沥青路面就地热再生技术现状与发展历程
摘 要
就地热再生技术是一种发展前景较好的沥青路面预防性养护技术。该文在全面了解就地热再生研究历程的基础上，从就地热再生技术适用性、再生混合料设计、再生路面结构、以及现有相关专利数量和实体工程应用效果等方面对已有研究进行总结概述。
关键词
沥青路面 | 就地热再生 | 混合料设计 | 结构设计
随着中国经济的发展和近几年大规模新建公路网的基本完善，“十三五”期公路交通将面临新的发展形势，尤其对公路养护管理工作提出了更高要求。目前中国仅干线公路大中修工程，每年生产1.6亿t沥青路面旧材料。同时，中国道路路面材料的回收利用率还不到30%，远低于发达国家90%以上的利用率。如何有效回收沥青混凝土已成为中国公路交通建设中的一个重要课题。
根据中国的实际情况，JTG F41-2008《公路沥青路面再生技术规范》将沥青路面再生技术分为厂拌热再生、厂拌冷再生、就地冷再生、就地热再生4类，该文基于技术特点及施工设备差异，对4种再生技术进行分析和对比，得出就地热再生技术相对于其他3种再生技术的显著区别与共性。就地热再生技术具有施工简便、施工速度快、可100%利用旧路面材料、对交通的干扰小且节省运输成本等优点。并且与其他养护技术相比，就地热再生技术可完全修复路面龟裂、坑槽及车辙等浅层病害，经过就地热再生处理的路面达到使用年限后，还可以继续通过再生手段重复利用。该技术对中国公路建设及养护具有一定的促进作用，对生态环境保护具有重要意义。
该文着眼当前道路养护技术发展形势，在全面了解就地热再生研究历程的基础上，通过对国内外就地热再生技术研究文献的收集，对就地热再生技术适用性、再生路面结构、再生混合料设计以及现有相关专利数量和实体工程应用效果等方面的研究进行总结。
国内外研究历程
国外最早认识到利用再生现有沥青路面材料进行路面修复的重要方法是1915年从美国开始，但后续研究基本处于停滞状态。直到20世纪70年代爆发了石油危机，才开始了后续大规模的沥青路面技术研究。直到2006-2008年，随着沥青和集料价格上涨，添加高比例RAP的再生路面铺筑技术才得到广泛研究。
从20世纪70年代开始，以德国、加拿大、芬兰和意大利等国家为代表的欧洲许多国家进行了一系列沥青路面的再生试验，并取得了良好效果。其中德国于1978年就已经对全部RAP进行再利用，德国依靠强大的机械制造能力开发了乳化沥青冷再生、就地热再生等大型设备，法国等也广泛进行了RAP回收利用。前苏联分别于1966年、1979年和1984年发布沥青混合料再生的相关指南和准则用以规范指导再生沥青混合料应用。日本从1976年开始研究沥青路面再生技术，至2000年再生沥青混合料生产比例已达道路建设所用全部沥青混合料的30%，至2004年这一比例已达68.8%。
20世纪90年代后期，成套专业的现场热再生设备开始出现，进一步推动了现场热再生技术在公路路面养护工程中的应用。
中国公路沥青路面再生研究起步较晚，曾在20世纪50-70年代不同程度上利用过旧沥青材料，但一般只是用于轻交通道路、人行道或道路的垫层。直到1983年建设部下达了“废旧沥青混合料再生利用”的研究项目。1991年中国颁布了《热拌再生沥青混合料路面及验收规程》，一些大学及科研机构也着手对再生路面混合料路用性能、施工技艺等方面进行研究，并取得了一定的成果。从2002年9月到2003年底中国共引进了国外4个国家的8套就地热再生成套设备。就地热再生技术在中国的发展突飞猛进，国产的就地热再生设备也陆续出现。据不完全统计，截至2009年，中国就地热再生使用面积超过700万㎡。2010年，湖南省对就地热再生技术进行了全面的推广，并且取得了良好的实施效果。2013年，就地热再生技术成为福建省重点推广的技术，并对英达就地热再生技术优势进行了论证。
