料循環(huán)利用率要達(dá)到90%，基本實(shí)現(xiàn)路面舊料的回收與循環(huán)利用。隨著我國(guó)瀝青道路大規(guī)模進(jìn)入維修養(yǎng)護(hù)階段，對(duì)于舊瀝青路面再生技術(shù)的進(jìn)一步研究顯得非常迫切。

1 瀝青路面的老化與再生

瀝青的老化主要有短期老化和長(zhǎng)期老化。瀝青短期老化（即硬化）的主要原因是在高溫（160～180℃）環(huán)境下，較輕的芳香烴、環(huán)烷烴等在瀝青儲(chǔ)存過程中發(fā)生揮發(fā)和混合轉(zhuǎn)化，而長(zhǎng)期老化主要是由道路運(yùn)營(yíng)期間的氧化作用導(dǎo)致的，另外可能造成老化的因素是紫外線（UV）輻射[5，6]。由于RAP回收自舊瀝青路面，其性能特征在很大程度上受瀝青老化的影響，由此產(chǎn)生的特性變化包括滲透性降低、軟化點(diǎn)增加、黏度增加、延展性、黏聚力降低、集料和瀝青的黏附性降低等。此外，瀝青的自我修復(fù)能力出現(xiàn)下降。瀝青再生機(jī)理的研究目前有兩種理論：一是膠體組分調(diào)和理論，二是溶液相容性理論。

Nie等人[7]基于道路瀝青的四組分理論，以泰州70#重交通道路瀝青為材料，用薄膜烘箱試驗(yàn)制備分別老化25、35、50h的瀝青，用沉淀法和色譜分析測(cè)定了老化瀝青再生的四組分變化。通過老化試驗(yàn)得出，隨著老化時(shí)間的增加，瀝青質(zhì)和膠體轉(zhuǎn)化率降低，飽和烴損失速度降低，但芳香烴損失速度加快。通過再生試驗(yàn)的測(cè)定值和理論計(jì)算結(jié)果的比較得出，瀝青再生時(shí)的四組分變化基本符合理論值，但不完全調(diào)和，部分膠質(zhì)和瀝青質(zhì)在回火過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為飽和烴和芳香烴。但具體的化學(xué)轉(zhuǎn)化方式尚不清楚，而且瀝青四組分的再生效果取決于舊瀝青用量、老化程度、再生劑組分以及用量等諸多因素。

Mikhailenko[8]等人采用通風(fēng)式烘箱模擬瀝青路面使用中熱氧作用的長(zhǎng)期老化，基于紅外光譜分析，使用FTIR-ATR顯微鏡對(duì)老化瀝青的氧化性質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)分析，得出瀝青在烘箱老化的前24h失去了大部分揮發(fā)物，且C=O鍵和S=O鍵含量變化是瀝青老化的一致指標(biāo)，其含量在長(zhǎng)達(dá)7d的烘箱老化中不斷增加。研究表明，S=O比C=O更能清楚地表征氧化作用。通過FTIR顯微鏡對(duì)微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)瀝青氧化發(fā)生在集料周圍最明顯的地方，同時(shí)通過FTIR-ATR分析一種可降解的生物再生劑，發(fā)現(xiàn)添加再生劑對(duì)降低瀝青中S=O的數(shù)量作用明顯。由此可以得出，再生劑可以通過減少老化瀝青中的S=O來(lái)修復(fù)長(zhǎng)期老化的熱氧作用對(duì)瀝青路面帶來(lái)的損害。瀝青氧化對(duì)瀝青流變性能的影響，表現(xiàn)為羰基含量的變化。相關(guān)研究人員從動(dòng)力學(xué)出發(fā)，用差示掃描量熱法（DSC）和傅立葉變換紅外光譜（FTIR）測(cè)定了瀝青的結(jié)晶部分（CF）和羰基（CQO）含量，并用一階Arrhenius方程描述了其含量的變化，發(fā)現(xiàn)黏附力的降低、硬度增加與結(jié)晶組分含量的變化和瀝青氧化有關(guān)，且更多地取決于羰基的變化，而不是取決于結(jié)晶組分含量的變化。

