馬 峰, 邢海鵬, 盧現(xiàn)林

(1.長安大學公路學院，陜西 西安 710064)(2.長安大學材料學院，陜西 西安 710064)

1 前 言

如今，公路交通建設中所用的瀝青材料大部分仍是取自石油瀝青，但隨著建設事業(yè)的迅速發(fā)展，過度開采和使用已使石油資源面臨枯竭，從而在公路建設中逐漸暴露出石油瀝青供應不足的矛盾。據(jù)相關統(tǒng)計，美國每年約產生1000萬噸的廢棄屋面瓦和100萬噸人造屋面瓦廢料[1]。每個屋面瀝青瓦約含有40%～55%的礦物集料和平均含量為30%的瀝青含量，如果相關部門能將這部分瀝青材料進行循環(huán)利用，每年則可節(jié)省約11億美元[2]。根據(jù)中國建筑防水協(xié)會統(tǒng)計資料顯示，2013年我國瀝青瓦產量約為3446萬平方米，主要為玻纖胎瀝青瓦[3]。根據(jù)我國《玻纖胎瀝青瓦技術規(guī)范》(GB/T 20474-2006)[4]所述相關規(guī)格要求進行估算，我國每年瀝青瓦產量為15萬噸以上且呈現(xiàn)迅速增長的態(tài)勢。屋面瀝青瓦材料含有較高含量的瀝青，如若這些瀝青材料不經處理，不僅會對環(huán)境造成極大負擔，而且也是一種資源浪費。原油市場的價格波動使瀝青膠結料的成本大幅提升，而瀝青瓦處理加工技術的進步對瀝青瓦材料用于瀝青路面創(chuàng)造了良好的市場條件[5, 6]。因而對廢舊瀝青瓦材料進行回收再生利用具有良好的經濟效益和環(huán)境效益。

早在20世紀90年代就開始涌現(xiàn)出許多回收瀝青瓦材料用于瀝青混合料及其諸多性能的相關研究[7-9]。這些研究初步將回收瀝青瓦材料用于瀝青混合料中，并對產生的瀝青瓦改性瀝青混合料的路用性能進行一定的試驗研究，從而證實了廢舊瀝青瓦材料用于再生瀝青混合料的可行性。近些年許多國家已經實現(xiàn)了將廢舊瀝青瓦材料用于再生瀝青混合料中，并已形成一定規(guī)模，甚至出臺了瀝青瓦材料再生瀝青混合料的相關規(guī)定與規(guī)范[10, 11]?；诨厥諡r青瓦材料再生瀝青混合料良好的環(huán)境效益和經濟效益，本文綜述了回收瀝青瓦瀝青混合料再生方法及其性能，為回收瀝青瓦用于再生瀝青混合料的生產實踐提供參考。

2 回收瀝青瓦及其再生方法

2.1 回收瀝青瓦

瀝青瓦是美國、加拿大等國最受歡迎的屋面防水建材，占據(jù)屋面建材市場的三分之二左右[12]。瀝青瓦具有易于安裝、質量輕、成本低及維護要求低等優(yōu)點，近些年來其在國際屋面建材市場占有較高比重。目前我國國內所生產的瀝青瓦主要是玻纖胎瀝青瓦，此種瀝青瓦含有約20%～40%瀝青、40%～70%骨料顆粒和1%～25%的纖維[13]?；厥諡r青瓦大部分是從屋頂工程承包商中回收的拆除后的瀝青瓦，而此種來源的瀝青瓦往往含有較多的雜質，包括粘帶有房屋木屑、用于固定的鐵釘或進行膠粘的紙屑等，而這些雜質可通過專用瀝青瓦粉碎機將瀝青瓦粉碎至所需粒徑，同時通過磁鐵吸引和鼓風等處理環(huán)節(jié)清除廢舊瀝青瓦中所含有的鐵釘、木屑、紙屑等雜質[14, 15]。由于玻纖胎瀝青瓦近些年才被普遍推廣應用，而早些年所生產使用的瀝青瓦因采用纖維素纖維和紙質添加物，能夠吸收更多的瀝青，故在瀝青瓦的回收過程中最好將其分類以使資源高效利用[11]。

