新型環(huán)保節(jié)能混合料WMA在我國(guó)高等級(jí)公路中應(yīng)用
論文關(guān)鍵詞:溫拌瀝青混合料;實(shí)體工程;路用性能
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論文摘要:溫拌瀝青混合料與傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料相比，其拌和壓實(shí)溫度相對(duì)較低，減少了能源的消耗和廢氣的排放，一種新型的節(jié)能環(huán)保型道路材料，具有十分廣闊的應(yīng)用前景，但在我國(guó)實(shí)體工程應(yīng)用研究鮮見報(bào)道。在國(guó)外已有研究成果的基礎(chǔ)上，歸納了WMA的優(yōu)點(diǎn)，溫拌技術(shù)的原理，并結(jié)合實(shí)體工程研究了WMA中Sasobit添加時(shí)間和與HMA對(duì)比的WMA的路用性能及施工，為WMA在我國(guó)的應(yīng)用積累了新的資料。
引言：當(dāng)前，能源緊張和大氣污染是人類共同面臨的兩大嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為保護(hù)生態(tài)環(huán)境，世界各國(guó)嚴(yán)格控制二氧化碳和其它有害氣體的排放，節(jié)能和環(huán)保已成為全社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。瀝青混合料的生產(chǎn)是道路工程中能耗大戶。傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料HMA是一種熱拌熱鋪材料，在拌和、攤鋪及碾壓時(shí)需要較高的溫度，因而在生產(chǎn)和施工的過(guò)程不僅要消耗大量能源，而且排出大量的廢氣和粉塵，影響周圍的環(huán)境質(zhì)量和施工人員的身體健康，同時(shí)瀝青還會(huì)產(chǎn)生熱老化而影響其路用性能。為了降低能源消耗和廢氣排放，人們開始研制一種新的節(jié)能環(huán)保型瀝青混合料，即溫拌瀝青混合料WMA(Warm MixAsphalt)o WMA就是通過(guò)一定的技術(shù)措施，降低瀝青的粘度，從而使瀝青混合料能在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行拌和及施工，同時(shí)保持其不低于HMA的使用性能的瀝青混合料技術(shù)。采用溫拌技術(shù)可使瀝青混合料的拌合與碾壓溫度比常規(guī)熱拌技術(shù)降低20~60℃，節(jié)能減排效果十分顯著。WMA在國(guó)外尤其是在歐洲地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用，隨著目前石油成本的快速增長(zhǎng)及國(guó)內(nèi)對(duì)環(huán)境保護(hù)日益嚴(yán)格，WMA在我國(guó)具有良好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。
1.溫拌瀝青混合料
WMA最早在歐洲由Shell和Kolo-Veidekke研制開發(fā)，自2000年以來(lái)，在歐洲和澳大利亞得到廣泛的應(yīng)用，2003年，在能源成本相對(duì)較低的美國(guó)，開始引人WMA。有關(guān)資料表明，通過(guò)添加特定外加劑WMA可以在不降低壓實(shí)的前提下，拌和、攤鋪和壓實(shí)的溫度低于H M A27℃左右，由于其較低的拌和及壓實(shí)溫度，與HMA相比有許多優(yōu)點(diǎn):(1)較低的拌和及攤鋪溫度，會(huì)大量減少煙熏及其他有害的散發(fā)物質(zhì)這將極大地減輕混合料生產(chǎn)過(guò)程中可能對(duì)人造成的潛在傷害，維護(hù)施工建設(shè)人員的身體健康;(2)降低能源消耗，能減少303'a左右的能源消耗，這對(duì)我國(guó)這樣能源短缺的能源消耗大國(guó)而言，具有重要的意義; (3)利于施工組織，低排放利一于攪拌場(chǎng)的設(shè)置，同時(shí)，運(yùn)輸距離允許更長(zhǎng)(4)提高路面性能。相對(duì)低溫拌和施工可以減少瀝青的氧化，由此可減少溫度裂縫，網(wǎng)裂等; (5)較快地開放交通。由于WMA在攤鋪和壓實(shí)時(shí)溫度較低，在碾壓完成后能較快地開放交通;(6)延長(zhǎng)施工季節(jié)，在較冷的氣候條件下也可以施工，提高道路施工企業(yè)的效率。WMA主要通過(guò)一定的技術(shù)措施使得瀝青能夠在相對(duì)較低的溫度下很好地裹覆在集料上，具有良好的粘結(jié)和潤(rùn)滑作用，從而使瀝青能在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行拌和及施工，同時(shí)保持混合料使用性能不低于HMA。
