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回收废料用于沥青道路铺筑的研究与展望

文档作者：高惠刘念平文档来源： 1．同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 2．同济大学上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室		点击数：	更新时间： 2021年04月20日
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公路交通技术2012年4月 第2期Technology of Highway and Transpo~ Apr．2012 No．2
回收废料用于沥青道路铺筑的研究与展望
高 惠 ，刘念平
(1．同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海200092；2．同济大学上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室，
上海200092；3．林同梭国际工程咨询(中国)有限公司，上海200433)
摘要：道路铺筑和养护要消耗大量的集料和矿粉，回收料的替代使用有助于保护节约天然资源。结合沥青混合料
和集料的各种路用指标，对各类可用作沥青道路铺筑的回收废料进行研究，其中包括钢渣、玻璃、塑料、橡胶、水泥、
陶瓷等工业、建筑废料以及生活垃圾焚烧灰等。根据回收料的颗粒大小、硬度、粗糙度、孔隙率、弹性等特性，将它们
分别用于道路各个层面结构中，其体现出与天然集料和矿粉相同甚至更优越的路用性能。
关键词：道路材料；沥青混合料；可持续发展；回收利用；综述
文章编号：1009—6477(2012)02—0031—07 中图分类号：U416．217 文献标识码：A
Research and Prospect of Application of Recycled
W astes in Pavement of Asphalt Road
GAO Hui 一，LIU Nianping
Abstract：Pavement and maintenance of roads should consume a good deal of aggregates and mineral pow—
ders，and alternative use of recycled materials assists in protecting and saving natural resources．In combi—
nation with various road indices of asphalt mixtures and aggregates，this paper studies all types of recycled
wastes used for pavement of asphalt roads，including industrial and construction wastes such as steel slag，
glass，plastic，rubber，cement and ceramic，etc．as well as incineration ash of domestic garbage，etc．In
according to their characteristics of grain size，hardness，roughness，porosity and elasticity，etc．the recycled
wastes are applied in various bedding surface structures of roads respectively and embody the same