人們已經(jīng)使用不同的方法研究了新舊瀝青膠結(jié)料之間的混合規(guī)則，當(dāng)新瀝青混合料中加入RAP時(shí)，新瀝青和從RAP中提取的老化瀝青之間可能會(huì)出現(xiàn)不同程度的混合。因此，可能有以下三種情況：不混合、部分混合和完全混合。沒有混合的情況也被稱為黑巖理論，即新舊瀝青膠結(jié)料之間沒有發(fā)生有效的混合，舊的瀝青膠結(jié)料是作為集料的一部分來(lái)發(fā)揮作用的。另一個(gè)極端情況是新舊瀝青膠結(jié)料完全混合，獲得了均勻的瀝青膠結(jié)料。部分混合的情況是指盡管發(fā)生了一些混合，但部分舊瀝青不能有效地參與其中。Mangiafico等人[9]通過統(tǒng)計(jì)比較含RAP的瀝青混合料的機(jī)械性能，得出結(jié)論：RAP沒有起到黑巖的作用，而是在RAP和新添加的黏合劑之間發(fā)生了不可忽略的部分混合。研究人員提出了量化瀝青混合料均勻性的兩個(gè)參數(shù)：剛度梯度因子（SGF）和均勻性指數(shù)（IH）。研究結(jié)果表明，在回收的混合料中，再生和老化都是由外向內(nèi)發(fā)生的，外層瀝青受老化影響最大，內(nèi)層受老化影響較小，當(dāng)試件被加熱時(shí)，再生劑的擴(kuò)散加速，導(dǎo)致再生瀝青混合料的均勻化。

2 再生工藝

綜合國(guó)內(nèi)外的研究，按照工藝方式的不同，瀝青路面再生利用技術(shù)可以分為熱再生和冷再生，也可以分為就地再生和廠拌再生。

實(shí)驗(yàn)室模擬廠拌熱再生的過程主要有兩種方法：SHRP方法和現(xiàn)場(chǎng)模擬方法（FS）。在SHRP法中，在與新集料和瀝青混合之前，先將RAP在110℃下預(yù)熱2h。該方法模擬了RAP組分的廠內(nèi)預(yù)熱過程。由于藍(lán)煙排放，預(yù)熱RAP會(huì)造成環(huán)境污染。但這一問題可以通過應(yīng)用氣體排放控制設(shè)備等方法來(lái)解決，另一個(gè)由預(yù)熱引起的問題是加熱過程中RAP的老化。在FS方法中，在與新瀝青混合之前，將RAP與過熱集料（215℃）混合，直到RAP塊的尺寸變化變得不明顯。這種方法的缺點(diǎn)是從集料傳遞到RAP的溫度可能不足以干燥和加熱RAP，為了解決這個(gè)問題，可以將RAP進(jìn)行分級(jí)處理，以便RAP與原始集料混合，增加混合料的均勻性。

影響廠拌熱再生瀝青混合料性能的關(guān)鍵生產(chǎn)參數(shù)有拌合時(shí)間、混合料排放溫度和料倉(cāng)儲(chǔ)存時(shí)間等。Zhang K[10]等人對(duì)廠拌熱再生的生產(chǎn)條件進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，當(dāng)混合料排放溫度較高時(shí)，生產(chǎn)的不含RAP混合料甚至比含RAP的混合料更硬，這表明混合料排放溫度可能是影響瀝青混合料質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵因素，較低的混合料排放溫度可能導(dǎo)致RAP混合料不完全混合，而較高的混合料排放溫度可能導(dǎo)致更硬的RAP混合料，其具有更高的開裂敏感性。料倉(cāng)儲(chǔ)存時(shí)間對(duì)再生瀝青混合料的影響具體表現(xiàn)為剛度隨儲(chǔ)存時(shí)間而變化。較長(zhǎng)的料倉(cāng)儲(chǔ)存時(shí)間會(huì)提高混合料的剛度，隨著料倉(cāng)儲(chǔ)存時(shí)間的增加，含RAP的混合料的剛度增量比不含RAP的混合料的剛度增量大得多?；谏鲜鰧?duì)廠拌熱再生RAP混合料的試驗(yàn)研究，可以對(duì)混合料生產(chǎn)做出指導(dǎo)，拌制過程中應(yīng)控制好混合料排放溫度。人們應(yīng)確定最短儲(chǔ)存時(shí)間，以允許再生劑擴(kuò)散完成，還應(yīng)確定最大儲(chǔ)存時(shí)間，避免膠結(jié)料的不可逆氧化。