目前的溫拌技術(shù)可以大致分成2種原理:(1)在混合料拌和時(shí)，通過(guò)載體或者直接引入的水分，與熱熔狀的瀝青接觸產(chǎn)生大量蒸氣，造成瀝青體積膨脹形成泡沫瀝青，瀝青和易性增加使其可以在較低的溫度下充分包裹集料，從而實(shí)現(xiàn)混合料在較低的溫度下進(jìn)行拌和和壓實(shí)。該技術(shù)的主要影響因素有添加的水量、添加水的方式和瀝青的溫度。目前常用的產(chǎn)品有Aspha-Min, WAM-Foam, DAT濃縮液溫拌技術(shù)等。Aspha-Min在歐洲注冊(cè)名稱為Eurovia，是一種合成沸石。成品為非常細(xì)的白色粉末狀。它內(nèi)含21%的水分，并于加熱中釋放出來(lái)。釋放出來(lái)的水會(huì)在瀝青中膨脹引起一種泡沫，增加工作性和能在較低溫度下使瀝青更好地裹附集料。該產(chǎn)品摻量為混合料重量比0.3%，它能使瀝青混合料的生產(chǎn)溫度減低到130~145℃，可降低生產(chǎn)和攤鋪溫度大約300C，由此可減少30%的燃料消耗。在施工過(guò)程中，只需在拌和的過(guò)程中直接投人倉(cāng)內(nèi)。WAM-Foam是由位于英國(guó)倫敦的殼牌國(guó)際石油公司和位于挪威奧斯陸的Kolo-Veidekke公司共同開發(fā)的產(chǎn)品。該方法的第一階段是將溫度為100~120℃的軟質(zhì)結(jié)合料加入到集料中進(jìn)行拌和以達(dá)到良好裹附。在第二階段，將極硬的結(jié)合料泡沫化后加入到預(yù)裹附的集料中。這樣，軟質(zhì)結(jié)合料和泡沫化的硬質(zhì)結(jié)合料都起到降低結(jié)合料粘度的作用從而實(shí)現(xiàn)良好的工作性。摻加WAM-Foam的WMA在不影響瀝青混合料性能的前提下，能在100~121F之間拌和，并在80~90℃之間碾壓。它能降低50%的二氧化碳的排放量，且每降低300C，濃煙排放量就減少50%。添加DAT濃縮液溫拌技術(shù)，是美德維實(shí)偉克公司Evotherm溫拌技術(shù)的第二代技術(shù)，第一代技術(shù)為基于乳化平臺(tái)溫拌技術(shù)。在瀝青混合料溫拌過(guò)程中，向拌和鍋內(nèi)噴注添加劑，該添加劑為表面活性水溶液(DAT)它能夠在瀝青混合料拌和過(guò)程中，在膠結(jié)料和混合料內(nèi)部形成潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)溫拌瀝青混合料工作性的關(guān)鍵成分。DA T溶液呈棕色或橙色，p H值為2. 5~3. 5。根據(jù)使用場(chǎng)合不同，其摻加比例亦有所不同，一般拌和樓瀝青拌和采用固含量為15%的DAT溶液，其摻加比例為m(DAT):m(瀝青)二5:95;室內(nèi)試驗(yàn)采用固含量萬(wàn)7%的DAT溶液，其摻加比例為m (DAT):m(瀝青)二10:90。(2)加入低熔點(diǎn)的有機(jī)添加劑到瀝青或者混合料中，從而改變?yōu)r青的粘溫曲線，降低拌和溫度。目前主要有sasobit，Asphaltan-B等。Sasobit是一種來(lái)自南非的低溫熔點(diǎn)的有機(jī)添加劑。它與前兩者不同，它不是通過(guò)產(chǎn)生泡沫而提高混合料的低溫工作性，而是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)降低瀝青粘性。Sasobit的熔點(diǎn)溫度剛低于其沸點(diǎn)溫度，_且在溫度超過(guò)115℃時(shí)能完全溶解在瀝青中。Sasobit的加人可降低30℃的瀝青生產(chǎn)溫度。在熔點(diǎn)以下，Sasobit會(huì)在瀝青膠結(jié)料中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以提高穩(wěn)定性和抵抗車轍能力。Sasobit可使較軟的瀝青提高到較高等級(jí)以克服高溫下的變形和泛油。為達(dá)到最佳性能，Sasobit的推薦摻量為重量比的3%，不超過(guò)4%0AsphaltanB是一種粒狀的低分子酷化蠟，是由一種基于Montan蠟的物質(zhì)與高分子碳?xì)浠衔锘旌隙傻�，熔點(diǎn)與Sasobit接近，通過(guò)提高瀝青的流動(dòng)性來(lái)保證混合料的低溫工作性。加人AsphaltanB可提高瀝青混合料的壓實(shí)和抵抗車轍能力。生產(chǎn)廠家推薦AsphaltanB的摻量為重量比的2%~4%。它可在攪拌樓中投入，也可直接加人到瀝青或改性瀝青中。
考慮到利用有機(jī)添加劑添加方式比較自由，可以采用自動(dòng)添加方式進(jìn)行投放，也可以進(jìn)行人工投放，不會(huì)影響拌和樓的生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)溫拌技術(shù)具有施工方便、可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)，以及Aspha-Min, DAT等WMA拌和樓生產(chǎn)時(shí)會(huì)有水蒸汽排出，會(huì)影響拌和樓的生產(chǎn)效率，最后選用Sasobit溫拌添加劑進(jìn)行試驗(yàn)。溫拌添加劑的添加方式總體上可分為預(yù)先投到瀝青罐中和生產(chǎn)時(shí)投到混合料拌缸中兩種方式，為比較兩種方式對(duì)瀝青膠結(jié)料的影響，對(duì)溫拌添加劑添加方式進(jìn)行了室內(nèi)模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)方法是比較溫拌添加劑添加到SBS改性瀝青在170℃保溫1小時(shí)和24小時(shí)主要技術(shù)指標(biāo)變化情況，試驗(yàn)結(jié)果見表1。從表1可知，Sasobit添加到改性瀝青中，針入度較原樣瀝青減小，軟化點(diǎn)增加，粘度降低，延度降低，隨著170℃下保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，瀝青延度有了顯著的下降，其它指標(biāo)變化則相對(duì)較小，溫拌添加劑的添加方式不能在使用前投放到改性瀝青中，否則會(huì)對(duì)瀝青混合料的低溫性能產(chǎn)生不利影響，添加需在拌和樓拌缸中進(jìn)行。
