“双碳”目标下的新疆沥青路面材料循环利用前景分析

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改革开放40年来特别是党的十八大以来，我国交通运输发展取得举世瞩目的成就，交通运输对经济社会发展实现了从“瓶颈制约”到“基本适应”的历史性变化。截至2020年底，全国公路通车总里程达519.8万公里，其中高速公路通车总里程达16.1万公里，有力的支撑了社会经济的高速发展，为交通强国建设奠定了坚实的基础。与此同时，早期修建的公路已经步入养护维修期，我国每年约有15%的公路沥青路面需要养护维修，产生的旧沥青路面材料近亿吨，由此带来的能耗和排放问题日益突出。因此，交通运输部在《“十三五”公路养护管理发展纲要》中提出“高速公路、普通国省道废旧路面材料回收率分别达到100%、98%，循环利用率分别达到95%、80%以上”的目标。

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近年来，我国在高效合理利用沥青路面铣刨回收料（Reclaimed Asphalt Pavement，以下简称“旧料”）领域开展了大量的科学探索和工程实践。中东部天然砂石资源匮乏地区已经形成了较为成熟的成套应用技术，并进行了大规模推广应用。其中，江西、广东等省份旧料回收率已达到100%，循环利用率已达到90%以上。但在新疆，旧料的回收利用率较发达地区仍有较大差距。其原因在于，天然砂石资源丰富，材料运距较短，造成天然砂石材料价格普遍不高。此外，旧料循环利用需要铣刨、运输、筛分等处理，再生沥青混合料与原生沥青混合料相比，其经济优势不明显，甚至在个别天然砂石运距较短的项目中出现了再生沥青混合料价格高于原生沥青混合料造价的情况，在遇到沥青价格低谷期，这种价格差距更是叠加放大。一段时期内，新疆由于经济发展相对落后，公路建设资金相对紧张，经济效益成为工程建设方案比选的最主要因素之一，造成新疆少有大规模采用沥青路面材料循环再生利用技术的工程案例。同时，新疆与中东部地区自然环境存在较大差异，中东部地区已经形成的旧料循环再生技术在新疆的适用性尚未有系统性研究论证，尤其是再生混合料在高温、严寒、大温差、强紫外线等新疆特有自然环境下的相关研究成果十分缺乏。性价比不高、技术储备不足，是旧料再生利用技术在新疆应用规模不理想的关键因素。

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2020年9月，我国首次提出“30·60”双碳目标。2021年3月召开的两会上“碳达峰、碳中和”被首次写入政府工作 告。实现“碳达峰、碳中和”是以习近平同志为核心的党中央统筹国内国际两个大局作出的重大战略决策，是着力解决资源环境约束突出问题、实现中华民族永续发展的必然选择，是构建人类命运共同体的庄严承诺。2021年10月召开的第二届联合国全球可持续交通大会上，习近平主席发表了题为《与世界相交与时代相通在可持续发展道路上阔步前行》的主旨讲话，站在世界发展大势和人类前途命运的高度，深刻阐释可持续交通发展的重要意义，明确提出“坚持生态优先，实现绿色低碳”，为促进绿色低碳转型，为实现“碳达峰、碳中和”作出积极贡献。在“双碳”目标及加快建设交通强国、推动交通运输行业高质量发展的时代背景下，新疆地区全面实现沥青路面材料循环再生利用是必然的趋势和选择。

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旧料循环利用途经按照实施方式分为就地和厂拌再生两种，二者各有优缺点，适用条件也有所区别。相较于就地再生技术，厂拌再生对再生混合料的材料组成调整空间更大，对设备机具的要求更低，实施过程容错率更高，对结构病害的处治更加彻底。厂拌再生技术按照结合料的不同，分为厂拌冷、热再生两种，均为我国目前主流的再生技术。