road performance as natural aggregates and mineral powders and even more excellent．
Key words：road materials；asphalt mixtures；sustainable development；recycle；overview
2010年底，中国公路总里程达400．8万km，且
公路网规模仍在不断扩大。铺装路面和简易铺装路
面公路里程244．2万km，占总里程的60．9％ ，其中
沥青混凝土路面54．25万km，其它铺装路面191．8
万km。如此多的道路建造和维护保养需要耗费大
量的集料和矿粉。据统计，平均每年需要热拌沥青
混合料(HMA)6．2亿t，由此需要的集料5．6亿t、矿
粉0．33亿t，这给有限的自然资源带来了巨大的消
耗¨。 。另一方面，据科技部统计数据，2009年中
国城市人均年产生活垃圾440 kg，城市生活垃圾的
积存量约60亿t，占地5万km ，工业固体废物的积
累已超过66亿t，是世界上垃圾包袱最重的国家。
仅1997年发生的固体垃圾污染事故就高达55起。
基金项目：国家科技支撑计划(2009BAC62B02)
收稿日期：2011—09—08
作者简介：高惠(1985一)，女，上海市人，在读研究生．
如何合理有效地处置各类垃圾废弃物，已是经济可
持续发展的重要课题 J。
用各类垃圾废料来替代天然石料和矿粉，既能
缓解垃圾堆埋的问题，又能减少对石料资源的开采，
这对公路建设和资源环境的可持续发展十分有利。
2010年，上海世博园区内60％以上的路面由建筑垃
圾和钢渣制成，标志着这一方式的可行性和国际关
注程度。由于下层路面比上层能容纳更多量的废
料，故在以往的研究和实际施工中，较偏向于将回收
废料应用在如基层、底基层等下层面中(图1)。最
近研究发现，橡胶和生活垃圾焚烧灰等回收料作为
改性材料和细集料也可应用于沥青玛蹄脂(SMA)
等较上层面的铺筑料中 。本文对各类垃圾废
32 公路交通技术 2012年
注：、／表示可用；×表示不可用。
柔性路面 半刚性路面
釜 豳 黧
1 各类可回收料现状分析
通常，从工业、商业、市政等领域产生的固体废
料和生活垃圾被认为可用作次级集料。回收废料用
于道路铺筑的研究工作在各国都有不同程度的进展
和实践(表1)。
1．1 钢渣
2009年，中国粗钢产量5．65亿t，钢渣作为钢
铁生产的副产品，达0．74亿t，多年积存的钢渣超
过2亿t，但综合利用率不高。联合国对欧美、Et本
等20个工业发达国家的钢渣利用状况调查表明，
这些国家钢渣利用率已接近10％ ，其中50％ 一60％
用于道路工程 。
1．2 废橡胶 ．
2009年，中国生产轮胎消耗橡胶已占全国橡胶
资源消耗总量的70％左右，年产生废轮胎2．33亿
条，重量约合860万t，折合橡胶资源超过300万t。
与此同时，在美国、西欧及13本将废旧轮胎橡胶颗粒
用于弹性沥青路面已均取得了良好的效果¨ 。
1．3 废玻璃
中国每年产生废玻璃1 040万t，占固体废料总
量的5％。废玻璃很难通过自然循环和一般的物理
化学方法加以分解和处理，严重影响了生态环境的
净化。而将废玻璃用作沥青道路路面的集料预期具
有如下优点 ：1)车辆侧滑事故减少；2)道路的
光反射较柔和；3)路面的耐磨性好；4)积雪融化
快；5)适宜于低气温路面。
1．4 塑料
2010年，中国塑料生产总量超过6 000万t，成
为世界上第一大塑料消费国，其中回收利用仅为
700万t，占总量的11．7％ 【14]。利用塑料作为聚合
物添加剂改善HMA中结合料的性能在道路建设中
也已成为可行的一种方法。
1．5 生活垃圾灰渣
2010年，中国城市生活垃圾焚烧产生飞灰52
万t，大量灰渣需要有效的途径来处理 。而沥青
对焚灰中的有害物质有很好的固化作用，将焚灰用
于沥青道路集料是一种切实可行的途径。
2 回收料在沥青道路中的性能
