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高速公路沥青路面就地热再生技术与经济效益分析

来源:石油沥青厂家   发布时间:2018-11-01   点击量:952

内容摘要:近年来,我国高速公路建设得到大力发展,截至2016年底,高速公路总里程已经突破13万km。目前,各地早期修建的高速公路陆续进入大、中修时期,传统公路维修方法通常为路面开挖回填,每年不仅会产生上亿吨旧沥青路面材料(RAP),而且工艺流程也较多,维修时间长、造价高,影响道路安全畅通。

石油沥青厂家

近年来,我国高速公路建设得到大力发展,截至2016年底,高速公路总里程已经突破13万km。目前,各地早期修建的高速公路陆续进入大、中修时期,传统公路维修方法通常为路面开挖回填,每年不仅会产生上亿吨旧沥青路面材料(RAP),而且工艺流程也较多,维修时间长、造价高,影响道路安全畅通。2012年,交通部明确提出了“‘十二五’末,高速公路路面旧料回收率达到100%,循环利用率达到90%以上”的工作目标。所以,采用切实可行的技术手段实现RAP的有效再生利用并提高其回收利用率已成为迫在眉睫的问题。

沥青路面再生技术为RAP的有效再生利用及其回收利用率的提高提供了解决方法。厂拌热再生技术可实现RAP50%的回收利用,就地热再生技术则可达到100%的旧料利用率。全球沥青路面就地热再生技术和应用设备研发始于20世纪70年代。2002年,中国在京津塘高速公路引入了维特根现场热再生设备并进行了现场热再生工艺的实践。近年来,南京英达沥青路面热再生机组、鞍山森远沥青路面热再生机组等国产设备技术也日趋成熟,已在不少工程中得到成功应用。本文基于试验研究和工程实践对RAP沥青评价、RAP沥青再生方法、最佳级配确定、施工温度及施工检验等沥青路面就地热再生技术特征进行分析,并结合就地热再生经济成本与社会效益分析,总结就地热再生技术的优劣势,以期为该技术的推广与应用提供指导。

沥青路面就地热再生工艺流程

沥青路面就地热再生是应用专用的就地热再生设备,将旧沥青混凝土面层加热至规定温度,待耙松至一定深度后,加入适量的新矿料、新沥青、沥青再生剂等材料,将其拌和均匀后进行现场摊铺并碾压成型。

就地热再生施工工艺流程主要有4个组成部分:原路面加热、原路面翻松、新料的添加与拌和、再生混合料摊铺碾压。

本文以重庆地区某高速公路路面AC-13就地热再生维修项目为例,对沥青路面就地热再生工艺流程进行介绍。该项目采用德国维特根就地热再生设备,该设备由1台RX4500型再生机和2台HM4500型加热机组成。施工时,首先用加热机将旧路面加热软化,然后用铣刨复拌机上的旋转式耙松器将加热后的路面铣刨翻松至所需深度,并将其输送到双轴强制搅拌器中;双轴强制搅拌器将一定比例的旧沥青路面材料、新沥青、粘结剂、新加沥青混合料搅拌均匀,且布料搅龙将来自搅拌器的再生沥青混合料均匀分配到预热后的下层上,然后机载熨平板将再生混合料按规定的纵横坡度摊铺并预压成型;最后采用压路机对摊铺后的路面进行压实,并使再生路面的路用性能达到设计要求。

沥青路面就地热再生技术特征分析

RAP沥青评价

RAP沥青是再生沥青混合料胶结料的重要组成部分,其含量大小与性能特点对再生混合料的性能和就地热再生加热效果影响非常大。本文介绍采用离心分离法抽提沥青后,通过阿布森回收试验回收RAP沥青,并测定其针入度、延度、软化点、粘度等指标,以评价旧沥青的老化程度,同时将RAP沥青与建设期沥青的初始性能检测结果进行对比。

依据RAP沥青与建设期沥青性能检测结果,对沥青性能变化进行了分析,可知:

1)RAP沥青的针入度和延度大幅降低,135℃旋转粘度增大,说明RAP沥青严重老化,沥青变硬变脆,塑性降低。

2)建设期所用沥青为SBS改性沥青,其SHRP(美国公路战略研究计划)性能分级为76-22。相较于建设期沥青,RAP沥青的车辙因子G*/sinδ明显提高,表明RAP沥青的高温性能得到提升。RAP沥青的低温蠕变劲度S和低温蠕变速率m指标检测结果均不再符合SHRP性能分级76-22的要求,表明RAP沥青的低温性能衰退。

3)RAP沥青的软化点降低,其原因可能是沥青老化过程中,SBS分散在基质沥青中形成的宏观均匀体系的稳定性遭到破坏,SBS和沥青分离,致使沥青软化点降低。

RAP沥青再生方法

沥青在老化过程中会出现组分迁移、芳香酚减少、沥青质増多、沥青质和胶质的相容性降低等现象。而再生剂含有较高比例的芳香酚和较少的沥青质,其可与RAP沥青中这2种组分的含量形成互补,对RAP沥青进行组分协调,从而改善沥青的相容性,使RAP沥青得到再生。

再生混合料中添加的再生剂应具有适当粘度,应有较多芳香酚且较少饱和酚,并应具有溶解和分散沥青质的能力,以及良好的流变性质、良好的与沥青配伍性、一定的耐热性和耐候性。

