1、第二批节能减排示范项目推广材料之十一沥青混合料厂拌冷再生技术在昌九高速公路技术改造项目中的应用项目实施单位 江西赣粤高速公路股份有限公司综合点评目前，传统的基于“强基薄面”设计理念的半刚性基层沥青路面是我国高速公路路面的主要结构形式，这种路面虽然减少了初期投资，但是由此也带来了早期损坏严重的弊端。因此，随着使用年限的增加，全国有越来越多的高速公路面临大修或改建工程，一方面需要大量的新基层和面层材料，另一方面还有因翻新而废弃的渣料需要环保处理，公路运营养护面临重大技术难题。江西赣粤高速公路股份有限公司经营管理江西省的高速公路达 558 公里，且均系国家及省内高速公路网络的重要组成部分。该公司结合
2、昌九高速公路技术改造项目，使用经过自主改造的国产水泥稳定拌合设备，利用厂拌冷再生技术实现了对原半刚性基层的柔性化转换，将厂拌冷再生层作为高速公路的上基层，实践了“长寿命沥青路面 ”的设计理念，经过 2 年多的特重交通考验证明，不但使用效果良好，而且还表现出优异的环保性能。厂拌冷再生沥青混合料与传统的热拌沥青碎石（ATB-25）混合料相比，在不影响路面使用性能的前提下，可节省 50%以上加热能源,减少的 C02 排放量也大于 50%。昌九高速公路利用厂拌冷再生技术进行技改的路段 90 公里，与热拌沥青碎石（ATB-25）混合料相比可节省沥青 7845 吨、柴油 418.4 万升、电 59.622
3、万度， CO2 排放减少 4707 吨。此外，还减少了路面翻修过程中废弃渣料的排放，取得了明显的节能减排效果。公司在厂拌冷再生上基层技术方面积累了丰富的经验，形成了一套行之有效的工法，可操作性强，经济效益和社会效益明显，具有广泛的推广应用前景。“沥青混合料厂拌冷再生技术在昌九高速公路技术改造项目中的应用”推广材料交通部节能减排专家工作组一、概况昌九高速公路是江西省首条高速公路，是国家干线公路网规划福银（福州至银川）高速公路在江西境内的重要组成部分，双向 4 车道，设计行车速度100km/h，全长约 133.4km。一期 1993 年建成通车，二期 1994 年通车，三期1996 年建成通车。实
4、施技改时，已运营 1013 年。尽管养护成本在逐年增加（1998 年为 1252 万， 2004 年已达 7700 万），但是随着经济发展，交通量增大（见表 1），路面损坏却日益严重、性能每况愈下，主要病害是网裂水损害和车辙。现有的以挖补、罩面为主的养护方式，费用高且治标不治本，已难见成效。这一方面说明昌九高速公路原路面结构已满足不了日益增长的交通需求；另一方面，从使用年限看，昌九高速公路原路面结构也已接近使用寿命，急需改建。表 1 昌九高速公路交通量调查一 期（ 蛟 桥 至 十 里 铺 ）二 期（ 南 端 连 接 线 ）三 期（ 北 端 连 接 线 ）年 份 自 然 车 辆（ 辆 /日 ）累
5、 计 轴 载次 数 （ 次 ）自 然 车 辆（ 辆 /日 ）累 计 轴 载次 数 （ 次 ）自 然 车 辆（ 辆 /日 ）累 计 轴 载次 数 （ 次 ）1993 5261 623846 1994 6874 1438961 9242 1095911 1995 6139 2166919 7538 1989762 1996 8569 3183026 11129 3309432 8277 9814811997 8995 4249648 13307 4887368 8265 19615401998 9973 5432240 10805 6168618 9839 31282421999 11060 67
6、43728 11635 7548289 8238 41050992000 14186 8425895 15691 9408918 14040 57699542001 17069 10449926 17826 11522714 15195 75717672002 18390 12630601 19216 13801335 16365 95123192003 19730 14970172 20628 16247390 17552 11593624原 设 计 累 计 轴 载 Ne=2204350（ 次 ） ,原 设 计 轴 载 远 远 不 能 够 满 足 实 际 承 受 轴 载 的 需 要江西赣粤高