2．1 玻璃
统计数据显示，碎玻璃含量为10％ ～15％ 的面
层沥青混合料具有较好的路用性能。由于在行驶安
全性(避免轮胎划伤)中表现较好，4．75 film最大公
称粒径的HMA在道路铺筑时越来越受欢迎，但通
常需要添加2％的熟石灰来提高抗剥离性。而更大
粒径或更多的碎玻璃含量将会影响沥青路面结合强
度及路面抗滑性能，因此这种情况下，则考虑将其应
用到中、下面层中。实际施工中，对用于普通沥青料
铺筑的设备和方法，也同样适用于含回收玻璃的沥
青料 16]。2002年，英国将最小粒径为20 mm(考虑
到细化加工成本的关系)的废玻璃砂用于HMA(含
量10％)，进行了路面铺设的重点试验；2005年，将
回收玻璃含量为30％ 的密级配沥青碎石(DBM)用
于粘层和基层 "]。Ali M M Y等 引将回收玻璃替
代30％的底基层碎石集料，通过洛杉矶磨耗、加州
承载比测试、重复荷载三轴试验等认为其具有与天
然集料相同的路用表现。
2．2 钢渣
钢渣由于棱角性好、坚硬度强、表面粗糙，具有
良好的防滑和抗车辙性能，被认为是一种比较合适
2012年 第2期 高 惠，等：回收废料用于沥青道路铺筑的研究与展望 33
的粗集料替代材料。在美国公路战略研究计划
(SHRP)中，美国和沙特进行了合作研究，认为当钢
渣作为粗集料同石灰石矿粉、细集料、聚合物改性沥
青混合后，其耐潮湿和抗疲劳性能均有所提高¨ 。
德国钢渣研究协会(FEhS)研究表明，钢渣在抗压和
抗反光性能上超过了现在的玄武岩、燧石砾石等优
质沥青集料，具有较好的体积稳定性和沥滤性 。
检验钢渣是否可用于道路铺筑，一般是通过检
测钢渣中CaO／MgO含量(表2)或者其膨胀量，或直
接测定沥青混凝土的膨胀性来判定，如英国BS—
EN13043标准要求膨胀量不大于3．5％。目前中国
也已经开始重视钢渣的合理应用，JTG F40-2004
《公路沥青路面施工技术规范》配合比设计检验中
要求对钢渣沥青混凝土进行活性检验，其膨胀量不
得大于1％ 。
Wu Shaopeng等 将经过3年陈化之后的钢渣
(不小于9．5 mm，7 d膨胀系数小于1％)，替换了
SMA中62％的玄武岩集料，使其增加了表面抗磨损
和摩擦系数，提高了抗车辙和抗低温开裂性能。
表2 钢渣和焚烧灰的化学成分及含量 ％
2．3 橡胶
橡胶用于沥青路面通常有2种不同的方式：一
种是作为粘结改性剂将胶粉掺人沥青中；另一种是将
回收橡胶颗粒用来取代沥青混合料中的细集料，不与
沥青发生反应。这2种工艺分别被称作“湿法”和“干
法”。用湿法得到的改性粘结剂叫做“橡胶沥青
(Rubber Asph~t)”，用干法得到的沥青混合料叫做
“沥青橡胶混合料”(Asphalt Rubberised ix) 。
2．3．1 湿法
湿法工艺中，胶粉(0．15～0．6 mm)先与集料混
合后再与预热好的沥青混合45 min以上。胶粉通
常占沥青质量的18％ ～22％。部分沥青会侵入胶
粉内使胶粉颗粒胀大，使沥青同时被硬化。如果沥
青和胶粉的比例适当，理论上可以有助于减小沥青
路面自上而下的热开裂和自下而上的反射裂缝，且
可以增加路面防潮、抗氧化、抗疲劳等综合耐久性。
美国联邦公路局(FHWA)认为，橡胶颗粒“湿法”工
艺对沥青路面的改性将影响传统沥青料一系列的性
能工艺参数，如组成成分、混合时间及温度、胶粉的
级配及含量和研磨方式。另外，湿法中胶粒还可降
低沥青混合料的弹性模量，从而使其抗永久形变能
力得到优化 j。橡胶路面协会(Rubber Pavements
Association)对废旧轮胎通过“湿法”用作开级配混
合料结合料进行了研究，发现可以减少至少50％ 的
轮胎噪音 。
Liu Shutang等 在鞋底橡胶、重型卡车轮胎、
小货车轮胎和农业橡胶4种胶粉改性沥青的测试中
发现：含量20％ 的鞋底胶粉在动态剪切蠕变试验和
弯曲梁流变试验中综合性能表现最好；综合价格因