冷再生工藝生產(chǎn)的路面一般作為基層底基層來(lái)使用，即冷再生工藝碾磨并粉碎舊瀝青路面后，將其與黏合劑混合壓實(shí)，并需要在其上加鋪面層方能投入使用。冷再生瀝青路面的性能幾乎完全依賴于碾碎的舊瀝青路面材料的性質(zhì)。此外，與所有柔性路面系統(tǒng)一樣，冷再生瀝青路面的壓實(shí)度對(duì)性能來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。人們通過實(shí)驗(yàn)室研究，將熱拌瀝青路面中的壓實(shí)指標(biāo)作了修改并應(yīng)用于指導(dǎo)冷再生瀝青路面施工，評(píng)估了五個(gè)新的壓實(shí)指標(biāo)：旋轉(zhuǎn)至76%密度的次數(shù)、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)指數(shù)、壓實(shí)能量指數(shù)、可加工性能量指數(shù)和施工壓實(shí)指數(shù)。

3 再生劑在RAP中的使用

再生劑是通過恢復(fù)瀝青質(zhì)、膠質(zhì)與芳香烴、飽和烴的比例來(lái)恢復(fù)RAP性能的產(chǎn)品。在RAP中加入這些產(chǎn)品可以逆轉(zhuǎn)RAP瀝青老化過程，使老化的膠結(jié)料得到有效利用。其中一些產(chǎn)品能夠部分恢復(fù)老化瀝青的化學(xué)成分，而另一些產(chǎn)品通過軟化老化瀝青膠結(jié)料使新舊混合料發(fā)生混合。許多再生劑含有輕質(zhì)瀝青組分，以恢復(fù)因氧化老化而在使用期間損失的芳香烴、飽和烴等。在使用再生劑時(shí)，人們要注意：要改變膠結(jié)料的流變性，提高低溫下的抗疲勞性和抗裂性，同時(shí)避免膠結(jié)料過度軟化老化而出現(xiàn)車轍問題;要注意新舊膠結(jié)料之間的黏合性，以防止再生混合料中出現(xiàn)水損害和剝落問題。再生劑提高了瀝青的針入度，降低了軟化點(diǎn)溫度，從而降低了瀝青的黏度。但是，這并不能使老化的膠結(jié)料被完全利用，部分RAP膠結(jié)料仍然以黑巖的形式存在，只起到集料的作用。在混合料性能方面，引入再生劑會(huì)導(dǎo)致混合料的剛度模量增大，提高其抗疲勞性和低溫穩(wěn)定性。市場(chǎng)上已經(jīng)有很多再生劑，很多新產(chǎn)品具有不同的來(lái)源（回收和不回收）。對(duì)于不同的再生劑，最重要的是確定最佳劑量，可以根據(jù)提取的RAP瀝青特性、瀝青等級(jí)和混合料中老化部分的含量來(lái)確定劑量，從而確保再生瀝青混合料的最佳性能[11]。

