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用固体废弃物也能修出好路
2019年06月11日    阅读量:1728    新闻来源: 沥青路面  |  投稿

摘 要

在这种背景下,固废在路面工程中的循环利用,受到社会各界越来越多的重视。而路面铣刨料、废旧轮胎、废矿和建筑垃圾是目前固废在路面工程中循环利用的几种常见的材料类型。

关键词

固体废弃物 | 回收利用 | 道路

截至2015年底,我国公路总里程已达457.7万公里,按照沥青路面平均10年大修的标准,保守估计未来每年将产生上亿吨沥青路面铣刨料沥青网sinoasphalt.com。还有几组数字同样值得关注:2014年我国轮胎产量达到11.14亿条,每年产生废旧轮胎5万多条,废旧轮胎回收利用率不足6%:磷石膏2013年排放量已经达到7千万吨,累计堆积3亿吨以上,而综合利用率仅为27%;全国每年产生建筑垃圾近20亿吨,回收利用率不足5%。由此看来,固体废弃物存量日益增加已经成为了一个无法忽视的社会问题,而固废整体循环利用率偏低更是我们必须面对的难题。


一方面,我国存在大量固废合理处治的难题;另一方面,政府对资源保护的要求愈来愈高,石料开采规模逐年降低,已经越来越无法满足路面工程大量的原材料需求。在这种背景下,固废在路面工程中的循环利用,受到社会各界越来越多的重视。而路面铣刨料、废旧轮胎、废矿和建筑垃圾是目前固废在路面工程中循环利用的几种常见的材料类型。

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让路再生

沥青路面再生是实现路面铣刨料循环利用的主要技术措施。沥青路面再生技术主要可分为厂拌热再生、厂拌冷再生、就地热再生和就地冷再生等类别。在所有的再生技术中,就地再生能实现旧路材料100%的旧料掺量,厂拌冷再生平均旧料掺量达到80%,而厂拌热再生目前主流的旧料掺量仅为25%左右。无论是从技术成熟度还是推广应用前景,厂拌热再生都是优先推荐的再生技术,这已经是行业内的共识,但是相对偏低的旧料掺量成为该技术进一步提高附加值的主要瓶颈之一。较低的旧料掺量一方面导致养护工程中往往消化不了自身产生的废料,另一方面其产生的节能减排效益也极其有限。正因如此,提高RAP掺量的想法和努力从厂拌热再生技术出现伊始就未曾停止过。


在很长一段时间内,国内对“高掺量”的定义都比较模糊,过去一般采用RAP的质量占混合料的质量进行判别,判别标准也并不统一,通常认为达到30%以上就属于高掺量;2013年发布的美国NCHRP752报告中将高掺量定义为“RAP中沥青质量占混合料总前沥青质量的百分比大于等于25%”,这个定义很快得到了行业内的普遍认可,因为“再生”这个行为主要是针对旧沥青而不是旧沥青混合料进行的(对旧沥青混合料而言使用“再利用”可能更为贴切),目前正在修编的部颁沥青路面再生技术规范中也采纳了该报告的定义。

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目前国内市场上再生剂的专利和产品有数十种,但是再生剂自身的技术标准目前仍很不完善,评价再生剂效果的方法也比较简单,目前主流的再生剂效果评价基本靠沥青针入度指标的恢复情况进行判断,而对混合料性能和沥青再生效果之间有何联系没有进行深入研究;另外,在试验方法方面,目前室内进行再生剂效果评价试验时的添加顺序和现场实际情况不符。室内通常会先进行旧沥青回收再添加再生剂,而实际施工中再生剂只能添加到旧沥青混合料中,实际工况下的再生剂在旧沥青中的均匀性,应该说是远远达不到室内试验的水平。因此室内沥青试验结果对工程参考意义不大,相反更应该关注混合料性能。


研究人员通过考虑RAP、再生剂和温拌剂3个因素的掺量水平研究热再生混合料的性能。选定RAP掺量为30%、40%和50%,再生剂和有机降粘类温拌剂的掺量均为0%、3%和6%进行试验,测试不同因素对混合料性能的影响。结果显示:

RAP掺量和温拌剂增加后,混合料水稳定性能降低;而掺加再生剂后,混合料的水稳定性有所改善;但总体趋势都不显著。


通过车辙试验,测试混合料的高温性能。结果显示,RAP掺量和温拌剂增加,混合料的高温性能就会显著提升;再生剂对混合料的高温性能有一定负作用。


通过小梁试验,测试混合料的低温性能。结果显示,不添加再生剂的样本,混合料的低温性能不满足规程要求;温拌剂对低温性能的影响没有明显规律。

通过动态模量试验,测试混合料的力学性能。结果显示,高掺量热再生混合料与新料SUP-20试验结果差异不大。


通过OveylayTest试验,测试混合料的抗裂性能。结果显示,再生剂掺量提高后,混合料的抗裂性能有明显的跃升。


通过间接拉伸疲劳试验,测试混合料的疲劳性能。结果显示,在不同的应力比下,混合料的疲劳性能变化规律基本致;再生剂和温拌剂对混合料的疲劳性能皆有一定程度的改善。


综合各项试验可知,RAP掺量提高后带来诸多性能上的负面影响,而综合使用再生剂和温拌剂后对混合料的整体性能有显著改善。


RAP在整个生命周期中,经过施工、长期运营、铣刨作业和破碎筛分等4次细化过程。过度细化会导致RAP掺量提高后级配设计变得困难,并且合成级配细料部分容易超限。这种情况,可以采用减少细RAP用量的措施来应对,但会带来RAP富余的问题。同时,通过大量样本研究发现,RAP的集料级配的变异性远低于RAP级配的变异性,基本控制在20%以内。因此,在高掺量厂拌热再生施工时建议只针对超粒径RAP进行破碎。在拌和阶段采用温拌技术同时适当延长拌和时间,以保证拌和均匀性;对于拌和后的混合料,“焖料”1时至3小时以保证再生剂充分发挥作用:在碾压环节,应适当增加压实功以保证成品路面的质量。