2.2 回收瀝青瓦的再生方法

回收瀝青瓦的再生方法主要分為兩類：一類是將回收瀝青瓦粉碎至指定粒徑后直接與新瀝青、新骨料及一些添加劑拌合；另一類是從破碎后的瀝青瓦材料中提取瀝青，再將該瀝青與改性劑或再生劑進行混合用來拌合瀝青混合料。

在大多數(shù)的研究中，回收瀝青瓦再生技術往往與熱拌和溫拌瀝青混合料制備工藝相結合。因溫拌降低了瀝青混合料的拌合溫度和壓實溫度從而減少了能源消耗和夯實量，故而溫拌技術與回收瀝青瓦相結合具有更高的經濟環(huán)境效益[16]。近些年來，也有許多科研和生產人員將溫拌技術和回收瀝青瓦材料相結合進行研究并取得了許多成果[16-20]。

熱拌瀝青混合料的瀝青瓦再生方法主要分為干拌和濕拌兩種方法[21]。一種是將分類回收的瀝青瓦進行粉碎，通常最大粒徑為12.5～19.0 mm，通過干法將其作為骨料添加至混合料中，借助拌合過程中的高溫環(huán)境使瀝青瓦中的老化瀝青與新瀝青進行混合；另外一種是將回收瀝青瓦材料研磨至超細粒子(80%以上通過200號0.075 mm篩)與瀝青在高溫條件下進行混合后再與骨料進行拌合，即為濕拌法。NAHB[10]和Foo等[22]通過具體試驗得出最佳的回收瀝青瓦添加量為5%左右。

溫拌瀝青混合料的瀝青瓦再生方法主要通過發(fā)泡技術和添加劑來實現(xiàn)[23]。根據(jù)ASTM D2172和ASTM D5404對回收瀝青瓦材料中的瀝青進行提取和修復，常用甲苯-乙醇為萃取化學溶劑，粘接劑和骨料被離心機充分分離后，再進行蒸發(fā)和凈化[11, 24]。Zearley[25]最早提出階段性萃取方法，這種方法假設集料外包裹的瀝青為分層結構，用瀝青溶劑進行階段性萃取，之后Huang等[26]和Bowers等[27]也證實了這種萃取方法的可行性。Zhang等[28]和Zhao等[29]也證實此萃取方法可更高效地提取瀝青瓦中的瀝青。

由于瀝青瓦生產過程中需吹入氧氣使瀝青膠結料氧化，并且瀝青瓦在使用過程中還會進一步老化，因而提取出的瀝青需要與新瀝青或再生劑進行混合以平衡瀝青瓦在老化過程中所損失的軟質瀝青組分[11]。將改性后的提取瀝青加熱至135 ℃后通過發(fā)泡機注入冷水進行發(fā)泡，再與新骨料進行拌合。另一種方法是向瀝青中添加生物有機類、蠟類改性劑或其他化學添加劑，以降低拌合所需溫度或提高瀝青對骨料的包裹效果、混合料的工作性和黏附性等[24, 30, 31]。

由于回收瀝青瓦具有豐富的瀝青、規(guī)則的棱角性、纖維素或玻璃纖維，其還可用作冷補材料。將瀝青瓦粉碎至12.7 mm大小并與骨料、瀝青或混合乳劑進行拌合產生冷補材料[7, 12]。目前英、美兩國已有許多公司批量生產回收瀝青瓦冷補產品，使回收瀝青瓦材料在道路冷補材料生產領域得以推廣[32]。

3 性能分析

3.1 RAS瀝青膠結料性能分析

3.1.1 粘度

Oldham等[1]根據(jù)ASTM D4402所述標準，用布氏旋轉粘度儀對瀝青瓦改性后的瀝青膠結料試樣和生物改性后的瀝青瓦改性膠結料試樣進行粘度測試，測試時紡錘速度分別設定為5，10，20，25，50和100 r/min。通過旋轉粘度測試數(shù)據(jù)可看出，瀝青瓦改性瀝青膠結料在不同溫度下均表現(xiàn)出隨瀝青瓦摻量增加而膠結料粘度提高的趨勢，隨著溫度的升高，瀝青瓦對瀝青膠結料粘度的影響也隨之減小。此外，引入生物改性技術可明顯降低瀝青瓦改性膠結料的粘度，削弱瀝青瓦改性膠結料因粘度提高而出現(xiàn)的硬化問題。

