廢舊瀝青路面再生利用研究現狀與進展

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廣泛研究和推廣應用的一項重要技術，是減少資源浪費、保護環境、提高經濟效益和社會效益的迫切需要。本文在對現有廢舊瀝青路面再生利用進行研究和應用總結的基礎上，分析了國內外廢舊瀝青路面再生技術的研究現狀，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展，以期能對今后的研究與應用提供參考。

關鍵詞：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：U416.2 文獻標識碼：A 文章編號：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均占有相當大的比例，特別是高等級公路路面，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，每年的養護改造等作業產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，而且會導致較嚴重的環境問題。研究發現，在新瀝青混合料中摻入RAP可以顯著節省成本[1，2]，所以將其摻入新的混合料中再生利用顯現出巨大的經濟和環境效益。舊瀝青混合料不僅可以用于生產再生瀝青路面，節約成本，還可降低運輸產生的碳排放量，顯著減少道路建設的碳足跡。

多年來積累的經驗表明，瀝青路面回收是一種技術上可行的施工和修復技術。合理設計的添加回收材料的混合料在許多情況下與傳統路面的性能表現類似，甚至優于傳統的路面結構層[3]。廢舊瀝青路面再生技術具有環境友好、資源浪費較低、經濟社會效益明顯等優點，現已被世界各國廣泛研究和推廣應用。美國、德國以及日本等發達國家很早就開始發展瀝青路面再生利用技術，如今已經形成了比較規范的再生利用技術體系[4]。2012年，我國交通運輸部明確指出：到2020年，全國公路路面舊料循環利用率要達到90%，基本實現路面舊料的回收與循環利用。隨著我國瀝青道路大規模進入維修養護階段，對于舊瀝青路面再生技術的進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期老化。瀝青短期老化（即硬化）的主要原因是在高溫（160～180℃）環境下，較輕的芳香烴、環烷烴等在瀝青儲存過程中發生揮發和混合轉化，而長期老化主要是由道路運營期間的氧化作用導致的，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，由此產生的特性變化包括滲透性降低、軟化點增加、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，瀝青的自我修復能力出現下降。瀝青再生機理的研究目前有兩種理論：一是膠體組分調和理論，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，用薄膜烘箱試驗制備分別老化25、35、50h的瀝青，用沉淀法和色譜分析測定了老化瀝青再生的四組分變化。通過老化試驗得出，隨著老化時間的增加，瀝青質和膠體轉化率降低，飽和烴損失速度降低，但芳香烴損失速度加快。通過再生試驗的測定值和理論計算結果的比較得出，瀝青再生時的四組分變化基本符合理論值，但不完全調和，部分膠質和瀝青質在回火過程中發生化學反應，轉化為飽和烴和芳香烴。但具體的化學轉化方式尚不清楚，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]等人采用通風式烘箱模擬瀝青路面使用中熱氧作用的長期老化，基于紅外光譜分析，使用FTIR-ATR顯微鏡對老化瀝青的氧化性質進行試驗分析，得出瀝青在烘箱老化的前24h失去了大部分揮發物，且C=O鍵和S=O鍵含量變化是瀝青老化的一致指標，其含量在長達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顯微鏡對微觀結構進行分析，發現瀝青氧化發生在集料周圍最明顯的地方，同時通過FTIR-ATR分析一種可降解的生物再生劑，發現添加再生劑對降低瀝青中S=O的數量作用明顯。由此可以得出，再生劑可以通過減少老化瀝青中的S=O來修復長期老化的熱氧作用對瀝青路面帶來的損害。瀝青氧化對瀝青流變性能的影響，表現為羰基含量的變化。相關研究人員從動力學出發，用差示掃描量熱法（DSC）和傅立葉變換紅外光譜（FTIR）測定了瀝青的結晶部分（CF）和羰基（CQO）含量，并用一階Arrhenius方程描述了其含量的變化，發現黏附力的降低、硬度增加與結晶組分含量的變化和瀝青氧化有關，且更多地取決于羰基的變化，而不是取決于結晶組分含量的變化。

人們已經使用不同的方法研究了新舊瀝青膠結料之間的混合規則，當新瀝青混合料中加入RAP時，新瀝青和從RAP中提取的老化瀝青之間可能會出現不同程度的混合。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，即新舊瀝青膠結料之間沒有發生有效的混合，舊的瀝青膠結料是作為集料的一部分來發揮作用的。另一個極端情況是新舊瀝青膠結料完全混合，獲得了均勻的瀝青膠結料。部分混合的情況是指盡管發生了一些混合，但部分舊瀝青不能有效地參與其中。Mangiafico等人[9]通過統計比較含RAP的瀝青混合料的機械性能，得出結論：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參數：剛度梯度因子（SGF）和均勻性指數（IH）。研究結果表明，在回收的混合料中，再生和老化都是由外向內發生的，外層瀝青受老化影響最大，內層受老化影響較小，當試件被加熱時，再生劑的擴散加速，導致再生瀝青混合料的均勻化。

2 再生工藝

綜合國內外的研究，按照工藝方式的不同，瀝青路面再生利用技術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。