从目前的试验段应用和观测情况来看,高掺量热再生的总体路面性能与热拌混合料相当甚至更优,未来仍需要持续关注的是潜在的车轮荷载处的裂缝问题,这在国外的研究中有所报道,也应引起我们的重视。

用废旧轮胎修路

废旧轮胎经处理成橡胶粉后,通过麦克唐纳法、现场混合、工厂混合或其他特殊工艺,可制得橡胶沥青或橡胶粉改性沥青混合料。传统工艺采用现场湿法生产橡胶沥青,这种工艺需要将橡胶粉进行高温搅拌,并反应45分钟至60分钟。现场湿法的橡胶粉掺量控制在20%左右,一般采用20目胶粉。相比较40目胶粉,选择20目胶粉不但能降低能起,每吨成本还能降低200元至250元。


现场湿法橡胶沥青可以有效缓解路面反射裂缝,通过较高的油石比可最大程度发挥橡胶沥青抗裂性能,提高路面耐久性,但工程造价相对较大。此外,现场改性橡胶沥青不能长时间储存,并且需要专用的设备,受设备制约,产量有一定的限制。

 

成品温法橡胶沥青是将来橡胶沥青发展的大势所趋。成品湿法橡胶沥青可以长距离运输,井长时间储存;通过合理的混合料设计与优化可以减少沥青用量,价格与常规SBS改性沥青相比更加便宜;由于采用了规模化生产,突破了产量的瓶颈,因此可以更大规模的推广应用。


通过对比成品湿法橡胶沥青与SBS改性沥青、现场湿法橡胶沥青的水稳定性、高温稳定性、疲劳性能、抗反射裂缝和粘结性能等指标(见表1),可以发现,成品橡胶沥青的各项性能指标均较良好。经济与社会效益方面,成品湿法橡胶沥青较SBS改性沥青和现场湿法橡胶沥青,也具有较高的综合效益(见表2)。因此,成品温法沥青在未来拥有更好的推广前景。

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废矿不废

活性橡胶是活性矿物和橡胶沥青结合的技术,可应用于面层沥青混合料。在沥青中掺入活性橡胶,可降低沥青的蠕变劲度模量,提高胶结料变形速率,还可明显提高沥青胶结料的抗疲劳性能;混合料的高温性能也能得到明显的提升,其残留稳定度增加6.3%、劈裂抗拉强度比提升10.1%。此外,活性橡胶还可改善沥青与集料的粘附性,增强界面间的作用力,并具有良好的分散性,可提升混合料的抗水损害性能。活性橡胶的生产需要经过胶粉预热、喷洒拌和以及冷却细化三个阶段。预热时,温度控制在170摄氏度左右,预热约15分钟,横向搅拌器转速控制在每分钟30圈左右;喷洒拌和时,温度同样控制在170摄氏度左右,拌和大约15分钟,横向侧向搅拌转速控制在每分钟30圈左右;冷却细化时,冷却液温度控制在零下10摄氏度左右,在拌和过程中要添加AMBS和石灰粉。


磷酸生产中,用硫酸处理磷矿时产生的固体废渣一一磷石膏,可回收应用在路面基层。在道路建设中使用磷石膏,需要进行体积稳定性、水稳定性、回弹模量、层间剪切强度、劈裂抗拉强度以及无侧限抗压强度等路用性能测试。对成型无侧限抗压强度试件进行标准养护,养护至规定龄期后将试件放入水中浸泡24小时,取出晾干至恒重,再浸水24小时,再晾干,进行两个干湿循环后,测试其无侧限抗压强度,与相应无侧限抗压强度对比,以强度的损失率评判各配比的水稳定性。在工程现场取芯结果表明,由于现场养生条件和压实工艺与标准试验条件的差别,同龄期的芯样无侧限抗压强度低于室内试验结果,当龄期达到12天时,芯样强度可以达到规范要求(3兆帕),芯样回弹模量及劈裂抗拉强度分别为1828兆帕和0.81兆帕,与试验室结果相近,而层间剪切强度为0.4兆帕,满足规范要求(0.4兆帕)。工程应用结果表明,磷石膏混合料中碎石含量不宜低于50%,避免因粉料过多影响层间粘结力而引起滑移及开裂等病害;离析及拌和不均会导致局部含水量过高,引起沉陷、网裂等病害;而强度发展缓慢,则会导致承载力不足,引起车辙、坑洞、沉陷等病害。


此外,建筑垃圾也可应用于公路建设。建筑垃圾混合料强度形成的主要来源是内摩阻力和固化粘聚力。与天然骨料相比,建筑垃圾的吸水率偏大、压碎值指标相对偏小,但满足基层骨料的使用要求。总体而言,我国的路面再生和橡胶沥青技术相对成熟,废矿和建筑垃圾在路面工程中的循环利用仍有待进一步深入研究。


标签:技术中心改性沥青
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