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溫拌瀝青混合料技術(shù)概述工學(xué)論文
摘要：節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境、可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)前世界各國(guó)共同關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，就公路用瀝青混合料而言，采用溫拌瀝青混合料新技術(shù)可顯著降低瀝青混合料拌和、碾壓溫度，且路用性能達(dá)到(接近)熱拌瀝青混合料，在我國(guó)有著廣闊的應(yīng)用前景。文中對(duì)幾種溫拌瀝青混合料技術(shù)作了簡(jiǎn)述并介紹了基于表面活性平臺(tái)溫拌法(EWMA)技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用情況。
關(guān)鍵詞：公路；溫拌；瀝青
一、引言
當(dāng)前節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境、可持續(xù)發(fā)展是世界各國(guó)共同關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，我國(guó)也把節(jié)約資源作為基本國(guó)策。熱拌混合料是優(yōu)點(diǎn)突出，路用性能好，是主流技術(shù)。但是也有環(huán)境污染重，能耗大，瀝青老化較嚴(yán)重等明顯的缺點(diǎn)。冷拌混合料雖然環(huán)保、節(jié)能、混合料可存儲(chǔ)，但是路用性能與熱拌混合料則無(wú)法相比。如何保留熱拌瀝青混合料性能良好的特點(diǎn)并克服其存在的環(huán)境污染重、能耗大、瀝青存在老化等問(wèn)題，成為大家努力的方向。在此情況下，溫拌瀝青混合料技術(shù)出現(xiàn)并迅速投入應(yīng)用。
溫拌瀝青混合料起源于歐洲，2000年起開(kāi)始鋪筑試驗(yàn)路，2000年在國(guó)際瀝青路面大會(huì)上首次進(jìn)行交流。是一類(lèi)拌和溫度介于熱拌瀝青混合料(150℃180℃)和冷拌(常溫)瀝青混合料之間，性能達(dá)到(或接近)熱拌瀝青混合料的新型節(jié)能減排瀝青混合料。
二、幾種典型溫拌技術(shù)簡(jiǎn)介
目前主要有瀝青一礦物法、泡沫瀝青溫拌法、有機(jī)添加劑法和基于表面活性平臺(tái)溫拌法四種。
(一)瀝青一礦物法(Aspha-Min)
采用的礦物是一種合成沸石。在瀝青混合料拌和過(guò)程中將這種粉末狀材料(大約0.3％)加入進(jìn)去，從而使瀝青產(chǎn)生連續(xù)的發(fā)泡反應(yīng)。泡沫起到潤(rùn)滑劑的作用。從而使混合料在較低溫度(120℃-130℃)下具有可拌和性。
Aspha—Min是德國(guó)Eurovia-Services 股份有限公司的產(chǎn)品。它是一種極細(xì)、白色粉末狀人造合成沸石(硅酸鋁鈉)，已經(jīng)被熱液結(jié)晶。沸石內(nèi)部容納的水的質(zhì)量百分率為21％，在85~182℃被釋放。在向混合料中加入膠結(jié)料的同時(shí)加入Aspha—Min，就會(huì)產(chǎn)生極小的噴水現(xiàn)象。水的釋放會(huì)使膠結(jié)料體積變大，導(dǎo)致出現(xiàn)瀝青泡沫效應(yīng)，可以在較低的溫度下增加集料的覆蓋率。Eurovia公司建議所加的Aspha—Min占混合料的質(zhì)量百分率為0 3％，這樣可以將HMA典型的生產(chǎn)溫度降低12℃左右。據(jù)報(bào)告，溫度降低12℃可以節(jié)省30％的燃料消耗量。Eurovia介紹說(shuō)所有常用的瀝青和聚合物改性瀝青，包括再生瀝青都可以添加Aspha-Min。可以將Aspha-Min加入到礦物填料中或者單獨(dú)加料，直接將其加入到間歇式拌和廠的攪拌機(jī)中。