3.1.2 抗車轍性能

Oldham等[1]根據(jù)ASTM D7175-08標準，分別在40，46，52，58，64，70和76 ℃測定溫度下，分別選取角頻率為0.001，0.1，0.11，1，1.1，5，10和25 rad/s進行動態(tài)剪切流變試驗(DSR)。將瀝青瓦改性膠結料加熱至150 ℃后注入試模(直徑25 mm，深1 mm)中，冷卻至室溫后置于DSR震蕩板上，設定上下震蕩板間距為1000 μm進行測試。通過測試結果可以看出，在所有設定的角頻率下，瀝青膠結料的復變模量G*隨瀝青瓦含量增加而增加。通過復變剪切模量主曲線可看出，角頻率較低時，隨著瀝青瓦含量的增加，瀝青瓦對基質瀝復變模量的影響愈趨明顯，而生物改性技術的引入可明顯降低瀝青瓦改性膠結料在高頻率下的復變模量。抗車轍因子(G/sinδ值)可用來表征膠結料的抗車轍性能，通過DSR試驗數(shù)據(jù)可得，瀝青瓦改性膠結料試件的抗車轍因子明顯提高，表明瀝青瓦改性膠結料表現(xiàn)出更好的抗車轍等永久變形性能。

3.1.3 低溫及抗裂性能

Oldham等[1]根據(jù)歐洲試驗標準CEN/TS 15936進行三點彎曲試驗來表征瀝青瓦改性瀝青膠結料的低溫抗裂性能。將試驗模具在60 ℃下預熱10 min后，將瀝青瓦改性瀝青膠結料加熱至150 ℃注入模具中，并用25 μm厚的聚四氟乙烯薄膜切割成小梁，冷卻至室溫后進行倒模。測試時以0.01 mm/s的加載速率對試件進行加載，直到試件發(fā)生脆裂破壞或達到4 mm撓度時再終止試驗。測試時所選取的測試溫度應處于脆性斷裂溫度和延性狀態(tài)溫度之間，從而確定極限開裂溫度(LCT)。通過測試數(shù)據(jù)可以看出，瀝青瓦含量增加到40%前，膠結料的極限開裂溫度并未有明顯變化。

Oldham等[1]還通過直接拉伸試驗(DTT)對瀝青瓦改性膠結料的低溫性能進行研究。將瀝青瓦改性膠結料試樣加熱至150 ℃后注入模具中，室溫條件下養(yǎng)護60 min。冷卻箱設定試驗溫度(-12 ℃和-18 ℃)后，需持續(xù)60 min后再進行試驗。根據(jù)ASTM D6723-12標準，通過對試件進行拉伸來確定瀝青膠結料的破壞應變和破壞應力。DTT試驗最終可確定兩個參數(shù)，即斷裂能和延度。通過試驗結果可看出，對低瀝青瓦含量的試件，膠結料的破壞應變有小幅提升，但隨瀝青瓦含量進一步增加，破壞應變隨之降低。瀝青瓦改性膠結料的斷裂能峰值出現(xiàn)在5%瀝青瓦含量處，之后隨瀝青瓦含量增加，斷裂能隨之降低。延度是評價瀝青瓦改性膠結料低溫性能的另一個重要指標，可通過一定時間內膠結料DTT試驗拉伸應變長度變化計算得到。通過延度測試結果可看出，在-12 ℃測試溫度下，瀝青瓦改性膠結料的延度峰值出現(xiàn)在5%瀝青瓦含量處，之后隨瀝青瓦含量增加而降低；而在-18 ℃測試溫度下，瀝青瓦改性膠結料的延度略有提高，峰值出現(xiàn)在15%瀝青瓦含量處。因此，對于較低含量的瀝青瓦改性膠結料而言，在較高溫度下其延度改善效果更加明顯。

3.2 RAS改性瀝青混合料性能分析

3.2.1 低溫性能

Arnold等[13]制備含有0%，2.5%，5.0%，7.5%，10%和12.5%瀝青瓦含量的混合料試件，并在3種不同溫度(120，155，200 ℃)進行拌合制件。根據(jù)ASTM D7313進行盤裝緊湊拉伸試驗(DCT)來評價含有不同RAS含量瀝青混合料試樣的斷裂特性。分別對DCT試驗后試件斷裂的兩部分進行聲發(fā)射試驗(AE)，瀝青混合料的脆化溫度可通過降溫冷卻(15 ℃到-50 ℃)過程中AE測試試件的聲發(fā)射響應量記錄來估算出。通過DCT試驗可觀察到隨著RAS含量的降低，試件的斷裂能也隨之降低。摻入氧化的RAS材料導致混合料的剛度更高且更易碎，從而表現(xiàn)出更低的斷裂能。但因其剛度及最大斷裂荷載的提高可推測出摻入RAS對其高溫性能有益。AE試驗表明，很小成分的瀝青瓦添加量能明顯提高瀝青混合料的脆化溫度，而更高的拌合溫度能夠降低RAS再生瀝青混合料的脆化溫度。

