工业再生材料用于公路工程的现状及展望

李蕊+邹道光+梁涛

导语：

交通运输行业发展统计公报显示：2015年末全国公路总里程457.73万km，公路密度47.68 km/100 km2。全国等级公路里程404.63万km，占公路总里程88.4%。在国家可持续发展战略要求下，把废旧资源用于公路工程建设，不仅减少环境污染，还实现了废旧资源再利用，降低工程造价。因此，大力开展公路工程建设中的可利用再生材料及再生技术的研究具有重要意义。

2016年3月5日，第十二届全国人民代表大会第四次会议开幕，国务院总理李克强在做政府工作报告时指出，今年要启动一批“十三五”规划重大项目，完成铁路投资8 000亿元以上，公路投资1.65万亿元，发挥有效投资对稳增长、调结构的关键作用。

交通运输行业发展统计公报显示：2015年末全国公路总里程457.73万km，公路密度47.68 km/100 km2（图1）。全国等级公路里程404.63万km，占公路总里程的88.4%。其中，二级及以上公路里程57.49万km，占公路总里程的12.6%。各行政等级公路里程分别为：国道18.53万km（其中普通国道10.58万km）、省道32.97万km、县道55.43万km、乡道111.32万km、专用公路8.17万km。

随着我国公路事业的飞速发展，现有公路工程材料特别是高等级道路所需材料存在价格较高、施工程序复杂、技术要求高等问题。道路材料正逐步向强度高、性能优、寿命长和适应大交通量的方向发展；而开展废弃材料在公路中的再利用技术及应用研究亦是一种趋势，尤其是工业生产中所产生的废料，不仅会污染环境，还占用大量土地，浪费土地资源。在国家可持续发展战略要求下，把废旧资源利用于公路工程建设，不仅能减少环境污染，还能实现废旧资源再利用，降低工程造价。因此，大力开展公路工程建设中可利用再生材料及再生技术的研究具有重要的意义。

工业再生材料的构成

与欧美发达国家目前的成熟稳定期不同，中国处于对工业废料综合治理的发展初期。随着人口持续增加、消费水平提高和工业生产等不断增加，工业废料的产生量也大幅增长。

工业再生材料是指在工业生产的过程中，可通过某种加工过程而被再次使用的材料。目前，应用于公路工程中的工业再生材料主要有钢渣、矿渣、粉煤灰、废旧橡胶、塑料、废旧玻璃、建筑垃圾等。按材料产生来源分为冶金废料、轻工业废料、道路旧料及建筑垃圾四类。

冶金废料

冶金废料主要是指在进行钢铁生产的过程中产生的钢渣、高炉矿渣及粉煤灰。

钢渣是钢铁企业利用率最小的大宗固体废物之一，我国每年钢渣产量达到1亿t左右，目前全国钢渣累积堆存近10亿t，而对钢渣的综合利用率不高。联合国对欧美、日本等20个工业发达国家进行钢渣利用情况调查，发现这些国家约60%的钢渣被用在公路工程中。

钢渣之所以能够运用到公路工程中，是因为钢渣表面粗糙，棱角性较好，质地坚硬，抗滑性和抗车辙能力较高。大量研究及实践证明，钢渣是一种较为合适的沥青混合料粗集料替代材料。美国和沙特的合作研究表明：当钢渣作为粗集料同石灰石矿粉、细集料、聚合物改性沥青混合后，其耐潮湿和抗疲劳性能均有所提高。德国研究表明：钢渣在抗压和抗反光性能上超过了现在的玄武岩、燧石砾石等优质沥青集料，具有较好的体积稳定性和沥 滤性。

钢渣在公路工程中除了作为粗集料应用到沥青混合料面层外，还可用到路面基层中。大量工程实践表明，无论是水泥混凝土路面还是沥青混合料路面，基层的材料和质量是影响路面性能和使用寿命的关键因素。钢渣的矿物成分中含有水硬性胶凝结矿物β-C2S及C11A7CaF2等，这些矿物使钢渣具有一定的水硬活性，可以增加钢渣的强度。同时，钢渣是一种水稳性较强的材料，在基层中加入适量的钢渣可以增加基层的水稳定性，提高基层的强度及路面的使用性能，延长路面的使用寿命。

