瀝青路面就地熱再生技術及其在公路養(yǎng)護中的運用

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.048

摘" 要：公路建設已進入大規(guī)模養(yǎng)護時期，就地熱再生技術作為公路養(yǎng)護的關鍵技術之一，具有節(jié)約成本與資源、減小污染的作用，因此值得研究。該文研究路面就地熱再生技術中的瀝青老化及再生機理、就地熱再生瀝青混合料配合比設計、瀝青路面就地熱再生加熱關鍵技術，并以G320清鎮(zhèn)至夏云公路路面改造工程為例，對就地熱再生技術在二級公路中的應用進行闡述，旨為此類公路養(yǎng)護施工提供一定的參考作用。

關鍵詞：就地熱再生；瀝青老化與再生；配合比設計；加熱技術；公路養(yǎng)護

中圖分類號：U418.6" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）32-0193-04

Abstract： Highway construction has entered a period of large-scale maintenance， geothermal regeneration technology， as one of the key technologies of highway maintenance， has the role of saving costs and resources and reducing pollution， therefore it is worth studying. This paper studies the aging and recycling mechanism of asphalt in geothermal recycling technology， the mix design of in-situ recycled asphalt mixture and the key technology of geothermal recycling heating of asphalt pavement， and takes the pavement reconstruction project of G320 Qingzhen-Xiayun highway as an example. This paper expounds the application of in-situ thermal recycling technology in the second-class highway， in order to provide some reference for the maintenance and construction of this kind of highway.

Keywords： geothermal regeneration; asphalt aging and recycling; mix design; heating technology; highway maintenance

公路是交通運輸行業(yè)主要基礎設施之一，具有建設投資少、機動性靈活和適應性強等特點。近年來，我國公路建設快速發(fā)展，據(jù)《2021年交通運輸業(yè)行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》文件顯示：截至年末，中國公路總里程將達到528.07萬公里，其中公路養(yǎng)護里程525.16萬公里，占比高達99.4%[1]，全國公路總里程、密度及技術等級統(tǒng)計圖如圖1所示。在公路大規(guī)模養(yǎng)護期間，響應國家“雙碳”目標戰(zhàn)略，對原路面瀝青混凝土進行回收后，再利用到新路面中的再生技術值得研究。

本文就公路路面再生中的就地熱再生瀝青混凝土技術，對瀝青老化及再生機理、就地熱再生瀝青混合料配合比設計、瀝青路面就地熱再生加熱關鍵技術進行研究與總結，并以G320清鎮(zhèn)至夏云公路路面改造工程為例，對就地熱再生技術在二級公路中的應用進行了闡述，旨為此類公路養(yǎng)護施工提供一定的參考。

1" 瀝青老化與再生機理

瀝青是一種以碳氫化合物為主要成分的黑褐色高黏度有機膠凝材料，為瀝青混凝土結構提供鑲嵌石料間的黏結力。其微觀結構遵循膠體結構理論[2]，瀝青的膠體結構如圖2所示，瀝青膠體結構中瀝青質含量低于10%的為溶膠型瀝青，具有牛頓流體特性，主要由范德華力或偶極力提供膠束附著力，溫度敏感系數(shù)高；瀝青質含量在10%～25%的為溶-凝膠型瀝青，通過添加芳香族等膠質可使瀝青膠體中形成相對松散的網(wǎng)格結構，具有高溫下良好的溫度敏感性和低溫下良好的形變能力；瀝青質含量超過25%的為凝膠型瀝青，常溫下具有非牛頓流體特性，膠質裹覆能力降低，使得瀝青質難以膠溶、膠束尺寸變大，或形成結構黏度的網(wǎng)絡結構，高溫下溫度敏感性良好，但低溫下的形變能力較差。

