廢舊瀝青混合料再生利用技術(shù)探討

摘 要：大規(guī)模公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)工程產(chǎn)生的廢舊瀝青混合料若未能合理利用，將造成資源浪費與環(huán)境污染。針對傳統(tǒng)再生工藝能耗高污染重的問題，通過建立回收處理、再生料活化及材料摻配等關(guān)鍵技術(shù)體系，研發(fā)的溶劑萃取-超聲波協(xié)同分離技術(shù)實現(xiàn)了RAP細(xì)集料中老化瀝青的分離率提升30%。水性環(huán)氧改性體系的引入有效提升了再生瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性與低溫抗裂性，通過多尺度表征與力學(xué)性能測試構(gòu)建的損傷演化模型揭示了新舊瀝青界面結(jié)構(gòu)特征與混合料性能的關(guān)聯(lián)機制，為廢舊瀝青混合料的資源化利用與工藝優(yōu)化提供了技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞：廢舊瀝青混合料 低碳再生 油石分離 再生工藝 路用性能

隨著全球氣候變化與資源短缺問題日益突出，公路建設(shè)行業(yè)的綠色低碳轉(zhuǎn)型勢在必行。廢舊瀝青混合料再生利用過程面臨傳統(tǒng)油石分離技術(shù)效果不佳以及再生混合料性能控制難度大等技術(shù)瓶頸，特別是在西北干旱區(qū)（年溫差＞70℃），再生混合料需同時滿足：動穩(wěn)定度≥5000次/mm；低溫應(yīng)變≥3000με，傳統(tǒng)再生技術(shù)因RAP細(xì)集料界面殘留瀝青導(dǎo)致性能劣化，難以滿足施工要求。深入研究廢舊瀝青混合料的低碳再生工藝，對提高資源利用效率與降低環(huán)境影響以及推動行業(yè)技術(shù)進(jìn)步具有重要意義。

1 廢舊瀝青混合料再生工藝研究

廢舊瀝青混合料再生工藝是一項涉及材料分離，性能恢復(fù)與品質(zhì)提升的系統(tǒng)工程，其核心在于實現(xiàn)廢舊瀝青混合料的高效循環(huán)利用，傳統(tǒng)的再生工藝主要包括熱拌熱再生，溫拌再生與冷拌再生等技術(shù)路線，而熱拌熱再生工藝因其較高的能耗與碳排放，已難以適應(yīng)當(dāng)前低碳發(fā)展要求[1]。隨著環(huán)保要求日趨嚴(yán)格，低碳再生工藝的技術(shù)需求愈發(fā)迫切，尤其是針對RAP細(xì)集料的處理工藝亟待突破，現(xiàn)有研究表明，RAP細(xì)集料中老化瀝青的提取效率與再生混合料的性能密切相關(guān)，通過溶劑萃取以及超聲波輔助等技術(shù)手段可顯著提升油石分離效果，基于綠色低碳理念，研究采用溶劑萃取-超聲波協(xié)同分離技術(shù)，輔以水性環(huán)氧改性體系，構(gòu)建了一套完整的低碳再生工藝體系，該工藝在保證再生混合料性能的同時，實現(xiàn)了能耗與碳排放的雙重降低，為廢舊瀝青混合料的資源化利用提供了新的技術(shù)途徑。

2 廢舊瀝青混合料低碳再生關(guān)鍵技術(shù)

2.1 回收處理技術(shù)