高炉矿渣是一种典型的碱性材料，其成分中CaO含量较高。在各种工业生产中，矿渣的产量较大，且其性能最适合作为各级路面的基层材料。大量实践表明：矿渣的抗压强度低且变化较大，磨耗率大，不适合用作磨耗层材料，但它具有空隙率较大、吸水性强、粘附率高、整体强度高等优点，经水结碾压后易形成板体，适合作面层和基层材料，特别是作基层材料时效果更为明显。

在工业冶金废渣中，使用最多和最广泛的是粉煤灰，粉煤灰中含有较多的活性氧化硅和活性氧化铝，它们可以与饱和的氢氧化钙溶液发生火山灰反应，具有水硬性的特征。粉煤灰目前在公路工程中得到了广泛应用，如粉煤灰路堤、粉煤灰基层、粉煤灰混凝土路面、加筋粉煤灰挡墙、粉煤灰钢渣混凝土、高钙粉煤灰沥青混合料等。

轻工业废料

轻工业的快速发展产生了大量的废料，主要包括废橡胶粉、废玻璃及废塑料三类（图2～4）。2015年全国汽车轮胎总产量为5.63亿条，废旧轮胎产生量达到3.3亿条，质量可达1 200万t，而再生橡胶产量达到438万t，居世界第一位；橡胶粉产量达到35万t，其中15万t用于生产改性沥青。我国每年废玻璃的产量达到1 040万t，占固体废料产量的5%，由于废玻璃很难使用一般的物理方法及自然循环进行分解处理，因此对生态环境造成很大的影响。2015年，我国塑料总产量为7 560.7万t，成为世界上第一大塑料消费国家，在对塑料进行使用的过程中也产生了大量的废塑料，这些废旧塑料的堆积造成白色污染，给环境带来极大的危害。因此，把废旧塑料应用到公路工程中意义重大。

（1）橡胶用于沥青路面材料主要通过2种不同的方式：第1种方式是把橡胶加工成橡胶粉，作为粘结改性剂加入到沥青中，该方法称为“湿法”，用此种方法制备的改性粘结剂叫做“橡胶沥青”；第2种方式就是将回收得到的废旧橡胶加工成颗粒状，用来取代沥青混合料中的部分细集料，此种方式加入的橡胶颗粒与沥青不发生反应，该方法称为“干法”，用此种方法得到的沥青混合料叫做“沥青橡胶混合料”。大量试验和实践表明，如果沥青和橡胶粉的比例合适，橡胶沥青的使用可以减少路面自上而下的热开裂及自下而上的反射裂缝，同时，还可以减小汽车行驶时轮胎与路面接触产生的噪音。使用沥青橡胶混合料铺筑的路面能够提高高温抗永久变形及低温抗开裂的性能。由于橡胶具有比重轻、导热系数低、渗透系数高及在大应变下抗剪强度高等优点，在路基中加入适量粉碎的废旧轮胎，可以增加路基的强度，提高废旧轮胎的利用率。

（2）目前，将废玻璃作为沥青混合料路面的集料，是对废旧玻璃进行回收利用的主要方式之一。其具有如下优点：减少车辆侧滑事故，道路的光反射较柔和，路面的耐磨性好，积雪融化快，适宜于低气温地区的路面。大量研究数据表明：在沥青混合料中加入10%～15%的碎玻璃和适量熟石灰粉可以提高路面的使用性能。除此之外，由于玻璃具有高的反射率，把废旧玻璃研磨加工成玻璃粉末并加入到沥青中，对沥青进行改性，由此铺筑而成的沥青混合料路面的反光性得到提高，可以增加夜间车辆行驶的安全性。

（3）当前在公路工程中使用废旧塑料主要通过2种方式：一种方式是制成废旧回收塑料改性沥青；另一种方式是直接以废旧塑料为基础，将其与非晶态高分子、树脂及辅助剂按适当比例共混，经化学反应形成混合物，直接在沥青混合料拌和中投放，拌和后形成废旧塑料改性沥青混合料。研究和实践表明，由废旧塑料制备的改性沥青能够明显提高沥青混合料的抗车辙能力，改善沥青混合料的抗疲劳性能、低温抗裂性和水稳性。除此之外，废旧塑料中的有效成分还可以提高沥青的软化点，改善沥青的低温柔韧性，降低针入度，使沥青具有较好的温度稳定性，进而使沥青混合料具有良好的路用性能。

