瀝青路面材料再生工藝優化及熱風加熱技術的應用

蘭建麗

（山西省交通建設工程質量檢測中心（有限公司），山西 太原 030006）

瀝青路面的再生利用起源于20世紀60年代初期美國的80號國家公路（薩凡納至圣地亞哥）在德克薩斯州（State of Texas）路段的修復工程，當時這段道路的使用時間已超過20年且交通流數量明顯超過修建時的設計標準，因此路面損壞非常嚴重而不得不進行路面的重鋪。該路段為雙向四車道，平均寬度為16.5 m，路面面層厚度為160～200 mm，因此在舊路面挖切時產生了大量的路面舊材料而難以處置，也帶來了廢料堆積產生的環境污染問題。于是，在州交通管理部門組織下立項開展了瀝青路面再生利用技術及施工工藝的研究，其成果在該道路的后期路面鋪裝時進行了成功的實施（資料顯示，當時路面舊材料在新拌制瀝青混合料中的摻配比例為5%～7%），瀝青路面的再生利用由此登上道路施工工程的舞臺。至今，瀝青路面的再生利用已得到國際道路管理和施工學術界的認可和大力推廣，收到了突出的經濟效益和顯著的以節能環保為主要內容的社會效益[1]。

1 我國瀝青路面再生利用的現狀綜述

我國瀝青路面的再生利用工程開始于道路的日常養護作業，如筆者所在的山西省，自20世紀70年代中期以來，在瀝青路面養護中挖切的路面舊材料經過加熱和重新攪拌形成的再生瀝青混合料用作路面病害處置的填料，在運（城）三（門峽）二級路、太（原）榆（次）城際道路、忻（忻州）臺（五臺）等瀝青路面養護工程中發揮了重要作用并逐步在全省道路的日常維護及路面重鋪工程中推廣應用，山西省交通科研部門還專門立項研發了以瀝青路面現場再生為主要技術特征的多功能養護車，用于道路的快速養護。新世紀以來，路面再生工程的相關技術和施工工藝在技術進步中逐步提高和完善，如山西省太舊高速公路養護中心在高速公路日常維護和重鋪工程中的新拌瀝青混合料中的舊料（主要是銑刨料）摻配比例已達到10%～15%，其再生混合料的路用指標完全符合國家技術標準的相應數據。長治玉通公司研發的立式烘干拌合設備能夠生產舊料摻配比例為30%的再生瀝青混合料，已在山西長治和臨汾、河南南陽、河北衡水等高等級道路中規模應用。顯然，瀝青路面的再生利用已成為我國道路工程部門的共識，也是國家大力倡導固廢利用，建設節能環保型社會的重要內容之一。

2 問題的提出

瀝青路面混合料的再生利用在技術上的可行性，主要基于下述原因：

a）作為混合料中的黏結劑，瀝青是一種較為典型的高分子有機物質，基于其材料的物化特性，瀝青在吸收熱量并達到一定溫度后會由固態（或半固態）變為液態。因此，舊的路面材料通過加熱會呈現松散狀態而易于重新拌合，實現材料的再生。

b）瀝青路面具有一定的厚度（高等級道路的面層厚度往往大于200 mm），隨著面層厚度的增加，混合料中瀝青的老化程度會逐步降低。這主要是因為混合料中的各材料基本是以熱容量較大，而絕熱性能較佳的瀝青、石料和其他添加劑為主的成分混合而成，由于壓實成型后具有相當高的材料密實度（大于等于97%），使得面層上部的光候作用隨著路面厚度的提高而逐步減少，其材料的老化程度顯然與路面厚度成反比。而瀝青的軟化點和延度等路用指標的變化也能夠得出相似結論。總之現有的瀝青路面，特別是面層較厚的高等級瀝青路面經過較長時間的使用后，隨路面的厚度不同，其總的老化程度一般能夠被限定在10%～15%之間。雖然瀝青混合料的部分輕質油分產生了不同程度的揮發和品質的改變，但對其總的路用性能影響并不特別突出。通過一定數量的新瀝青和軟化劑的添加和混合[2]，使得再生瀝青路面材料的路用性能符合相關技術規范的要求，以用于新建道路的鋪筑或道路的養護工程。

