废旧沥青路面再生利用研究现状与进展

李清富　裴俊杰　吕小永　陈渊召

摘 要：废旧沥青路面再生利用是世界各国广泛研究和推广应用的一项重要技术，是减少资源浪费、保护环境、提高经济效益和社会效益的迫切需要。本文在对现有废旧沥青路面再生利用进行研究和应用总结的基础上，分析了国内外废旧沥青路面再生技术的研究现状，从沥青路面老化与再生、再生工艺、再生剂的使用等方面阐述了废旧沥青路面再生的研究进展，以期能对今后的研究与应用提供参考。

关键词：沥青路面;沥青混合料;回收沥青路面材料;再生剂;再生沥青

中图分类号：U416.2 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）20-0108-04

Research Status and Progress of Recycling and Utilization of

Waste Asphalt Pavement

LI Qingfu1 PEI Junjie1 LYU Xiaoyong2 CHEN Yuanzhao3

（1. School of Water Science and Engineering， Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001;2. Jiyuan Highway Administration Bureau，Jiyuan Henan 454650;3. North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

Abstract： The recycling of waste asphalt pavement is an important technology widely studied and popularized by countries all over the world. It is an urgent need to reduce resource waste， protect the environment， and improve economic and social benefits. Based on the research and application summary of the existing waste asphalt pavement recycling， this paper analyzes the research status of waste asphalt pavement regeneration technology at home and abroad， and expounds the research progress of waste asphalt pavement regeneration from the aspects of aging and recycling of asphalt pavement， recycling technology and the use of recycling agent， in order to provide reference for future research and application.

Keywords： asphalt pavement;asphalt mixture;reclaimed asphalt pavement （RAP）;recycling agent;recycled asphalt

沥青路面在世界各国均占有相当大的比例，特别是高等级公路路面，沥青路面的占比甚至超过90%。随着世界各地沥青路面道路的老化，每年的养护改造等作业产生了大量的废旧沥青路面材料（RAP），若将其废弃，不但占用土地，而且会导致较严重的环境问题。研究发现，在新沥青混合料中掺入RAP可以显著节省成本[1，2]，所以将其掺入新的混合料中再生利用显现出巨大的经济和环境效益。旧沥青混合料不仅可以用于生产再生沥青路面，节约成本，还可降低运输产生的碳排放量，显著减少道路建设的碳足迹。

多年来积累的经验表明，沥青路面回收是一种技术上可行的施工和修复技术。合理设计的添加回收材料的混合料在许多情况下与传统路面的性能表现类似，甚至优于传统的路面结构层[3]。废旧沥青路面再生技术具有环境友好、资源浪费较低、经济社会效益明显等优点，现已被世界各国广泛研究和推广应用。美国、德国以及日本等发达国家很早就开始发展沥青路面再生利用技术，如今已经形成了比较规范的再生利用技术体系[4]。2012年，我国交通运输部明确指出：到2020年，全国公路路面旧料循环利用率要达到90%，基本实现路面旧料的回收与循环利用。随着我国沥青道路大规模进入维修养护階段，对于旧沥青路面再生技术的进一步研究显得非常迫切。

1 沥青路面的老化与再生

沥青的老化主要有短期老化和长期老化。沥青短期老化（即硬化）的主要原因是在高温（160～180℃）环境下，较轻的芳香烃、环烷烃等在沥青储存过程中发生挥发和混合转化，而长期老化主要是由道路运营期间的氧化作用导致的，另外可能造成老化的因素是紫外线（UV）辐射[5，6]。由于RAP回收自旧沥青路面，其性能特征在很大程度上受沥青老化的影响，由此产生的特性变化包括渗透性降低、软化点增加、黏度增加、延展性、黏聚力降低、集料和沥青的黏附性降低等。此外，沥青的自我修复能力出现下降。沥青再生机理的研究目前有两种理论：一是胶体组分调和理论，二是溶液相容性理论。

