工業再生材料用于公路工程的現狀及展望

李蕊+鄒道光+梁濤

導語：

交通運輸行業發展統計公報顯示：2015年末全國公路總里程457.73萬km，公路密度47.68 km/100 km2。全國等級公路里程404.63萬km，占公路總里程88.4%。在國家可持續發展戰略要求下，把廢舊資源用于公路工程建設，不僅減少環境污染，還實現了廢舊資源再利用，降低工程造價。因此，大力開展公路工程建設中的可利用再生材料及再生技術的研究具有重要意義。

2016年3月5日，第十二屆全國人民代表大會第四次會議開幕，國務院總理李克強在做政府工作報告時指出，今年要啟動一批“十三五”規劃重大項目，完成鐵路投資8 000億元以上，公路投資1.65萬億元，發揮有效投資對穩增長、調結構的關鍵作用。

交通運輸行業發展統計公報顯示：2015年末全國公路總里程457.73萬km，公路密度47.68 km/100 km2（圖1）。全國等級公路里程404.63萬km，占公路總里程的88.4%。其中，二級及以上公路里程57.49萬km，占公路總里程的12.6%。各行政等級公路里程分別為：國道18.53萬km（其中普通國道10.58萬km）、省道32.97萬km、縣道55.43萬km、鄉道111.32萬km、專用公路8.17萬km。

隨著我國公路事業的飛速發展，現有公路工程材料特別是高等級道路所需材料存在價格較高、施工程序復雜、技術要求高等問題。道路材料正逐步向強度高、性能優、壽命長和適應大交通量的方向發展；而開展廢棄材料在公路中的再利用技術及應用研究亦是一種趨勢，尤其是工業生產中所產生的廢料，不僅會污染環境，還占用大量土地，浪費土地資源。在國家可持續發展戰略要求下，把廢舊資源利用于公路工程建設，不僅能減少環境污染，還能實現廢舊資源再利用，降低工程造價。因此，大力開展公路工程建設中可利用再生材料及再生技術的研究具有重要的意義。

工業再生材料的構成

與歐美發達國家目前的成熟穩定期不同，中國處于對工業廢料綜合治理的發展初期。隨著人口持續增加、消費水平提高和工業生產等不斷增加，工業廢料的產生量也大幅增長。

工業再生材料是指在工業生產的過程中，可通過某種加工過程而被再次使用的材料。目前，應用于公路工程中的工業再生材料主要有鋼渣、礦渣、粉煤灰、廢舊橡膠、塑料、廢舊玻璃、建筑垃圾等。按材料產生來源分為冶金廢料、輕工業廢料、道路舊料及建筑垃圾四類。

冶金廢料

冶金廢料主要是指在進行鋼鐵生產的過程中產生的鋼渣、高爐礦渣及粉煤灰。

鋼渣是鋼鐵企業利用率最小的大宗固體廢物之一，我國每年鋼渣產量達到1億t左右，目前全國鋼渣累積堆存近10億t，而對鋼渣的綜合利用率不高。聯合國對歐美、日本等20個工業發達國家進行鋼渣利用情況調查，發現這些國家約60%的鋼渣被用在公路工程中。

鋼渣之所以能夠運用到公路工程中，是因為鋼渣表面粗糙，棱角性較好，質地堅硬，抗滑性和抗車轍能力較高。大量研究及實踐證明，鋼渣是一種較為合適的瀝青混合料粗集料替代材料。美國和沙特的合作研究表明：當鋼渣作為粗集料同石灰石礦粉、細集料、聚合物改性瀝青混合后，其耐潮濕和抗疲勞性能均有所提高。德國研究表明：鋼渣在抗壓和抗反光性能上超過了現在的玄武巖、燧石礫石等優質瀝青集料，具有較好的體積穩定性和瀝 濾性。

鋼渣在公路工程中除了作為粗集料應用到瀝青混合料面層外，還可用到路面基層中。大量工程實踐表明，無論是水泥混凝土路面還是瀝青混合料路面，基層的材料和質量是影響路面性能和使用壽命的關鍵因素。鋼渣的礦物成分中含有水硬性膠凝結礦物β-C2S及C11A7CaF2等，這些礦物使鋼渣具有一定的水硬活性，可以增加鋼渣的強度。同時，鋼渣是一種水穩性較強的材料，在基層中加入適量的鋼渣可以增加基層的水穩定性，提高基層的強度及路面的使用性能，延長路面的使用壽命。

