牛文廣

(重慶交通大學 土木工程學院，重慶市 400074)

隨著中國經濟的發(fā)展和近幾年大規(guī)模新建公路網的基本完善，“十三五”期公路交通將面臨新的發(fā)展形勢，尤其對公路養(yǎng)護管理工作提出了更高要求。目前中國僅干線公路大中修工程，每年生產1.6億t瀝青路面舊材料。同時，中國道路路面材料的回收利用率還不到30%，遠低于發(fā)達國家90%以上的利用率。如何有效回收瀝青混凝土已成為中國公路交通建設中的一個重要課題。

根據中國的實際情況，JTG F41-2008《公路瀝青路面再生技術規(guī)范》將瀝青路面再生技術分為廠拌熱再生、廠拌冷再生、就地冷再生、就地熱再生4類，該文基于技術特點及施工設備差異，對4種再生技術進行分析和對比，得出就地熱再生技術相對于其他3種再生技術的顯著區(qū)別與共性。就地熱再生技術具有施工簡便、施工速度快、可100%利用舊路面材料、對交通的干擾小且節(jié)省運輸成本等優(yōu)點。并且與其他養(yǎng)護技術相比，就地熱再生技術可完全修復路面龜裂、坑槽及車轍等淺層病害，經過就地熱再生處理的路面達到使用年限后，還可以繼續(xù)通過再生手段重復利用。該技術對中國公路建設及養(yǎng)護具有一定的促進作用，對生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義。

該文著眼當前道路養(yǎng)護技術發(fā)展形勢，在全面了解就地熱再生研究歷程的基礎上，通過對國內外就地熱再生技術研究文獻的收集，對就地熱再生技術適用性、再生路面結構、再生混合料設計以及現有相關專利數量和實體工程應用效果等方面的研究進行總結。

1 國內外研究歷程

國外最早認識到利用再生現有瀝青路面材料進行路面修復的重要方法是1915年從美國開始，但后續(xù)研究基本處于停滯狀態(tài)。直到20世紀70年代爆發(fā)了石油危機，才開始了后續(xù)大規(guī)模的瀝青路面技術研究。直到2006—2008年，隨著瀝青和集料價格上漲，添加高比例RAP的再生路面鋪筑技術才得到廣泛研究。

從20世紀70年代開始，以德國、加拿大、芬蘭和意大利等國家為代表的歐洲許多國家進行了一系列瀝青路面的再生試驗，并取得了良好效果。其中德國于1978年就已經對全部RAP進行再利用，德國依靠強大的機械制造能力開發(fā)了乳化瀝青冷再生、就地熱再生等大型設備，法國等也廣泛進行了RAP回收利用。前蘇聯分別于1966年、1979年和1984年發(fā)布瀝青混合料再生的相關指南和準則用以規(guī)范指導再生瀝青混合料應用。日本從1976年開始研究瀝青路面再生技術，至2000年再生瀝青混合料生產比例已達道路建設所用全部瀝青混合料的30%，至2004年這一比例已達68.8%。

20世紀90年代后期，成套專業(yè)的現場熱再生設備開始出現，進一步推動了現場熱再生技術在公路路面養(yǎng)護工程中的應用。

中國公路瀝青路面再生研究起步較晚，曾在20世紀50—70年代不同程度上利用過舊瀝青材料，但一般只是用于輕交通道路、人行道或道路的墊層。直到1983年建設部下達了“廢舊瀝青混合料再生利用”的研究項目。1991年中國頒布了《熱拌再生瀝青混合料路面及驗收規(guī)程》，一些大學及科研機構也著手對再生路面混合料路用性能、施工技藝等方面進行研究，并取得了一定的成果。從2002年9月到2003年底中國共引進了國外4個國家的8套就地熱再生成套設備。就地熱再生技術在中國的發(fā)展突飛猛進，國產的就地熱再生設備也陸續(xù)出現。據不完全統計，截至2009年，中國就地熱再生使用面積超過700萬m2。2010年，湖南省對就地熱再生技術進行了全面的推廣，并且取得了良好的實施效果。2013年，就地熱再生技術成為福建省重點推廣的技術，并對英達就地熱再生技術優(yōu)勢進行了論證。