一、厂拌热再生技术应用环境及主要影响因素分析

沥青路面热再生技术是指将回收的旧料加热，并通过修正级配、添加再生剂、补充新沥青的方式，使回收的旧料成为满足使用功能的再生沥青混合料。其中，厂拌热再生是热再生中应用最广泛、技术和设备壁垒最低的路面再生技术，可对再生混合料级配及性能进行有效控制。

厂拌热再生沥青混合料（Plant Hot Recycled Asphalt Mixture，以下简称“再生料”）中增加旧料的用量，可显著降低能耗和排放，当旧料掺量增至30%～50%时，每公里路面建造过程中的二氧化碳减排量可达38114千克～63524千克。因此，厂拌热再生过程中，旧料的掺量越高，取得的环境效益越好。

目前，我国再生料中的旧料掺量根据各地需求和技术的不同，基本处于20%~50%范围内。工程实践证明，在我国大部分地区，旧料掺量低于30%时，再生料可满足高速公路中、下面层的使用要求，其水稳定性及抗裂性与新沥青混合料基本相当，同时还具有高于新沥青混合料的抗车辙能力；旧料掺量在40%以下时，再生料可满足高速公路柔性基层使用要求。事实上，在我国中东部地区的高速公路大中修工程中，30%~40%旧料掺量的再生料已经被较为广泛的用于中、下面层及ATB基层中，已取得了良好的效果。此外，近年来的科学研究表明，在采取合理措施来恢复旧料中老化沥青的性能后，旧料掺量达50%时，再生料的各项性能指标仍能维持在与原生混合料相近的水平。

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厂拌热再生沥青路面的实施主要受到以下方面的影响和制约。

（一）旧料中的旧沥青技术性能的评价与恢复缺乏明确指导

旧料中的旧沥青在热再生混合料中可部分发挥有效结合料的作用。但是，旧料在气候、环境等因素作用下，其中的沥青发生了不同程度的老化，导致老化沥青的粘滞性更高、黏弹性更差。旧料掺量较高时，老化沥青将造成热再生混合料中混溶形成的再生沥青劲度显著增大，这提高了再生料水稳定性和低温抗裂性不足的风险。我国现行再生技术规范根据不同旧料掺配比例及旧料中旧沥青针入度，提出了新沥青性能等级的确定方法。但现行规范中尚未明确如何选择再生剂对旧料中老化沥青的性质进行调节。在做好旧料中老化沥青进行恢复的同时，还要合理选择新沥青的种类及用量，并按照再生沥青相关指标对旧料掺量进行优化调整，补充混合料中所需的结合料，使热再生混合料性能达到最佳状态。

（二）旧料的含水率难以控制

相同拌和工艺下，旧料含水率越高，再生料的出料温度越低，为保证出料温度，需要延长旧料预热时间、提高预热温度，导致生产效率降低。旧料含水率每提高1%，加热旧料所需的能耗提高10%；同时，过高的含水率将导致较多的水存留在热再生混合料中，造成混合料黏附性降低。因此，国内外对旧料再生利用中的最大含水率均明确限制，南非沥青再生手册的质量控制要求中规定旧料含水率不超过0.5%，我国再生技术规范中要求旧料含水率低于3%。按照规范要求，旧料应分类存放于料仓内，但事实上，大多数拌合站没有足够的料仓存放动辄数万吨的旧料，往往是露天堆放再加以简单覆盖，如此存放，旧料的含水率不仅较高，而且料堆还存在显著的湿度梯度。

（三）旧料材料组成的变异性难以有效控制

（四）旧料胶团控制及拌合工艺需要进一步明确

在现有沥青路面冷铣刨工艺下，旧料实质上是铣刨机刀头切削沥青路面形成的随机离散颗粒。在铣刨过程中，尽管路面中一部分集料被刀头破碎，但是绝大多数旧料颗粒是由老化沥青包裹旧矿料形成的团聚体，本质上是路面的碎片。理想情况下，旧料颗粒在热拌过程中，首先会在加热作用下发生老化胶浆的软化，此时老化胶浆的黏聚力下降，其中的旧矿料的结合开始失效。与此同时，在搅拌桨击打、旋转的过程中，由于胶浆失去黏聚力，旧料颗粒开始解体，旧矿料开始迁移至新加沥青和矿料体系中去。但是，在一般热拌工艺下，旧料颗粒难以完全解体并分散至再生料材料体系中去，导致老化沥青难以析出并与新加材料充分混合、再生。

