道路建設(shè)固廢利用技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展淺析

張 艷

（廣州眾誠電科檢測技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

20世紀(jì)50年代，隨著火力發(fā)電的副產(chǎn)物粉煤灰廢料逐漸增多，研究人員開始進行粉煤灰固廢（固體廢棄物的簡稱）利用的基礎(chǔ)研究。綜合環(huán)境效應(yīng)和經(jīng)濟價值，粉煤灰已經(jīng)在水泥、墻材、陶粒中得到廣泛的利用，并形成了多種成熟的利用體系[1]，尤其在瀝青路面結(jié)構(gòu)中是很好的基層材料，成為交通領(lǐng)域內(nèi)道路建設(shè)利用固廢的典型。固廢利用的理念一直在交通領(lǐng)域內(nèi)延續(xù)，近年來隨著“綠色”發(fā)展理念及“碳達峰、碳中和”目標(biāo)的陸續(xù)提出，綠色低碳道路的建設(shè)將進入快速發(fā)展階段[2]，深入開展道路建設(shè)固廢利用創(chuàng)新技術(shù)的研究，是該領(lǐng)域內(nèi)重大的技術(shù)需求。除廠拌熱再生、廠拌冷再生、就地?zé)嵩偕⒕偷乩湓偕姆N有效利用廢舊路面材料的再生技術(shù)外，利用廢舊輪胎加工后作為改性路用瀝青、利用鋼渣作為路面面層、利用建筑垃圾作為路基和路面基層這三種技術(shù)是目前道路建設(shè)固廢利用技術(shù)研究的熱點。本文主要介紹這三種固廢利用技術(shù)的特點，并分析各技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。

1 廢舊輪胎加工后用于改性路用瀝青

廢舊輪胎作為固體廢棄物堆放在露天環(huán)境下，常被稱作黑色污染，它的回收利用已成世界性難題。廢舊輪胎的主要成分為廢舊橡膠，是一種自然狀態(tài)下數(shù)百年都難以降解的高分子彈性材料。橡膠具有良好的高彈、高黏性能，加工成膠粉后能夠用于改性路用瀝青。該處理方法在有效減少黑色污染的同時，賦予瀝青路面更好的高溫穩(wěn)定性、抗老化、抗疲勞等優(yōu)良性能[3]。

實現(xiàn)廢舊輪胎改性路用瀝青的關(guān)鍵是明確膠粉與瀝青的作用機理。研究表明二者之間的相互作用是較為復(fù)雜的過程，可大體分為物理共混、化學(xué)共混、網(wǎng)絡(luò)填充三大改性機理[3]，也有可能存在多種機理共存的情況。普通膠粉改性瀝青在高溫、高速攪拌的狀態(tài)下，膠粉吸收瀝青中的輕質(zhì)組分發(fā)生體積膨脹，即膠粉在基質(zhì)瀝青中發(fā)生溶脹，多數(shù)為單一的物理共混改性[4]。而膠粉復(fù)合改性瀝青在化學(xué)助劑的作用下，膠粉顆粒能夠快速脫硫降解并重新交聯(lián)，物理共混改性與化學(xué)共混改性同時發(fā)生，使整個體系形成致密交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，分子間更加牢固，表現(xiàn)出膠粉復(fù)合改性瀝青較好的高低溫性能。

總結(jié)近年來膠粉改性瀝青的研究方向主要包含兩點：高摻量膠粉改性瀝青與膠粉復(fù)合改性瀝青。從本質(zhì)來說，該技術(shù)研究目的是消耗大量堆放的廢舊輪胎，故在保證路面路用性能優(yōu)良的前提下，摻量越高才越能達到保護環(huán)境的效果。20%以內(nèi)膠粉摻量的改性瀝青技術(shù)如今已較好地應(yīng)用于實際工程中，高摻量（可認為膠粉摻量≥20%）或超高摻量（可認為膠粉摻量≥50%）膠粉改性瀝青正在被研究人員通過對廢舊膠粉的降解、表面活化處理、超聲等物理法、接枝等化學(xué)法[1]，增加膠粉與瀝青的相容性，從而提高摻量。此外，在高摻量技術(shù)的創(chuàng)新研究中，研究人員也在探索應(yīng)用松香、SBS等高分子聚合物、生物油、納米蒙脫土等對其復(fù)合改性從而大大提高路用性能。與此同時，上述過程中采用紅外光譜、電鏡掃描等儀器；對瀝青膠漿和瀝青砂漿等進行微觀的、多尺度的改性機理分析的趨勢也在增加[5-6]。未來會進一步掌握該技術(shù)的功能特性與應(yīng)用價值，為利用廢舊輪胎改性路用瀝青推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持。