沸石是網(wǎng)狀硅酸鹽組合，在其結(jié)構(gòu)中有巨大的空間可以容納較大的陽(yáng)離子，例如鈉離子、鉀離子、鋇離子、鈣離子，甚至是相對(duì)較大的分子和陽(yáng)離子群，例如水分子。在沸石中，空間是互相連通的，并且根據(jù)種類(lèi)的不同形成了各種尺寸的較長(zhǎng)、較寬的通道。這些通道可以使其中的離子和分子更容易地進(jìn)出沸石結(jié)構(gòu)。沸石最常見(jiàn)的用途是作為水軟化劑，沸石的特點(diǎn)是可以在不破壞它們結(jié)晶結(jié)構(gòu)的情況下吸水和失水。它們可以將結(jié)構(gòu)中的水通過(guò)加熱或者其他方法排出結(jié)構(gòu)。因此沸石可以作為新流體的運(yùn)輸系統(tǒng)。
(二)溫拌泡沫瀝青法(WAM-Foam)
將軟質(zhì)瀝青和硬質(zhì)泡沫瀝青在拌和的不同階段加入到混合料中。第一階段將軟質(zhì)瀝青加入到溫度為110℃-120℃的集料中進(jìn)行拌和以達(dá)到良好裹附。第二階段將極硬的瀝青泡沫化后加入到預(yù)拌的混合料中再進(jìn)行拌和。
WAM-Foam是英國(guó)殼牌石油有限公司和挪威Kolo-Veidekke合資的產(chǎn)品。在WAM-Foam中，在拌和階段使用兩種單獨(dú)的膠結(jié)料，軟膠結(jié)料和以泡沫形式加入的硬膠結(jié)料，即兩種硬度不同的瀝青材料。軟膠結(jié)料的針入度較大，使其能在100℃時(shí)，具有一定的流動(dòng)性，從而便于與礦料拌和均勻，能夠裹覆住礦料。軟膠結(jié)料控制最小放置溫度，混合料可以在80℃下放置，相對(duì)于HMA，降低了50~60℃；硬膠結(jié)料是咀泡沫瀝青的形式加入的，根據(jù)路面的需求，硬瀝青在25~C時(shí)的針入度應(yīng)在10~100(0.1mm)之間。根據(jù)要配制的調(diào)和瀝青針入度來(lái)確定軟膠結(jié)料和硬膠結(jié)料的混合比率。如果需要的話，結(jié)合料中還可以加入抗剝落劑，以減少水損壞。在第一階段，在100℃左右軟膠結(jié)料與礦料拌和，初步覆蓋礦料，礦料的加熱溫度為100~120℃。然后以泡沫形式加入硬膠結(jié)料在90~120℃進(jìn)行充分拌和。當(dāng)硬膠結(jié)料加入到混合料中時(shí)，通過(guò)向加熱的硬膠結(jié)料注入冷水而產(chǎn)生的快速蒸發(fā)會(huì)產(chǎn)生大量的煙霧。硬泡沫膠結(jié)料與軟膠結(jié)料結(jié)合，從而達(dá)到所需的瀝青產(chǎn)品的最終的組成和特性。至于溫拌瀝青混合料的礦料級(jí)配、混合料的配合比設(shè)計(jì)、拌和設(shè)備等可以完全參照熱拌瀝青混合料的相關(guān)方法與規(guī)定。殼牌公司指出，WAM—Foam需要對(duì)軟、硬膠成分進(jìn)行仔細(xì)選擇。拌和第一階段，集料的最初裹覆對(duì)于阻止水接觸膠結(jié)料和集料交界面從而進(jìn)入集料是至關(guān)重要的，水必須從瀝青混合料中排出，以確保得到高質(zhì)量的產(chǎn)品。殼牌公司報(bào)道說(shuō)使用WAM-Foam導(dǎo)致的生產(chǎn)溫度降低可以節(jié)省30％燃料，減少30％的CO2排放量。 (三)有機(jī)添加劑法
將低熔點(diǎn)的有機(jī)添加劑加入到混合料中，從而降低結(jié)合料的粘度。目前成功應(yīng)用的化學(xué)添加劑有兩類(lèi)，合成蠟和低分子量酯類(lèi)化合物。添加劑大約在100℃—120℃之間熔化，熔化后的添加劑會(huì)產(chǎn)生大量的液體，從而使結(jié)合料粘度降低。
