高速公路改扩建工程废旧道路材料再生利用技术.docx
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高速公路改扩建工程废旧道路材料再生利用技术
高速公路改扩建工程废旧道路材料再生利用技术
一、项目概述
随着我国经济的快速发展，早期建设的高等级公路陆续进入大中修和改扩建时期，而传统的翻挖重建的施工方法不仅增加了废料外运成本，还会因为处理不当造成环境污染。
废旧沥青路面材料再生技术则可以将废旧沥青路面材料循环再生用于公路建设和养护，变废为宝，避免废弃材料堆放对土地的占用和对环境的污染，可以减少对石料、沥青、水泥的需求，降低筑养路成本，是实现公路交通可持续发展的重要举措。
在这种情况下，如何在保障路面结构耐久性的前提下，通过科研和工程应用解决冷再生技术应用上存在的问题，对我国公路建设中的废旧资源循环利用、生态环境保护和节能减排等具有积极影响，将产生巨大的经济和社会效益。
2006年6月至2008年12月XX市市政工程研究院、XX市高速公路集团、XX市鑫路路桥工程XX公司和XX市公路处等单位共同合作，在国外研究的基础上，通过深入研究和工程实践，形成泡沫沥青再生成套技术，取得了一系列创新成果，具有显著的社会经济效益和推广应用价值。
近两年，XX市市政工程建设公司与XX市高速公路集团、XX市市政工程研究院和XX市市政工程设计研究院等单位，分别在XX地区的津沧、京、津保、津滨高速和外环线、津渝公路等工程中，成功应用了厂拌泡沫沥青冷再生和水泥稳定冷再生技术，取得了丰富的实践经验，对推动我国厂拌冷再生技术的发展及推广应用具有重要意义。
二、节能原理
①泡沫沥青冷再生基本原理
在特定设备容器，通过向高温沥青中喷入水（室温）和压缩空气，水在高压气流的强烈冲击下被分散成许多微小的水雾状颗粒，热沥青遇到水后，迅速发生能量交换，使水发生汽化，从而在沥青中产生微细泡沫。
在一定压力下喷出的大量沥青泡沫并不足够稳定，只能维持数秒时间，但其物理性能已发生了巨大改变，粘度急剧下降，和细集料结合后形成沥青胶浆，再通过强制搅拌与常温集料发生裹覆，经压实后形成高强度和粘聚性强的混合料。
沥青发泡基本原理如图1所示。
图1沥青发泡原理示意图
②水泥稳定冷再生基本原理
将回收路面基层材料视为一种骨料，通过筛分试验和再生后的混合料矿料级配要求，确定需要添加新材料规格与数量，使之成为符合规定级配围的混合料后，再通过添加水泥稳定剂，经加水拌和、摊铺碾压后成为路面基层或底基层。
三、技术容
1.主要技术容
依托津沧高速、京高速、津保高速和外环线、津渝公路等大修工程及津滨高速公路改扩建工程，分别采用泡沫沥青冷再生和水泥稳定冷再生技术对现有道路废旧路面材料进行再生利用试验研究，针对废旧沥青路面各结构层材料铣刨施工工艺、回收路面材料性能、再生混合料性能和组成设计，以及施工工艺等关键技术问题进行了系统研究。
编制出台了地方标准《公路沥青路面泡沫沥青冷再生技术规》（TJGF41-2009）和沥青路面再生施工技术指南。
2.实施方案
改扩建工程路面结构实施方案如图2所示，大修工程路面结构方案如图3。
其修工程中的泡沫沥青冷再生基层采用就地冷再生方式。
沥青面层
18cm
水稳基层
20cm
二灰碎石基层
15cm
石灰土基层
30cm
路基
原路面结构
沥青面层
22cm
水稳基层
19cm
水泥稳定再生基层材料调高
≥19cm
石灰土基层
30cm
路基
沥青面层
22cm
水稳基层
19cm
水泥稳定再生基层材料调高
≥19cm
水泥稳定再生面层材料
18cm