道路旧料

道路旧料是指道路在被破坏后进行翻新修补时产生的废旧沥青混合料（图5）。传统做法是将道路废旧料去除，然后用新料覆盖施工，这种做法造成较大的能源浪费，因此旧沥青路面的再生利用应运而生。旧沥青路面的再生是指采用路面再生专用设备将旧沥青路面材料翻挖、回收、加热、破碎、筛分后，与再生剂、新沥青、新集料等按一定比例重新拌和成混合料运用到路面铺筑。道路旧料的再生利用，能够节约大量的资源和工程投资成本，同时又能处理废料，对环境进行保护，具有显著的经济效益和社会效益。

按照沥青路面的设计寿命（10～15年）和实际使用情况，我国每年有13%的沥青路面需要翻修，这其中大部分采用铣刨旧路面层，然后加铺新面层的措施。预计旧沥青路面材料废弃量每年达到220万t，不但会占用大量的土地，而且会对周边环境造成污染。

沥青路面再生技术是公路建设可持续发展战略的重要组成部分，在我国现阶段尤其具有重要的现实意义。有效地利用废旧沥青混合料，可节约大量自然资源，并有利于保护生态环境，防止污染。沥青路面再生技术主要分为四大类。

（1）现场冷再生。现场冷再生技术主要有2种方式。第1种是利用大功率铣刨机就地铣刨、翻挖、破碎，再加入新料（包括乳化沥青或其他再生剂、稳定剂），用路拌机就地拌和、摊铺，最后用碾压机碾压成型（图6）。这种方法采用的是乳化沥青，对设备要求较低，生产成本不高。相应地，这种再生路面品质不是很好，主要用于低等级公路路面和高等级公路路面基层，国外多用于乡村公路的翻修。第2种是在旧路上洒布再生剂封层，通过再生剂渗入路面5～6 mm以恢复表层沥青活性，延长路面使用寿命2～3年。

（2）现场热再生。现场热再生也称为表层再生技术，是一种修复破碎路面的过程。它是通过红外线加热路面以及一定深度的旧沥青混合料至一定温度，然后用翻松机将可塑状态混合料翻松，再添加新沥青，最后将再生混合料碾压成型（图7）。这种方法施工简便，无需运输旧料，工效高，多用于基层承载良好、面层出现疲劳裂纹的路面，特别适用于老化不太严重但平整度较差的路面。

（3）厂拌冷再生。厂拌冷再生指先将旧沥青路面材料铣刨后运回稳定土搅拌厂，经破碎后作为骨料，再加入水泥或石灰、粉煤灰、乳化沥青等稳定剂进行搅拌和铺筑，多用于基层或底基层（图8）。该技术可解决无法进行热再生回收利用的旧料，实现废料处理和环境保护的目的。

（4）厂拌热再生。厂拌热再生是指将旧沥青路面铣刨后运回拌和厂，再集中破碎、筛分，并根据旧料的性质掺入一定比例的再生剂、新沥青和新集料，在拌和机中进行拌和，使混合料达到规范要求的各项指标（图9）。重新铺筑的再生沥青路面具有良好的抗车辙性能。厂拌再生沥青混合料属于结构性再生，能有效使用各种条件下的旧料，适用范围较为广泛。

无论从环境保护、经济效益方面，还是从可持续发展方面讲，再生技术都是一个具有发展前景的工程技术领域。沥青路面再生技术不仅可以降低成本三分之一以上，更重要的是在施工过程中将公路的旧沥青面层直接粉碎、拌和，作为基层骨料，提高了路基强度，更防止资源浪费，消除了旧混合料的废弃给环境造成的污染，在施工中减少了交通量和交通载荷，实现了材料的再利用，节能环保，减少环境污染。