2 就地熱再生技術適用性

就地熱再生技術憑借其良好的經濟、社會、環(huán)境效益，在中國預防性養(yǎng)護工程中大量地應用，但是由于其施工工藝的特點，并不能適用于所有的瀝青路面病害處治，存在一定的局限性。就地熱再生技術主要是以修復瀝青路面表面功能為出發(fā)點，通過對瀝青路面上面層的再生修復，達到預防性養(yǎng)護的目的，提高路面行駛質量。主要分為3類：表面再生、復拌再生和重鋪再生。通過文獻及實體工程調研，對3種就地熱再生工藝的適用范圍進行總結，列于圖1。

目前中國常用的再生技術主要有4種：廠拌熱再生、就地熱再生、廠拌冷再生、就地冷再生技術，由于其施工工藝的不同，對不同瀝青路面病害的再生效果有較大區(qū)別。通過文獻調研，根據就地熱再生技術特點及施工特點，分別對4種再生技術進行分析比較，如表1所示。

圖1 不同就地熱再生方式處治目的及工藝過程

表1 4種不同再生方式的比較

續(xù)表1

由表1可知：

(1)就地熱再生技術與廠拌熱再生技術和廠拌冷再生技術相比，由于其施工工藝不同的影響，導致其在道路養(yǎng)護工程應用中有較大差別，主要體現在修復路面層位置、RAP利用率、對交通的干擾、環(huán)境保護、經濟效益、再生機械配置、對路基損害、施工控制等方面；與就地冷再生技術相比，主要區(qū)別體現在骨料加熱、再生層質量等方面。

(2)與其他3種再生工藝相比，就地熱再生技術在施工過程中，對舊路銑刨時需要進行加熱，也因此導致其施工過程對氣候的依賴性大，不宜在寒冷環(huán)境施工。

由以上分析可知，就地熱再生技術以改善已產生裂縫、坑槽、車轍的瀝青路面的形狀和混合料性質為目的，一般是在路面的損壞程度還沒波及到基層時采用這種維修方法，并且就地熱再生技術也存在對再生機械要求高、對氣候依賴性強、不易于施工控制等缺點。該文在大量文獻調研的基礎上，通過對實體工程的調查，針對路面產生的不同病害，對就地熱再生3種工藝進行了適用性分析總結，列于表2。

表2 就地熱再生對路面病害的適用性

3 就地熱再生瀝青混合料設計

熱再生瀝青混合料設計是在分析原路面瀝青含量、瀝青老化程度以及集料級配的基礎上，確定熱再生瀝青混合料的礦料級配、各檔新礦料添加量、最佳新瀝青摻量以及各外加劑(主要為再生劑)摻量，使得再生瀝青混合料路用性能滿足道路使用要求。

3.1 再生劑摻量控制

國內外再生劑用量設計方法包括溶解度參數法、經驗估算法、性能設計法等，各有不同的思路和參考意義。

(1)溶解度參數法。這種再生劑量設計方法在理論上是可行的，但難以推廣應用于實際工程應用。該測試需要很長時間，并且需要特殊的測試設備，大規(guī)模推廣不方便。

(2)經驗預估法。經驗估算方法假定新瀝青(包括再生劑)的量等于再循環(huán)瀝青混合物的總瀝青含量減去舊瀝青混合物的瀝青含量。估計再循環(huán)混合料中使用的瀝青量可以憑經驗確定，并且已經提出確定瀝青的比重和相應的薄膜厚度。經驗估算方法的關鍵是準確估算再循環(huán)混合料所需的瀝青用量，并根據新型瀝青混合料的經驗估算再循環(huán)混合料的最佳瀝青用量。估計結果的適當性還有待進一步研究。同時，對于相當一部分原位熱再生過程，混合物的級配和瀝青用量沒有變化，但僅通過添加再生劑來恢復瀝青性能，很難采用經驗估計方法“預估瀝青用量-原有瀝青用量”的方法確定再生劑用量。