素，同样15％ 的胶粉含量，重型卡车轮胎和小货车
轮胎胶粉高低温性能优于鞋底橡胶和农业橡胶。
2．3．2 干法
干法工艺通常是用粒径0．85—6．4 mm的废旧
胶粉替代沥青中的细集料，替代量为1％ ～3％。
干法对沥青混合料降噪和弹性模量的影响是当
今沥青路面研究热切关注的焦点。FHWA认为，干
法将会相对降低传统沥青混合料的弹性模量，因此
铺筑时可能需要适当增加层面厚度，且需要在混合
料中增加10％ ～20％的粘结剂。传统路面的铺筑
方式同样适用于回收橡胶粒含量1％ ～3％ 的沥青
橡胶混合料，并达到孔隙率2％ ～4％ 的设计目
标 。
Tortum A等 考虑到马歇尔稳定度、流值、密
度、矿料间隙率(VMA)、沥青填隙率(VFA)等综合因
素，认为最优化工艺参数为：轮胎橡胶(0．95 mm)含
量10％，粘结剂含量5．5％ ，混合温度155℃，混合
时间15 min，压实温度135℃ 。
Cao WeidongL2 将不同废轮胎橡胶含量(1％ 一
3％)的沥青进行了车辙试验(60℃)和间接拉伸测
试(一10℃)，认为含量3％的废轮胎橡胶混合沥青
具有良好的高温抗永久变形和低温抗开裂性能。
Moreno F等 研究了与回收轮胎橡胶(1％)混
合的HMA，认为通过干法工艺制得的沥青料抗形变
能力要优于普通高性能沥青。
2．3．3 路面结构中的其它应用
废轮胎被分成碎片后可用于路基中。与压实土
壤相比，轮胎橡胶具有以下优点：1)比重轻；2)导
公路交通技术 2012年
热系数低；3)渗透系数高；4)在大应变下抗剪强度
高。然而它的沥滤毒性成为人们主要关注的问题。
美国ASTM—D6270和欧洲EN12457对轮胎沥滤液
的表征和成分分析表明：虽然其中含有一些多环芳
香烃之类的碳氢化合物、锌之类的金属和呼吸粉尘，
但是在户外和中性pH值的正常工作条件下，这些
释放浓度对人体健康和环境没有影响 。轮胎橡
胶在下层路面的应用将可以减小冬季霜冻的影响深
度。同时，废旧轮胎处理时的副产物——废轮胎纤
维，可用作SMA的混合添加料以防止沥青与集料的
剥离。相对于传统采用的纤维素和矿物纤维之类的
稳定添加剂，混合料的抗变形能力和水稳定性没有
变化 驯。
2．4 塑料
与橡胶类似，回收塑料也可以作为集料的一部
分或是粘结改性剂。将主要成分是低密度聚乙烯
(LOPE)的回收塑料替换DBM 中30％ 的2．36～
5 mm粒径的集料，可使混合料密度减少16％ ，马歇
尔稳定度增加250％ ，且塑料沥青(Plastiphalt)混合
料的间接拉伸强度(ITS)也可得到增加L3o!。LDPE
回收料(0．30—0．92 mm)替代沥青面层中15％的集
料，可使沥青路面马歇尔商(马歇尔稳定度／流值)
增加1倍，残留稳定度增加15％ ，耐水性和抗车辙
能力得到加强 。对高密度聚乙烯(HOPE)回收料
的研究表明：当混合温度为165℃ ，混合时间为30
min时，加入4％HDPE的沥青混合料，其马歇尔稳
定度、抗永久形变(车辙)等均优于普通沥青混凝
土，马歇尔商增加50％[3 。Ergun M等 利用回收
塑料(PVC)瓶颗粒混合的沥青料的弯曲测试，认为
加入2％ ～6％塑料颗粒能增加其弯曲强度。Justo C
E G等 将混合料质量0．4％(或结合料的8％)的
回收聚乙烯(PE)薄膜作为沥青改性剂，马歇尔稳定
度较改性前增加3．3倍，在60℃水中浸泡1 d后，
仍较改性前增加2．6倍。
2．5 焚烧灰
焚烧灰由生活垃圾经焚烧产生，分成“飞灰”和
“底灰”。前者是从燃烧物的气态粉尘中筛滤得到；
后者是粗颗粒的不可燃物质，以及含较多废金属
(表2)和较少重金属成分的未燃有机物。Waher
等 在美国巴尔的摩市将灰渣作为沥青混凝土基
层集料(替代率50％)进行了现场试验，认为城市生
活垃圾焚灰可用于HMA，并有助于节约自然资源和
填埋成本。Zhang X等 在美国新罕布什尔州用
50％底灰作为沥青混凝土集料进行了试验，之后5