高爐礦渣是一種典型的堿性材料，其成分中CaO含量較高。在各種工業生產中，礦渣的產量較大，且其性能最適合作為各級路面的基層材料。大量實踐表明：礦渣的抗壓強度低且變化較大，磨耗率大，不適合用作磨耗層材料，但它具有空隙率較大、吸水性強、粘附率高、整體強度高等優點，經水結碾壓后易形成板體，適合作面層和基層材料，特別是作基層材料時效果更為明顯。

在工業冶金廢渣中，使用最多和最廣泛的是粉煤灰，粉煤灰中含有較多的活性氧化硅和活性氧化鋁，它們可以與飽和的氫氧化鈣溶液發生火山灰反應，具有水硬性的特征。粉煤灰目前在公路工程中得到了廣泛應用，如粉煤灰路堤、粉煤灰基層、粉煤灰混凝土路面、加筋粉煤灰擋墻、粉煤灰鋼渣混凝土、高鈣粉煤灰瀝青混合料等。

輕工業廢料

輕工業的快速發展產生了大量的廢料，主要包括廢橡膠粉、廢玻璃及廢塑料三類（圖2～4）。2015年全國汽車輪胎總產量為5.63億條，廢舊輪胎產生量達到3.3億條，質量可達1 200萬t，而再生橡膠產量達到438萬t，居世界第一位；橡膠粉產量達到35萬t，其中15萬t用于生產改性瀝青。我國每年廢玻璃的產量達到1 040萬t，占固體廢料產量的5%，由于廢玻璃很難使用一般的物理方法及自然循環進行分解處理，因此對生態環境造成很大的影響。2015年，我國塑料總產量為7 560.7萬t，成為世界上第一大塑料消費國家，在對塑料進行使用的過程中也產生了大量的廢塑料，這些廢舊塑料的堆積造成白色污染，給環境帶來極大的危害。因此，把廢舊塑料應用到公路工程中意義重大。

（1）橡膠用于瀝青路面材料主要通過2種不同的方式：第1種方式是把橡膠加工成橡膠粉，作為粘結改性劑加入到瀝青中，該方法稱為“濕法”，用此種方法制備的改性粘結劑叫做“橡膠瀝青”；第2種方式就是將回收得到的廢舊橡膠加工成顆粒狀，用來取代瀝青混合料中的部分細集料，此種方式加入的橡膠顆粒與瀝青不發生反應，該方法稱為“干法”，用此種方法得到的瀝青混合料叫做“瀝青橡膠混合料”。大量試驗和實踐表明，如果瀝青和橡膠粉的比例合適，橡膠瀝青的使用可以減少路面自上而下的熱開裂及自下而上的反射裂縫，同時，還可以減小汽車行駛時輪胎與路面接觸產生的噪音。使用瀝青橡膠混合料鋪筑的路面能夠提高高溫抗永久變形及低溫抗開裂的性能。由于橡膠具有比重輕、導熱系數低、滲透系數高及在大應變下抗剪強度高等優點，在路基中加入適量粉碎的廢舊輪胎，可以增加路基的強度，提高廢舊輪胎的利用率。

（2）目前，將廢玻璃作為瀝青混合料路面的集料，是對廢舊玻璃進行回收利用的主要方式之一。其具有如下優點：減少車輛側滑事故，道路的光反射較柔和，路面的耐磨性好，積雪融化快，適宜于低氣溫地區的路面。大量研究數據表明：在瀝青混合料中加入10%～15%的碎玻璃和適量熟石灰粉可以提高路面的使用性能。除此之外，由于玻璃具有高的反射率，把廢舊玻璃研磨加工成玻璃粉末并加入到瀝青中，對瀝青進行改性，由此鋪筑而成的瀝青混合料路面的反光性得到提高，可以增加夜間車輛行駛的安全性。

（3）當前在公路工程中使用廢舊塑料主要通過2種方式：一種方式是制成廢舊回收塑料改性瀝青；另一種方式是直接以廢舊塑料為基礎，將其與非晶態高分子、樹脂及輔助劑按適當比例共混，經化學反應形成混合物，直接在瀝青混合料拌和中投放，拌和后形成廢舊塑料改性瀝青混合料。研究和實踐表明，由廢舊塑料制備的改性瀝青能夠明顯提高瀝青混合料的抗車轍能力，改善瀝青混合料的抗疲勞性能、低溫抗裂性和水穩性。除此之外，廢舊塑料中的有效成分還可以提高瀝青的軟化點，改善瀝青的低溫柔韌性，降低針入度，使瀝青具有較好的溫度穩定性，進而使瀝青混合料具有良好的路用性能。

