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用固體廢棄物也能修出好路
2019年06月11日    閱讀量:4915    新聞來源: 瀝青路面  |  投稿

摘 要

在這種背景下,固廢在路面工程中的循環利用,受到社會各界越來越多的重視。而路面銑刨料、廢舊輪胎、廢礦和建筑垃圾是目前固廢在路面工程中循環利用的幾種常見的材料類型。

關鍵詞

固體廢棄物 | 回收利用 | 道路

截至2015年底,我國公路總里程已達457.7萬公里,按照瀝青路面平均10年大修的標準,保守估計未來每年將產生上億噸瀝青路面銑刨料瀝青網sinoasphalt.com。還有幾組數字同樣值得關注:2014年我國輪胎產量達到11.14億條,每年產生廢舊輪胎5萬多條,廢舊輪胎回收利用率不足6%:磷石膏2013年排放量已經達到7千萬噸,累計堆積3億噸以上,而綜合利用率僅為27%;全國每年產生建筑垃圾近20億噸,回收利用率不足5%。由此看來,固體廢棄物存量日益增加已經成為了一個無法忽視的社會問題,而固廢整體循環利用率偏低更是我們必須面對的難題。


一方面,我國存在大量固廢合理處治的難題;另一方面,政府對資源保護的要求愈來愈高,石料開采規模逐年降低,已經越來越無法滿足路面工程大量的原材料需求。在這種背景下,固廢在路面工程中的循環利用,受到社會各界越來越多的重視。而路面銑刨料、廢舊輪胎、廢礦和建筑垃圾是目前固廢在路面工程中循環利用的幾種常見的材料類型。

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讓路再生

瀝青路面再生是實現路面銑刨料循環利用的主要技術措施。瀝青路面再生技術主要可分為廠拌熱再生、廠拌冷再生、就地熱再生和就地冷再生等類別。在所有的再生技術中,就地再生能實現舊路材料100%的舊料摻量,廠拌冷再生平均舊料摻量達到80%,而廠拌熱再生目前主流的舊料摻量僅為25%左右。無論是從技術成熟度還是推廣應用前景,廠拌熱再生都是優先推薦的再生技術,這已經是行業內的共識,但是相對偏低的舊料摻量成為該技術進一步提高附加值的主要瓶頸之一。較低的舊料摻量一方面導致養護工程中往往消化不了自身產生的廢料,另一方面其產生的節能減排效益也極其有限。正因如此,提高RAP摻量的想法和努力從廠拌熱再生技術出現伊始就未曾停止過。


在很長一段時間內,國內對“高摻量”的定義都比較模糊,過去一般采用RAP的質量占混合料的質量進行判別,判別標準也并不統一,通常認為達到30%以上就屬于高摻量;2013年發布的美國NCHRP752報告中將高摻量定義為“RAP中瀝青質量占混合料總前瀝青質量的百分比大于等于25%”,這個定義很快得到了行業內的普遍認可,因為“再生”這個行為主要是針對舊瀝青而不是舊瀝青混合料進行的(對舊瀝青混合料而言使用“再利用”可能更為貼切),目前正在修編的部頒瀝青路面再生技術規范中也采納了該報告的定義。

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目前國內市場上再生劑的專利和產品有數十種,但是再生劑自身的技術標準目前仍很不完善,評價再生劑效果的方法也比較簡單,目前主流的再生劑效果評價基本靠瀝青針入度指標的恢復情況進行判斷,而對混合料性能和瀝青再生效果之間有何聯系沒有進行深入研究;另外,在試驗方法方面,目前室內進行再生劑效果評價試驗時的添加順序和現場實際情況不符。室內通常會先進行舊瀝青回收再添加再生劑,而實際施工中再生劑只能添加到舊瀝青混合料中,實際工況下的再生劑在舊瀝青中的均勻性,應該說是遠遠達不到室內試驗的水平。因此室內瀝青試驗結果對工程參考意義不大,相反更應該關注混合料性能。


研究人員通過考慮RAP、再生劑和溫拌劑3個因素的摻量水平研究熱再生混合料的性能。選定RAP摻量為30%、40%和50%,再生劑和有機降粘類溫拌劑的摻量均為0%、3%和6%進行試驗,測試不同因素對混合料性能的影響。結果顯示:

RAP摻量和溫拌劑增加后,混合料水穩定性能降低;而摻加再生劑后,混合料的水穩定性有所改善;但總體趨勢都不顯著。


通過車轍試驗,測試混合料的高溫性能。結果顯示,RAP摻量和溫拌劑增加,混合料的高溫性能就會顯著提升;再生劑對混合料的高溫性能有一定負作用。


通過小梁試驗,測試混合料的低溫性能。結果顯示,不添加再生劑的樣本,混合料的低溫性能不滿足規程要求;溫拌劑對低溫性能的影響沒有明顯規律。

通過動態模量試驗,測試混合料的力學性能。結果顯示,高摻量熱再生混合料與新料SUP-20試驗結果差異不大。


通過OveylayTest試驗,測試混合料的抗裂性能。結果顯示,再生劑摻量提高后,混合料的抗裂性能有明顯的躍升。


通過間接拉伸疲勞試驗,測試混合料的疲勞性能。結果顯示,在不同的應力比下,混合料的疲勞性能變化規律基本致;再生劑和溫拌劑對混合料的疲勞性能皆有一定程度的改善。


綜合各項試驗可知,RAP摻量提高后帶來諸多性能上的負面影響,而綜合使用再生劑和溫拌劑后對混合料的整體性能有顯著改善。


RAP在整個生命周期中,經過施工、長期運營、銑刨作業和破碎篩分等4次細化過程。過度細化會導致RAP摻量提高后級配設計變得困難,并且合成級配細料部分容易超限。這種情況,可以采用減少細RAP用量的措施來應對,但會帶來RAP富余的問題。同時,通過大量樣本研究發現,RAP的集料級配的變異性遠低于RAP級配的變異性,基本控制在20%以內。因此,在高摻量廠拌熱再生施工時建議只針對超粒徑RAP進行破碎。在拌和階段采用溫拌技術同時適當延長拌和時間,以保證拌和均勻性;對于拌和后的混合料,“燜料”1時至3小時以保證再生劑充分發揮作用:在碾壓環節,應適當增加壓實功以保證成品路面的質量。