(3)性能設計法。性能設計的基本思想是：瀝青老化表現為黏度增加，滲透性和延展性降低，軟化點增加。再生劑用于在規(guī)范可接受的范圍內改進瀝青的技術指標。至于再生劑添加的具體比例以及再生瀝青的性能由室內測試確定。

從以上分析可以看出：由于測試方法的復雜性，溶解度參數方法難以推廣。經驗預估法不適用于就地熱再生過程；性能設計方法采用瀝青恢復設計的性能來選擇再生劑的用量，設計思路清晰合理，可采用常用的性能評價方法。操作更簡單，關鍵在于需要結合瀝青老化機理，選擇合適的性能指標。

3.2 級配控制

再生瀝青混合料的合成級配很大程度上取決于原瀝青路面的級配，在長時間行車荷載沖擊和加熱銑刨過程中，原路面的礦料會發(fā)生破碎，導致原級配變細。因此，必須通過摻入一定量的新瀝青混合料來改善原瀝青路面的級配。具體摻入量隨原路面級配情況而定。

3.3 最佳油石比控制

黃曉明等研究發(fā)現，再生瀝青混合料配合比設計中隨著瀝青含量的改變，各項性能的變化規(guī)律與普通瀝青混合料的變化規(guī)律大致相同。目前國內外大都采用馬歇爾方法對再生瀝青混合料進行配合比設計。

新瀝青摻量的確定，應以加入新料后礦料總質量為基準，測定在添加不同比例新瀝青的情況下，馬歇爾穩(wěn)定度、流值、礦料間隙率、空隙率等馬歇爾技術指標，通過對比分析，確定新瀝青最佳摻量。

3.4 就地熱再生混合料設計調研

通過文獻調研，對現有就地熱再生混合料相關設計所得參數進行統計，列于表3。

表3 就地熱再生混合料相關設計所得參數

續(xù)表3

(1)對表3各數值進行離散性分析，各量變異系數列于表4。在進行數據統計分析時，如果變異系數大于0.15，則要考慮該數據離散程度過大。由于就地熱再生工藝是在原路面的基礎上進行的養(yǎng)護工程，各統計量隨著原路面不同差別較大，僅有舊料回收配比、油石比、殘留穩(wěn)定度、TSR滿足變異系數不大于0.15。

(2)殘留穩(wěn)定度、TSR值均表征再生混合料低溫穩(wěn)定性，以殘留穩(wěn)定度、TSR作為目標量，采用最小二乘法，對舊料配比及油石比進行擬合，得關系式如表5所示，可為就地熱再生混合料低溫性能設計提供參考。

表4 所統計各量變異系數

表5 殘留穩(wěn)定度、TSR與舊料配比及油石比相互關系

注：X1、X2分別為殘留穩(wěn)定度、TSR；Y1、Y2分別為舊料配比及油石比。

4 路面結構設計

從當前預防性養(yǎng)護工程實際效果來看，由于不改變路面的標高，再生瀝青混合料的設計普遍圍繞材料的路用性能進行，沒有考慮原路面結構的實際情況，如面層和基層模量，導致即使使用相同的再生層混合料設計，但由于路面結構不同而呈現出不同的力學響應?，F有研究對于再生瀝青路面結構略有涉及，Imran Hafeez認為再生后路面的硬度增加是由于再生劑的使用提高了混合料模量值，因此提升了路面的抗車轍和抗裂縫能力。沙愛民等認為路面單一結構層模量的提高會使結構層層底彎拉應力產生較大波動，影響路面的疲勞壽命。趙延慶等認為基于動態(tài)模量的分析與路面黏彈性理論相近，路表彎沉峰值和基層水平應力峰值的相對誤差較小，并建議以動態(tài)模量為參數進行路面結構的分析與設計。傳統瀝青路面就地熱再生技術，沒有考慮路面結構設計問題，對新路面結構下的各層力學響應不甚明朗，往往是按照瀝青混合料材料性能進行設計，未涉及路面結構模量組合研究，這樣的養(yǎng)護路面在投入使用后，易再度出現不同程度的病害問題，降低路面養(yǎng)護效果。

