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公路工程新技術(shù)——瀝青路面就地冷再生技術(shù)
一、引言
我國(guó)經(jīng)濟(jì)的繁榮,促進(jìn)了公路交通事業(yè)的發(fā)展。截止2006年底,全國(guó)公路總里程達(dá)345.70萬(wàn)公里,其中二級(jí)及二級(jí)以上等級(jí)公路里程35.33萬(wàn)公里,瀝青混凝土路面35.01萬(wàn)公里。而90年代以后陸續(xù)建成的等級(jí)公路已進(jìn)入大、中修期,按照瀝青的設(shè)計(jì)壽命為15~20年計(jì)算,今后每年將有12%的瀝青路面需要翻修。在舊道路的翻建工程中,傳統(tǒng)的施工方法有兩種:一種是在破舊路面上覆蓋新的路面材料,另一種是將破壞的面層剔除。前一種方法雖然成本低、施工簡(jiǎn)單且無(wú)污染,但是隨著鋪蓋層數(shù)的增多必然會(huì)引起路面抬高,影響周?chē)h(huán)境。目前普遍采用的是剔除破舊面層的方法,但是該方法產(chǎn)生的廢料不僅難以處置,污染環(huán)境,而且對(duì)瀝青和石料資源也是一種極大的浪費(fèi)。上個(gè)世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的舊瀝青路面再生利用技術(shù),正是要解決這一問(wèn)題,它因節(jié)約材料,降低造價(jià)以及減少環(huán)境污染的特性而備受人們關(guān)注。
二、舊瀝青路面再生原理
瀝青路面再生利用是將需要翻修或廢棄的舊瀝青路面,經(jīng)過(guò)路面再生專(zhuān)用設(shè)備的翻挖、回收、加熱、破碎、篩分后,與再生劑、新瀝青、新集料等按一定比例重新拌和成混合料,滿(mǎn)足一定的路用性能并重新鋪筑于路面的一整套工藝。瀝青路面再生利用,能夠節(jié)約大量的瀝青和砂石材料,因而能節(jié)省道路養(yǎng)護(hù)和維修費(fèi)用。國(guó)內(nèi)外大量研究表明,瀝青路面再生利用,可以顯著降低建設(shè)成本,具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
三、國(guó)外瀝青路面再生技術(shù)概況
國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)瀝青路面再生利用的研究,最早從上個(gè)世紀(jì)初就已經(jīng)開(kāi)始了。但真正成規(guī)模的應(yīng)用始于上世紀(jì)60、70年代。1997年國(guó)際經(jīng)濟(jì)合作組織發(fā)表的《道路工程再生利用戰(zhàn)略》白皮書(shū)顯示,主要發(fā)達(dá)國(guó)家的瀝青路面再生利用率普遍在80%以上。
美國(guó)早在1915年開(kāi)始了瀝青路面再生利用的研究,但由于以后大規(guī)模的公路建設(shè)而忽視了對(duì)該技術(shù)的研究。1973年石油危機(jī)爆發(fā)后美國(guó)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)才引起重視,并在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行廣泛研究,到八十年代末美國(guó)再生瀝青混合料的用量幾乎為全部路用瀝青混合料的一半,并在再生劑開(kāi)發(fā)、再生混合料的設(shè)計(jì)、施工設(shè)備等方面的研究也日趨深入。瀝青路面的再生利用在美國(guó)已是常規(guī)工程應(yīng)用,目前每年再生利用的瀝青混合料約為3億噸,可直接節(jié)省材料費(fèi)15~20億美元,材料的重復(fù)利用率高達(dá)80%。