道路舊料

道路舊料是指道路在被破壞后進行翻新修補時產生的廢舊瀝青混合料（圖5）。傳統做法是將道路廢舊料去除，然后用新料覆蓋施工，這種做法造成較大的能源浪費，因此舊瀝青路面的再生利用應運而生。舊瀝青路面的再生是指采用路面再生專用設備將舊瀝青路面材料翻挖、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運用到路面鋪筑。道路舊料的再生利用，能夠節約大量的資源和工程投資成本，同時又能處理廢料，對環境進行保護，具有顯著的經濟效益和社會效益。

按照瀝青路面的設計壽命（10～15年）和實際使用情況，我國每年有13%的瀝青路面需要翻修，這其中大部分采用銑刨舊路面層，然后加鋪新面層的措施。預計舊瀝青路面材料廢棄量每年達到220萬t，不但會占用大量的土地，而且會對周邊環境造成污染。

瀝青路面再生技術是公路建設可持續發展戰略的重要組成部分，在我國現階段尤其具有重要的現實意義。有效地利用廢舊瀝青混合料，可節約大量自然資源，并有利于保護生態環境，防止污染。瀝青路面再生技術主要分為四大類。

（1）現場冷再生?，F場冷再生技術主要有2種方式。第1種是利用大功率銑刨機就地銑刨、翻挖、破碎，再加入新料（包括乳化瀝青或其他再生劑、穩定劑），用路拌機就地拌和、攤鋪，最后用碾壓機碾壓成型（圖6）。這種方法采用的是乳化瀝青，對設備要求較低，生產成本不高。相應地，這種再生路面品質不是很好，主要用于低等級公路路面和高等級公路路面基層，國外多用于鄉村公路的翻修。第2種是在舊路上灑布再生劑封層，通過再生劑滲入路面5～6 mm以恢復表層瀝青活性，延長路面使用壽命2～3年。

（2）現場熱再生。現場熱再生也稱為表層再生技術，是一種修復破碎路面的過程。它是通過紅外線加熱路面以及一定深度的舊瀝青混合料至一定溫度，然后用翻松機將可塑狀態混合料翻松，再添加新瀝青，最后將再生混合料碾壓成型（圖7）。這種方法施工簡便，無需運輸舊料，工效高，多用于基層承載良好、面層出現疲勞裂紋的路面，特別適用于老化不太嚴重但平整度較差的路面。

（3）廠拌冷再生。廠拌冷再生指先將舊瀝青路面材料銑刨后運回穩定土攪拌廠，經破碎后作為骨料，再加入水泥或石灰、粉煤灰、乳化瀝青等穩定劑進行攪拌和鋪筑，多用于基層或底基層（圖8）。該技術可解決無法進行熱再生回收利用的舊料，實現廢料處理和環境保護的目的。

（4）廠拌熱再生。廠拌熱再生是指將舊瀝青路面銑刨后運回拌和廠，再集中破碎、篩分，并根據舊料的性質摻入一定比例的再生劑、新瀝青和新集料，在拌和機中進行拌和，使混合料達到規范要求的各項指標（圖9）。重新鋪筑的再生瀝青路面具有良好的抗車轍性能。廠拌再生瀝青混合料屬于結構性再生，能有效使用各種條件下的舊料，適用范圍較為廣泛。

無論從環境保護、經濟效益方面，還是從可持續發展方面講，再生技術都是一個具有發展前景的工程技術領域。瀝青路面再生技術不僅可以降低成本三分之一以上，更重要的是在施工過程中將公路的舊瀝青面層直接粉碎、拌和，作為基層骨料，提高了路基強度，更防止資源浪費，消除了舊混合料的廢棄給環境造成的污染，在施工中減少了交通量和交通載荷，實現了材料的再利用，節能環保，減少環境污染。