2 鋼渣用于路面面層

鋼渣為煉鋼過程中產(chǎn)生的熔渣，其產(chǎn)量以及儲存量隨著我國鋼鐵工業(yè)的不斷發(fā)展呈遞增趨勢[7-8]。鋼渣主要成分包含鐵、硅、磷等元素氧化后形成的氧化物以及造渣材料、爐襯材料等雜質(zhì)，傳統(tǒng)處理方式為堆放或掩埋，占用土地的同時極易造成環(huán)境污染。國外發(fā)達國家早在20世紀(jì)初就已開展鋼渣綜合利用技術(shù)的研究。我國也參考其他國家的研究成果，在交通領(lǐng)域內(nèi)將鋼渣替代集料應(yīng)用于公路建設(shè)，解決施工過程中原材料短缺問題的同時，可以減少鋼渣對環(huán)境造成的負面影響。

1997年我國首條鋼渣瀝青路面試驗段在上海市鋪筑完成，受當(dāng)時工藝與設(shè)備等條件限制，早期生產(chǎn)的鋼渣品質(zhì)較差，導(dǎo)致路面試驗段存在較多的質(zhì)量問題。隨著工藝的不斷進步以及研究的不斷深入，鋼渣的品質(zhì)有了較大的提升。根據(jù)煉鋼工藝可將鋼渣分為轉(zhuǎn)爐鋼渣、電爐鋼渣以及平爐鋼渣三類[9]。研究表明轉(zhuǎn)爐鋼渣更適合替代天然集料，作為粗集料是更為合理的。轉(zhuǎn)爐鋼渣表面孔隙較多、孔徑較大，多呈圓形或橢圓形結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的石灰?guī)r或玄武巖相比具有更高的黏附性、磨光值、吸水率、浸水膨脹率，表現(xiàn)出優(yōu)良的堅固耐磨特性；且較低的密度降低了單位體積混合料的攤鋪用量從而減少成本，較高的堿活性提高了自身與瀝青的黏附性。在瀝青配合比設(shè)計時，考慮到鋼渣特有的多孔結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)瀝青混合料相比需增加瀝青用量。應(yīng)用瀝青浸漬法實測混合料的最大理論相對密度、按照體積比進行相關(guān)參數(shù)的確定，最終滿足路用性能的要求，較傳統(tǒng)道路性能還具有一定的提升效果[10]。

但利用鋼渣作為路面面層的固廢利用技術(shù)仍有待進一步研究。筆者總結(jié)以下兩點主要研究方向：第一，統(tǒng)一鋼渣的處理方式，完善鋼渣質(zhì)量控制體系，提升鋼渣利用率。鋼渣瀝青混合料性能雖普遍優(yōu)于傳統(tǒng)瀝青混合料，但因鋼渣內(nèi)部游離氧化鎂、游離氧化鈣的存在，與水接觸后反應(yīng)生成氧化物導(dǎo)致鋼渣體積迅速膨脹，很大程度會影響混合料性能。目前預(yù)處理鋼渣仍以自然陳化方式為主，但處理周期較長，得到的鋼渣變異性較大，各地區(qū)鋼渣的品質(zhì)達不到統(tǒng)一，國家雖已發(fā)布《道路用鋼渣GB/T 25824-2010》和《耐磨瀝青路面用鋼渣GB/T 24765-2009》等規(guī)范，但鋼渣的質(zhì)量控制體系仍需進一步完善，處理方式以及其中的處理機理亟待研究，以更進一步提升鋼渣固廢利用率。第二，探究作為自愈合路面材料使用的可行性。隨著道路設(shè)施的屬性及功能不斷發(fā)生變化，功能性路面推動了路面工程技術(shù)的發(fā)展。其中，提高自我修復(fù)能力，延長道路使用壽命的自愈合路面尤其引發(fā)研究學(xué)者關(guān)注。自愈合路面的主要機理是當(dāng)微波穿過吸波材料時，其內(nèi)部發(fā)生分子振動，損耗的微波能轉(zhuǎn)換為熱能，從而愈合混凝土內(nèi)部的微裂縫[11]。而鋼渣中較高含量的鐵元素存在，外加特有的多孔結(jié)構(gòu)，能夠使微波在其孔腔內(nèi)多次反射損耗，是目前不可多得的吸波材料。綜上，鋼渣固廢利用特性在未來道路施工中的應(yīng)用是極具潛力的。