廢舊瀝青混合料的回收處理技術(shù)對再生工藝的實施效果具有決定性影響，專用銑刨設(shè)備需采用智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)銑刨深度精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，銑刨施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制行進(jìn)速度與轉(zhuǎn)速匹配度，避免因銑刨應(yīng)力集中導(dǎo)致RAP粒徑級配波動，回收料的破碎處理采用立式?jīng)_擊破碎技術(shù)，通過調(diào)控沖擊能量實現(xiàn)對RAP團聚體的定向破碎，篩分系統(tǒng)采用振動與氣流分選復(fù)合技術(shù)，在保證分級精度的同時提高了生產(chǎn)效率，回收料堆場宜設(shè)置防雨棚與排水設(shè)施。通過合理規(guī)劃堆存區(qū)域?qū)崿F(xiàn)RAP分類儲存，破碎篩分后的RAP材料需進(jìn)行取樣檢測，重點檢驗各粒徑含量、含水率與瀝青含量，回收料處理過程中需建立完整的質(zhì)量控制體系，對關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測與記錄，確保再生原料的均勻穩(wěn)定性，處理后的RAP材料需進(jìn)行養(yǎng)護(hù)期管理，通過溫濕度調(diào)控防止材料性能劣化，建立完整的追溯體系記錄RAP來源與處理工藝參數(shù)。

2.2 再生料活化技術(shù)

再生料活化技術(shù)通過再生劑改性與溫度調(diào)控實現(xiàn)對老化瀝青性能的恢復(fù)，再生劑的選擇應(yīng)基于RAP中老化瀝青的理化性質(zhì)，針對性選用芳香族再生劑改善瀝青組分結(jié)構(gòu)，再生劑添加量需通過老化度評價確定，并結(jié)合微觀形貌分析驗證其對瀝青膠質(zhì)層的修復(fù)效果，間接加熱系統(tǒng)采用熱傳導(dǎo)原理，通過設(shè)置隔熱罩降低直接輻射對RAP的影響，雙滾筒加熱裝置實現(xiàn)了新舊料的分區(qū)控溫，有效避免了老化瀝青的二次老化。溫度監(jiān)測系統(tǒng)通過紅外傳感技術(shù)實現(xiàn)對加熱過程的實時控制，通過調(diào)節(jié)熱源功率保證RAP的均勻加熱，活化過程中應(yīng)建立溫度分布動態(tài)監(jiān)測機制，針對不同粒徑RAP制定差異化加熱曲線，實現(xiàn)老化瀝青的高效軟化，活化效果評價應(yīng)結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)表征與宏觀性能測試，驗證再生劑與溫度的協(xié)同作用機制，活化工藝的控制應(yīng)采用智能化手段，通過建立再生劑用量預(yù)測模型實現(xiàn)活化參數(shù)的精準(zhǔn)調(diào)控，提高老化瀝青的再生效率。

2.3 材料摻配技術(shù)

材料摻配技術(shù)貫穿于再生混合料配制全過程，摻配體系設(shè)計需綜合考慮RAP粒徑分布與老化程度，通過調(diào)整新舊料配比優(yōu)化混合料級配結(jié)構(gòu)，新集料的選擇應(yīng)與RAP材料性質(zhì)相匹配，通過調(diào)控粗細(xì)集料比例改善混合料的骨架強度，新瀝青的性能等級應(yīng)根據(jù)RAP中老化瀝青性質(zhì)確定，通過性能互補提升混合料的綜合性能，摻配過程中應(yīng)重點關(guān)注新舊瀝青的相容性，建立RAP摻量與混合料性能的關(guān)聯(lián)模型，配合比設(shè)計采用分步法，在滿足目標(biāo)級配要求基礎(chǔ)上通過性能驗證確定最佳配比。拌合工藝參數(shù)應(yīng)通過試驗確定，重點控制拌合溫度與時間對新舊料結(jié)合程度的影響，應(yīng)建立混合料性能評價體系，通過高溫穩(wěn)定性與低溫抗裂性能測試驗證摻配設(shè)計的合理性，摻配體系的優(yōu)化應(yīng)采用正交試驗方法，通過建立性能預(yù)測模型實現(xiàn)配比參數(shù)的智能優(yōu)化，提升混合料的綜合路用性能。

