就地热再生技术在重载SMA沥青路面中的应用评价及效益分析

茅 荃（江苏交通控股有限公司，江苏 南京 210002）



就地热再生技术在重载SMA沥青路面中的应用评价及效益分析

茅 荃
（江苏交通控股有限公司，江苏 南京 210002）

依托312国道无锡段就地热再生试验路，通过与原路面材料性能进行分析对比，研究了老化沥青的性能改善、级配恢复以及再生混合料性能；设计并在实体工程中实施了3种再生方案，并通过对再生路面性能的长期跟踪观测，验证了就地热再生的效果；开展了定量效益分析，结果表明，相对铣刨重铺，再生工艺可节约工程经费、减少环境污染，具有显著的经济效益和环境效益。

就地热再生；再生剂；再生沥青混合料；沥青混合料回收料；级配设计；效益分析

就地热再生（Hot In-place Recycling，HIR）作为一种预防性养护技术，采用专用的就地热再生设备，先对原沥青路面进行加热、铣刨，然后就地掺入一定数量的新沥青混合料、再生剂等，再进行热复拌，最后摊铺、碾压成型，是一次性实现对路表以下2～5 cm范围内的沥青混凝土实施再生后重复使用的技术。就地热再生可实现旧沥青路面材料100%的循环利用，相对传统的铣刨重铺工艺，能节约大量沥青和集料等自然资源，节能减排效益显著，同时施工时间短，交通干扰小，开放交通快，符合“快速、安全、耐久、经济、绿色”的现代公路养护需求。目前江苏高速公路沥青路面就地热再生技术应用较为广泛，“十二五”期间江苏交通控股系统沥青路面就地热再生实施的路段近700 km单车道，占所有沥青路面大中修维修量的20%。

目前就地热再生研究主要集中在设计及性能验证方面，较少涉及再生方案比选和再生效益分析。本文以312国道无锡段路面养护工程为依托，进行原路面材料检测、再生方案比选、再生配合比设计、性能验证，并对试验路段实施跟踪观测评价，最后对就地热再生与铣刨重铺两种养护工艺进行经济效益和环境效益对比分析。

1　工程概况

312国道无锡段自建成以来交通量持续增长，超载、超限现象较为严重，属于重载交通道路，部分路段路面车辙病害发展迅速。就地热再生试验工程选择的路段桩号范围为K118+890～K121+220和K125+190～K127+360，累计4.5 km单车道，检测结果表明原路面出现了车辙和裂缝等典型病害，路面技术状况如表1所示。原路面结构形式与再生后路面结构形式如图1所示。

表1　就地热再生施工段落原路面技术状况

图1　就地热再生施工路段再生前后的路面结构形式

2　再生配合比设计

2.1沥青混合料回收料（RAP）

2.1.1RAP级配

原路面在使用过程中由于荷载的重复作用，集料可能发生破碎或流失［1］，导致原路面级配发生变化，集料骨架结构产生衰变必然会引起SMA沥青混合料宏观性能的降低，因此有必要对沥青混合料回收料（Reclaimed Asphalt Pavement，RAP）集料级配进行检测分析。就地热再生试验路段的RAP抽提筛分结果如表2所示。

抽提筛分结果表明，试验段原路面SMA沥青混合料4.75mm筛孔的通过率为32.7%，已略微超过级配范围上限，表明原路面在车辆荷载的累积作用下，骨料发生了磨耗或破碎，级配有所细化。因此，为了保证SMA的骨架结构，需添加一部分新沥青混合料，一方面适当微调优化原级配，另一方面回补由于车辙变形或其他因素导致缺失的沥青混合料。

表2　RAP抽提筛分结果

2.1.2老化沥青性能指标

SBS改性沥青在生产及长期使用过程中，会受到各种自然因素（如氧气、温度、水、紫外线）和车辆荷载的综合作用，发生一系列的挥发、氧化、聚合乃至内部结构变化，导致沥青性能逐渐发生变化（老化），最终影响路面的使用性能［3-5］。在进行配合比设计前应对老化沥青的性能进行检测，并以此作为外掺剂种类及数量的依据。RAP中抽提沥青的检测结果如表3所示。