實驗室模擬廠拌熱再生的過程主要有兩種方法：SHRP方法和現場模擬方法（FS）。在SHRP法中，在與新集料和瀝青混合之前，先將RAP在110℃下預熱2h。該方法模擬了RAP組分的廠內預熱過程。由于藍煙排放，預熱RAP會造成環境污染。但這一問題可以通過應用氣體排放控制設備等方法來解決，另一個由預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，為了解決這個問題，可以將RAP進行分級處理，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鍵生產參數有拌合時間、混合料排放溫度和料倉儲存時間等。Zhang K[10]等人對廠拌熱再生的生產條件進行了研究，研究結果表明，當混合料排放溫度較高時，生產的不含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量的一個關鍵因素，較低的混合料排放溫度可能導致RAP混合料不完全混合，而較高的混合料排放溫度可能導致更硬的RAP混合料，其具有更高的開裂敏感性。料倉儲存時間對再生瀝青混合料的影響具體表現為剛度隨儲存時間而變化。較長的料倉儲存時間會提高混合料的剛度，隨著料倉儲存時間的增加，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。基于上述對廠拌熱再生RAP混合料的試驗研究，可以對混合料生產做出指導，拌制過程中應控制好混合料排放溫度。人們應確定最短儲存時間，以允許再生劑擴散完成，還應確定最大儲存時間，避免膠結料的不可逆氧化。

冷再生工藝生產的路面一般作為基層底基層來使用，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，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。此外，與所有柔性路面系統一樣，冷再生瀝青路面的壓實度對性能來說至關重要。人們通過實驗室研究，將熱拌瀝青路面中的壓實指標作了修改并應用于指導冷再生瀝青路面施工，評估了五個新的壓實指標：旋轉至76%密度的次數、旋轉壓實指數、壓實能量指數、可加工性能量指數和施工壓實指數。

3 再生劑在RAP中的使用

再生劑是通過恢復瀝青質、膠質與芳香烴、飽和烴的比例來恢復RAP性能的產品。在RAP中加入這些產品可以逆轉RAP瀝青老化過程，使老化的膠結料得到有效利用。其中一些產品能夠部分恢復老化瀝青的化學成分，而另一些產品通過軟化老化瀝青膠結料使新舊混合料發生混合。許多再生劑含有輕質瀝青組分，以恢復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，人們要注意：要改變膠結料的流變性，提高低溫下的抗疲勞性和抗裂性，同時避免膠結料過度軟化老化而出現車轍問題;要注意新舊膠結料之間的黏合性，以防止再生混合料中出現水損害和剝落問題。再生劑提高了瀝青的針入度，降低了軟化點溫度，從而降低了瀝青的黏度。但是，這并不能使老化的膠結料被完全利用，部分RAP膠結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，引入再生劑會導致混合料的剛度模量增大，提高其抗疲勞性和低溫穩定性。市場上已經有很多再生劑，很多新產品具有不同的來源（回收和不回收）。對于不同的再生劑，最重要的是確定最佳劑量，可以根據提取的RAP瀝青特性、瀝青等級和混合料中老化部分的含量來確定劑量，從而確保再生瀝青混合料的最佳性能[11]。

Zaumanis等人測試了廢機油、廢植物油、芳香族萃取物等在內的六種不同的再生劑對再生瀝青混合料的影響，研究發現，這六種再生劑都能夠滿足結合料疲勞特性和工作性要求，相比而言，廢機油需要更高劑量[12]。所有產品都能確保優異的抗車轍能力，同時再生劑的加入增加了疲勞壽命。但再生混合料的壓實需要更多的壓實功，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產品和石油產品。研究表明，有機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進一步老化的敏感性降低，這意味著壽命更長。因此，瀝青混合料的多重再生循環利用是可行的。多重再生是指在不損失材料性能的情況下，使其能夠經受多個再生循環過程。在回收過程中，可以執行一些價值化操作，如粉碎和分級。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研究，不同的研究人員得出了不同的結果，原因可能是RAP的添加導致實驗室試驗結果的變異性增加。研究結果表明，RAP材料需要充分加熱，以促進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顆粒的級配一般比原始集料粗，不完全加熱將導致混合料的級配比預期粗，因此空隙率將高于預期值。一般而言，RAP混合料的現場性能與實驗室結果表現一致。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混合料表現出更高的開裂傾向，這樣，RAP混合料的預期壽命將小于原始的瀝青混合料。相反，有人發現，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、級配較細等因素有關。為此，要對RAP的性質以及再生劑發揮作用的內在機理進行更深入的研究。

4 結論

由于國情的不同，我國的道路建設與發達國家存在差異。目前，我國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準，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。綜合國內外的研究現狀可以發現，未來再生瀝青路面的發展方向主要有：在保證再生瀝青路面結構穩定和各項性能滿足要求的前提下提高RAP的摻量，提高RAP的利用率;研究開發新型經濟的再生劑;多重再生回收利用;規范指導現場生產的質量控制條件，制定規范的標準。為解決這些問題，應著重加強瀝青混合料再生理論的系統研究，在深化基礎研究的基礎上加強標準化建設，形成符合我國國情的規范體系。在試驗規程、設計方法、質量評價和指導施工等方面，我國要加強與外國的交流合作，推動廢舊瀝青混合料再生技術的高質量發展，降低工程造價，減少資源浪費，充分提高其經濟效益和社會效益。

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