Nie等人[7]基于道路沥青的四组分理论，以泰州70#重交通道路沥青为材料，用薄膜烘箱试验制备分别老化25、35、50h的沥青，用沉淀法和色谱分析测定了老化沥青再生的四组分变化。通过老化试验得出，随着老化时间的增加，沥青质和胶体转化率降低，饱和烃损失速度降低，但芳香烃损失速度加快。通过再生试验的测定值和理论计算结果的比较得出，沥青再生时的四组分变化基本符合理论值，但不完全调和，部分胶质和沥青质在回火过程中发生化学反应，转化为饱和烃和芳香烃。但具体的化学转化方式尚不清楚，而且沥青四组分的再生效果取决于旧沥青用量、老化程度、再生剂组分以及用量等诸多因素。

Mikhailenko[8]等人采用通风式烘箱模拟沥青路面使用中热氧作用的长期老化，基于红外光谱分析，使用FTIR-ATR显微镜对老化沥青的氧化性质进行试验分析，得出沥青在烘箱老化的前24h失去了大部分挥发物，且C=O键和S=O键含量变化是沥青老化的一致指标，其含量在长达7d的烘箱老化中不断增加。研究表明，S=O比C=O更能清楚地表征氧化作用。通过FTIR显微镜对微观结构进行分析，发现沥青氧化发生在集料周围最明显的地方，同时通过FTIR-ATR分析一种可降解的生物再生剂，发现添加再生剂对降低沥青中S=O的数量作用明显。由此可以得出，再生剂可以通过减少老化沥青中的S=O来修复长期老化的热氧作用对沥青路面带来的损害。沥青氧化对沥青流变性能的影响，表现为羰基含量的变化。相关研究人员从动力学出发，用差示扫描量热法（DSC）和傅立叶变换红外光谱（FTIR）测定了沥青的结晶部分（CF）和羰基（CQO）含量，并用一阶Arrhenius方程描述了其含量的变化，发现黏附力的降低、硬度增加与结晶组分含量的变化和沥青氧化有关，且更多地取决于羰基的变化，而不是取决于结晶组分含量的变化。

人们已经使用不同的方法研究了新旧沥青胶结料之间的混合规则，当新沥青混合料中加入RAP时，新沥青和从RAP中提取的老化沥青之间可能会出现不同程度的混合。因此，可能有以下三种情况：不混合、部分混合和完全混合。没有混合的情况也被称为黑岩理论，即新旧沥青胶结料之间没有发生有效的混合，旧的沥青胶结料是作为集料的一部分来发挥作用的。另一个极端情况是新旧沥青胶结料完全混合，获得了均匀的沥青胶结料。部分混合的情况是指尽管发生了一些混合，但部分旧沥青不能有效地参与其中。Mangiafico等人[9]通过统计比较含RAP的沥青混合料的机械性能，得出结论：RAP没有起到黑岩的作用，而是在RAP和新添加的黏合剂之间发生了不可忽略的部分混合。研究人员提出了量化沥青混合料均匀性的两个参数：刚度梯度因子（SGF）和均匀性指数（IH）。研究结果表明，在回收的混合料中，再生和老化都是由外向内发生的，外层沥青受老化影响最大，内层受老化影响较小，当试件被加热时，再生剂的扩散加速，导致再生沥青混合料的均匀化。

2 再生工艺

综合国内外的研究，按照工艺方式的不同，沥青路面再生利用技术可以分为热再生和冷再生，也可以分为就地再生和厂拌再生。

实验室模拟厂拌热再生的过程主要有两种方法：SHRP方法和现场模拟方法（FS）。在SHRP法中，在与新集料和沥青混合之前，先将RAP在110℃下预热2h。该方法模拟了RAP组分的厂内预热过程。由于蓝烟排放，预热RAP会造成环境污染。但这一问题可以通过应用气体排放控制设备等方法来解决，另一个由预热引起的问题是加热过程中RAP的老化。在FS方法中，在与新沥青混合之前，将RAP与过热集料（215℃）混合，直到RAP块的尺寸变化变得不明显。这种方法的缺点是从集料传递到RAP的温度可能不足以干燥和加热RAP，为了解决这个问题，可以将RAP进行分级处理，以便RAP与原始集料混合，增加混合料的均匀性。