各類(lèi)添加劑加入3％～4％的量就會(huì)使拌和溫度降低10~30℃，目前主要有Sasobit和Asphaltan B兩種添加劑。Sasobit是南非Sasol—Wax(Formerly SchUmann Sas01)公司的產(chǎn)品。Sasobit、被認(rèn)為是一種改性劑或者“瀝青流動(dòng)改進(jìn)劑”。它是一種細(xì)結(jié)晶體，可以薄片或者粉末的形式存在。使用Fischer-Tropsch(FT)過(guò)程從煤氣化中生產(chǎn)的長(zhǎng)鏈脂肪族烴，也被稱(chēng)為FT固體石蠟。Sasol—Wax公司指出Sasobit的熔點(diǎn)大約是99℃，在超過(guò)116℃時(shí)，可以完全溶解于瀝青膠結(jié)料中。使膠結(jié)料的粘度降低。這可以使生產(chǎn)溫度降低12℃。溫度低于熔點(diǎn)時(shí)，Sasobit在瀝青膠結(jié)料中形成晶格結(jié)構(gòu)，這是含有Sasobit的瀝青的穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。在使用溫度下，Sasobit改性瀝青的抗車(chē)轍能力增強(qiáng)。此外，Sasol—Wax公司報(bào)道，在同樣的滾輪荷載下，其壓實(shí)性與非改性瀝青相比有所增加。Sasol-wax公司建議加入混合料質(zhì)量的3％的Sasobit，以使粘度降到所需的標(biāo)準(zhǔn)，并且不應(yīng)超過(guò)4％，以免對(duì)膠結(jié)料的低溫性能產(chǎn)生不良影響。不建議將固體Sasobit直接拌和，因?yàn)檫@樣不能夠使其在瀝青中均勻分布。Asphaltan B是德國(guó)Romonta-GmbH，Amsdorf公司的產(chǎn)品，可以粒狀存放。它是專(zhuān)門(mén)為瀝青混凝土研制的，是褐煤蠟與高分子烴的混合物。Romonta公司建議加入質(zhì)量百分率為2％~4％的AsphaltanB。它可以加到瀝青拌和機(jī)中，或是直接加入到膠結(jié)料生產(chǎn)機(jī)中，也可以加入到聚合物改性膠結(jié)料中。Asphaltan B的熔點(diǎn)大約是99℃。與FT蠟相似，它也被認(rèn)為是一種“瀝青流動(dòng)改進(jìn)劑”，可以降低生產(chǎn)溫度。與FT蠟一樣，其壓實(shí)性和抗車(chē)轍能力均會(huì)增強(qiáng)。
(四)基于表面活性平臺(tái)溫拌法(EWMA)
基于表面活性平臺(tái)的溫拌技術(shù)由美國(guó)Meadwestvaco公司提出，該方法是將一種特殊的乳化瀝青替代熱瀝青實(shí)現(xiàn)溫拌，工藝與熱拌瀝青混合料基本一致，用于生產(chǎn)這種乳化瀝青的乳化劑中含有一些添加劑，這些添加劑能夠提高瀝青與集料的裹附能力，提高混合料的施工和易性以及粘聚能力。乳化瀝青中的水分在與高溫集料拌和過(guò)程中就以水蒸氣的形態(tài)釋放出去。拌和完畢的溫拌瀝青混合料從外觀上看其裹附和顏色與熱拌瀝青混合料沒(méi)有什么差別。
前三類(lèi)溫拌技術(shù)主要是在歐洲有所應(yīng)用，由于其技術(shù)為各方單獨(dú)擁有，更為詳細(xì)的技術(shù)細(xì)節(jié)尚處于保密階段。并且由于這三種方法沒(méi)有克服成本高、生產(chǎn)復(fù)雜等缺點(diǎn)，所以至今沒(méi)有實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。而第四類(lèi)技術(shù)則是一項(xiàng)開(kāi)放的技術(shù)，近兩年已在南非、美國(guó)、加拿大以及中國(guó)鋪筑了多條試驗(yàn)路。
三、EWMA溫拌技術(shù)特點(diǎn)
溫拌技術(shù)實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)難點(diǎn)是：
(1)降低瀝青混合料和易性對(duì)溫度的敏感性；(2)彌補(bǔ)混合料溫度下降帶來(lái)的瀝青對(duì)石料物理抓著的下降。Evotherm—WMA是美國(guó)MeadWestvaco公司開(kāi)發(fā)出的一種基于乳化瀝青分散技術(shù)的WMA，通過(guò)向洳青中添加該公司生產(chǎn)的Evotherm DAT乳化劑可以有效提高混合料裹覆性能、施工性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及粘附性。
(一)此種表面活性型溫拌技術(shù)的特點(diǎn)
1、添加劑殘留少(0.4-0.7％)，配合比設(shè)計(jì)結(jié)果與熱拌逼近，對(duì)現(xiàn)有熱拌體系改變少。
2、采用表面活性劑類(lèi)添加劑，起到類(lèi)似抗剝落劑作用。抗車(chē)轍能力較熱拌有所提高。