建筑垃圾

建筑垃圾是指在建筑活動中產生的渣土、廢舊混凝土、廢舊磚石及其他廢棄物，通常分為建筑施工垃圾和建筑拆除垃圾2類。建筑施工垃圾是指在施工現場中，不同結構類型建筑物所產生的建筑施工垃圾，其主要成分一致，各種成分含量有所不同，主要有散落的砂漿和混凝土、剔鑿產生的磚石和混凝土碎塊、打樁截下的鋼筋混凝土樁頭、廢金屬料、竹木材、各種包裝材料等，約占建筑垃圾總量的80%。建筑拆除垃圾是指舊建筑拆除垃圾，相對建筑施工單位面積產生垃圾量，舊建筑物拆除垃圾的組成與建筑物的結構有關（圖10）。舊磚混結構建筑中，磚塊、瓦礫約占80%，其余為木料、碎玻璃、石灰、渣土等，現階段拆除的舊建筑多屬磚混結構的民居；廢棄框架、剪力墻結構的建筑中，混凝土塊約占50%～60%，其余為金屬、磚塊、砌塊、塑料制品等，舊工業廠房、樓宇建筑是此類建筑的代表。

對建筑垃圾進行再利用的方式就是再生混凝土：將廢棄的水泥混凝土塊經過破碎、清洗、分級后，按一定比例與級配混合，部分或全部代替砂石等天然集料，再加入水泥、水等配置成新的混凝土。對建筑垃圾進行再利用，不僅節約資源，減少公路工程的建設成本，還保護了環境，具有很大效益。

對建筑垃圾再利用之前要對其進行預先處理，主要流程包括：對大粒徑建筑垃圾進行破碎處理；對金屬材料進行剔除，對磚塊、混凝土塊進行分離；對輕質物料及生活垃圾進行剔除、篩分處理。根據道路相關規范，要求路基填料的最大粒徑小于100 mm，所以對于超粒徑再生骨料需重新進行破碎，要充分保證建筑垃圾能夠達到路用材料標準。

大量檢測表明：建筑垃圾在潮濕的環境下穩定性很好，整體強度較高，是公路工程中良好的路基填料。將回收磚粉用作瀝青混凝土礦粉與石灰石礦粉進行對比研究，結果表明，回收磚粉具有更高的間接拉伸模量和抗車轍能力，改善了混合料的水敏感性和疲勞壽命。通過靜態、動態蠕變試驗發現，其永久變形顯著減少，高溫抗車轍能力得到了提升（圖11）。建筑回收料中含有的水泥、陶瓷、碎石等也可用作道路替代集料。將建筑回收料作為替代集料用于道路的研究結果表明，充分壓實可提高路面承載能力、彈性模量和抗永久變形，適用于一般道路的基層和底基層。

再生材料的應用技術發展

通過對目前公路工程中所用材料的研究發現，工業再生材料的應用越來越多，研發力度和應用力度在逐漸加強，工業再生材料在公路工程中的應用整體朝著健康、快速、良性的方向發展。在未來公路工程事業的快速發展中，工業再生材料將成為更為重要的筑路材料，使公路具有多功能和環保屬性。

未來公路工程中使用工業再生材料的發展趨勢主要表現在以下方面。

（1）向著高效化方向發展。大量的應用實踐表明，工業再生材料以其突出的優點成功地在公路工程中得到廣泛應用，成為了公路工程中重要的材料之一。在未來的發展中，工業再生材料的特性和優勢將得到進一步發揮，更加注重實用效果，比如大摻量的鋼渣、玻璃、建筑垃圾將會作為道路路基、路面的集料和填充料等，同時各方面性能也將會達到相關的技術規范要求。工業再生材料在公路工程中的應用將朝著高效化方向發展。

（2）向著低成本化方向發展。目前工業廢舊材料的收集、處理以及設備的購置、加工等過程的成本較高，導致工業再生材料在公路工程中的使用成本高，使得一部分再生材料只能在小范圍內得到應用。因此，在公路工程中要想實現工業再生材料的大規模應用，就要努力降低工業再生材料的使用成本。從目前的發展趨勢來看，工業再生材料正在朝著低成本化方向發展。

（3）注重環保性與功能性的結合。工業再生材料在公路工程中的應用，在實現其功能性的同時還要注重環保性，二者是統一的整體，只有兩者的協同發展，才能充分體現出工業再生材料的價值。因此，工業再生材料的發展更加注重環保性和功能性，這是未來發展的重要趨勢。

（4）更加注重研發新型材料。隨著現代高科技手段和無污染的生產技術的進步，運用工業再生材料研發新型材料已成為可能，把新型材料運用到公路工程中可以實現路面的多功能化。比如用工業再生材料對瀝青進行改性的同時，可以結合納米技術制備納米改性瀝青，進而提高瀝青的使用性能。以工業再生材料為基礎材料，結合高科技手段研發新型材料，是工業再生材料應用發展的重要趨勢之一。