建筑垃圾

建筑垃圾是指在建筑活动中产生的渣土、废旧混凝土、废旧砖石及其他废弃物，通常分为建筑施工垃圾和建筑拆除垃圾2类。建筑施工垃圾是指在施工现场中，不同结构类型建筑物所产生的建筑施工垃圾，其主要成分一致，各种成分含量有所不同，主要有散落的砂浆和混凝土、剔凿产生的砖石和混凝土碎块、打桩截下的钢筋混凝土桩头、废金属料、竹木材、各种包装材料等，约占建筑垃圾总量的80%。建筑拆除垃圾是指旧建筑拆除垃圾，相对建筑施工单位面积产生垃圾量，旧建筑物拆除垃圾的组成与建筑物的结构有关（图10）。旧砖混结构建筑中，砖块、瓦砾约占80%，其余为木料、碎玻璃、石灰、渣土等，现阶段拆除的旧建筑多属砖混结构的民居；废弃框架、剪力墙结构的建筑中，混凝土块约占50%～60%，其余为金属、砖块、砌块、塑料制品等，旧工业厂房、楼宇建筑是此类建筑的代表。

对建筑垃圾进行再利用的方式就是再生混凝土：将废弃的水泥混凝土块经过破碎、清洗、分级后，按一定比例与级配混合，部分或全部代替砂石等天然集料，再加入水泥、水等配置成新的混凝土。对建筑垃圾进行再利用，不仅节约资源，减少公路工程的建设成本，还保护了环境，具有很大效益。

对建筑垃圾再利用之前要对其进行预先处理，主要流程包括：对大粒径建筑垃圾进行破碎处理；对金属材料进行剔除，对砖块、混凝土块进行分离；对轻质物料及生活垃圾进行剔除、筛分处理。根据道路相关规范，要求路基填料的最大粒径小于100 mm，所以对于超粒径再生骨料需重新进行破碎，要充分保证建筑垃圾能够达到路用材料标准。

大量检测表明：建筑垃圾在潮湿的环境下稳定性很好，整体强度较高，是公路工程中良好的路基填料。将回收砖粉用作沥青混凝土矿粉与石灰石矿粉进行对比研究，结果表明，回收砖粉具有更高的间接拉伸模量和抗车辙能力，改善了混合料的水敏感性和疲劳寿命。通过静态、动态蠕变试验发现，其永久变形显著减少，高温抗车辙能力得到了提升（图11）。建筑回收料中含有的水泥、陶瓷、碎石等也可用作道路替代集料。将建筑回收料作为替代集料用于道路的研究结果表明，充分压实可提高路面承载能力、弹性模量和抗永久变形，适用于一般道路的基层和底基层。

再生材料的应用技术发展

通过对目前公路工程中所用材料的研究发现，工业再生材料的应用越来越多，研发力度和应用力度在逐渐加强，工业再生材料在公路工程中的应用整体朝着健康、快速、良性的方向发展。在未来公路工程事业的快速发展中，工业再生材料将成为更为重要的筑路材料，使公路具有多功能和环保属性。

未来公路工程中使用工业再生材料的发展趋势主要表现在以下方面。

（1）向着高效化方向发展。大量的应用实践表明，工业再生材料以其突出的优点成功地在公路工程中得到广泛应用，成为了公路工程中重要的材料之一。在未来的发展中，工业再生材料的特性和优势将得到进一步发挥，更加注重实用效果，比如大掺量的钢渣、玻璃、建筑垃圾将会作为道路路基、路面的集料和填充料等，同时各方面性能也将会达到相关的技术规范要求。工业再生材料在公路工程中的应用将朝着高效化方向发展。

（2）向着低成本化方向发展。目前工业废旧材料的收集、处理以及设备的购置、加工等过程的成本较高，导致工业再生材料在公路工程中的使用成本高，使得一部分再生材料只能在小范围内得到应用。因此，在公路工程中要想实现工业再生材料的大规模应用，就要努力降低工业再生材料的使用成本。从目前的发展趋势来看，工业再生材料正在朝着低成本化方向发展。

（3）注重环保性与功能性的结合。工业再生材料在公路工程中的应用，在实现其功能性的同时还要注重环保性，二者是统一的整体，只有两者的协同发展，才能充分体现出工业再生材料的价值。因此，工业再生材料的发展更加注重环保性和功能性，这是未来发展的重要趋势。

（4）更加注重研发新型材料。随着现代高科技手段和无污染的生产技术的进步，运用工业再生材料研发新型材料已成为可能，把新型材料运用到公路工程中可以实现路面的多功能化。比如用工业再生材料对沥青进行改性的同时，可以结合纳米技术制备纳米改性沥青，进而提高沥青的使用性能。以工业再生材料为基础材料，结合高科技手段研发新型材料，是工业再生材料应用发展的重要趋势之一。