需要注意的是,再生剂主要是针对基质沥青的老化研发的,而SBS改性沥青的老化不但包括沥青组分的迁移,而且还伴随着改性剂的裂解和失效。我国高速公路上面层普遍采用SBS改性沥青,研究表明,SBS改性沥青的优良性能来源于SBS聚合物在基质沥青中形成的趋于连续相的交联网络结构,而再生剂不具备修复SBS交联网络结构的功能,因此很难真正实现SBS改性沥青的再生。改性沥青路面就地热再生技术中应用再生剂只能起到降低RAP沥青粘度和改善施工和易性的作用,对RAP沥青和再生混合料性能的提升效果不仅不明显,而且还会使再生路面的高温稳定性降低,从而容易导致车辙病害。因此,对于SBS改性沥青路面应用就地热再生技术,有待于寻求其它方法来提升RAP沥青及再生混合料的性能。

最佳级配确定

本文根据抽提试验检测得到重庆地区某高速公路路面RAP的级配。可知相较于建设期AC-13沥青混合料,RAP的级配偏粗。根据以往的施工经验,发现间断级配沥青混合料SMA中大粒径骨料经过长时间的嵌挤、摩擦后其粒径棱角破碎,骨料尺寸变小,原集料级配偏细。为此,进行原路面为SMA的再生沥青混合料配合比设计时,新料可采用有较大粗集料含量的断级配以对旧料级配进行一定的调整。但与SMA不同的是,密实级配沥青混合料AC中细集料在长期交通荷载作用下易被车轮带出,从而导致原集料级配偏粗。因此,进行原路面为AC的再生沥青混合料配合比设计时,应添加比原路面混合料级配偏细的新料。

施工温度

沥青混合料是典型粘弹性材料,其粘弹性状直接受温度控制,因此,在就地热再生施工中,温度是最重要的控制因素。

就地热再生路面宜在较高温度条件下施工,当气温或路面温度低于15℃时不宜铺筑。在沥青路面就地热再生施工过程中,需使用数字显示插入式热电偶温度计及红外线温度计对施工温度进行实时监控量测。

旧沥青路面就地热再生加热是一个连续过程。路面加热时,热量从路表面连续向表层内4~5cm处传导,由于沥青路面本身的热传导特性,加热过程中沥青路面深度方向的温度梯度大,所以加热均匀和减轻沥青老化较为困难。

由于沥青路面材料为不良热导体,易出现表面温度过高而下部温度还不满足要求的情况,因此仍有待于对旧沥青路面的传热机理及热再生机组的热量输出规律进行研究,以实现热再生机组输出热量与沥青路面热传导特性之间的合理匹配。施工时,应针对热再生机组不同其所对应位置的路面温度就不同的条件来合理设置加热器参数,并可采用间歇加热等方法来减小温度梯度,控制施工质量,提高加热效率。

施工检验

施工全部结束后,必须进行沥青混凝土质量检验,检验内容主要包括沥青路面就地热再生施工工作面的平整度、压实度及抗滑性等是否达到规范要求。

完成再生施工后的路面应平整、密实,不能出现松散、裂缝、明显离析和泛油等现象。搭接处应紧密、平顺,且需满足热粘结要求。

经济及社会效益分析

经济成本分析

本文对重庆地区某高速公路路面AC-13就地热再生沥青混合料与某普通热拌沥青混合料AC-13原材料成本进行了比较。由于砂石料运输费用较高,本文采用的原材料价格均为含运费的到工地价格。

可知,与同级配普通热拌沥青混合料相比,RAP掺量为88%的热再生沥青混合料其材料成本节约率为73.7%。这一结果与张筱薇等的研究成果相近。与铣刨重铺工艺相比,采用就地热再生工艺还可省去铣刨、废料运输处理以及废料永久占地费用。

然后,采用就地热再生技术进行路面维修施工需要较大的固定资产投资。根据长安大学翟佳对就地热再生设备投资回收期的计算分析,7年内可以回收就地热再生设备的初始投资,而其他大型设备一般回收期多为10~15年,因此就地热再生技术的固定资产投资收益也是可观的。

社会效益分析

沥青路面就地热再生技术的社会效益主要体现在以下几个方面:

1)可实现旧沥青路面材料100%回收利用。加热软化工艺可使沥青路面材料间粘聚力降低,铣刨回收过程中对集料级配的破坏最小。施工产生的振动、噪音小,CO2排放量减少,有利于环境保护。

2)对公路通行能力影响小,施工结束后1~2h就可以开放交通。

3)新旧路面的层间结合、施工路幅间的结合都是热接,从而可完全避免车道接缝所产生的纵向开裂。

结论

本文对高速公路沥青路面就地热再生技术技术特征和经济、社会效益进行了分析,并基于试验研究和工程实践,得出以下结论:

1)RAP中的沥青在自然因素(光、水、热)的作用下会发生老化,变硬、变脆,性能衰退。再生剂可以对RAP沥青进行组分协调,使RAP沥青得到再生。但再生剂不含SBS,难以恢复SBS改性沥青的优良性能。

2)原路面类型为密实级配沥青混合料AC的RAP级配偏粗,故在路面就地热再生施工过程中应添加比原路面混合料级配偏细的新料。

3)RAP掺量为88%的热再生沥青混合料其材料成本节约率为73%,投资较大的就地热再生设备具有较短的投资回收期,故采用就地热再生技术其经济效益相当可观。

4)采用就地热再生技术维修处治高速公路沥青路面,可节约资源与能源,有利于环境保护,并可快速开放交通。


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