2.沮拌瀝青混合料路用性能
采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)研究WMA的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果見圖1;采用車轍試驗(yàn)研究WMA的高溫穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果見圖2;采用小梁彎曲試驗(yàn)研究WMA的低溫抗裂性能，試驗(yàn)結(jié)果見圖3:采用20 0C抗壓強(qiáng)度與彈性模量試驗(yàn)研究其力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見圖4。此外，還進(jìn)行了室內(nèi)降溫速率試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。
從上述試驗(yàn)結(jié)果可知，WMA水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性與HMA相差不多，均能滿足JTG F40-2004規(guī)范要求;WMA的抗壓強(qiáng)度以及彈性模量不低于同級(jí)配的HMA,分析其原因是當(dāng)瀝青加入溫拌劑Sasobit后，60℃粘度提高，在相同的礦料性質(zhì)和組成條件下，WMA粘聚力比HMA要高;在相同狀態(tài)下，WMA的降溫速率都要比普通HMA要小，表明WMA的保溫性能優(yōu)于HMA，在低溫季節(jié)施工有利于瀝青混合料的壓實(shí)，施工質(zhì)量更有保證。
3.實(shí)體工程應(yīng)用
無(wú)錫市某道路是環(huán)太湖地區(qū)一條重要的干線公路，是省道5230與無(wú)錫市新區(qū)快速路共線段，建成后交通量大。按雙向六車道一級(jí)公路設(shè)計(jì)，行車道路面結(jié)構(gòu):4c m S MA13+8c mA C25+36c m水穩(wěn)碎石+18c m石灰土底基層，溫拌SMA改性瀝青混合料試驗(yàn)段長(zhǎng)度約lkm，平均最低氣溫為1:2C，最高氣溫為160C，最低氣溫為-5。對(duì)于Sasobit溫拌瀝青混合料，由于它是通過(guò)降低瀝青高溫時(shí)粘度從而提高瀝青混合料施工和易性，達(dá)到降溫的目的，其攤鋪和碾壓溫度根據(jù)Sasobit摻加到瀝青后其粘溫曲線進(jìn)行確定，其施工穩(wěn)定見表30碾壓設(shè)備為三臺(tái)鋼輪，一臺(tái)膠輪，碾壓組合為1鋼輪初壓++1鋼輪振動(dòng)復(fù)壓+膠輪復(fù)壓+1鋼輪收光，部分施工質(zhì)量控制指標(biāo)見表4，其他控制標(biāo)準(zhǔn)同HMA。工后壓實(shí)度檢測(cè)均滿足規(guī)定要求，其他各項(xiàng)質(zhì)量控制指標(biāo)也均滿足規(guī)范要求:該試驗(yàn)路通車1年多的跟蹤觀測(cè)結(jié)果表明，WMA路面使用性能良好，長(zhǎng)期的路用性能有待于進(jìn)一跟蹤觀測(cè)。
4.結(jié)論
(1)資源節(jié)約、環(huán)境友好是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的客觀要求，也是道路行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。WMA是一種綠色、節(jié)能、環(huán)保的新型的道路材料，在國(guó)外尤其是在歐洲地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用，在國(guó)具有良好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。
(2)實(shí)體工程中的應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，溫拌添加劑的添加方式不能在使用前投放到改性瀝青中，否則會(huì)對(duì)瀝青混合料的低溫性能產(chǎn)生不利影響，添加需在拌和樓拌缸中進(jìn)行;在相同狀態(tài)下，WMA的降溫速率都要比普通HMA要小，WMA水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性與HMA相差不多，均能滿足JTG F40-2004規(guī)范要求，WMA的抗壓強(qiáng)度以及彈性模量不低于同級(jí)配的HMA。
(3)試驗(yàn)路的成功鋪筑及跟蹤觀測(cè)表明WMtI路面使用性能良好。
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