影响厂拌热再生沥青混合料性能的关键生产参数有拌合时间、混合料排放温度和料仓储存时间等。Zhang K[10]等人对厂拌热再生的生产条件进行了研究，研究结果表明，当混合料排放温度较高时，生产的不含RAP混合料甚至比含RAP的混合料更硬，这表明混合料排放温度可能是影响沥青混合料质量的一个关键因素，较低的混合料排放温度可能导致RAP混合料不完全混合，而较高的混合料排放温度可能导致更硬的RAP混合料，其具有更高的开裂敏感性。料仓储存时间对再生沥青混合料的影响具体表现为刚度随储存时间而变化。较长的料仓储存时间会提高混合料的刚度，随着料仓储存时间的增加，含RAP的混合料的刚度增量比不含RAP的混合料的刚度增量大得多。基于上述对厂拌热再生RAP混合料的试验研究，可以对混合料生产做出指导，拌制过程中应控制好混合料排放温度。人们应确定最短储存时间，以允许再生剂扩散完成，还应确定最大储存时间，避免胶结料的不可逆氧化。

冷再生工艺生产的路面一般作为基层底基层来使用，即冷再生工艺碾磨并粉碎旧沥青路面后，将其与黏合剂混合压实，并需要在其上加铺面层方能投入使用。冷再生沥青路面的性能几乎完全依赖于碾碎的旧沥青路面材料的性质。此外，与所有柔性路面系统一样，冷再生沥青路面的压实度对性能来说至关重要。人们通过实验室研究，将热拌沥青路面中的压实指标作了修改并应用于指导冷再生沥青路面施工，评估了五个新的壓实指标：旋转至76%密度的次数、旋转压实指数、压实能量指数、可加工性能量指数和施工压实指数。

3 再生剂在RAP中的使用

再生剂是通过恢复沥青质、胶质与芳香烃、饱和烃的比例来恢复RAP性能的产品。在RAP中加入这些产品可以逆转RAP沥青老化过程，使老化的胶结料得到有效利用。其中一些产品能够部分恢复老化沥青的化学成分，而另一些产品通过软化老化沥青胶结料使新旧混合料发生混合。许多再生剂含有轻质沥青组分，以恢复因氧化老化而在使用期间损失的芳香烃、饱和烃等。在使用再生剂时，人们要注意：要改变胶结料的流变性，提高低温下的抗疲劳性和抗裂性，同时避免胶结料过度软化老化而出现车辙问题;要注意新旧胶结料之间的黏合性，以防止再生混合料中出现水损害和剥落问题。再生剂提高了沥青的针入度，降低了软化点温度，从而降低了沥青的黏度。但是，这并不能使老化的胶结料被完全利用，部分RAP胶结料仍然以黑岩的形式存在，只起到集料的作用。在混合料性能方面，引入再生剂会导致混合料的刚度模量增大，提高其抗疲劳性和低温稳定性。市场上已经有很多再生剂，很多新产品具有不同的来源（回收和不回收）。对于不同的再生剂，最重要的是确定最佳剂量，可以根据提取的RAP沥青特性、沥青等级和混合料中老化部分的含量来确定剂量，从而确保再生沥青混合料的最佳性能[11]。

Zaumanis等人測试了废机油、废植物油、芳香族萃取物等在内的六种不同的再生剂对再生沥青混合料的影响，研究发现，这六种再生剂都能够满足结合料疲劳特性和工作性要求，相比而言，废机油需要更高剂量[12]。所有产品都能确保优异的抗车辙能力，同时再生剂的加入增加了疲劳寿命。但再生混合料的压实需要更多的压实功，此外一些再生剂稍微降低了抗水损害的能力。这些再生剂可分为有机产品和石油产品。研究表明，有机再生剂比石油再生剂需要更少的剂量，而且往往更有效。

再生剂改善了再生沥青混合料的性能，降低了拌合温度，这意味着能耗更低。此外，添加再生剂的再生混合料对进一步老化的敏感性降低，这意味着寿命更长。因此，沥青混合料的多重再生循环利用是可行的。多重再生是指在不损失材料性能的情况下，使其能够经受多个再生循环过程。在回收过程中，可以执行一些价值化操作，如粉碎和分级。这样可以保证材料的性能，从而更好地控制混合料性能。

