二次就地热再生沥青路面性能及经济效益研究

陈 涛，洪盛祥，王鸿森,黄九达,张 杨

(1. 苏交科集团股份有限公司，南京 210019； 2. 新型道路材料国家工程研究中心，南京 211112)

沥青路面就地热再生技术可实现旧料的再次利用，节约资源，减少污染，符合国家“双碳”战略目标[1-3]。目前，许多早期实施的就地热再生养护工程已产生了二次养护的需求，而一次就地热再生(简称“一次再生”)后，再次养护多以铣刨重铺处治，难以实现旧料的再次利用，因而已有学者开始探索二次就地热再生(简称“二次再生”)技术[4-6]。二次再生技术在设计理念上与一次再生无异，关键在于处理一次再生后集料级配细化和沥青老化的问题，难点在于实现集料级配恢复和沥青性能恢复。目前，针对二次再生混合料性能、工程应用效果以及二次再生后路面后期性能衰变情况的相关研究及应用观测较少，养护经济效益难以估算，而这些都是管养部门关注的重点[7-8]。本文在一次再生混合料的基础上，通过添加适当的新料和再生剂，恢复沥青混合料的级配和性能，同时引入路面预铣刨工艺，掺加更多新料，提升二次再生沥青混合料的性能，并在实际工程中应用，跟踪观测其应用效果并评估其经济效益。

1 一次再生后路面材料性能研究

1.1 级配变化

为分析一次再生后路面材料的性能变化，进行取样对比试验研究。取样的一次再生路段已实施5年，所使用的集料是改性沥青AC-13S，对比路段是邻近的历史上未再生(同时也未养护)的路段，使用集料同样为AC-13S。一次再生路段和未再生路段取样试验结果如表1所示，一次再生路段和未再生路段级配如图1所示。

图1 一次再生路段和未再生路段级配

表1 一次再生路段和未再生路段取样试验结果

由表1和图1可知，相较于未再生路段，一次再生后AC-13S在2.36 mm、4.75 mm和9.5 mm筛孔的通过率均有一定程度的提高，级配存在一定程度的细化，而未再生的AC-13S级配更趋向于S形曲线。

1.2 回收沥青性能

为评价一次再生后的沥青性能，检测一次再生路段回收旧沥青的三大指标，回收沥青试验结果如表2所示。由表2可知，与未再生路段相比，一次再生路段回收沥青的针入度、延度均有所下降，软化点有所提升，可知经过一次再生的施工加热等操作后，沥青变硬、变脆，老化较明显。根据《公路沥青路面再生技术规范》(JTG/T 5521—2019)，一次再生料沥青满足进一步再生要求。

表2 回收沥青试验结果

1.3 一次再生沥青性能

向一次再生沥青中掺入1%～4%的再生剂并进行三大指标试验，再生剂的主要技术指标如表3所示，掺加再生剂后一次再生沥青的三大指标试验结果如表4所示。由表4可知，掺入再生剂后，回收沥青的性能得到了一定的改善，针入度和延度均有提升。掺加4%的再生剂后，一次再生沥青的三大指标试验结果达到《沥青路面就地热再生施工技术规范》(DB32/T 3134—2016)中的再生要求。

表3 再生剂的主要技术指标

表4 掺加再生剂后一次再生沥青的三大指标试验结果

2 二次再生配合比设计

2.1 预铣刨工艺

进一步细化二次再生集料级配。沥青已经历过一次再生老化，若采用传统就地热再生工艺，仅考虑车辙修复而掺加新料，掺加比例较小，形成的二次再生混合料存在后期性能快速衰减的风险。因而，为保证二次就地热再生混合料性能稳定，通过预铣刨工艺，预铣刨部分原路面，以掺加更多新料。

结合相关工程的施工经验，现场采用边侧预铣刨工艺，计划通过预铣刨添加25%的新料，预铣刨车道边侧宽1 m、厚4 cm的区域(上面层)。拟实施二次再生路段现场车辙深度为10 mm，根据《沥青路面就地热再生施工技术规范》(DB32/T 3134—2016)提出的计算方法，修复车辙的新料掺入量为13%(外掺)，合计新料外掺比例为38%(即新料内掺比例28%)。

2.2 新料级配设计

初选两种二次再生合成级配如图2所示。分析可知，二次再生合成级配相比一次再生级配更趋向于S形曲线，更加嵌挤密实。掺入4%的再生剂，按照新料内掺比例28%成型马歇尔试件，两种级配试件马歇尔试验结果如表5所示。合成级配1和合成级配2的空隙率分别为4.4%和4.3%，矿料间隙率分别为15.8%和16.1%，饱和度分别为72.1%和73.3%，体积指标均满足技术要求且差异性较小，结合当地施工经验，选择合成级配1为设计级配。

图2 两种二次再生合成级配

表5 两种级配试件马歇尔试验结果

2.3 确定最佳油石比

以4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%的新料油石比分别成型马歇尔试件，试件体积指标检测结果如表6所示，并绘制各项指标与油石比的关系曲线如图3所示。