目前中國對就地熱再生結構設計方面的研究較少，實體工程中對就地熱再生面層結構的考慮，主要集中在模量反算方面。模量反算是依據模量匹配的設計思想，分階段考慮再生層模量、中下面層模量和原路表彎沉對瀝青路面結構力學響應的影響。基于模量匹配原則，給出各因素影響下瀝青路面結構層的力學響應模型，建立相應的疲勞開裂、車轍設計指標和標準，從而形成基于模量匹配的就地熱再生瀝青路面結構設計方法。其主要研究內容為：

根據試驗得到的上中、中下、中心面層回彈模量，計算面層的各層模量。假定路面面層為各向均質的彈性體，面層分為3層，忽略各層重量，層間完全連續(xù)，原路面鉆取的芯樣結構層如圖2所示。各結構層的特性參數見表6。

圖2 芯樣厚度及模量示意

表6 各結構層參數示意

根據線彈性理論可知：

(1)

(2)

(3)

式中：E為彈性模量；σ為應力；ε為應變；F為豎向作用于結構的力；A為力的作用面積；ΔH為結構產生的豎向形變；H為結構原始高度。

推導出Ec與各層高度H和模量E的關系如下：

(4)

當H1、H3分別為零時，Ec表示中下、上中面層芯樣的模量，見式(5)、(6)。

(5)

(6)

當各層高度和上中面層、中心面層和中下面層模量已知，可求得上、中、下面層模量。

其構建出的就地熱再生瀝青路面結構設計方法的設計指標和標準見表7。

就地熱再生設計是在綜合考慮原路面材料、原路面結構、病害類型及破損程度的基礎上，以提高路面行駛質量為目標，延長道路使用壽命，整體提升道路使用品質的預防性養(yǎng)護技術，在中國尚未出版就地熱再生規(guī)范的大環(huán)境下，在實體工程設計中，以就地熱再生混合料設計為基礎，引入其結構設計，更好地為預防性養(yǎng)護工程服務。

表7 就地熱再生瀝青路面結構設計指標和標準

5 中國研究方向

以知網專利檢索作為參考依據，對中國就地熱再生主要研究方向進行探討。就地熱再生相關發(fā)明專利主要為新型材料開發(fā)、施工工藝及方法和設備與裝置開發(fā)3個方面。通過知網檢索，2004—2017年相關專利類型與數量如表8所示。

由表8可知：

(1)中國研究者對就地熱再生技術進行了大量的研究，從2004到2017年，就地熱再生相關專利數量多達144項。其中2015年以后3年相關專利數目為79項，占專利總數量的55%。即自2015年以后，中國對就地熱再生技術的研究伴隨著其在全國范圍內的推廣而迅速增加，同時體現出就地熱再生技術具有良好的可推廣性。

表8 2004年—2017年就地熱再生技術相關專利數量統計

(2)就地熱再生技術在實際工程應用中，需要特有設備和裝置進行施工，對設備的依賴性大，因此其相關發(fā)明專利中設備與裝置開發(fā)相關專利較多，為115項，占總數的80%，施工工藝及方法相關專利較少，為25項，占專利總數的17%；新型材料開發(fā)的專利很少，為4項，占專利總數的3%，也反映出就地熱再生技術對新材料開發(fā)依賴性較低，與其他熱再生技術所用材料無太大差別。

(3)就地熱再生技術主要是以一種良好的路面功能修復工藝而被道路工作者青睞。其特有的施工設備和裝置的研究，對就地熱再生技術的發(fā)展至關重要。2014年之前其設備開發(fā)的專利數量大致與專利總數量相等，對就地熱再生技術的研究主要集中在施工設備及裝置方面，而2014年之后中國研究者對該技術的研究不再局限于設備。

(4)就地熱再生技術是一種重要的預防性養(yǎng)護技術，隨著在實體工程中的應用增多，憑借其良好的經濟和環(huán)境效益及養(yǎng)護效果，其相關專利數量從2004年開始呈現逐年遞增趨勢，在2016年專利數量達到峰值，在2017年有所下降也表明：對就地熱再生技術的研究趨緩，標志著中國就地熱再生技術應用已經日漸成熟。