表3　RAP抽提沥青的性能指标

试验结果表明RAP中沥青的软化点和运动粘度基本满足技术标准，针入度和延度均显著降低，不满足技术要求。由此可见，RAP中沥青已发生了一定的老化现象，可通过添加再生剂改善老化沥青性能，提高再生混合料路用性能［6-7］。

2.1.3再生沥青性能指标

采用掺量为旧沥青质量1%的鞍山森远再生剂对旧沥青进行再生，再生后沥青关键指标测试结果如表4所示。试验结果表明，再生剂的添加有效改善了旧老化沥青的性能，其中针入度和延度明显提高，软化点尽管有所降低，但还是在规定范畴，说明添加再生剂对提高老化沥青的低温性能有较好效果。

表4　再生沥青的性能指标

2.2级配设计

江苏就地热再生工程应用经验表明，原路面车辙深度达到10～15 mm时，掺加新沥青混合料的比例一般为10%～15%，结合试验段车辙检测结果确定新添SMA-13沥青混合料的掺量为15%。根据RAP中集料的筛分结果以及新旧料混合比例，确定新添沥青混合料级配与再生混合料合成级配如表5所示。

表5　新添沥青混合料和再生沥青混合料级配

2.3最佳油石比

再生SMA沥青混合料由85% RAP与15%新沥青混合料组成，采用5.6%、5.9%、6.2% 3种油石比，双面各击实75次成型马歇尔试件进行马歇尔稳定度试验，试验结果如表6所示。试验结果表明油石比为5.9%时，其空隙率、VMA和VFA等体积指标均满足设计要求。因此，确定试验段再生SMA-13沥青混合料的最佳油石比为5.9%。

表6　再生沥青混合料马歇尔试验结果

2.4再生方案

就地热再生工程中可以通过添加再生剂再生RAP中的老化沥青，添加热沥青补充RAP中损失的沥青，添加温拌剂提高再生料的碾压密实。本试验段中采用了3种就地热再生方案，如表7所示，不同再生方案的试验段落划分如表8所示。鉴于再生混合料最佳油石比5.9%，而RAP油石比为5.8%，方案1和方案3确定的新SBS改性沥青添加量为RAP质量0.1%，其中方案1额外添加温拌剂，方案2直接添加再生剂，考虑到再生剂会起到沥青或部分沥青的作用，因此本方案中不添加新SBS改性沥青。

2.5室内试验性能评价

采用设计级配和最佳油石比，在135 ℃温度下成型试件，通过谢伦堡析漏试验、肯塔堡飞散试验、水稳定性试验、车辙试验和低温弯曲试验进行再生SMA-13沥青混合料的路用性能评价，试验结果如表9所示。

表7　就地热再生的3种方案

表8　不同再生方案的试验段落划分

试验结果表明再生SMA-13沥青混合料的析漏损失率、飞散损失率、残留稳定度、冻融劈裂强度比、动稳定度和破坏应变均满足技术要求。相对于方案3，方案1的动稳定度较高而破坏应变较低，且残留稳定度和冻融劈裂强度较低，表明温拌剂的加入提升了再生混合料的高温性能但降低了低温性能，同时也降低了其抗水损害性能。相对于方案3，方案2的残留稳定度和冻融劈裂强度略有下降，但基本持平，同时动稳定度较低而破坏应变较高，表明再生剂的加入能保证再生混合料的抗水损害性能，提升其低温性能并降低其高温性能。