基于不同的RAP含量和是否加入再生剂的再生沥青混合料试验研究，不同的研究人员得出了不同的结果，原因可能是RAP的添加导致实验室试验结果的变异性增加。研究结果表明，RAP材料需要充分加热，以促进RAP黏合剂和原始黏合剂之间的混合，否则RAP将更像一种黑色岩石材料，由于RAP颗粒的级配一般比原始集料粗，不完全加热将导致混合料的级配比预期粗，因此空隙率将高于预期值。一般而言，RAP混合料的现场性能与实验室结果表现一致。由于刚度的增加，更硬的混合料隐藏着更高的开裂潜力，因此与不含RAP的混合料相比，RAP混合料表现出更高的开裂倾向，这样，RAP混合料的预期寿命将小于原始的沥青混合料。相反，有人发现，与不含RAP的混合料相比，具有较高RAP含量的混合料的刚度模量较低，这可能与新沥青含量较高、级配较细等因素有关。为此，要对RAP的性质以及再生剂发挥作用的内在机理进行更深入的研究。

4 结论

由于国情的不同，我国的道路建设与发达国家存在差异。目前，我国再生沥青路面研究不够成熟，还未建立完备的废旧沥青混合料再生利用标准，在废旧沥青混合料利用率、再生剂性能和推广程度等方面还存在诸多问题。综合国内外的研究现状可以发现，未来再生沥青路面的发展方向主要有：在保证再生沥青路面结构稳定和各项性能满足要求的前提下提高RAP的掺量，提高RAP的利用率;研究开发新型经济的再生剂;多重再生回收利用;规范指导现场生产的质量控制条件，制定规范的标准。为解决这些问题，应着重加强沥青混合料再生理论的系统研究，在深化基础研究的基础上加强标准化建设，形成符合我国国情的规范体系。在试验规程、设计方法、质量评价和指导施工等方面，我国要加强与外国的交流合作，推动废旧沥青混合料再生技术的高质量发展，降低工程造价，减少资源浪费，充分提高其经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]Zaumanis M，Mallick R B，Frank R.100% Recycled Hot Mix Asphalt：a Review and Analysis[J].Resources Conservation and Recycling，2014（92）：230-245.

[2]陈静云，王维营，孙依人，等.100%人工老化沥青的温拌再生结合料性能评价与化学特性分析[J].东南大学学报，2017（1）：91-95.

[3]薛彦卿，黄晓明.厂拌热再生沥青混合料力学性能试验研究[J].建筑材料学报，2011（4）：507-511.

[4]樊统江，徐栋良，贾敬鹏，等.沥青砼路面再生技术及其在国外的发展[J].重庆交通学院学报，2007（3）：82-87.

[5]马涛，黄晓明，张久鹏.基于材料复合理论的老化沥青再生规律[J].东南大学学报（自然科学版），2008（3）：520-524.

[6]Siddiqui M N.Studies on the Aging Behavior of the Arabian Asphalts[J].Fuel，1999（9）：1005-1015.

[7]Nie YH，Zhang YL，Yu JY.Research on Aging Mechanism and Recycling Mechanism Based on Asphalt Four Components Analysis[J].Applied Mechanics and Materials，2012（204）：1659-1664.

[8]Mikhailenko P，Bertron A，Ringot E.Methods for Analyzing the Chemical Mechanisms of Bitumen Aging and Rejuvenation with FTIR Spectrometry[C]//8th RILEM International Symposium on Testing and Characterization of Sustainable and Innovative Bituminous Materials.2015.

[9]Mangiafico S，Sauzéat C，Benedetto H D.Comparison of Different Blending Combinations of Virgin and RAP-extracted Binder：Rheological Simulations and Statistical Analysis[J].Construction and Building Materials，2019（197）：454-463.

[10]Zhang K，Huchet F，Hobbs A.A Review of Thermal Processes in the Production and Their Influences on Performance of Asphalt Mixtures with Reclaimed Asphalt Pavement （RAP）[J]. Construction and Building Materials，2019（206）：609-619.

[11]索智，季节，满琦，等.植物油再生沥青的性能研究[J].北京工业大学学报，2016（7）：1062-1065.

[12]Zaumanis M，Mallick R B，Frank R.Determining Optimum Rejuvenator dose for Asphalt Recycling Based on Superpave Performance Grade Specifications[J].Construction and Building Materials，2014（69）：155-166.