路基
原路面补强结构
新加宽路面结构
图2原路面结构和改扩建后路面结构
沥青面层
19cm
水稳基层
20cm
石灰土基层（12%）
30cm
石灰土垫层（10%）
15cm
路基
改性沥青混凝土（AC—13C）
4cm
改性沥青混凝土（AC—20C）
6cm
泡沫沥青冷再生基层（RAP）
15cm
泡沫沥青冷再生基层（CTB）
18cm
原石灰土底基层（12%）
30cm
原石灰土垫层（10%）
15cm
路基
维修前路面结构
维修后路面结构
图3原路面结构和大修路面结构
1）铣刨施工工艺及回收材料质量要求如下：
①加强铣刨过程中的铣刨深度控制，避免下一层材料混入上部结构层回收材料，对不同结构层材料分别堆放、分别使用。
②铣刨过程中，加强铣刨回收材料的级配检查，按给出的不同结构层回收材料的级配围要求（见表1）控制铣刨毂转速和铣刨机行进速度（建议控制围见表2），确保铣刨回收材料级配稳定。
表1铣刨后沥青路面各结构层材料级配组成要求
机构层
通过下列筛孔（mm）质量百分率（%）
31.5
26.5
19
9.5
4.75
2.36
0.6
0.075
沥青面层
100
90~100
80~100
55~80
30~55
15~35
5~18
0~10
半刚性基层
100
95~100
85~100
55~85
30~55
15~35
5~20
0~10
表2不同层位沥青路面的铣刨机行进速度和铣刨机的铣刨毂转速
沥青路面层位
铣刨速度（m/min）
铣刨股的转速（rpm）
沥青面层
2~4
2000~2500
水泥稳定碎石基层
3~5
2000~2500
石灰粉煤灰碎石基层
3~5
2000~2500
③在配料斗上增设过滤筛网，筛除过大尺寸的块料，以达到再生材料质量均匀稳定的施工要求，如图4和图5所示。
图4原路面铣刨
图5铣刨回收材料级配检查
铣刨至石灰土底基层顶面后，原路面石灰土底基层顶面控制弯沉不满足设计要求时，需对病害区域进行戗灰或换填补强处理。
对现场获取的回收路面材料分别进行室泡沫沥青冷再生和水泥稳定再生混合料配合比设计。
对于泡沫沥青冷再生废旧沥青面层材料采用重型击实法和马歇尔法进行配合比设计，对于水泥稳定再生废旧基层材料采用振动压实法进行配合比设计。
2）不同再生工程需要的主要施工设备配备情况
不同再生工程需要的主要施工设备配备情况见表3。
表3再生工程需要的主要施工设备配备情况
泡沫沥青冷再生（大修工程）
水泥冷再生（改扩建工程）
设备类型
最少数量
设备类型
最少数量
W2000铣刨机
2台
W2000铣刨机
3台
KMA200厂拌再生设备
1台
W5000型以上稳定土拌和机
1台
摊铺机
1台
摊铺机
2台
20吨以上单钢轮振动压路机
1台
22吨以上单钢轮振动压路机
3台
10吨以上双钢轮振动压路机
2台
10吨以上双钢轮振动压路机
1台
25吨以上胶轮压路机
2台
25吨以上胶轮压路机
2台
水车
2辆
18吨以上三钢轮压路机
2台
5吨以上装载机
2台
水车
2辆
运输车辆
20辆
5吨以上装载机
3台
运输车辆
30辆
3）泡沫沥青再生混合料施工工艺如下：
①单钢轮振动压路机静压1遍，每次错1/2轮；
②双钢轮振动压路机碾压至要求的压实度，每次错1/2轮；
③轮胎压路机碾压至无明显轮迹，每次错1/2轮；
④轮胎压路机碾压过程中，可根据表面含水量决定是否进行洒水湿润；
⑤养生2d后钻取芯样，直到能钻出完整芯样后施工下封层。
图6泡沫沥青厂拌冷再生混合料生产
图7碾压
4）水泥稳定再生混合料施工工艺如下：
①单钢轮压路机静压1遍，每次错1/2轮；