(二)EWMA適用的場(chǎng)合
1、根據(jù)EWMA性能，EWMA可以用于瀝青路面的各結(jié)構(gòu)層，滿(mǎn)足現(xiàn)行瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范面層技術(shù)要求。
2、尤其適用于瀝青路面建設(shè)和維修養(yǎng)護(hù)中的薄層罩面和超薄罩面。
3、尤其適用于有更高環(huán)保要求的城市道路的建設(shè)和維修養(yǎng)護(hù)。
4、尤其適用于隧道道面的鋪筑。
5、適用于舊料比例較高的再生混合料。
(三)EWMA技術(shù)優(yōu)點(diǎn)
經(jīng)國(guó)內(nèi)、國(guó)外試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，基于乳化平臺(tái)的溫拌混合料具有如下技術(shù)特點(diǎn)：
1、在不犧牲瀝青混合料路用性能的前提下，
拌和溫度可降低至110℃-130℃、碾壓溫度可降低至70℃-110℃；
2、混合料的設(shè)計(jì)和施工工藝與熱拌混合料基本一致：
3、采用熱拌全套設(shè)備和工藝流程施工，所有工藝操作溫度比熱拌顯著下降(30~60℃)。
4、具有良好的適應(yīng)性：不同石料，不同級(jí)配，不同瀝青：
5、減少燃料消耗，節(jié)省20％～30％；
6、減少排放50％以上，降低對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)施工人員健康的損害；
7、減輕熱拌過(guò)程中瀝青的老化，延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命。
8、延長(zhǎng)施工季節(jié)。
(四)費(fèi)用比較
EWMA技術(shù)減少燃料消耗，但在溫拌瀝青混合料生產(chǎn)過(guò)程中須加入MeadWestvaco公司生產(chǎn)的添加劑，綜合比較，根據(jù)我國(guó)北京、青海等省使用情況，每噸EWMA混合料成本較普通HMA貴25—40元。隨著溫拌技術(shù)大面積推廣應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)成本的增加幅度會(huì)不斷減小。
四、EWMA溫拌技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用
2005年9月，在北京鋪筑了我國(guó)第一條、全球第六條EWMA試驗(yàn)路。2006年9月，在北京鋪筑了全球第一條改性SMA溫拌試驗(yàn)路，2007年12月成功用于浙江某隧道項(xiàng)目，2008年，還先后在河北和北京鋪筑了溫拌橡膠瀝青試驗(yàn)路。至2008年底，我國(guó)已有十一個(gè)省市鋪筑了40條試驗(yàn)路及實(shí)體工程，詳見(jiàn)下表：
五、結(jié)語(yǔ)
(一)溫拌瀝青混合料是一種低排放和低能耗的環(huán)保型材料，適合用于環(huán)保要求較高的市政工程。
(二)溫拌瀝青混合料減少排放50％以上，尤其適用于隧道道面的鋪筑。個(gè)人建議可在寧夏六盤(pán)山地區(qū)公路隧道修筑中嘗試。
(三)溫拌瀝青混合料能延長(zhǎng)施工季節(jié)，適合用于個(gè)別工期較緊的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。
當(dāng)前節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境、可持續(xù)發(fā)展是世界各國(guó)共同關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，溫拌瀝青混合料作為一種新型的低排放和低能耗環(huán)保型材料，其發(fā)展前景十分廣闊。不斷研究與推廣溫拌瀝青混合料技術(shù)，對(duì)公路建設(shè)的發(fā)展具有重要意義。
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