就地热再生技术适用性
就地热再生技术凭借其良好的经济、社会、环境效益，在中国预防性养护工程中大量地应用，但是由于其施工工艺的特点，并不能适用于所有的沥青路面病害处治，存在一定的局限性。就地热再生技术主要是以修复沥青路面表面功能为出发点，通过对沥青路面上面层的再生修复，达到预防性养护的目的，提高路面行驶质量。主要分为3类：表面再生、复拌再生和重铺再生。通过文献及实体工程调研，对3种就地热再生工艺的适用范围进行总结，列于图1。
目前中国常用的再生技术主要有4种：厂拌热再生、就地热再生、厂拌冷再生、就地冷再生技术，由于其施工工艺的不同，对不同沥青路面病害的再生效果有较大区别。通过文献调研，根据就地热再生技术特点及施工特点，分别对4种再生技术进行分析比较，如表1所示。
由表1可知：
(1)就地热再生技术与厂拌热再生技术和厂拌冷再生技术相比，由于其施工工艺不同的影响，导致其在道路养护工程应用中有较大差别，主要体现在修复路面层位置、RAP利用率、对交通的干扰、环境保护、经济效益、再生机械配置、对路基损害、施工控制等方面；与就地冷再生技术相比，主要区别体现在骨料加热、再生层质量等方面。
(2)与其他3种再生工艺相比，就地热再生技术在施工过程中，对旧路铣刨时需要进行加热，也因此导致其施工过程对气候的依赖性大，不宜在寒冷环境施工。
由以上分析可知，就地热再生技术以改善已产生裂缝、坑槽、车辙的沥青路面的形状和混合料性质为目的，一般是在路面的损坏程度还没波及到基层时采用这种维修方法，并且就地热再生技术也存在对再生机械要求高、对气候依赖性强、不易于施工控制等缺点。该文在大量文献调研的基础上，通过对实体工程的调查，针对路面产生的不同病害，对就地热再生3种工艺进行了适用性分析总结，列于表2。
就地热再生沥青混合料设计
热再生沥青混合料设计是在分析原路面沥青含量、沥青老化程度以及集料级配的基础上，确定热再生沥青混合料的矿料级配、各档新矿料添加量、最佳新沥青掺量以及各外加剂(主要为再生剂)掺量，使得再生沥青混合料路用性能满足道路使用要求。
再生剂掺量控制
国内外再生剂用量设计方法包括溶解度参数法、经验估算法、性能设计法等，各有不同的思路和参考意义。
(1)溶解度参数法。这种再生剂量设计方法在理论上是可行的，但难以推广应用于实际工程应用。该测试需要很长时间，并且需要特殊的测试设备，大规模推广不方便。
(2)经验预估法。经验估算方法假定新沥青(包括再生剂)的量等于再循环沥青混合物的总沥青含量减去旧沥青混合物的沥青含量。估计再循环混合料中使用的沥青量可以凭经验确定，并且已经提出确定沥青的比重和相应的薄膜厚度。经验估算方法的关键是准确估算再循环混合料所需的沥青用量，并根据新型沥青混合料的经验估算再循环混合料的最佳沥青用量。估计结果的适当性还有待进一步研究。同时，对于相当一部分原位热再生过程，混合物的级配和沥青用量没有变化，但仅通过添加再生剂来恢复沥青性能，很难采用经验估计方法“预估沥青用量－原有沥青用量”的方法确定再生剂用量。
(3)性能设计法。性能设计的基本思想是：沥青老化表现为黏度增加，渗透性和延展性降低，软化点增加。再生剂用于在规范可接受的范围内改进沥青的技术指标。至于再生剂添加的具体比例以及再生沥青的性能由室内测试确定。
从以上分析可以看出：由于测试方法的复杂性，溶解度参数方法难以推广。经验预估法不适用于就地热再生过程；性能设计方法采用沥青恢复设计的性能来选择再生剂的用量，设计思路清晰合理，可采用常用的性能评价方法。操作更简单，关键在于需要结合沥青老化机理，选择合适的性能指标。