表9　再生SMA-13沥青混合料室内成型试验结果

3　实施效果评价

3.1再生混合料性能评价

在就地热再生施工现场直接取样再生混合料进行室内试验，试验结果如表10所示。

现场取样再生料试验结果与室内制备再生料试验结果基本一致：

近年来，随着消费者需求的转变，黄心类大白菜逐渐成为市场中的主流品种之一。通化地区黄心类品种栽培面积较小，优良品种欠缺。本试验通过对6个黄心大白菜品种进行引种试验，试图筛选出适合本地区栽培的优质高产的黄心大白菜新品种，为本地区生产提供相关依据，试验结果如下。

（1）各再生方案再生混合料的稳定度、析漏损失率、飞散损失率、残留稳定度、冻融劈裂强度比和动稳定度均满足技术要求。

（2）添加温拌剂（方案1）有助于提升再生混合料的高温性能。

（3）添加再生剂（方案2）在有效改善沥青老化状况的同时，会显著降低再生混合料高温性能。

3.2施工控制指标评价

就地热再生施工完工后对再生路段的路面抗滑性能、渗水系数、平整度和压实度等指标进行了检测，检测结果如表11所示。

表10　现场取样再生混合料性能试验结果

表11　再生路面性能指标检测结果

检测结果表明：

（1）各再生方案施工路段的构造深度、摩擦系数、渗水系数、平整度和压实度均能满足技术要求。

（2）方案1的压实度相对高于方案3，说明在相同的碾压温度下，添加温拌剂有利于再生混合料的碾压密实，提高再生路面压实度。

（3）方案2的压实度相对高于方案3，说明添加再生剂有效恢复了老化沥青使用性能，使老化沥青黏度降低，有利于再生混合料的压实。

3.3再生路面性能跟踪观测

2012-11就地热再生试验段施工完成后，在通车运营的3年间，对试验段路面车辙、平整度、横向力系数指标进行了跟踪检测，检测结果如表12所示。

跟踪观测结果表明：

（1）实施就地热再生后，原路面病害尤其是车辙病害得到了有效处治。但随着后续通车时间的增加，路面性能均出现了不同程度的衰减，其中车辙增幅较大，横向力系数衰减也相对较大，国际平整度指数相对稳定。

表12　再生路面性能跟踪观测结果

（2）对于重载路面，车辙病害经再生处治后的3年中，其车辙指标尽管有衰减，但尚未劣化到处治前的水平，再生使用寿命预计4～6年左右。其中方案2处治路段车辙发展速率要高于方案1和方案2，验证了室内车辙试验得到的再生剂添加一定程度会降低再生料高温性能的结论。

4　效益分析

4.1经济效益分析

目前，江苏公路沥青路面尤其高速公路沥青路面车辙处治工艺主要是就地热再生和铣刨重铺，根据本次国道312无锡段就地热再生试验路，结合常用的铣刨重铺工艺，测算两种养护工艺的维修成本如表13所示。

表13　就地热再生和铣刨重铺成本单价 元/m2

结果表明就地热再生成本单价相比传统的铣刨重铺工程节约22元/m2，降幅近27%。按单车道处理宽度3.8 m计，单车道就地热再生比铣刨重铺节约8.36万元/m2。312国道无锡段就地热再生工程的工程量为4.5 km单车道，则实际成本为102.9万元，相对于传统的铣刨重铺节省成本37.6万元。因此，相对于铣刨重铺技术，就地热再生技术具有良好的经济效益。从寿命周期角度分析，若就地热再生和铣刨重铺的寿命分别按照5.5年和7年（铣刨重铺采用普通改性沥青，无需添加抗车辙剂，寿命相对较低）计算，则每平米养护路面平均每年产生的费用分别为10.9元和11.7元，就地热再生经济效益更显著。

4.2环境效益分析

对铣刨重铺和就地热再生的单位能耗和碳排放进行计算［8］。两种工艺对比，铣刨重铺主要增加了铣刨过程及铣刨旧料运输环节，而就地热再生主要增加了加热复拌过程。

（1）原路面铣刨

以采用典型的铣刨宽度为2 m的铣刨机对老路面进行铣刨为例，根据调查，其发动机满负荷油耗为124 L/h（柴油密度为0.84 kg/L），设定铣刨机功率为80%，铣刨深度为4 cm时，速度约为6 m/min。