從目前的試驗段應用和觀測情況來看,高摻量熱再生的總體路面性能與熱拌混合料相當甚至更優,未來仍需要持續關注的是潛在的車輪荷載處的裂縫問題,這在國外的研究中有所報道,也應引起我們的重視。

用廢舊輪胎修路

廢舊輪胎經處理成橡膠粉后,通過麥克唐納法、現場混合、工廠混合或其他特殊工藝,可制得橡膠瀝青或橡膠粉改性瀝青混合料。傳統工藝采用現場濕法生產橡膠瀝青,這種工藝需要將橡膠粉進行高溫攪拌,并反應45分鐘至60分鐘。現場濕法的橡膠粉摻量控制在20%左右,一般采用20目膠粉。相比較40目膠粉,選擇20目膠粉不但能降低能起,每噸成本還能降低200元至250元。


現場濕法橡膠瀝青可以有效緩解路面反射裂縫,通過較高的油石比可最大程度發揮橡膠瀝青抗裂性能,提高路面耐久性,但工程造價相對較大。此外,現場改性橡膠瀝青不能長時間儲存,并且需要專用的設備,受設備制約,產量有一定的限制。

 

成品溫法橡膠瀝青是將來橡膠瀝青發展的大勢所趨。成品濕法橡膠瀝青可以長距離運輸,井長時間儲存;通過合理的混合料設計與優化可以減少瀝青用量,價格與常規SBS改性瀝青相比更加便宜;由于采用了規模化生產,突破了產量的瓶頸,因此可以更大規模的推廣應用。


通過對比成品濕法橡膠瀝青與SBS改性瀝青、現場濕法橡膠瀝青的水穩定性、高溫穩定性、疲勞性能、抗反射裂縫和粘結性能等指標(見表1),可以發現,成品橡膠瀝青的各項性能指標均較良好。經濟與社會效益方面,成品濕法橡膠瀝青較SBS改性瀝青和現場濕法橡膠瀝青,也具有較高的綜合效益(見表2)。因此,成品溫法瀝青在未來擁有更好的推廣前景。

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廢礦不廢

活性橡膠是活性礦物和橡膠瀝青結合的技術,可應用于面層瀝青混合料。在瀝青中摻入活性橡膠,可降低瀝青的蠕變勁度模量,提高膠結料變形速率,還可明顯提高瀝青膠結料的抗疲勞性能;混合料的高溫性能也能得到明顯的提升,其殘留穩定度增加6.3%、劈裂抗拉強度比提升10.1%。此外,活性橡膠還可改善瀝青與集料的粘附性,增強界面間的作用力,并具有良好的分散性,可提升混合料的抗水損害性能。活性橡膠的生產需要經過膠粉預熱、噴灑拌和以及冷卻細化三個階段。預熱時,溫度控制在170攝氏度左右,預熱約15分鐘,橫向攪拌器轉速控制在每分鐘30圈左右;噴灑拌和時,溫度同樣控制在170攝氏度左右,拌和大約15分鐘,橫向側向攪拌轉速控制在每分鐘30圈左右;冷卻細化時,冷卻液溫度控制在零下10攝氏度左右,在拌和過程中要添加AMBS和石灰粉。


磷酸生產中,用硫酸處理磷礦時產生的固體廢渣一一磷石膏,可回收應用在路面基層。在道路建設中使用磷石膏,需要進行體積穩定性、水穩定性、回彈模量、層間剪切強度、劈裂抗拉強度以及無側限抗壓強度等路用性能測試。對成型無側限抗壓強度試件進行標準養護,養護至規定齡期后將試件放入水中浸泡24小時,取出晾干至恒重,再浸水24小時,再晾干,進行兩個干濕循環后,測試其無側限抗壓強度,與相應無側限抗壓強度對比,以強度的損失率評判各配比的水穩定性。在工程現場取芯結果表明,由于現場養生條件和壓實工藝與標準試驗條件的差別,同齡期的芯樣無側限抗壓強度低于室內試驗結果,當齡期達到12天時,芯樣強度可以達到規范要求(3兆帕),芯樣回彈模量及劈裂抗拉強度分別為1828兆帕和0.81兆帕,與試驗室結果相近,而層間剪切強度為0.4兆帕,滿足規范要求(0.4兆帕)。工程應用結果表明,磷石膏混合料中碎石含量不宜低于50%,避免因粉料過多影響層間粘結力而引起滑移及開裂等病害;離析及拌和不均會導致局部含水量過高,引起沉陷、網裂等病害;而強度發展緩慢,則會導致承載力不足,引起車轍、坑洞、沉陷等病害。


此外,建筑垃圾也可應用于公路建設。建筑垃圾混合料強度形成的主要來源是內摩阻力和固化粘聚力。與天然骨料相比,建筑垃圾的吸水率偏大、壓碎值指標相對偏小,但滿足基層骨料的使用要求。總體而言,我國的路面再生和橡膠瀝青技術相對成熟,廢礦和建筑垃圾在路面工程中的循環利用仍有待進一步深入研究。


標簽:技術中心改性瀝青
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