瀝青老化發(fā)生在短期老化和長期老化2個階段，瀝青老化路面如圖3—5所示，機理可歸納為熱氧化老化和光氧化老化[3]。短期老化發(fā)生在瀝青混凝土的拌合和攤鋪階段，溫度高于160 ℃時出現(xiàn)熱氧化老化，高溫使瀝青內(nèi)分子結構發(fā)生變化，烷烴易揮發(fā)、芳香烴易氧化為羧基形成芳族膠體，膠質含量減少。長期老化主要發(fā)生在公路運營階段，長時間暴露在空氣中出現(xiàn)光氧化老化，紫外線使瀝青內(nèi)分子結構發(fā)生變化，分子鍵的破壞由吸收光強度大于化學鍵強度造成，芳香烴和樹脂發(fā)生氧化或鈣化重組產(chǎn)生水分子，導致瀝青裂紋的出現(xiàn)；除此之外，化學鍵破壞的重油活性基團相互聚合形成高分子量物質，羧酸等氫氧化合物在氧氣的作用下形成高分子結構，導致瀝青質含量增加。綜上，瀝青老化化學形式上表現(xiàn)為分子物質的揮發(fā)、化學鍵斷裂重組后分子成分的變化，破壞了分子成分含量間的平衡關系，微觀形式上表現(xiàn)為膠體結構逐步由溶膠型變?yōu)槿?凝膠型、由溶-凝膠型變?yōu)槟z型，宏觀上表現(xiàn)形式表現(xiàn)為硬度、黏度和軟化點增大，韌性和延度降低。

瀝青再生廣義上可認為是對瀝青老化過程的逆反應，通過添加再生劑，補充瀝青老化過程中損失或被轉化的內(nèi)部成分，使膠體結構初始化復原，實現(xiàn)舊瀝青的軟化恢復原始性能。再生劑為通過試驗確定的低黏度油或適當黏度新瀝青，其內(nèi)部富含因瀝青老化而損失的芳香族成分，能分散和溶解瀝青質，具有提高瀝青滲透率的作用，在新舊瀝青均勻融合的同時改善舊瀝青性能，使被破壞的化學成分能得到補充，膠體結構由凝膠型轉換為穩(wěn)定的溶-凝膠型，硬度、黏度和軟化點減小，韌性和延度提高，以此實現(xiàn)瀝青再生。

2" 就地熱再生瀝青混合料配合比設計

瀝青路面病害來自瀝青老化和礦料疲勞，后者是指在荷載作用下，各礦料間發(fā)生位移和摩擦，使其內(nèi)部顆粒破碎、礦料級配改變、骨架結構失穩(wěn)、強度降低。再生瀝青混合料配合比設計過程中，由于不同原路面破壞形式和程度存在特定性，因此需進行原路面的采樣分析，測試老化瀝青混合料礦料級配和舊瀝青的滲透率、延展性、軟化點。然后通過控制RAP、再生劑、新瀝青混合料等的規(guī)格與用量，進行就地熱再生瀝青混合料配合比設計。

據(jù)研究[4-5]，RAP預熱能對再生混合料的融合起到推動作用，RAP最大摻量不宜大于70%，且當摻量增加5%時需提高0.1%的油石比。再生劑添加量可通過水平摻量試驗，測試對回收瀝青的針入度、軟化點、延度的影響而確定，同時當舊瀝青老化嚴重、RAP摻量加大時應選擇低黏度再生劑。新瀝青混合料包含的材料成分為新瀝青、集料、礦粉，規(guī)格與用量可通過已測定的舊瀝青混合料等級、新混合料的等級、熱再生的目標等級綜合計算確定，其內(nèi)部的新瀝青用量與礦料的表面積和瀝青膜厚度成正比。

3" 瀝青路面就地熱再生加熱關鍵技術

瀝青路面的熱再生技術首次出現(xiàn)在20世紀30年代，但當時未得到重視發(fā)展緩慢，直到1973年石油危機爆發(fā)，歐美各國開始研究和推動熱再生技術的快速發(fā)展，現(xiàn)今此技術在歐美各國得到廣泛使用，國外就地熱再生機組如圖6—9所示[6]。我國的熱再生技術開始于1983年，現(xiàn)今處于起步階段，在設備保障方面熱再生技術是通過熱再生機組實現(xiàn)，市面上使用最多的熱再生機組來自于德國的Wirtgen公司。在熱再生機組的工作過程中，路面加熱過程是整個熱再生工藝里耗時最長的環(huán)節(jié)，同時也是對熱再生影響最大的環(huán)節(jié)，因此值得探討。