3 低碳再生工藝的開發(fā)與優(yōu)化

3.1 油石分離工藝設(shè)計

油石分離工藝的核心在于實現(xiàn)RAP細(xì)集料中老化瀝青的高效分離，研究通過對熱水洗法，有機溶劑萃取法與熱解干餾法的系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝普遍存在污染環(huán)境與能耗高的問題，針對這一技術(shù)瓶頸，研究引入了超聲波輔助萃取技術(shù)，結(jié)合堿性助劑的添加，顯著提升了油石分離效率，研究表明，堿性助劑NaOH的加入能夠增強熱水洗分離過程中表面活性劑的作用，與油砂瀝青中的有機酸發(fā)生中和反應(yīng)，生成具有界面活性的羧酸鹽，從而提高水潤性油砂的熱水洗分離效果[2]。該工藝相較于超臨界流體萃取法與離子液體強化萃取法，具有工業(yè)化應(yīng)用成本低的優(yōu)勢。另外該工藝操作簡單，易于在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用，可滿足大規(guī)模工程施工需求。

3.2 再生結(jié)合料制備工藝

再生結(jié)合料制備工藝采用水性環(huán)氧改性技術(shù)，實現(xiàn)了老化瀝青性能的有效恢復(fù)，實驗研究表明，通過添加定量的乳化瀝青，水性環(huán)氧樹脂與固化劑及水泥，可顯著改善再生結(jié)合料的性能，水性環(huán)氧改性體系的選擇需要綜合考慮其與瀝青的相容性及固化特性，研究發(fā)現(xiàn)采用改性型水性環(huán)氧樹脂，并通過調(diào)控固化劑用量可有效控制固化速率，確保再生結(jié)合料具有良好的施工性能[3]。同時通過添加硅烷偶聯(lián)劑改善水性環(huán)氧與集料的界面結(jié)合性能，提高混合料的整體強度，配比設(shè)計采用質(zhì)量比為180-200份RAP細(xì)集料，40-60份填料與60-80份乳化瀝青的組合，并通過添加20-40份預(yù)聚體，5-15份熱塑性聚合物及20-30份玄武巖纖維進(jìn)行性能調(diào)控，該工藝體系增強了再生舊細(xì)集料混合料的整體性，提高了瀝青路面材料的適應(yīng)性與親和性。該體系的另一優(yōu)勢在于其良好的儲存穩(wěn)定性，有利于工程施工質(zhì)量控制。

3.3 混合料配制工藝參數(shù)優(yōu)化

混合料配制工藝參數(shù)優(yōu)化主要圍繞RAP細(xì)集料的粒徑分布與再生混合料的性能控制展開，研究發(fā)現(xiàn)，在RAP摻量達(dá)70%的條件下，通過精細(xì)化篩分技術(shù)實現(xiàn)0-3mm及3-5mm細(xì)集料的有效分離，可基本消除舊料的假粒徑問題，經(jīng)試驗驗證，優(yōu)化后的再生混合料在高溫穩(wěn)定性，抗剪切與抗彈性變形能力方面均有提升，滿足AC，SMA與高模量及超薄磨耗層等高性能瀝青路面表層的應(yīng)用要求，工藝設(shè)計過程中，通過控制溫度與拌合工藝，有效降低了能源消耗，實現(xiàn)了廢舊瀝青混合料的低碳再生利用。優(yōu)化后的工藝流程具有較強的工程適應(yīng)性，可根據(jù)具體工程需求靈活調(diào)整工藝參數(shù)，通過合理控制拌合溫度和時間，既保證了混合料性能，又實現(xiàn)了能源消耗的有效控制。

4 低碳再生工藝的性能評價

4.1 再生混合料的路用性能分析

再生混合料的路用性能直接決定了其在實際工程中的應(yīng)用價值，對于評估低碳再生工藝的有效性具有重要意義[4]。研究通過馬歇爾試驗與車轍試驗及低溫彎曲試驗等綜合評價體系，對不同RAP摻量條件下再生混合料的路用性能進(jìn)行系統(tǒng)分析，重點考察其高溫穩(wěn)定性，水穩(wěn)定性及低溫抗裂性（表1）。