年的现场评估表明，含底灰的路段和普通路段均表
现良好。Gress等 将焚灰作为75％ 的替代集料，
马歇尔配料设计结果符合新罕布什尔州的要求，并
显示出比传统沥青混合料更低的密度。沥滤试验也
表明，沥青混凝土能将焚灰包覆，从而减少其可溶性
盐的释放。Xue Yongjie等 副将飞灰替代细集料和
矿粉，用钢渣替代粗集料，得到回收料含量90％ 以
上的SMA。他们分别用Superpave和马歇尔2种配
料设计方法对其进行了研究，测试项目包括动稳定
度、水敏感度、弹性模量、抗疲劳性、车辙，认为含焚
灰8％ 一16％的SMA能够满足测试要求，且Super—
pave的配料设计在各方面表现更好。通过浸出毒性
浸出方法(Toxicity Characteristic Leaching Procedure，
TCLP)测试，沥青混合料的浸滤数据也达到美国环
境保护局(Environmental Protection Agency)的监管
水平(表3)，表明沥青对飞灰中的重金属等有害成
分有良好的稳定固化作用。
表3 沥青混合料(含钢渣74％ ，焚灰16％)TCLP测试结果
mg ·L一
重金属名称 cu cd I)d zn cr Ni Hg
沥青混合料样品 1．5 0．23 0．2018．851．35 0．27 Nd
TCLP监管水平 一1．0 5．0 — 5．0 — 0．2
2．6 其它
Chen Meizhu等 将回收砖粉用作沥青混凝土
矿粉与常用的石灰石矿粉进行了比较研究，发现其具
有更高的间接拉伸模量和抗车辙能力(40℃时)，改善
了水敏感性和疲劳寿命。通过静态动态蠕变试验(60
oC)，发现其永久变形显著减少，高温抗车辙能力提升，
因此认为用回收砖粉替代天然矿粉是可行的。
建筑回收料中通常含有的水泥、陶瓷、碎石等
(表4)，也可用作道路替代集料。Fabiana等 将
建筑回收料作为替代集料用于道路中，认为其通过
充分压实，可提高路面承载能力、弹性模量和抗永久
变形，适用于一般道路的基层和底基层。
3 讨论
将垃圾废料用于道路铺筑，既能减少对天然石
料的开采，又能实现道路建筑的环境友好和可持续
发展。但如何变废为宝，物尽其用地将各类垃圾废
料应用于道路铺筑中，可行性和实际路用表现如何，
在这些方面相比欧美一些国家，中国开展的研究和实
2012年第2期 高 惠，等：回收废料用于沥青道路铺筑的研究与展望 35
表4 建筑回收料中含有的材料种类和特性 ％
践较少。
通过研究测试，碎玻璃(4．75 mm)含量为
10％ ～15％的面层沥青混合料具有较好的路用性
能。但为了提高废料的回收利用率，不同粒径大小
的废玻璃可以分别作为粗集料和细集料应用于路面
的各个层面中，也可以在成本允许范围内将材料粒
径适当加工，以满足应用需要。
钢渣则不仅可用作基层填料，也可用作面层粗
集料，以充分发挥其机械强度和抗滑性能。虽然大
颗粒高质量的钢渣在试验和实际路用中表现不错，
但相比普通石料，密度较大(3．2～3．6 g／em )，应用
于SMA和开级配抗滑磨耗层(OGFC)时～定程度上
会增加运输成本。此外，钢渣中存在的游离态CaO／
MgO将使其在潮湿环境中体积膨胀，从而影响实际
应用，因此需进行洒水预处理或自然风化(12～l8
个月) 。中国对于钢渣的应用，也应该规范其pH
值、电导率、沥滤液铬含量等的测试标准。
回收橡胶与沥青混合料混合后，能减少开裂，降
低噪音及提高耐用性。由于不同的应用需要，橡胶
在沥青中的混合工艺也不同。在湿法工艺中，人们
关注粘结性能；在干法工艺中则更关注混合性能。
这种方式是否能够得到推广，还将取决于回收橡胶
混合料在道路中的使用寿命。
LDPE回收料可以替代15％ ～30％的集料，如
果设计应用合理，将使沥青路面的抗车辙、抗老化、
抗开裂性能都得到提升。HDPE(4％)、PE薄膜
(0．4％)回收料可以替代一部分沥青粘结改性剂，
同时还能增加混合料的马歇尔稳定度。