3 瀝青路面材料再生過程中的熱風加熱工藝

瀝青混合料的再生一般應先行加熱（冷再生工藝由于再生質量等問題應用規模較小），整個再生過程必須在較高的溫度（140℃～160℃）下進行。眾所周知，混合料主要是由級配礦料和作為黏結材料的路用瀝青拌合而成。在較高的溫度下，前者可能會有一定的形態變化，而作為高分子有機物質的瀝青卻可能會因此出現化學品質的改變而影響其正常的路用指標。由于舊的混合料已經出現了一定程度的老化現象，在再生過程中應盡可能避免和減少其品質的再次改變（一般稱為“二次老化”）。如果瀝青路面因長期的光候作用及路上荷載的反復作用出現材料物化指標的變化是難以避免的，那么在材料再生過程中盡可能減少和避免“二次老化”則是能夠通過作業工藝的不斷優化來實現的。

眾所周知，瀝青是一種由多種成分組成的高分子有機物質，具有良好的受熱特性，但導熱性能較差。根據經典光學理論中的維恩-葛利琴位移定律（Wien displacement law）的表述，加熱溫度與被加熱物體的固有吸收峰值波長的乘積為一常數，即“維恩常數”。

式中：T為加熱時的輻射面溫度，k；λε為被加熱物體在紅外波段的熱吸收峰值所對應的波長，μm；C為維恩常數，取2 897。

由路用瀝青（煤瀝青應用較少，故此處指石油瀝青）的遠紅外輻射頻譜分析能夠得知，路用瀝青在3.6～4.5μm波段具有明顯的吸收峰值[3]。將相關數據代入Wien displacement law，則其加熱溫度取400℃～500℃為宜。此時因瀝青內部分子能夠實現共振而呈現較佳的加熱效率，同時又因加熱溫度明顯低于可見光加熱（大于等于1 200℃）而能夠對加熱過程中材料的二次老化進行有效的遏制。此時的加熱溫度與目前的導熱油加熱溫度相近，但導熱油依賴龐大的加熱系統，同時其熱輻射效率較低而并不適于瀝青混合料的加熱。有鑒于此，山西省交通科學研究院近年研發的LZ-30型瀝青混合料再生裝置以“熱風加熱”工藝成功實現了這一設想（見圖1）。

圖1 以熱風加熱為主要技術特征的瀝青路面再生裝置

由于熱風加熱屬于火焰燃燒后形成的間接加熱方式，因此其溫度明顯低于火焰溫度。實體工程試驗表明，在加熱滾筒（見圖1）的舊料換熱過程中，筒內加熱溫度自熱風引進至排出的6 500 mm總長中呈現580℃～250℃自然逐次衰減（圖2）。顯然，其整個加熱過程的平均溫度為420℃左右，這與本文前述的瀝青混合料的Wien displacement law計算結果十分相近。眾所周知，石油瀝青的閃點不高于230℃，綜合熱風加熱的采集數據與理論分析的相關結論表明，采用熱風加熱工藝不僅提高了加熱效率，而且能夠有效地遏制路面材料的“二次老化”，同時亦可收到節能減排的多重效益。

圖2 熱風加熱滾筒中的溫度梯度

LZ-30型瀝青混合料再生裝置同時增設了加熱尾氣循環利用裝置，使換熱后仍具有較高溫度的加熱尾氣通過專設管路系統引入加熱燃燒裝置的進風口對常溫進風進行預熱以進一步提高加熱系統的熱效率。

4 結語

瀝青混合料的再生利用不僅能夠收到良好的經濟效益和節能減排的社會效益，而且是一個國家或地區道路交通現代化的主要標志之一。隨著科學技術的不斷發展及道路交通事業的技術進步，瀝青混合料的再生利用工藝及專用設備一定會不斷進步和逐步完善。