3.2.2 抗車轍性能

Sengoz等[8]對含有1%瀝青瓦材料和不含瀝青瓦材料的熱拌瀝青混合料試件進行車轍試驗。該車轍試驗采用LCPC路面車轍試驗儀對試件分別進行100，300，1000，3000，10000，30000和50000次循環(huán)加載測試。試驗結果表示，10000次循環(huán)加載測試后，摻有1%瀝青瓦材料的瀝青混合料試件僅有4 mm的車轍深度，而未摻有瀝青瓦材料的瀝青混合料試件則產生16 mm的車轍深度。含有1%瀝青瓦的瀝青混合料試件車轍深度經30000次循環(huán)加載后其極限車轍深度僅為7.5 mm。Buss等[16]對回收瀝青瓦再生溫拌瀝青混合料試件分別進行動態(tài)模量測試、重復加載永久變形試驗，結果表明溫拌技術并不會改變混合料的動態(tài)模量，摻入瀝青瓦材料可提高混合料的流變值。

以上研究表明，回收瀝青瓦材料可有效提高瀝青混合料的剛度以及抵抗車轍等永久變形能力。尤其是與溫拌技術相結合的情況下，由于拌合溫度降低，加入瀝青瓦材料會使混合料的流變值有明顯提升。

3.2.3 抗疲勞開裂性能

根據(jù)AASHTO T321標準[33]規(guī)定的四點小梁彎曲試驗來表征混合料的疲勞開裂性能。Buss等[16]將制備好的孔隙率為(7±0.5)%的試件，在19.5～20.5 ℃下養(yǎng)護2 h以上，并在相同溫度下進行測試。在測試時控制動荷載半正弦波頻率為10 Hz，通過控制應變水平(350，450，525，650，800和1000微應變)來回歸生成每種混合料關于應變和疲勞循環(huán)次數(shù)之間的疲勞曲線。Buss等[16]還通過半圓彎拉試驗對瀝青瓦溫拌混合料的低溫開裂敏感性進行研究，測試時裂縫口張開位移保持在0.0005 mm/s的速率，通過繪制荷載線性位移曲線來計算斷裂韌性和斷裂能。試驗結果表明，瀝青瓦會對混合料的低溫疲勞開裂性能產生一定的消極影響，提高瀝青混合料的低溫開裂敏感性，但由于瀝青瓦中含有一定比例的纖維材料可提高混合料的抗拉強度，從而使瀝青混合料表現(xiàn)出更好的抗疲勞開裂性能。

3.2.4 水穩(wěn)定性

根據(jù)AASHTO T324標準[33]規(guī)定的漢堡車轍試驗來表征混合料的水穩(wěn)定性。Im等[34]制備了孔隙率為(7±1)%的熱拌瀝青混合料試件，將其置于50 ℃水浴條件下30 min再進行漢堡車轍試驗。采用線性可變差分傳感器來控制試件的車轍深度，直到車轍深度為12.5 mm或循環(huán)加載20000次后才停止試驗。Buss等[16]采用凍融劈裂強度比(TSR)和漢堡車轍試驗來評價溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性，一般要求干濕強度比在80%以上的TSR值才算及格。對瀝青瓦再生混合料道路進行鉆芯提取試樣(直徑為4英寸和6英寸)，進行漢堡車轍試驗前先對4英寸試樣進行IDT間接拉伸強度試驗來計算TSR值，漢堡車轍試驗通過剝離拐點來測得混合料的水穩(wěn)定性。通過所得試驗數(shù)據(jù)可以看出，隨著瀝青瓦添加量的增加，試樣的TSR值呈現(xiàn)降低趨勢，但漢堡車轍試驗數(shù)據(jù)則顯示，隨著回收瀝青瓦添加量的增加，試樣的抗車轍性和水穩(wěn)定性均有所改善。