歐洲國(guó)家也十分重視這項(xiàng)技術(shù),德國(guó)是最早將再生瀝青混合料用于高速公路路面維修的國(guó)家,早在1978年就已實(shí)現(xiàn)了廢棄瀝青材料的全部回收利用。芬蘭幾乎所有的城鎮(zhèn)都組織舊路面材料的收集和儲(chǔ)存工作,過(guò)去再生料主要用于低等級(jí)公路的路面與基層,近些年已應(yīng)用于重交通道路。法國(guó)現(xiàn)在也已開(kāi)始在高速公路和一些重交通道路的路面修復(fù)工程中推廣應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)。前蘇聯(lián)于上世紀(jì)60年代開(kāi)始了瀝青路面再生技術(shù)的研究,1984年出版了《再生路用瀝青混凝土》一書(shū),概述詳細(xì)介紹了再生技術(shù),表明蘇聯(lián)在這一領(lǐng)域也取得了很大的進(jìn)展。最近,歐洲瀝青路面協(xié)會(huì)EAPA在互聯(lián)網(wǎng)上公布,其成員國(guó)的廢舊瀝青路面材料以100%通過(guò)再生方式得以重復(fù)利用。
四、國(guó)內(nèi)瀝青路面再生技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀
在我國(guó)80年代中期,蘇州、南京、武漢、天津四城率先對(duì)舊瀝青路面再生利用技術(shù)進(jìn)行研究試驗(yàn)和推廣工作,并取得了可喜的成果。當(dāng)時(shí)是把舊渣油路面加入適當(dāng)?shù)妮p油使之軟化,來(lái)代替常規(guī)瀝青混合料,鋪筑層次是解決用量最多的下面層。湖南省將乳化瀝青加入舊渣油表處面層,并分別用拌和法和層鋪修筑了再生試驗(yàn)路。甘肅省蘭州公路總段從1983 年以來(lái)采用陽(yáng)離子乳化瀝青作再生劑對(duì)多條道路進(jìn)行冷法再生瀝青路面工作,同時(shí)對(duì)另一些道路進(jìn)行熱法再生路面工作。云南省亦在1983 ~1988年進(jìn)行了一些再生瀝青路面試驗(yàn)研究。這些工作為我國(guó)舊瀝青路面再生利用提供了寶貴經(jīng)驗(yàn),但對(duì)于高等級(jí)公路路面的再生利用研究不足。近幾年某些公路單位又開(kāi)始嘗試著將舊瀝青路面簡(jiǎn)單再生后用于中輕交通量公路或道路基層,如1992年同濟(jì)大學(xué)在淮阜路采用陽(yáng)離子乳化瀝青進(jìn)行冷法再生瀝青路面試驗(yàn)。1997年江蘇淮陰市公路處用乳化瀝青冷法再生舊料后鋪筑路面,取得了一定效果。隨著我國(guó)高等級(jí)瀝青路面維修養(yǎng)護(hù)量的不斷增加,對(duì)瀝青路面舊料再生技術(shù)有必要進(jìn)行深入、系統(tǒng)研究。如2000年沈大高速公路營(yíng)口段再生試驗(yàn),黃曉明等針對(duì)克拉瑪依AH - 70瀝青研制出A型再生劑等,表明我國(guó)公路科研、生產(chǎn)單位也開(kāi)始重視高等級(jí)公路舊瀝青路面再生技術(shù)的研究 。
最近十年中,瀝青路面再生技術(shù)引起了我國(guó)各地的公路建設(shè)和管理者們的極大興趣。主要的原因在于,越來(lái)越嚴(yán)苛的環(huán)保政策使得舊路翻修中銑刨下來(lái)的瀝青路面舊料的處理成為一項(xiàng)難題,與此同時(shí)石油瀝青作為不可再生資源其成本越來(lái)越高,砂石材料的成本也在日漸增高。在瀝青路面大、中修工程中,大量的翻挖、銑刨下來(lái)的瀝青混合料被廢棄,一方面造成環(huán)境污染,另一方面對(duì)于我國(guó)這種優(yōu)質(zhì)瀝青極為匱乏國(guó)家來(lái)說(shuō)是一種資源的浪費(fèi),而且大量的使用新石料,開(kāi)采石礦會(huì)導(dǎo)致森林植被減少,水土流失等嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境破壞。
五、就地冷再生技術(shù)施工工藝