7、速公路股份有限公司会同相关单位在进行了近 3 年的摸索和试验后，决定对昌九高速公路实施大规模技术改造，进而全面提升服务水平，取得了较为显著的社会效益、经济效益和环境效益。2005 年 11 月至 2006 年 2 月，赣粤公司联合同济大学交通运输工程学院编制完成了昌九高速公路技术改造项目规划方案，并通过了国内知名专家评审。结合路面弯沉和路面结构层的损坏情况制定了 2006 年度计划实施的 25 公里长路段的技术改造实施方案，其中的 15 公里采用了沥青混合料厂拌冷再生技术。2007 年 5 月，江西省高管局组织知名路面专家召开了昌九高速公路沥青混合料冷再生技术鉴定会，鉴定意见认为，针对昌九高速
8、公路技改工程中将产生大量沥青混合料的现状，从环境保护、节约资源、降低工程成本的角度出发，采用厂拌冷再生沥青混合料作为补强路段的上基层，具有十分重要的现实意义。再生方案既有理论支撑，又有 2005 年 2.3 公里就地冷再生和 2006 年 15 公里厂拌冷再生试验路的实践验证，论据充分，试验和检测数据详实，各技术指标符合设计要求，说明沥青混合料厂拌冷再生上基层在昌九高速公路技改工程的应用是可行的。鉴于厂拌冷再生基层方案设计方法、施工技术及工艺合理可行，经济效益和社会效益显著，该项技术在昌九技改工程中得到了大面积推广应用（75 公里），并于 2007 年国庆节前全面完工并投入使用。昌九高速公路
9、90 公里路段的技改工程沥青混合料冷再生上基层技术，其中 K47K49.32 公桩 2.32 公里就地冷再生路段已通车 3 年，K28 K48 公桩 15 公里厂拌冷再生路段已通车 2 年，这些路段每天累计承受自然车辆约 2.2 万余辆，根据计重检测结果，重车比例高达35%（交通等级为特重交通），目前使用状况良好。经路面状况调查，除车辙外（表 2），没有发现裂缝和其它类型的损坏。根据现行公路沥青路面养护技术规范的规定，车辙深度15mm，冷再生试验路应以日常养护为主，不需要小修。二、项目原理由于受到半刚性基层的裂缝、模量过大等问题的影响，沥青路面经过数年的使用，就会发生较严重的损坏，基本丧失了应
10、有的性能，往往需要铣刨掉。在制定面层的维修方案时，为减小半刚性基层对面层的不利影响，可在原基层上加铺一层模量较小的新基层（柔性基层），昌九高速公路的技术改造工程就是基于这一思想进行的。昌九高速公路厂拌冷再生技术，是将要废弃的沥青路面，经过铣刨、回收、破碎、筛分，用新集料（矿粉）、乳化沥青、水泥、水适当配合，重新拌制，形成符合路用性能要求的再生沥青混合料，铺筑在基层之上形成上基层的整套技术。 表 2 车辙调查结果冷再生类型 通车时间 车辙深度最大值/mm 车辙深度平均值/mm 车辙养护质量标准/mm就地冷再生路段 3 年 8.76 5.09 15厂拌冷再生路段 2 年 7.83 3.25 15（
11、一） 路面结构确定根据长寿命沥青路面设计理念（见图 1），面层顶部厚度 16cm 左右的范围为高受力区，应采用高质量的沥青混合料，这部分沥青混合料还必须起到抗车辙、抗滑、抗水损坏的作用，为此需选用路用性能较好的热拌新沥青混合料（见图 2）。图 1 长寿命沥青路面图 2 采用冷再生技术改造后昌九路路面结构原沥青面层厚度 16cm，按照 100%利用原沥青面层材料的原则，考虑铣刨、筛分等环节的损失，原沥青面层材料的实际利用率约为 75%80%，由此，可以确定冷再生上基层的厚度约为 12cm（见图 2）。（二） 路面结构分析为了使路面结构的理论计算结果能较准确地模拟路面的实际受力状态，在试验路铺筑时