级配控制
再生沥青混合料的合成级配很大程度上取决于原沥青路面的级配，在长时间行车荷载冲击和加热铣刨过程中，原路面的矿料会发生破碎，导致原级配变细。因此，必须通过掺入一定量的新沥青混合料来改善原沥青路面的级配。具体掺入量随原路面级配情况而定。
最佳油石比控制
黄晓明等研究发现，再生沥青混合料配合比设计中随着沥青含量的改变，各项性能的变化规律与普通沥青混合料的变化规律大致相同。目前国内外大都采用马歇尔方法对再生沥青混合料进行配合比设计。
新沥青掺量的确定，应以加入新料后矿料总质量为基准，测定在添加不同比例新沥青的情况下，马歇尔稳定度、流值、矿料间隙率、空隙率等马歇尔技术指标，通过对比分析，确定新沥青最佳掺量。
就地热再生混合料设计调研
通过文献调研，对现有就地热再生混合料相关设计所得参数进行统计，列于表3。
(1)对表3各数值进行离散性分析，各量变异系数列于表4。在进行数据统计分析时，如果变异系数大于0.15，则要考虑该数据离散程度过大。由于就地热再生工艺是在原路面的基础上进行的养护工程，各统计量随着原路面不同差别较大，仅有旧料回收配比、油石比、残留稳定度、TSR满足变异系数不大于0.15。
(2)残留稳定度、TSR值均表征再生混合料低温稳定性，以残留稳定度、TSR作为目标量，采用最小二乘法，对旧料配比及油石比进行拟合，得关系式如表5所示，可为就地热再生混合料低温性能设计提供参考。
从当前预防性养护工程实际效果来看，由于不改变路面的标高，再生沥青混合料的设计普遍围绕材料的路用性能进行，没有考虑原路面结构的实际情况，如面层和基层模量，导致即使使用相同的再生层混合料设计，但由于路面结构不同而呈现出不同的力学响应。现有研究对于再生沥青路面结构略有涉及，ImranHafeez认为再生后路面的硬度增加是由于再生剂的使用提高了混合料模量值，因此提升了路面的抗车辙和抗裂缝能力。沙爱民等认为路面单一结构层模量的提高会使结构层层底弯拉应力产生较大波动，影响路面的疲劳寿命。赵延庆等认为基于动态模量的分析与路面黏弹性理论相近，路表弯沉峰值和基层水平应力峰值的相对误差较小，并建议以动态模量为参数进行路面结构的分析与设计。传统沥青路面就地热再生技术，没有考虑路面结构设计问题，对新路面结构下的各层力学响应不甚明朗，往往是按照沥青混合料材料性能进行设计，未涉及路面结构模量组合研究，这样的养护路面在投入使用后，易再度出现不同程度的病害问题，降低路面养护效果。
目前中国对就地热再生结构设计方面的研究较少，实体工程中对就地热再生面层结构的考虑，主要集中在模量反算方面。模量反算是依据模量匹配的设计思想，分阶段考虑再生层模量、中下面层模量和原路表弯沉对沥青路面结构力学响应的影响。基于模量匹配原则，给出各因素影响下沥青路面结构层的力学响应模型，建立相应的疲劳开裂、车辙设计指标和标准，从而形成基于模量匹配的就地热再生沥青路面结构设计方法。其主要研究内容为：
根据试验得到的上中、中下、中心面层回弹模量，计算面层的各层模量。假定路面面层为各向均质的弹性体，面层分为3层，忽略各层重量，层间完全连续，原路面钻取的芯样结构层如图2所示。各结构层的特性参数见表6。
根据线弹性理论可知：
推导出Ec与各层高度H和模量E的关系如下：
当各层高度和上中面层、中心面层和中下面层模量已知，可求得上、中、下面层模量。
其构建出的就地热再生沥青路面结构设计方法的设计指标和标准见表7。