瀝青路面就地冷再生,并不是人們通常所理解的將已經(jīng)破損的瀝青路面重新恢復(fù)到完好的原始狀態(tài),而是將舊面層和部分基層就地改建成新的基層(或底基層)。嚴(yán)格地講,此工藝應(yīng)該稱(chēng)之為舊瀝青路面材料的就地再利用。
道路就地冷再生技術(shù)的工作原理,是在原有舊路鋪層的基礎(chǔ)上,按照新的設(shè)計(jì)要求,摻入適量的骨料、水泥、石灰、粉煤灰、乳化瀝青、泡沫瀝青和水等外加材料,利用就地冷再生設(shè)備,在自然常溫下,就地連續(xù)完成對(duì)舊鋪層(路面和部分基層)的銑刨、破碎、添加料、拌和、攤鋪等工序,隨后進(jìn)行找平和碾壓,最終修建出一種特殊級(jí)配的道路基層(或底基層)。
道路就地冷再生技術(shù)的主要機(jī)具為集破碎與拌和為一體的冷再生機(jī),冷再生機(jī)的核心是裝有大量專(zhuān)用刀頭的銑刨和拌和轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子向上旋轉(zhuǎn)銑刨原路面材料,冷再生機(jī)向前行進(jìn)時(shí),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)水通過(guò)軟管從再生機(jī)連接的水車(chē)中運(yùn)送過(guò)來(lái),并在再生機(jī)的拌和倉(cāng)中噴灑。水的輸送量通過(guò)微處理器控制的泵送系統(tǒng)精確控制。銑刨轉(zhuǎn)子將水與銑刨料充分拌和,并達(dá)到需要的最佳含水量,從而達(dá)到混合料的最大壓實(shí)度。液體穩(wěn)定劑,例如熱瀝青(冷再生機(jī)自帶泡沫瀝青發(fā)泡裝置,可將熱瀝青加熱到160~180℃與少量水混合發(fā)泡)可通過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的噴灑嘴將泡沫瀝青噴灑到拌和腔;粉狀穩(wěn)定劑,如水泥,需按設(shè)計(jì)添加量事先灑布在再生機(jī)前的路面上,再生機(jī)將粉狀穩(wěn)定劑與再生料和水一次性拌和。如遇再生層原級(jí)配不良的情況,可在再生前將所缺少的部分集料灑布在路面上,通過(guò)與舊料拌和來(lái)改善原路面材料的級(jí)配。
道路深層就地復(fù)拌冷再生原理
道路深層就地復(fù)拌冷再生現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)
與傳統(tǒng)的施工方法相比,就地冷再生具有諸多的優(yōu)點(diǎn):
① 工序簡(jiǎn)單。由于原有舊路面的材料全部被就地利用,省略了挖掘、外運(yùn)、廠內(nèi)加工及回填等一系列工作,使得施工工序簡(jiǎn)化。
② 可以不中斷交通。由于就地冷再生工序簡(jiǎn)單,投入現(xiàn)場(chǎng)的施工設(shè)施很少,對(duì)交通干擾反應(yīng)不敏感,故此在交通量不太大的情況下,可以半幅通車(chē),半幅施工。
③ 不損壞路基。與采用傳統(tǒng)施工機(jī)械修復(fù)道路相比,冷再生施工很少損壞路基。因?yàn)榫S特根冷再生機(jī)的高附著力輪胎在暴露的路基上只通過(guò)一次。而采用傳統(tǒng)的機(jī)械施工時(shí),路基將承受頻繁的高應(yīng)力載荷,往往導(dǎo)致“局部隆起”現(xiàn)象,必要時(shí)需要采用挖掘機(jī)和回填作業(yè)進(jìn)行處理。
④ 提高道路等級(jí)。由于該方法強(qiáng)化了基礎(chǔ)的承載能力,從根本上保證了道路等級(jí)的提高,這一優(yōu)點(diǎn)對(duì)于低等級(jí)道路的改造尤為重要。
⑤ 成本較低。與傳統(tǒng)的施工方法相比,由于舊的道路材料得以全部利用,隨著再生層厚度的不同,大致可以降低成本10%~20%。厚度越深,降低成本越多,這也是被實(shí)踐所證實(shí)的。