12、，采用弯沉反算的路面结构层模量作为路面结构分析的计算参数（见表 3）。原路面结构和冷再生路面结构的有限元分析计算结果见表 4。表 3 路面结构计算参数结构层 厚度/cm 泊松比 模量/MPa上面层 4 0.35 2599中面层 6 0.35 2507下面层 6 0.35 1706冷再生上基层 12 0.35 3133基层 22 0.2 6035底基层 33 0.35 315路基 / 0.4 45表 4 有限元分析计算结果原路面结构 冷再生路面结构路基顶面最大压应变/基层最大拉应变/面层最大剪应力/MPa路基顶面最大压应变/基层最大拉应变/冷再生上基层最大拉应变/面层最大剪应力/MPa157 4
13、4 0.217 125 26 27 0.227分析表 4 的结果可知：（1）冷再生路面结构的路基顶面最大压应变为 125 比原路面结构的小32。根据长寿命沥青路面的设计理念，路基顶面最大压应变越小越好，为了使沥青面层不出现源于层底的疲劳开裂和结构性车辙，应限制路基顶面最大压应变小于 280。参照此理论，冷再生路面结构优于原路面结构。（2）冷再生路面结构的水泥稳定碎石半刚性基层最大拉应变为 26 是原路面结构的 61.4%，按照水泥处治材料的疲劳方程（常用）t/b=a-blgNf，冷再生路面结构半刚性基层疲劳寿命将是原路面结构半刚性基层疲劳寿命的 1000 倍以上，也就解决了原路面结构半刚性基层
14、的疲劳开裂问题。（3）冷再生上基层的最大拉应变为 27 小于冷再生沥青混合料的疲劳极限应变，说明冷再生上基层不会出现疲劳开裂。（4）虽然冷再生路面结构的面层最大剪应力为 0.227MPa 比原路面结构的大了 0.01MPa，但是按照沥青混合料抗剪强度的检测方法，测定的冷再生路面结构上、中、下面层芯样的抗剪强度分别为 1.032MPa、1.116MPa、0.533MPa，都远大于 0.227MPa。由应用最广泛的车辙预估方法可知，该冷再生路面结构的面层具有较好高温稳定性能和抗车辙性能。路面结构的有限元分析表明，沥青混合料冷再生上基层弥补了原水泥稳定碎石基层的裂缝、模量过大等缺陷，实现了对原半刚性
15、基层的柔性化转换，满足了长寿命沥青路面设计理念的要求，有效治理了我国上世纪九十年代大量建设的“强基薄面 ”的质量通病，提高了路面耐久性。三、项目生产工艺由铣刨机对所要再生的沥青混凝土路面全厚度一次铣刨得到冷再生沥青混合料材料 RAP（ reclaimed asphalt pavement），为较好的控制冷再生沥青混合料的级配组成，将 RAP 筛分成 010mm（细）和 1030mm（粗）两种，并分开堆放。根据公路沥青路面再生技术规范和美国沥青再生指南的级配范围，确定的粗、细 RAP 及矿粉（由于 RAP 中粒径小于 0.075mm 的颗粒含量很少，需外掺少量的矿粉）的掺配质量比为，粗 RAP:
16、细 RAP:矿粉=43:57:2.4 ，具体的级配见表 5。根据公路沥青路面再生技术规范和美国沥青再生指南的乳化沥青冷再生混合料的设计方法，确定的乳化沥青（含有 60%的重交通 70 号沥青）用量、水泥用量、拌合用水量分别为：2.5%、1.5% 、3.5% （配合比试验结果见表 6）。表 5 添加矿粉的 RAP 级配通过下列筛孔( 方孔/mm)的质量百分率/%级配类型31.5 26.5 13.2 4.75 2.36 0.3 0.075RAP 和矿粉 100 99.0 70.9 41.8 24.6 4.2 2.3级配范围 100 901006080 2560 1545 320 17表 6 冷再生
17、混合料配合比试验结果技术指标 单位 试验结果 技术要求空隙率 % 10.7 91240马歇尔稳定度 kN 20.6 515劈裂强度 MPa 0.66 0.3冻融劈裂强度比 % 72.1 7020疲劳极限应变 4080 /20抗压回弹模量 MPa 1146.3 /根据冷再生混合料配合比试验的数据，使用国产水泥稳定粒料拌合机按照配合比设计的比例进行再生拌合，因为对粒料进行了二次筛分，分成二档粒料进行拌和，保证了再生混合料的级配稳定，保证了混合料的质量。采用国产水稳拌合机进行胶结材料计量称重系统改造，以满足胶结材料称重精度要求，并在水稳拌合机上添加乳化沥青称重喷洒系统。经过设备技术改造后，完全能满足