6 實體工程應用及再生效果

系統梳理中國典型實體工程結構層類型及實際應用效果，對2002—2015年中國就地熱再生工程進行統計分析，經過大量文獻調研，共統計到中國內地42個就地熱再生實體工程，分別分布于19個省份及直轄市，具體結果見表9。

由表9可知：

(1)據不完全統計，中國除港澳臺地區(qū)以外31個省級地區(qū)，已經有19個省份采用就地熱再生技術，占比高達61.3%。就地熱再生技術因其具有環(huán)保性、工期短、費用省、效率高、質量能達到要求等特點，已經在中國大范圍內推廣使用，具有良好的經濟、環(huán)境、社會效益。

(2)從2002年京津唐高速公路首次采用了瀝青路面就地熱再生工藝開始，就地熱再生工程呈現逐年增多趨勢，2010年后鋪筑的實體工程數量為33個，占統計總數的78.6%。并且應用于各種不同的路面結構中，其中上面層為AC-13路面21個，占統計總數的50%。

(3)就地熱再生工藝應用的道路等級從最開始多用于高速公路，隨著技術的不斷成熟和施工設備的不斷完善，路面病害主要集中在上面層的市政道路和二級公路等一些低等級公路，經過綜合考慮，也采用就地熱再生施工工藝進行路面養(yǎng)護，如陜西省咸陽市迎賓大道、哈爾濱市通港街等，應用效果良好，同時，在江蘇省潤揚大橋車轍治理工程等橋面車轍養(yǎng)護方面也有較好的應用。

(4)從就地熱再生工藝總體應用效果來看，使用就地熱再生后，對原路面的病害進行了充分的治理，路面修復效果良好比例達到97.5%，主要集中在對瀝青路面壓實度、平整度、構造深度、摩擦系數、滲水系數等方面的修復，路面的路用性能得到了很大的提高，降低了路面病害反射、復發(fā)的概率，延長了道路使用壽命。

(5)隨著就地熱再生工藝的不斷成熟和中國需要養(yǎng)護的瀝青路面劇增，就地熱再生技術在未來瀝青路面養(yǎng)護工程中，將會有越來越廣泛的應用，具有很好的市場前景。

7 結論

(1)就地熱再生技術以改善已產生裂縫、坑槽、車轍的瀝青路面的形狀和混合料性質為目的，一般是在路面的損壞程度還沒波及到基層時采用這種維修方法，并且就地熱再生技術也存在著對再生機械要求高，對氣候依賴性強，不易于施工控制等缺點。

表9 中國內地典型就地熱再生實體工程及使用效果調查

續(xù)表9

(2)就地熱再生混合料設計主要包括3個方面：再生劑用量控制、級配控制及最佳油石比控制。該文通過對現有研究的分析總結，得出由于就地熱再生工藝是在原路面的基礎上進行的養(yǎng)護工程，各統計量隨著原路面不同差別較大，并用數學統計的方法得到殘留穩(wěn)定度、TSR與舊料配比及油石比的關系式，以期為就地熱再生混合料低溫性能設計提供參考。

(3)就地熱再生設計是在綜合考慮原路面材料、原路面結構、病害類型及破損程度的基礎上，以提高路面行駛質量為目標，延長道路使用壽命，整體提升道路使用品質的預防性養(yǎng)護技術，在中國尚未出版就地熱再生規(guī)范的大環(huán)境下，在實體工程設計中，以就地熱再生混合料設計為基礎，引入其結構設計，更好地為預防性養(yǎng)護工程服務。

(4)中國對就地熱再生技術的研究主要集中在施工設備及裝置方面，自2017年后，對就地熱再生技術的研究趨緩，標志著中國就地熱再生技術應用已經日漸成熟。

(5)就地熱再生技術已經在中國大范圍內開始推廣使用，整體使用效果良好，具有良好的經濟、環(huán)境、社會效益。