按照现行规范，再生料的拌和需要将旧料预热后再与新加材料拌和。但是，规范未明确规定拌和顺序、再生剂添加量及添加顺序等关键参数。这导致在工程实践中，再生料的拌和没有明确工艺参数，大多依靠技术人员的主观判断。目前，理论研究与工程实践表明，新旧沥青融合程度可通过提高再生料拌合温度、延长拌合时间、添加再生剂、优化拌合顺序、提高旧料预热温度等多种措施得到改善，有助于提高再生料的耐久性。

沥青路面铣刨后获取的团块状旧料

二、厂拌冷再生技术应用环境及主要影响因素分析

沥青路面冷再生技术是指对旧沥青路面铣刨、破碎、筛分，使其成为旧料，并按一定比例添加新集料，以乳化沥青或泡沫沥青、水泥等为胶结料进行常温拌和，进而铺筑路面结构层的再生技术形式，根据再生工艺的不同可以分为厂拌冷再生和就地冷再生。冷再生技术大幅提升了旧料再生利用率，在实际工程中能够再生利用70%以上的旧料，而且粗、细集料都能大比例投入再生利用，同时该技术中混合料全程在常温下完成施工，节能环保效果显著，因此，冷再生技术是高效降低路面维养成本和资源消耗的路面技术之一。

同时，由于冷再生混合料与普通沥青混合料路用性能存在明显差距，因此冷再生结构层多用于沥青路面基层或下面层。其中泡沫沥青厂拌冷再生由于沥青发泡控制困难、养护周期长、裂缝病害等因素，目前除个别省区外，采用泡沫沥青厂拌冷再生的公路建设项目并不多见。乳化沥青厂拌冷再生主要用于沥青路面基层或者下面层，具有较高的抗车辙能力，同时具有一定的水稳定性和抗裂能力。但由于旧料需要经过铣刨、破碎、筛分，在天然砂石资源丰富地区，采用厂拌冷再生材料用于沥青路面基层与半刚性基层相比经济劣势十分显著。

在天然砂石资源丰富地区，乳化沥青厂拌冷再生材料用于沥青路面下面层时，其价格较同体积新沥青混合料低约10%。但也存在本地基质沥青乳化稳定性差、与新沥青混合料相比性能指标降低、严寒大温差条件下耐久性研究不足等问题。

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（一）克拉玛依沥青乳化稳定性不足

克拉玛依沥青是新疆公路建设中最常采用的基质沥青，其粘度大、当量软化点高、延伸性能好、蜡含量低、低温性能优异，是一种优质的环烷基沥青。同时由于密度小、粘度大、平均分子量高等物理、化学特性，使得克拉玛依沥青在乳化时存在沥青上浮离析、拌合时间难以控制、成型时间长等难以乳化且不稳定的情况，在新疆采用乳化沥青厂拌冷再生技术，需采购国内其他地区或进口沥青作为基质沥青。

（二）乳化沥青厂拌冷再生混合料技术性能不足

乳化沥青厂拌冷再生材料用于沥青路面下面层时，将其技术指标与普通粗粒式沥青混凝土（AC-25）进行对比。按照《公路沥青路面设计规范》、《公路沥青路面施工技术规范》及《公路沥青路面再生技术规范》对两种混合料的规范规定指标对比情况见下表。