18、沥青混合料厂拌冷再生的拌合要求，与进口设备相比，节省大量设备投资。拌合后的混合料用翻斗运输车拉至施工现场进行摊铺、碾压成型，在再生上基层上摊铺新的沥青混凝土面层。四、项目保证措施做好前期调查，保证设计质量：RAP 中的沥青老化程度必须加强检测，以保证再生混合料的质量。提高设备精度，保证拌合质量：再生混合料中掺加的水泥、乳化沥青的胶结材料用量相对比较少，拌合设备的计量系统应准确。改进施工工艺，保证施工质量：施工拌合好的再生沥青混合料应在规定的水泥凝结时间内进行摊铺，并完成碾压。厂拌冷再生沥青混合料由于是冷拌合，在摊铺碾压中要注意碾压工艺，保证再生混合料的压实。五、项目成效（一）社会效益1988
19、年沪嘉高速公路建成通车以后，我国的公路建设进入了以高速公路为主的新时代，随着使用时间的增加，1999 年前建成通车的 1.1 万公里高速公路，已接近或达到了设计寿命期，有些路面的破损已相当严重，必须进行大修，高速公路大修需要大量的资源和能源，同时还会排放污染物。将再生技术用于高速公路大修，既可以实现路用材料和资源的可持续利用、降低维修成本，又可以在尽量减少废弃材料的环境污染和处理费用的前提下，全面恢复或提高原路面的路用性能，实现高速公路社会效益、经济效益与环保效益的和谐统一。（二）经济效益分析与常用作柔性基层的热拌沥青碎石（ATB-25 ）混合料相比（表 7），冷再生沥青混合料的冷再生沥青混合
20、料的经济效益非常显著。并且，通过这种再生施工，可以节省由于处理废弃混合料而产生的巨额运输和处置费用，降低工程成本。表 7 冷再生沥青混合料和 ATB-25 沥青混合料的价格混合料类型 出厂价格冷再生沥青混合料 390 元/m 3ATB-25，结合料为重交通 50 号沥青 681 元/m 3ATB-25，结合料为重交通 70 号沥青 667 元/m 3与 ATB-25（常被用于柔性基层）混合料相比，冷再生沥青混合料在以下三个方面节约了能源和资源（见表 8）：沥青，冷再生沥青混合料需添加 1.5%的沥青（乳化沥青含量 2.5%，乳化沥青中沥青的含量为 60%），而 ATB-25 混合料的沥青含量最
21、少也要 3%；节约加热能源，冷再生沥青混合料拌和时不需要加热，而生产一吨热拌沥青混合料通常需要的加热能源是 8 升柴油；降低用电量，RAP 是已损坏的沥青路面经铣刨（带有破碎过程）后产生的，基本都可以直接筛分拌和使用，而新的碎石材料必须破碎后才可以拌和使用。表 8 冷再生沥青混合料的节能效果类型 沥青（吨） 柴油（升） 破碎碎石用电（度）1 吨冷再生沥青混合料 0.015 0 01 吨热再生沥青混合料 0.03 8 1.141 吨热拌沥青混合料（ATB-25） 0.03 8 1.14昌九高速技改工程的总节能 7845 4184000 596220（三） 环保效益分析1.减少土地污染昌九技术改造
22、全线再生利用的旧沥青路面材料为 24.54 万方，若废弃至少永久占用并污染土地 70 亩，约合每公里占地 0.72 亩。 2.减少不可再生资源的开发旧沥青路面材料的再生利用，必然可以大量节省筑路用的石料、沥青等不可再生资源。而且新石料的开采还会导致森林植被减少、水土流失等严重的生态环境破坏。昌九高速技改，节省的矿山资源约 48.6 万吨。3.减排使用 1 吨热拌沥青混合料会排放 18 公斤 CO2（热再生沥青混合料的 CO2 排放量与热拌沥青混合料相差不大），据国家环境分析测试中心检测，采用冷再生技术至少可节省加热能源 50%（乳化沥青的生产要加热），同时减少 CO2 排放50%以上。昌九高速技改工程冷再生沥青混合料的 CO2 排放量见表 6，如果使用热再生混合料或热拌沥青混合料，其 CO2 排放量将大大增加（见表 9）。表 9 CO2 排放量对比使用一吨该材料 排放的 CO2量（公斤）昌九高速技改工程排放的 CO2量（公斤）冷再生沥青混合料 9 4707000热再生沥青混合料 18 9414000（如果采用该材料）热拌沥青混合料 18 9414000（如果采用该材料）4.改善施工条件冷再生沥青混合料的生产、摊铺自始至终始终在常温条件下操作，乳化沥青和砂石料都不需加热，没有沥青烟产生，显著降低有害物质排放，改善了施工条件，有利于现场施工人员的健康。