⑥ 生產(chǎn)效率高。就地冷再生是在自然條件下進(jìn)行的,除了個(gè)別嚴(yán)重的坑槽需要簡(jiǎn)單的預(yù)處理外,其余路面均不需要任何處理。再加之一次性通過(guò)的施工特點(diǎn),充分地利用了作業(yè)時(shí)間,因此大大地提高了生產(chǎn)效率,經(jīng)過(guò)我們的實(shí)地測(cè)定,一臺(tái)維特根再生機(jī),在組織合理的情況下,每天可以再生路面5000m2以上。
⑦ 保護(hù)環(huán)境和資源。因?yàn)榕f料得以全部就地利用,減少了新材料的開(kāi)采,也不存在舊料運(yùn)輸和廢料隨意棄放的問(wèn)題,施工過(guò)程沒(méi)有粉塵和廢氣的污染,節(jié)約了資源,保護(hù)了環(huán)境,因此被人們稱(chēng)之為綠色施工技術(shù)。
六、推廣瀝青路面再生技術(shù)的重要意義
在2007年全國(guó)交通工作會(huì)議上,交通部部長(zhǎng)李盛霖提出:交通發(fā)展面臨的資源和環(huán)境形勢(shì)日趨嚴(yán)峻,繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的增長(zhǎng)方式推進(jìn)交通發(fā)展難以為繼,必須堅(jiān)決走出一條資源節(jié)約和環(huán)境友好的交通發(fā)展之路。要大力發(fā)展交通循環(huán)經(jīng)濟(jì),推進(jìn)工業(yè)廢料綜合利用、再生資源回收利用,擴(kuò)大廢棄路面材料的回收利用,研發(fā)推廣能源替代、材料再生等新技術(shù)……由此可見(jiàn),加強(qiáng)研究推廣路面再生應(yīng)用技術(shù),是我國(guó)今后公路建設(shè)事業(yè)中一項(xiàng)十分重要的任務(wù)。
我國(guó)道路路面結(jié)構(gòu)以瀝青路面居多,尤其是高等級(jí)公路中瀝青面層公路所占比重很大(我國(guó)已建成的高等級(jí)公路路面,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)約有80%的為瀝青路面),其大、中修工程從技術(shù)指標(biāo)、施工工藝、工期、環(huán)保等各方面都有很高的要求。
再過(guò)10~20年,根據(jù)我國(guó)公路網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃,我國(guó)高速公路將達(dá)8.5萬(wàn)公里,路網(wǎng)總里程也將達(dá)到650萬(wàn)公里。按照瀝青的設(shè)計(jì)壽命,每10年左右翻修一次,以路面平均寬度22m、翻修厚度10cm計(jì)算,8.5萬(wàn)公里的高速公路網(wǎng)平均每年將產(chǎn)生接近5000萬(wàn)噸的舊混合料,如能加以利用,每年可節(jié)省材料費(fèi)約100億人民幣。否則這些為數(shù)巨大的瀝青混凝土層翻挖后只能白白的廢棄掉,不僅浪費(fèi)了資源,也會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。因此,我們必須大力推廣瀝青路面再生應(yīng)用技術(shù),促進(jìn)舊路面材料的循環(huán)利用。瀝青路面再生技術(shù)的研究、推廣和相關(guān)專(zhuān)用設(shè)備的開(kāi)發(fā),對(duì)降低建設(shè)成本、保護(hù)生態(tài)環(huán)境以及對(duì)我們國(guó)家的公路建設(shè)都有極大的意義。
七、工程實(shí)例:
1、銅川市川(口)王(家河)三級(jí)公路改造工程基層再生:舊路為4cm瀝青碎石+18cm石灰土碎石,基層再生方案為5.5%水泥+12%碎石(0.5碎石)+82.5%銑刨料,壓實(shí)厚度25cm,7天無(wú)側(cè)限強(qiáng)度1.5MPa。
再生作業(yè)
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