（2）运输过程

原材料的运距一般在100～200 km，沥青混合料的运距一般在50～150 km，为了便于测算结果的对比分析，将原材料的运距设定为150 km，混合料运距设定为80 km，原路面铣刨料运距设定为80 km。

（3）混合料生产、摊铺碾压

沥青路面铣刨重铺过程中，沥青混合料的生产、摊铺碾压与新建路面一样，可参照热拌沥青路面混合料生产数据。

铣刨重铺和就地热再生的能耗及碳排放的计算结果如表14所示。

结果表明，就地热再生的能耗和碳排放量分别较铣刨重铺低37.35 MJ/km2和3.33 kg/km2，降幅达37.1%和42.5%，则单车道每公里就可节约能耗141 930 MJ，减少碳排放12 654 kg。根据312国道无锡段就地热再生工程量计算得到工程总能耗和碳排放分别为1 081 746 MJ和76 950 kg，相对于传统的铣刨重铺减少能耗与碳排放分别为638 685 MJ和56 943 kg。因此，就地热再生相对于铣刨重铺，节能减排效果明显，具有良好的环境效益。

表14　铣刨重铺和就地热再生的能耗及碳排放对比

5　结论

（1）RAP抽提集料通过4.75 mm筛孔的比例超过级配范围的上限，表明原路面骨料发生了磨耗或破碎，需要添加新集料改善级配。同时RAP中沥青的针入度和延度均显著降低，表明沥青已产生了一定的老化。通过添加1%的再生剂后，老化沥青的针入度和延度明显提高，低温性能显著提升，再生效果明显。

（2）室内再生混合料性能试验和现场取样再生混合料性能试验结果均表明，3种再生方案的再生混合料性能指标均满足技术要求。温拌剂的添加提升了再生混合料的高温性能，但降低了低温性能和抗水损害性能；再生剂的添加提升了再生混合料的抗水损害性能和低温性能，但降低了高温性能。

（3）现场再生路面检测结果表明，各再生方案施工路段的构造深度、摩擦系数、渗水系数、平整度和压实度均能满足技术要求。添加温拌剂和再生剂均有利于再生混合料碾压密实，提高路面压实度。

（4）跟踪观测结果表明，重载沥青路面实施就地热再生车辙处治维修后，原有路面病害尤其是车辙病害得到了有效处治，再生路面在通车运营3年后，车辙深度有劣化趋势，但还能保持在良好水平，该工艺使用寿命预计为4～6年。

（5）相比传统铣刨重铺工艺，就地热再生单车道可节约成本8.36万元/km，节约能耗141 930 MJ，减少碳排放12 654 kg，经济效益和环境效益显著。

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Application Evaluation and Benefit Analysis of Hot In-place Recycling in Heavy Load SMA Asphalt Pavement

Mao Quan
（Jiangsu Communications Holding Co.， LTD， Nanjing 210002， China）

Based on the hot in-place recycling （HIR） test road project of Wuxi section of the national highway 312， this paper studied recycled asphalt property improvement， aggregate gradation characteristics recovery and recycled mixture performance，by comparing with the performances of the original asphalt pavement material. Then three different recycled schemes were designed and applied on the field test road project， and the application effect of HIR was verified through long-term monitoring and inspection. Finally， the benefit was analyzed quantitatively. The results showed that compared with the milling and overlaying method， HIR could reduce the cost and environmental pollution with significant economic and environmental benefits. Key words: hot in-place recycling； reclaiming agent； regenerated asphalt mixture； reclaimed asphalt pavement； gradation design；benefit analysis

U416.217

A

1672-9889（2016）02-0009-06

茅荃（1974-），男，江苏扬州人，高级工程师，主要从事高速公路养护管理工作。

（2016-02-15）