②单钢轮振动压路机高幅低频压实2～3遍，每次错1/2轮；
③单钢轮振动压路机高频低幅压实2～3遍，每次错1/2轮；
④轮胎压路机压实2遍，每次错1/2轮；
⑤三钢轮压路机压实至无明显轮迹，养生7d后施工上部结构层。
5）养生
①对于泡沫沥青再生路段，要求2d后每天都要进行钻芯取样，以及时检查养生效果，为及时铺筑上层结构提供可靠的时间保证。
②对于水泥稳定再生路段，严格按照7d洒水养生的要求，同时规定不得以直给式或自流式洒水方式养生，从而避免将再生层表面冲散而影响平整度。
③对于水泥稳定再生路段，按照7d洒水养生后，要求在铺筑上部结构层前的间隔时间继续洒水养生，以避免再生层长时间暴晒产生开裂，事实证明对水泥再生层开裂起到了一定的抑制作用。
3.技术创新点
①针对我国沥青路面主要为半刚性沥青路面结构特点，首次将泡沫沥青冷再生技术用于废旧半刚性基层材料的再生；
②首次采用振动压实法进行水泥稳定再生混合料的配合比设计，在减少再生材料水泥用量的同时，显著改善了再生半刚性基层的抗裂性能；
③明确了不同路面结构层的铣刨施工工艺及不同路面结构层铣刨回收材料组成控制标准；
④编制了泡沫沥青冷再生技术规和沥青路面再生施工技术指南。
对国公路沥青路面再生技术的完善和发展具有重要意义，为我国公路沥青路面再生技术的进一步推广应用奠定了试验研究和工程实践基础。
4.技术关键点
①在满足不同路面结构层铣刨回收材料组成控制标准的前提下，适时调整不同路面结构层的施工工艺，即铣刨施工工艺技术；
②提出泡沫沥青冷再生废旧半刚性基层材料的设计技术要求；
③采用振动压实法进行水泥稳定再生混合料配合比设计的设计方法；
④厂拌水泥稳定（泡沫沥青）再生施工碾压技术及施工质量管理与检查验收等沥青路面再生施工技术。
四、推广应用条件
1.推广条件
针对高等级公路大修及改扩建工程开展的冷再生利用技术，通过室试验和工程实际应用，出台了地方标准《公路沥青路面泡沫沥青冷再生技术规》（TJGF41～2009），形成了比较完善的沥青路面再生施工技术指南，为进一步推广应用提供了技术保障。
该技术具有技术容易掌握、国设备条件具备、废旧道路材料利用率高、再生材料路用性能好的优势，还具有可缩短工期、节能减排、降低工程造价等特点，因此，可稳定推广应用于本行业的各等级沥青路面的大修和改扩建工程中。
2.应用情况
目前，该技术已在XX的津沧、京、津保高速和外环线、津渝公路等大修工程及津滨高速改扩建工程中应用，泡沫沥青冷再生面积约100万m2，水泥稳定冷再生面积约90.26万m3。
准备开工的唐津高速和京津塘高速改扩建工程将继续推广应用。
五、效益分析
1.节能效益
①泡沫沥青冷再生混合料节能量主要体现在节约矿料加热与沥青加热所需要的燃料消耗。
以每公里四车道高速公路计算的节能减排效果见表4。
表4以泡沫沥青再生层替代沥青稳定碎石时的节能量计算
材料种类
泡沫沥青再生
沥青稳定碎石
结构层厚度（cm）
15
12
路面宽度（m）
23
23
材料体积（m3）
3450
2760
密度（t/m3）
2.054
2.535
材料用量（t）
7086.3
6996.6
燃料消耗（kg/t混合料）
0.0
6.5
燃料消耗总量（t）
0.00
45.48
折算标煤（t）
0.00
64.97
CO2排放（t）
0.00
159.61
注：
①两种材料均不考虑沥青加热燃料消耗；②按照《综合能耗计算通则》（GB/T2589-2008）,燃料油折标系数取1.4286，按国家发改委能源研究所排放系数，燃烧1t标准煤会排放2.4567t的CO2。