生活垃圾焚烧灰替代细集料和矿粉，配合钢渣
来替代粗集料，可使SMA中回收料含量达到90％以
上。含8％ ～16％焚灰的SMA能够在稳定度、水敏
感度、弹性模量、疲劳度、车辙等方面满足路用要求。
由于沥青对焚灰中的重金属等有害成分有良好的稳
定固化作用，可减少其沥滤毒性，故也使得这种废料
有了较好的处理方式。
4 结语
1)沥青道路从基层到面层，各层的石料都是有
限的自然资源，垃圾废料的填埋或堆放也将对日益
紧张的土地资源造成影响。回收料对道路铺筑材料
的替代应用，无论从节约自然资源还是减少环境污
染方面考虑，都具有重要意义和价值。
2)根据钢渣、玻璃、橡胶、塑料、焚灰等各类垃
圾回收料不同的特性，如颗粒大小、硬度、粗糙度、孔
隙率、弹性等，将它们通过适当加工和预处理，后用
于路面各层结构中，均表现出与天然集料和矿粉相
同甚至更优越的路用性能。
3)笔者通过对各类回收料的综合分析，认为在
评估使用回收料的沥青道路性能时，对以下几点需
要有明确的认识：(1)不同的混合料类型(如SMA、
热压式沥青混凝土(HRA))，对其集料的性能要求
也不同。(2)回收料颗粒度大小与普通集料的替代
率相关。(3)回收料对气温降水的适应性和所需的
加工方法。
4)回收料用于沥青道路铺筑这一方式的具体
实现还有许多非技术问题需要克服，如废料的回收
价格、加工成本；回收料的分类，收集设备的配备；回
收工作的系统化、规模化；回收加工过程中造成的能
源消耗；回收料的浸出毒性对河流、土壤、大气等造
成的污染。
5)国家应通过立法以及经济手段的鼓励支持
来宣传和普及公民的环境保护意识，适当补贴使用
回收料筑路的相关厂家，制定规范的筑路材料检测
方式，开发更多更新的可替代天然集料的垃圾回收
料，如旧沥青路面、水泥混凝土碎块、砖瓦、木头、陶
瓷等。可以预见，回收料的道路铺筑应用随着自然
资源的减少将越来越呈现出其环境和经济价值，而
相关政策及规范的形成也将使这一应用变得更加切
实可行。
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2012年第2期 王 宁：高等级公路沥青路面施工工艺与摊铺设备的关联控制43
铺机，则熨平板温度不易达到要求，振捣片也不容易
热，可能出现接头低、厚度不够和表面不光滑等现象。
2)摊铺机摊铺作业时应缓慢、匀速、连续不问
断，不得随意改变摊铺速度或中途停顿，以提高平整
度，减少沥青混合料离析。摊铺速度宜控制在2～6
m／min。施工中，停机再起步摊铺的过程对路面质
量的影响相当大，当料车因为某些原因被中断送料
时，一般操作者往往会将料斗里的混合料全部摊铺
完后再停机，来料后再慢慢起步，这样做是错误的。
因为当料斗里混合料不足时继续摊铺，混合料温度
会降低，过低的温度会显著降低铺筑路面的压实度
和平整度；同时料槽里?昆合料减少，熨平板的承载力
也相应减小，从而导致熨平板因自重而下沉，此时铺
筑的路面就会变薄；来料后混合料增多，对熨平板的
承载力增大，熨平板就会爬高。实际施工中可以发
现，摊铺机暂停或变换速度后，其摊铺的路面都有1
道痕迹，且摊铺机停顿时间越久痕迹越明显，所以对
摊铺速度和供料保证必须严格要求，严禁摊铺机随
意暂停。
3)摊铺机的螺旋布料器转动速度与摊铺速度
应保持均衡。为减少摊铺中沥青混合料离析，布料
器两侧应保持有不少于送料器2／3高度的混合料。
4 结语
高等级公路沥青路面施工工艺和摊铺设备的关
联控制对提高沥青路面施工质量是切实可行和有效
的。通过以上分析，提出了施工工艺对摊铺设备的
要求，并提出如下建议：
1)熨平板是摊铺机的最重要部件，其对沥青路
面铺筑质量有较大影响，建议施工中对熨平板各部
件按要求使用、保养、调整和更换。
2)按要求对沥青路面摊铺设备进行预热，控制
摊铺速度并保证供料的连续性，确保路面铺筑质量。
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