瀝青路面加熱遵循熱能高低溫區(qū)的流動自發(fā)性規(guī)律，通過熱能的傳導、對流或輻射的方式實現(xiàn)[7]。在瀝青路面環(huán)境中，傳導屬于大平壁導熱問題，瀝青路面加熱過程中，輸入接觸面平壁的熱量一部分用于加熱接觸面平壁自身，一部分用于向更深的區(qū)域傳遞。當輸入熱量等于接觸面平壁的熱量時，熱量會穿透接觸面平壁流向深處區(qū)域；當輸入熱量大于接觸面平壁的熱量時，接觸面平壁會繼續(xù)吸熱，直到平衡后熱量才能流向深處區(qū)域，這種平衡關系由材料自身的導熱系數(shù)決定。對流是高低溫區(qū)域熱量循環(huán)流動后趨于均衡的過程，通過持續(xù)不斷地向加熱路面送入熱氣，使路面動態(tài)高低溫區(qū)趨平衡，完成加熱。輻射是通過能量與射線的轉換，向瀝青路面發(fā)出射線，在瀝青路面材料中射線中的遠紅外處優(yōu)于近紅外處與可見光，此方式在不需要加熱機械直接接觸瀝青路面就可實現(xiàn)熱量的傳遞，完成加熱。

4" 瀝青路面就地熱再生技術在二級公路中的運用

4.1" 工程概況

依托工程來自貴陽G320清鎮(zhèn)至夏云公里路面改造工程瀝青路面地熱再生路段，設計速度40 km/h，公路等級為二級，道路范圍內(nèi)為紅楓湖飲用水源一級保護地。原路面結構類型為瀝青混凝土路面，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查分析路面出現(xiàn)了龜裂與縱、橫裂縫，路面性能評定見表1。

4.2" 施工質量控制

在瀝青混凝土路面就地熱再生施工現(xiàn)場如圖10和圖11所示，通過對再生機組加熱溫度、再生劑添加量、壓實等進行把控，實現(xiàn)施工質量的控制。

再生機組加熱的主要目的是減小翻松過程中對原路面碎石的破壞，當加熱溫度較小時，原路面只有水霧出現(xiàn)，耙松器齒輪仍難以“下地”；隨著加熱溫度的提高，翻松易于進行且不會破壞原路面碎石；溫度過高時，雖翻松容易，但會導致原路面的焦化，破壞自身材料性能。再生劑的添加量要滿足設計及規(guī)范誤差范圍，當添加量過高時路面會出現(xiàn)發(fā)軟問題，添加量過低時會出現(xiàn)攤鋪離析現(xiàn)象。壓實質量主要由現(xiàn)場攤鋪厚度與碾壓方式?jīng)Q定，攤鋪層的厚度不能過厚，但不小于集料最大公稱粒徑的3倍，同時應保持攤鋪厚度的均勻性，從而較易獲得較好的壓實度；碾壓方式通過試驗路段確定，由靜壓使集料穩(wěn)定，振壓使集料密實，最后靜壓收面組成。

5" 結論

1）瀝青的老化在化學方面、微觀方面、宏觀方面分別是由內(nèi)部成分的轉化或揮發(fā)、膠體結構的溶膠型-溶凝膠型-凝膠型逐步變化、物理性能指標的消弱造成，瀝青的再生可認為是瀝青老化的逆過程。

2）就地熱再生瀝青混合料配合比設計是對老化瀝青混合料礦料級配和舊瀝青的滲透率、延展性、軟化點進行測試后，控制RAP、再生劑、新瀝青混合料等的規(guī)格與用量而最終確定。

3）對原路面加熱是就地熱再生技術中的關鍵，加熱過程可通過熱能的傳導、對流或輻射的方式實現(xiàn)。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國交通運輸部．2021年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報[EB/OL].https：//xxgk.mot.gov.cn/2020/jigou/zhghs/202205/t 20220524_3656659.html.

[2] 陳肯，陳書豪.就地熱再生技術在重載高速公路養(yǎng)護工程中的應用研究[J].現(xiàn)代交通技術，2013，10（4）：15-17，78.

[3] 田犇.徐州地區(qū)高速公路瀝青路面現(xiàn)場熱再生技術研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2021.

[4] 祝譚雍.基于再生瀝青混合料性能特點的再生路面設計研究[D].南京：東南大學，2017.

[5] 張清平.瀝青路面現(xiàn)場熱再生技術研究[D].長沙：長沙理工大學，2011.

[6] 董強柱.瀝青路面就地熱再生加熱關鍵技術研究[D].西安：長安大學，2018.

[7] 郭小宏，李朋偉，歐陽結新，等.瀝青路面就地熱再生加熱機的加熱方式對比[J].筑路機械與施工機械化，2014，47（2）：62-64.

第一作者簡介：曹向陽（1993-），男，工學碩士，助理工程師。研究方向為土木工程。