試驗結(jié)果表明，隨著RAP摻量的增加，再生混合料的高溫穩(wěn)定性與抗車轍能力呈現(xiàn)顯著提升趨勢，70%摻量條件下的動穩(wěn)定度較30%摻量提高13.8%，水穩(wěn)定性與低溫性能雖隨RAP摻量增加而略有下降，但各項指標(biāo)仍滿足規(guī)范要求，其中殘留穩(wěn)定度均保持在80%以上，低溫彎拉強度與最大變形量均處于設(shè)計指標(biāo)范圍內(nèi)，體現(xiàn)了該工藝良好的性能調(diào)控效果。

4.2 工藝節(jié)能減排效果評估

低碳再生工藝的節(jié)能減排效果是衡量其環(huán)境友好性的重要指標(biāo)，通過對工藝全過程的能耗監(jiān)測與碳排放核算，建立了相應(yīng)的評價體系，重點對比分析了傳統(tǒng)熱再生工藝與本研究開發(fā)的低碳再生工藝在資源消耗與環(huán)境影響方面的差異（表2）。

基于環(huán)境影響評價數(shù)據(jù)分析可知，研究開發(fā)的低碳再生工藝在能源消耗，碳排放及污染物產(chǎn)生方面均實現(xiàn)了顯著降低，相較于傳統(tǒng)熱再生工藝，單位產(chǎn)品能耗降低44.0%，二氧化碳排放減少42.2%，揮發(fā)性有機物排放降低56.3%，廢水產(chǎn)生量減少43.5%，充分體現(xiàn)了該工藝的環(huán)境友好特性。

4.3 混合料性能適應(yīng)性評價與機理分析

再生混合料在服役過程中面臨著復(fù)雜的環(huán)境因素與荷載作用，其性能演化規(guī)律直接影響著路面結(jié)構(gòu)的耐久性，基于多尺度表征與力學(xué)性能測試，研究構(gòu)建了再生混合料的損傷演化模型，深入探究了材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征與宏觀性能之間的關(guān)聯(lián)機制，研究采用微觀表征與宏觀力學(xué)性能相結(jié)合的方法，深入探討了再生混合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化規(guī)律。通過溫度循環(huán)試驗與加速老化試驗，分析了混合料在不同環(huán)境條件下的性能變化特征，為評估其長期服役性能提供依據(jù)。通過原子力顯微鏡觀測發(fā)現(xiàn)，RAP中的老化瀝青與新瀝青在微觀層面形成了穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)特征在很大程度上決定了混合料的黏彈性能[5]。研究表明水性環(huán)氧改性體系的引入顯著改善了新舊瀝青的界面結(jié)合性能，提高了混合料的整體強度與變形抵抗能力，進(jìn)一步通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，水性環(huán)氧改性體系在新舊瀝青界面形成了網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，這種特殊的空間構(gòu)型有效增強了界面結(jié)合強度，通過建立老化瀝青-集料界面的細(xì)觀力學(xué)模型，揭示了RAP再生混合料的強度形成機制與破壞演化過程，為優(yōu)化再生工藝參數(shù)提供了理論依據(jù)。

5 結(jié)語

研究開發(fā)的溶劑萃取-超聲波協(xié)同分離技術(shù)解決了細(xì)集料中老化瀝青的回收難題，該技術(shù)通過堿性助劑與超聲波的協(xié)同作用提高了油石分離效率。建立的回收處理、再生料活化及材料摻配技術(shù)體系，結(jié)合水性環(huán)氧改性工藝提升了再生混合料的綜合性能，通過合理調(diào)控固化劑用量與界面改性劑的添加改善了新舊瀝青的結(jié)合性能，滿足不同氣候區(qū)域使用需求。多尺度表征與力學(xué)性能測試構(gòu)建的損傷演化模型揭示了再生混合料的界面結(jié)構(gòu)特征與性能形成機制，為工程實踐提供了理論依據(jù)。工藝實施過程中的節(jié)能減排效果顯著，相比傳統(tǒng)熱再生工藝實現(xiàn)了能耗與污染物排放的雙重降低。建議一步探索環(huán)境因素對再生混合料性能的影響機制，開展長期服役性能評價研究，完善再生工藝的標(biāo)準(zhǔn)化體系，推進(jìn)廢舊瀝青混合料再生利用技術(shù)的工程化應(yīng)用。

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