3 建筑垃圾用于路基與路面基層

拆遷、建設(shè)、裝修、修繕等建筑業(yè)的生產(chǎn)活動中產(chǎn)生的渣土、廢舊混凝土、廢舊磚石及其他廢棄物統(tǒng)稱為建筑垃圾。與前文提到的鋼渣固廢利用背景相似，隨著近年來我國城鎮(zhèn)化建設(shè)發(fā)展的加快，每年產(chǎn)生的建筑垃圾高達數(shù)億噸，常規(guī)的露天堆放或填埋處理方式會造成土地資源占用與環(huán)境污染問題。將建筑垃圾應(yīng)用于道路工程，既能解決上述問題，又能緩解道路建設(shè)中原材料緊缺的矛盾。

考慮到建筑垃圾中廢磚的離散性大、壓碎值高、本身強度有限，同時需要保證道路穩(wěn)定與安全，故建筑垃圾在應(yīng)用前，多數(shù)經(jīng)分選、除雜、破碎、篩分等工藝后形成不同粒徑的集料，成為建筑垃圾再生骨料，可細分為磚骨料和混凝土骨料。實際工程應(yīng)用中，將磚骨料和混凝土骨料在不摻加任何外加劑條件下按比例進行混合，或二者配合碎石或二灰作為道路路基[12]；將磚骨料和混凝土骨料部分替代或全部替代天然集料可做水泥穩(wěn)定類、石灰粉煤灰穩(wěn)定類、水泥粉煤灰穩(wěn)定類等道路基層或底基層[13-15]。

2021年《公路工程利用建筑垃圾技術(shù)規(guī)范JTG/T 2321-2021》[16]行業(yè)規(guī)范由交通運輸部正式發(fā)布。該規(guī)范基于合理、全面、先進、實用的原則，全面吸收了國內(nèi)外建筑垃圾在公路工程領(lǐng)域的最新應(yīng)用成果及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，在借鑒和總結(jié)建筑垃圾在公路工程中的應(yīng)用和工程實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上編制而成。其中詳細給出了目前建筑垃圾再生材料的技術(shù)要求與應(yīng)用范圍、生產(chǎn)加工設(shè)備場地規(guī)定以及應(yīng)用于路基或路面基層的質(zhì)量驗收條件。未來，可重點考慮建筑垃圾固廢利用能否加強生產(chǎn)加工能力，提高分選水平，也可探索在混凝土骨料品質(zhì)控制上得到進一步的提升，或輔助其他處理措施，在經(jīng)濟合理的情況下，使其滿足瀝青路面下面層的應(yīng)用指標(biāo)，從而促進建筑垃圾在道路工程中的多元化應(yīng)用。

4 結(jié)束語

綜上所述，通過對交通領(lǐng)域內(nèi)道路建設(shè)固廢利用技術(shù)的研究可知：（1）廢舊輪胎加工成膠粉后能夠用于改性路用瀝青。需要進一步研究高摻量膠粉改性瀝青與膠粉復(fù)合改性瀝青技術(shù)，在有效減少黑色污染的同時，賦予瀝青路面更好的高溫穩(wěn)定性、抗老化、抗疲勞等優(yōu)良路用性能。（2）鋼渣經(jīng)安定化處理后可用于制備瀝青混合料。未來主要是統(tǒng)一鋼渣的處理方式，完善鋼渣質(zhì)量控制體系，提升鋼渣利用率；利用鋼渣中較高鐵含量的特性探究應(yīng)用自愈合功能性道路的可行性。（3）建筑垃圾可作道路的路基及路面基層。未來應(yīng)進一步加強混凝土骨料的品質(zhì)，輔助其他處理方式，使其能夠應(yīng)用于道路下面層。

總之，我國還需加快構(gòu)建交通領(lǐng)域固廢循環(huán)利用體系，通過全方位剖析固廢用于道路的綜合性能與工程經(jīng)濟性，完善相關(guān)施工標(biāo)準(zhǔn)，加快配套政策的發(fā)布和實施，促進固廢利用技術(shù)的推廣與應(yīng)用，真正貫徹綠色道路建設(shè)理念，對推進我國道路工程實現(xiàn)低環(huán)境負荷、低資源消耗具有重大意義。