4 環(huán)境與經濟效益分析

美國的瀝青瓦回收公司通常收取30到60美元每噸的處理費用，瀝青瓦的回收受到建設地點與瀝青瓦回收站間的運輸距離、垃圾填埋場或處理場的回收處理費用影響，回收商可以直接從屋面建筑承包商手中回收瀝青瓦，以減少承包商的廢物處理費用(5到20美元)[12]。美國相關研究表明，回收的瀝青瓦含有15%～35%的瀝青粘結劑，回收利用瀝青瓦材料每年可節(jié)省11億美元，降低美國不可再生能源消耗，幫助解決城市附近廢物處理問題[7]。由于瀝青瓦中含有一定量的纖維和聚合物，可提高瀝青混合料的強度和剛度，降低瀝青混合料中纖維和聚合物的添加量從而降低成本[7]?；厥绽脼r青瓦材料還可降低新瀝青用量，為公路建設行業(yè)帶來良好的經濟效益。

溫拌瀝青混合料技術能夠降低拌合及壓實溫度，減少燃料花費和夯實量，具有更低的環(huán)境負荷[16]。生產商將溫拌技術和可再生瀝青瓦技術相結合可以減少新瀝青用量、節(jié)約燃料成本，適應更長的施工季節(jié)和延長路面養(yǎng)護時間，從而降低成本造價[16]。相關研究表示[35]，回收瀝青瓦再生溫拌混合料用于道路建設中可減少道路建設溫室氣體總排放量的9%～12%，達到節(jié)能減排的效果。

5 RAS再生進一步研究方向

從上述內容可知，回收瀝青瓦再生技術具有經濟、環(huán)保等優(yōu)點，但目前此方面研究還尚處于初步發(fā)展階段，需進一步對其進行深入研究，主要包括以下幾個方面：

(1) 在較冷環(huán)境中，對含有瀝青瓦混合料的現(xiàn)場拌合制備工藝或添加劑需進一步研究，使瀝青瓦中的氧化瀝青與新瀝青進行更充分混合；

(2)對回收瀝青瓦材料再生路面研究僅限于宏觀性能評價，應進一步從微觀層次進行改性機理的研究；

(3) 回收瀝青瓦再生技術多集中于國外研究中，所采用的技術規(guī)范、相關設備和儀器、評價方法等均與我國有所差異，未來應主要根據(jù)我國道路技術規(guī)范及相關設備儀器對此項技術開展進一步研究。

6 結 語

屋面瀝青瓦含有較為豐富的礦物集料和較高的瀝青含量, 對廢舊瀝青瓦材料進行回收再生利用具有良好的社會經濟效益。本文介紹了回收瀝青瓦材料的破碎除雜處理，以及與熱拌和溫拌瀝青混合料技術相結合的的再生方法, 綜述了回收瀝青瓦改性瀝青膠結料的粘度、抗車轍和低溫抗裂性能，以及回收瀝青瓦再生后瀝青混合料的路用性能?；厥諡r青瓦改性膠結料具有更好的永久變形及低溫性能，尤其在低瀝青瓦含量的情況下，膠結料的低溫延度值明顯提高而且對低溫抗裂性能的影響并不明顯?；厥諡r青瓦再生的瀝青混合料表現(xiàn)出更高的剛度、抗車轍性能和水穩(wěn)定性。雖然瀝青瓦的添加會降低混合料的開裂敏感性，但因回收瀝青瓦材料中含有一定比例的纖維，往往使混合料表現(xiàn)出良好的抗疲勞開裂性能。

回收瀝青瓦再生瀝青混合料技術降低了廢舊瀝青瓦的回收處理成本和不可再生能源的消耗，可以幫助解決建筑垃圾的處理問題?；厥諡r青瓦材料中的瀝青、集料和纖維又可降低瀝青混合料的生產成本。尤其是回收瀝青瓦再生技術與溫拌技術相結合能夠降低拌合及壓實溫度，減少燃料花費和夯實量，具有更低的環(huán)境負荷，適應更長的施工季節(jié)，延長路面養(yǎng)護時間，能夠實現(xiàn)較好的節(jié)能減排效果和經濟效益。此外，還介紹了回收瀝青瓦再生技術進一步的研究方向，指出其現(xiàn)場拌合制備工藝及部分性能需要深入研究并改善，可為其在我國路面行業(yè)的研究與生產實踐提供借鑒。

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