制約工業再生材料推廣的因素

目前制約工業再生材料推廣應用的因素可分為技術、環境和經濟三方面。其技術方面的因素主要包括五點。

（1）原材料成分波動不宜進行質量控制。質量變化大的工業廢舊材料會影響公路工程的質量，并不利于其長期穩定性。鋼渣等冶金廢舊材料自身就是一種含有復雜成分的混合物，其中的礦物成分受到區域、冶煉技術水平及原材料等因素的影響，在公路工程中使用鋼渣等冶金廢舊材料無法形成統一的質量控制標準。翻修舊瀝青路面過程中產生的廢舊瀝青混合料主要含有粗集料、細集料和舊瀝青。粗、細集料是良好的建筑材料，一般不會因為路面的使用而發生性能上的重大變化，經簡單處理可以直接再生利用（圖12）；瀝青則不一樣，瀝青的性能會隨使用年限的不同發生不同的變化，舊瀝青性能相對較差，成分也會發生變化，在對其進行再利用的過程中質量不容易控制。對廢舊輪胎進行回收再利用的過程中，不同種類的輪胎含有的橡膠量和成分有所不同，對其再利用過程中，很難使它的成分具有一定的均勻性，從而影響了使用性能。建筑垃圾本身就是由混凝土、磚塊、廢舊金屬、木材、塑料等廢舊材料組成的，再利用過程中很難把不同廢舊材料徹底分離開來，不易控制其再利用的質量。

（2）路用性能相對較低。在公路工程利用工業廢舊材料時，選擇再生利用的方式受道路性能、道路等級和類型的影響，由于不同等級和類型的道路對路面高、低溫性能及耐久性等路用性能的要求不同，有的工業廢舊材料應用到公路工程中的路用性能達不到規范要求，嚴重限制了工業再生材料在公路工程中的應用。

（3）現有加工技術的制約。在公路工程中實現工業廢舊材料回收再利用的技術不夠成熟，對廢舊料的處理步驟比較簡單，使用的設備不夠先進，這些因素嚴重制約了工業再生材料在公路工程中的應用推廣。

（4）環境方面的制約。在公路工程中利用工業廢舊材料時要遵循環境保護原則，工業廢舊材料的回收再利用要環保，不應對環境造成威脅。廢物利用絕不能以產生新的污染為代價，應保證再生材料和產品符合有關環境質量標準的規定。

（5）經濟方面的制約。在公路工程中利用工業廢舊材料時應該具有一定的經濟效益。工業廢舊材料的收集、處理以及設備的購置、加工等過程的成本可能高于使用天然材料或非再生材料，施工單位會基于對經濟效益的考慮而不予采用。因此，成本過高也是限制工業再生材料在公路工程中的應用的主要因素之一。

通過以上對制約工業再生材料推廣因素的總結可以看出：在公路工程中，要想最大程度地實現工業廢舊材料的回收再利用，應該從設備能力、技術條件、環境保護、成本控制、政策影響、道路等級和類型等方面綜合考慮，選擇最佳的再生利用方法。

工業再生材料的應用趨勢及展望

隨著基礎設施建設大力開展，新建工程逐漸增加，公路工程建設的規模也突飛猛進，同時對破舊路面進行翻修的工作量也在不斷增加。工業再生材料在公路工程中的應用不僅會減少資源利用，還能起到保護環境的作用，具有很大的經濟效益和社會效益。根據工業廢料的自身特征，經過一定的再生工藝，把它們應用到公路工程的各層結構中，均表現出了良好的路用性能（圖13）。因此，在公路建設的設計階段，應綜合考慮環境和造價等因素，靈活運用設計指標，進一步細化設計，使設計方案更環保、更安全、更經濟。

在公路建設過程中，本著節約能源的原則，應當充分利用可再生資源與技術，做到“變廢為寶”，盡可能減少煙、氣、及固體廢物的排放，最終達到環保、節能、減少投資的目的。利用可再生技術，挖掘廢棄垃圾的再次使用功能，使其成為公路工程中的材料，發揮工業廢料再生技術及工藝在道路工程中的價值。這樣不但可以發展一種新型的應用材料，也為以后鋪路材料的發展開辟了新空間。

工業再生材料中含有大量的鋁、鐵、鈣、硅等礦物質，從化學角度上看可利用性非常強，應根據再生材料自身特征對高效低成本再生工藝進行不斷研究與探索，做到最大化利用再生材料。