就地热再生设计是在综合考虑原路面材料、原路面结构、病害类型及破损程度的基础上，以提高路面行驶质量为目标，延长道路使用寿命，整体提升道路使用品质的预防性养护技术，在中国尚未出版就地热再生规范的大环境下，在实体工程设计中，以就地热再生混合料设计为基础，引入其结构设计，更好地为预防性养护工程服务。
中国研究方向
以知网专利检索作为参考依据，对中国就地热再生主要研究方向进行探讨。就地热再生相关发明专利主要为新型材料开发、施工工艺及方法和设备与装置开发3个方面。通过知网检索，2004-2017年相关专利类型与数量如表8所示。
由表8可知：
(1)中国研究者对就地热再生技术进行了大量的研究，从2004到2017年，就地热再生相关专利数量多达144项。其中2015年以后3年相关专利数目为79项，占专利总数量的55%。即自2015年以后，中国对就地热再生技术的研究伴随着其在全国范围内的推广而迅速增加，同时体现出就地热再生技术具有良好的可推广性。
(2)就地热再生技术在实际工程应用中，需要特有设备和装置进行施工，对设备的依赖性大，因此其相关发明专利中设备与装置开发相关专利较多，为115项，占总数的80%，施工工艺及方法相关专利较少，为25项，占专利总数的17%；新型材料开发的专利很少，为4项，占专利总数的3%，也反映出就地热再生技术对新材料开发依赖性较低，与其他热再生技术所用材料无太大差别。
(3)就地热再生技术主要是以一种良好的路面功能修复工艺而被道路工作者青睐。其特有的施工设备和装置的研究，对就地热再生技术的发展至关重要。2014年之前其设备开发的专利数量大致与专利总数量相等，对就地热再生技术的研究主要集中在施工设备及装置方面，而2014年之后中国研究者对该技术的研究不再局限于设备。
(4)就地热再生技术是一种重要的预防性养护技术，随着在实体工程中的应用增多，凭借其良好的经济和环境效益及养护效果，其相关专利数量从2004年开始呈现逐年递增趋势，在2016年专利数量达到峰值，在2017年有所下降也表明：对就地热再生技术的研究趋缓，标志着中国就地热再生技术应用已经日渐成熟。
实体工程应用及再生效果
系统梳理中国典型实体工程结构层类型及实际应用效果，对2002-2015年中国就地热再生工程进行统计分析，经过大量文献调研，共统计到中国内陆42个就地热再生实体工程，分别分布于19个省份及直辖市，具体结果见表9。
结论
(1)就地热再生技术以改善已产生裂缝、坑槽、车辙的沥青路面的形状和混合料性质为目的，一般是在路面的损坏程度还没波及到基层时采用这种维修方法，并且就地热再生技术也存在着对再生机械要求高，对气候依赖性强，不易于施工控制等缺点。
(2)就地热再生混合料设计主要包括3个方面：再生剂用量控制、级配控制及最佳油石比控制。该文通过对现有研究的分析总结，得出由于就地热再生工艺是在原路面的基础上进行的养护工程，各统计量随着原路面不同差别较大，并用数学统计的方法得到残留稳定度、TSR与旧料配比及油石比的关系式，以期为就地热再生混合料低温性能设计提供参考。
(3)就地热再生设计是在综合考虑原路面材料、原路面结构、病害类型及破损程度的基础上，以提高路面行驶质量为目标，延长道路使用寿命，整体提升道路使用品质的预防性养护技术，在中国尚未出版就地热再生规范的大环境下，在实体工程设计中，以就地热再生混合料设计为基础，引入其结构设计，更好地为预防性养护工程服务。
(4)中国对就地热再生技术的研究主要集中在施工设备及装置方面，自2017年后，对就地热再生技术的研究趋缓，标志着中国就地热再生技术应用已经日渐成熟。
(5)就地热再生技术已经在中国大范围内开始推广使用，整体使用效果良好，具有良好的经济、环境、社会效益。