Zaumanis等人測(cè)試了廢機(jī)油、廢植物油、芳香族萃取物等在內(nèi)的六種不同的再生劑對(duì)再生瀝青混合料的影響，研究發(fā)現(xiàn)，這六種再生劑都能夠滿足結(jié)合料疲勞特性和工作性要求，相比而言，廢機(jī)油需要更高劑量[12]。所有產(chǎn)品都能確保優(yōu)異的抗車轍能力，同時(shí)再生劑的加入增加了疲勞壽命。但再生混合料的壓實(shí)需要更多的壓實(shí)功，此外一些再生劑稍微降低了抗水損害的能力。這些再生劑可分為有機(jī)產(chǎn)品和石油產(chǎn)品。研究表明，有機(jī)再生劑比石油再生劑需要更少的劑量，而且往往更有效。

再生劑改善了再生瀝青混合料的性能，降低了拌合溫度，這意味著能耗更低。此外，添加再生劑的再生混合料對(duì)進(jìn)一步老化的敏感性降低，這意味著壽命更長(zhǎng)。因此，瀝青混合料的多重再生循環(huán)利用是可行的。多重再生是指在不損失材料性能的情況下，使其能夠經(jīng)受多個(gè)再生循環(huán)過程。在回收過程中，可以執(zhí)行一些價(jià)值化操作，如粉碎和分級(jí)。這樣可以保證材料的性能，從而更好地控制混合料性能。

基于不同的RAP含量和是否加入再生劑的再生瀝青混合料試驗(yàn)研究，不同的研究人員得出了不同的結(jié)果，原因可能是RAP的添加導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果的變異性增加。研究結(jié)果表明，RAP材料需要充分加熱，以促進(jìn)RAP黏合劑和原始黏合劑之間的混合，否則RAP將更像一種黑色巖石材料，由于RAP顆粒的級(jí)配一般比原始集料粗，不完全加熱將導(dǎo)致混合料的級(jí)配比預(yù)期粗，因此空隙率將高于預(yù)期值。一般而言，RAP混合料的現(xiàn)場(chǎng)性能與實(shí)驗(yàn)室結(jié)果表現(xiàn)一致。由于剛度的增加，更硬的混合料隱藏著更高的開裂潛力，因此與不含RAP的混合料相比，RAP混合料表現(xiàn)出更高的開裂傾向，這樣，RAP混合料的預(yù)期壽命將小于原始的瀝青混合料。相反，有人發(fā)現(xiàn)，與不含RAP的混合料相比，具有較高RAP含量的混合料的剛度模量較低，這可能與新瀝青含量較高、級(jí)配較細(xì)等因素有關(guān)。為此，要對(duì)RAP的性質(zhì)以及再生劑發(fā)揮作用的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行更深入的研究。

4 結(jié)論

由于國(guó)情的不同，我國(guó)的道路建設(shè)與發(fā)達(dá)國(guó)家存在差異。目前，我國(guó)再生瀝青路面研究不夠成熟，還未建立完備的廢舊瀝青混合料再生利用標(biāo)準(zhǔn)，在廢舊瀝青混合料利用率、再生劑性能和推廣程度等方面還存在諸多問題。綜合國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，未來(lái)再生瀝青路面的發(fā)展方向主要有：在保證再生瀝青路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和各項(xiàng)性能滿足要求的前提下提高RAP的摻量，提高RAP的利用率;研究開發(fā)新型經(jīng)濟(jì)的再生劑;多重再生回收利用;規(guī)范指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的質(zhì)量控制條件，制定規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)。為解決這些問題，應(yīng)著重加強(qiáng)瀝青混合料再生理論的系統(tǒng)研究，在深化基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)上加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，形成符合我國(guó)國(guó)情的規(guī)范體系。在試驗(yàn)規(guī)程、設(shè)計(jì)方法、質(zhì)量評(píng)價(jià)和指導(dǎo)施工等方面，我國(guó)要加強(qiáng)與外國(guó)的交流合作，推動(dòng)廢舊瀝青混合料再生技術(shù)的高質(zhì)量發(fā)展，降低工程造價(jià)，減少資源浪費(fèi)，充分提高其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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