规范规定指标对比情况一览表

可见，《公路沥青路面再生技术规范》中未对流值、沥青饱和度、矿料间隙率、渗水系数等指标作出规定；同时，《公路沥青路面再生技术规范》中的压实度、马歇尔稳定度、劈裂强度、空隙率等指标要求均低于《公路沥青路面设计规范》、《公路沥青路面施工技术规范》中的规定。对乳化沥青冷再生压实度、空隙率、渗水系数、马歇尔稳定度、劈裂强度等指标分析如下。

1. 压实度、空隙率、渗水系数指标

由于乳化沥青冷再生材料的富水特性，使得其空隙率较大，压实度相对不高。通过对十三五期间新疆地区几条高速公路改扩建项目乳化沥青冷再生料的室内试验结果分析，其空隙率为9.0%～10.2%，满足再生规范规定的空隙率9～12%的要求。其对应的压实度为（最大理论密度%）90～91%，满足再生规范规定的压实度大于90%的要求。但是，乳化沥青冷再生料压实度、空隙率等指标要求均低于相应沥青混凝土（AC-25）指标要求。另外，乳化沥青冷再生料压实度无法达到《公路工程质量检验评定标准（第一册土建工程）》中对沥青混凝土面层压实度评定标准“不小于最大理论密度的92%”的要求。同时渗水系数做为交工验收必检项目之一，再生规范中未对乳化沥青冷再生料的渗水系数做出具体要求，有研究表明，在做好施工控制的情况下，乳化沥青冷再生料的渗水系数可满足不大于120（ml/min）的指标要求。

2. 马歇尔稳定度指标

乳化沥青冷再生混合料要求的马歇尔（40℃）稳定度不小于6.0（kN），其为试验环境温度40℃条件下的指标值，沥青混凝土（AC-25）要求的马歇尔（60℃）稳定度不小于8.0（kN），其为试验环境温度60℃条件下的指标值。马歇尔稳定度代表了混合料在规定条件所能承受的最大荷载，根据沥青本身特性属于温感材料，温度越高越接近软化点，沥青也由固态开始变为液体，此时混合料各种指标开始下降，试验温度越高稳定度得到的结果越小。由此可知，沥青混凝土（AC-25）所能承受的最大荷载要大于乳化沥青冷再生混合料，通过查阅相关文献资料，乳化沥青冷再生混合料的马歇尔（40℃）稳定度可以达到8.0（kN），但在60℃环境温度下稳定度无法达到要求。

3. 劈裂强度指标

沥青混凝土（AC-25）要求的劈裂强度不小于0.8（MPa），乳化沥青冷再生混合料要求的劈裂强度不小于0.5（MPa），乳化沥青冷再生混合料要求的劈裂强度指标低于沥青混凝土（AC-25），但通过对十三五期间新疆地区几条高速公路改扩建项目乳化沥青冷再生料的室内试验结果分析，劈裂强度均大于0.85（MPa）以上，同时可以满足沥青混凝土（AC-25）的规定要求。

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（三） 路用性能及耐久性相关分析

由于乳化沥青冷再生材料的富水特性，使得其空隙率较大，压实度较低。其材料的压实度、空隙率、马歇尔稳定度等物理、力学指标均低于相应的沥青混合料（AC-25），从指标上反映出乳化沥青冷再生材料的路用性能相比沥青混合料（AC-25）有所降低。同时由于国内尚未有严寒地区采用乳化沥青冷再生材料作为下面层的先例，其材料较大的空隙率是否会产生冻融破坏尚不明确。针对冷再生混合料空隙率大及压实困难等问题，中东部省区对乳化沥青厂拌冷再生压实工艺及检测指标除按照部颁规范执行外，要确保压路机吨位和压实频率，在现场压实阶段采用灌砂法检测压实度的方式进行现场跟踪，以不小于98%作为控制指标，并及时踪面层热沥青的摊铺对乳化沥青冷再生混合料空隙率的提高作用，优化调整面层热沥青摊铺时间及摊铺工艺。