表6 试件体积指标检测结果

(a) 密度随油石比变化曲线

(b) 稳定度随油石比变化曲线

(c) 空隙率随油石比变化曲线

(d) 流值随油石比变化曲线

(e) 饱和度随油石比变化曲线

(f) 最佳油石比确定图3 各项指标与油石比的关系曲线

分析可知，OAC1(最佳新沥青掺量)为4.95%，OAC2为4.94%，OAC1与OAC2的均值为5.0%，定为新料最佳油石比。

2.4 混合料性能检验

根据二次再生混合料配合比设计结果进行性能检验，并与一次再生混合料(两个断面试验结果记为一次再生①、一次再生②)进行对比，再生混合料性能检验结果如表7所示。由表7可知，一次再生混合料两个断面的稳定度分别为14.05 kN、14.35 kN，两个断面的动稳定度分别为5 039次/mm、4 838次/mm，二次再生混合料稳定度为15.61 kN，动稳定度为5 239次/mm。综上，二次再生混合料结构稳定性、水稳定性以及高温稳定性可达到一次再生性能水平，动稳定度指标略有提高，高温性能有所提升。

表7 再生混合料性能检验结果

3 工程应用效果

3.1 工程实施效果

根据本次配合比设计结果，在江苏省某高速公路应用二次就地热再生技术，同时引入预铣刨1 m宽工艺。该高速公路为双向四车道，沥青面层厚度为17 cm，实施二次就地热再生的路段在5年前实施过一次就地热再生，随着交通量日益增加，出现了轻微车辙和少量横向裂缝病害，桩-土-结构相互作用(PSSI)为100，路面损坏状况指数(PCI)为91，为处治病害并提高路面行驶质量，实施二次就地热再生，实施长度为800 m。

实施二次再生AC-13S，二次再生路段现场以200 m为间隔共检测6处，二次再生路段现场检测结果如表8所示。

表8 二次再生路段现场检测结果

根据现场检测结果，路面平整度(σ)为0.7 mm、渗水系数为18 mL/min、构造深度为0.8 mm、摩擦系数(BPN)为64，均满足技术要求，表明实施效果良好。现场实施效果如图4所示。

3.2 案例跟踪观测

统计江苏省近年来的二次再生应用案例以及一次再生、铣刨重铺养护后的车辙深度和横缝数量指标变化，以便直观反映路面材料高温抗车辙和低温抗裂性能，车辙深度变化趋势如图5所示，横缝数量变化趋势如图6所示。从车辙指标来看，一次再生路段的车辙指标在5～6年衰减至养护前水平，铣刨重铺路段车辙指标在7～8年衰减至养护前的水平，而二次再生路段目前已观测4年左右，未衰减至养护前水平，预期车辙保持效果也可达到5年以上。从横缝数量来看，一次再生路段的横缝数量在前期2年内发展较平缓，中期3～4年发展较快，后期趋于平稳；与一次再生、铣刨重铺相比，二次再生路段中期横缝发展较快，可能与二次再生沥青老化相关，但目前也保持了4年养护效果。总的来说，二次再生养护效果可以保持4～5年，基本能达到一次再生水平。

图6 横缝数量变化趋势

4 经济效益

从室内试验及工程应用结果来看，二次再生路用性能可以达到一次再生水平。基于全寿命周期理念，采用15年的分析期对二次再生经济效益进行分析，并与铣刨重铺进行对比。测算经济效益包括初建费用、养护费用以及残值，并考虑贴现率8%。

4.1 初建费用

以单车道1 km进行测算，常规就地热再生养护费用为26万元，掺加约25%的新料(以AC-13S为例)，将增加11万元，即二次再生初建费用为37万元，铣刨重铺(以AC-13S为例)费用则为54万元。

4.2 养护费用

计算分析期内的养护费用，需主要考虑大中修养护，结合养护措施效果跟踪及工程经验，再生寿命以5年计算，铣刨重铺寿命以7年计算。考虑到二次再生后材料性能衰减的风险，二次再生后采用铣刨重铺，而后采用一次再生，分析期内养护费用如表9所示，考虑贴现率8%。

表9 分析期内养护费用

4.3 残值

按照《公路沥青路面养护设计规范》(JTG 5421—2018)中的计算方式分析期末残值如表10所示，考虑贴现率8%。

表10 分析期末残值

4.4 经济效益

参考《公路沥青路面养护设计规范》(JTG 5421—2018)中的费用现值指标(PVC)进行评价，不考虑道路使用者费用，PVC经济效益如表11所示。

表11 PVC经济效益 (万元)

二次再生PVC为73万元，铣刨重铺PVC为83万元。与铣刨重铺相比，二次再生全寿命周期内减少了14%左右的经济投入，经济效益显著。此外，就地热再生能够提高建筑废料利用率，节约自然资源，减少碳排放，具有良好的环境效益。

5 结论

本文对二次再生沥青路面的性能及经济效益进行了研究，得出以下结论：

(1) 一次再生后混合料中的集料级配会出现细化、沥青变硬变脆的情况，在加入适当的新料以及再生剂后，仍可满足再生的要求。

(2) 通过边侧预铣刨施工工艺，可提高二次再生新料掺量至38%，以更好地保证二次再生混合料的性能。

(3) 二次再生混合料的结构稳定性、水稳定性和高温性能均能达到一次再生后的性能水平。观测结果显示，二次再生工程应用效果良好，可延长4～5 年的路面使用年限。

(4) 二次再生养护措施与铣刨重铺相比，全寿命周期内可减少14%的养护经费投入，同时环境效益显著。