②与新购进碎石材料相比，废旧沥青路面材料不必长途运输而且比废弃处置时运输距离短，XX地区公路建设用碎石材料基本为产碎石。
以平均运距100km计算，每购进1万吨碎石的运输能耗比较计算见表5。
表5废旧道路材料替换新矿料节省能量计算结果
材料种类
废旧路面材料
碎石
运距（km）
0
100
运输吨位（t）
40
40
平均油耗（L/100km）
35
35
燃料消耗总量（t）
0.0
15.1
折算标煤（t）
0.00
21.93
CO2排放（t）
0.00
53.87
注：
矿料运输车用燃料为柴油，按照原国家经委、国家统计局《1986年重点工业、交通运输企业能源统计报表制度》,柴油折标系数取1.4571，按国家发改委能源研究所排放系数，燃烧1t标准煤会排放2.4567t的CO2。
由表4及表5计算可见，XX地区推广应用泡沫沥青冷再生技术施工面积约100万m2，生产泡沫沥青再生料30.8万t，节约燃料消耗2824.8t标准煤，减少CO2排放6939.6t。
推广应用水泥稳定冷再生技术施工面积约90.26万m2，生产水泥稳定再生料38.86万t，节约燃料消耗1953.6t标准煤，减少CO2排放2846.6t。
XX市每年平均有30km公路和城市道路需要大修，每年可生产21万t泡沫沥青再生料，年节能量达1900t标准煤，年减少CO2排放量可达到4700t；每年可生产水泥稳定冷再生材料29万t，年节能量达1400t标准煤，年减少CO2排放量可达到2100t。
该项节能技术可广泛应用于各等级公路的大修和改扩建工程建设中，具有巨大的节能潜力。
2.经济效益
①水泥稳定冷再生
津滨高速改扩建工程中半刚性基层下基层全部以水泥稳定冷再生废旧基层材料替代水泥碎石，按最小厚度19cm比较，节约投资计算见表6。
表6水泥稳定冷再生废旧基层材料替代水泥碎石工程投资比较
材料
总面积（m2）
厚度（cm）
单价（元/m2）
总投资（万元）
水泥稳定再生
902568
19
30.00
2707.70
水泥碎石
19
59.38
5359.45
节约投资
2651.75
②泡沫沥青冷再生
泡沫沥青冷再生一般用于路面大修的上基层或替代柔性基层。
施工面积约100万平方米，按15cm厚度泡沫沥青再生层与12cm沥青碎石比较，节约投资计算见表7。
表7泡沫沥青冷再生材料替代柔性基层工程投资比较
材料
总面积（m2）
厚度（cm）
单价（元/m2）
总投资（万元）
泡沫沥青冷再生
1000000
15
71.00
7100.00
沥青碎石（ATB～25）
12
135.00
13500.00
节约投资
6400.00
由以上计算可见，XX地区推广应用泡沫沥青冷再生技术施工面积约100万平方米，替代密实级配沥青碎石柔性基层时共节约工程投资6400.00万元。
推广应用水泥稳定冷再生技术施工面积约90.26万m2，替代水泥碎石下基层时共节约工程投资2651.75万元；两项冷再生技术的推广共节约投资9051.75万元。
3.社会效益
废旧沥青路面再生技术的推广应用，既提高了从业人员的节能意识，解决了旧料堆弃占地及对环境污染的问题，又可以大量减少矿山开采，节约道路建设成本并有效地保护了自然生态环境，实现了资源再生利用和可持续发展。
水泥稳定冷再生技术和泡沫沥青冷再生技术的大规模应用，避免了因加热或热拌沥青再生等造成的加热能源消耗和CO2排放，取得了显著的节能减排效果和社会效益。
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