制约工业再生材料推广的因素

目前制约工业再生材料推广应用的因素可分为技术、环境和经济三方面。其技术方面的因素主要包括五点。

（1）原材料成分波动不宜进行质量控制。质量变化大的工业废旧材料会影响公路工程的质量，并不利于其长期稳定性。钢渣等冶金废旧材料自身就是一种含有复杂成分的混合物，其中的矿物成分受到区域、冶炼技术水平及原材料等因素的影响，在公路工程中使用钢渣等冶金废旧材料无法形成统一的质量控制标准。翻修旧沥青路面过程中产生的废旧沥青混合料主要含有粗集料、细集料和旧沥青。粗、细集料是良好的建筑材料，一般不会因为路面的使用而发生性能上的重大变化，经简单处理可以直接再生利用（图12）；沥青则不一样，沥青的性能会随使用年限的不同发生不同的变化，旧沥青性能相对较差，成分也会发生变化，在对其进行再利用的过程中质量不容易控制。对废旧轮胎进行回收再利用的过程中，不同种类的轮胎含有的橡胶量和成分有所不同，对其再利用过程中，很难使它的成分具有一定的均匀性，从而影响了使用性能。建筑垃圾本身就是由混凝土、砖块、废旧金属、木材、塑料等废旧材料组成的，再利用过程中很难把不同废旧材料彻底分离开来，不易控制其再利用的质量。

（2）路用性能相对较低。在公路工程利用工业废旧材料时，选择再生利用的方式受道路性能、道路等级和类型的影响，由于不同等级和类型的道路对路面高、低温性能及耐久性等路用性能的要求不同，有的工业废旧材料应用到公路工程中的路用性能达不到规范要求，严重限制了工业再生材料在公路工程中的应用。

（3）现有加工技术的制约。在公路工程中实现工业废旧材料回收再利用的技术不够成熟，对废旧料的处理步骤比较简单，使用的设备不够先进，这些因素严重制约了工业再生材料在公路工程中的应用推广。

（4）环境方面的制约。在公路工程中利用工业废旧材料时要遵循环境保护原则，工业废旧材料的回收再利用要环保，不应对环境造成威胁。废物利用绝不能以产生新的污染为代价，应保证再生材料和产品符合有关环境质量标准的规定。

（5）经济方面的制约。在公路工程中利用工业废旧材料时应该具有一定的经济效益。工业废旧材料的收集、处理以及设备的购置、加工等过程的成本可能高于使用天然材料或非再生材料，施工单位会基于对经济效益的考虑而不予采用。因此，成本过高也是限制工业再生材料在公路工程中的应用的主要因素之一。

通过以上对制约工业再生材料推广因素的总结可以看出：在公路工程中，要想最大程度地实现工业废旧材料的回收再利用，应该从设备能力、技术条件、环境保护、成本控制、政策影响、道路等级和类型等方面综合考虑，选择最佳的再生利用方法。

工业再生材料的应用趋势及展望

随着基础设施建设大力开展，新建工程逐渐增加，公路工程建设的规模也突飞猛进，同时对破旧路面进行翻修的工作量也在不断增加。工业再生材料在公路工程中的应用不仅会减少资源利用，还能起到保护环境的作用，具有很大的经济效益和社会效益。根据工业废料的自身特征，经过一定的再生工艺，把它们应用到公路工程的各层结构中，均表现出了良好的路用性能（图13）。因此，在公路建设的设计阶段，应综合考虑环境和造价等因素，灵活运用设计指标，进一步细化设计，使设计方案更环保、更安全、更经济。

在公路建设过程中，本着节约能源的原则，应当充分利用可再生资源与技术，做到“变废为宝”，尽可能减少烟、气、及固体废物的排放，最终达到环保、节能、减少投资的目的。利用可再生技术，挖掘废弃垃圾的再次使用功能，使其成为公路工程中的材料，发挥工业废料再生技术及工艺在道路工程中的价值。这样不但可以发展一种新型的应用材料，也为以后铺路材料的发展开辟了新空间。

工业再生材料中含有大量的铝、铁、钙、硅等矿物质，从化学角度上看可利用性非常强，应根据再生材料自身特征对高效低成本再生工艺进行不断研究与探索，做到最大化利用再生材料。