新型環保節能混合料WMA在我國高等級公路中應用
論文關鍵詞:溫拌瀝青混合料;實體工程;路用性能
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論文摘要:溫拌瀝青混合料與傳統的熱拌瀝青混合料相比，其拌和壓實溫度相對較低，減少了能源的消耗和廢氣的排放，一種新型的節能環保型道路材料，具有十分廣闊的應用前景，但在我國實體工程應用研究鮮見報道。在國外已有研究成果的基礎上，歸納了WMA的優點，溫拌技術的原理，并結合實體工程研究了WMA中Sasobit添加時間和與HMA對比的WMA的路用性能及施工，為WMA在我國的應用積累了新的資料。
引言：當前，能源緊張和大氣污染是人類共同面臨的兩大嚴峻挑戰。為保護生態環境，世界各國嚴格控制二氧化碳和其它有害氣體的排放，節能和環保已成為全社會關注的熱點問題。瀝青混合料的生產是道路工程中能耗大戶。傳統的熱拌瀝青混合料HMA是一種熱拌熱鋪材料，在拌和、攤鋪及碾壓時需要較高的溫度，因而在生產和施工的過程不僅要消耗大量能源，而且排出大量的廢氣和粉塵，影響周圍的環境質量和施工人員的身體健康，同時瀝青還會產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能環保型瀝青混合料，即溫拌瀝青混合料WMA(Warm MixAsphalt)o WMA就是通過一定的技術措施，降低瀝青的粘度，從而使瀝青混合料能在相對較低的溫度下進行拌和及施工，同時保持其不低于HMA的使用性能的瀝青混合料技術。采用溫拌技術可使瀝青混合料的拌合與碾壓溫度比常規熱拌技術降低20~60℃，節能減排效果十分顯著。WMA在國外尤其是在歐洲地區得到了廣泛的應用，隨著目前石油成本的快速增長及國內對環境保護日益嚴格，WMA在我國具有良好的推廣價值和應用前景。
1.溫拌瀝青混合料
WMA最早在歐洲由Shell和Kolo-Veidekke研制開發，自2000年以來，在歐洲和澳大利亞得到廣泛的應用，2003年，在能源成本相對較低的美國，開始引人WMA。有關資料表明，通過添加特定外加劑WMA可以在不降低壓實的前提下，拌和、攤鋪和壓實的溫度低于H M A27℃左右，由于其較低的拌和及壓實溫度，與HMA相比有許多優點:(1)較低的拌和及攤鋪溫度，會大量減少煙熏及其他有害的散發物質這將極大地減輕混合料生產過程中可能對人造成的潛在傷害，維護施工建設人員的身體健康;(2)降低能源消耗，能減少303'a左右的能源消耗，這對我國這樣能源短缺的能源消耗大國而言，具有重要的意義; (3)利于施工組織，低排放利一于攪拌場的設置，同時，運輸距離允許更長(4)提高路面性能。相對低溫拌和施工可以減少瀝青的氧化，由此可減少溫度裂縫，網裂等; (5)較快地開放交通。由于WMA在攤鋪和壓實時溫度較低，在碾壓完成后能較快地開放交通;(6)延長施工季節，在較冷的氣候條件下也可以施工，提高道路施工企業的效率。WMA主要通過一定的技術措施使得瀝青能夠在相對較低的溫度下很好地裹覆在集料上，具有良好的粘結和潤滑作用，從而使瀝青能在相對較低的溫度下進行拌和及施工，同時保持混合料使用性能不低于HMA。
目前的溫拌技術可以大致分成2種原理:(1)在混合料拌和時，通過載體或者直接引入的水分，與熱熔狀的瀝青接觸產生大量蒸氣，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，從而實現混合料在較低的溫度下進行拌和和壓實。該技術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。目前常用的產品有Aspha-Min, WAM-Foam, DAT濃縮液溫拌技術等。Aspha-Min在歐洲注冊名稱為Eurovia，是一種合成沸石。成品為非常細的白色粉末狀。它內含21%的水分，并于加熱中釋放出來。釋放出來的水會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。該產品摻量為混合料重量比0.3%，它能使瀝青混合料的生產溫度減低到130~145℃，可降低生產和攤鋪溫度大約300C，由此可減少30%的燃料消耗。在施工過程中，只需在拌和的過程中直接投人倉內。WAM-Foam是由位于英國倫敦的殼牌國際石油公司和位于挪威奧斯陸的Kolo-Veidekke公司共同開發的產品。該方法的第一階段是將溫度為100~120℃的軟質結合料加入到集料中進行拌和以達到良好裹附。在第二階段，將極硬的結合料泡沫化后加入到預裹附的集料中。這樣，軟質結合料和泡沫化的硬質結合料都起到降低結合料粘度的作用從而實現良好的工作性。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，是美德維實偉克公司Evotherm溫拌技術的第二代技術，第一代技術為基于乳化平臺溫拌技術。在瀝青混合料溫拌過程中，向拌和鍋內噴注添加劑，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程中，在膠結料和混合料內部形成潤滑結構，是實現溫拌瀝青混合料工作性的關鍵成分。DA T溶液呈棕色或橙色，p H值為2. 5~3. 5。根據使用場合不同，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;室內試驗采用固含量萬7%的DAT溶液，其摻加比例為m (DAT):m(瀝青)二10:90。(2)加入低熔點的有機添加劑到瀝青或者混合料中，從而改變瀝青的粘溫曲線，降低拌和溫度。目前主要有sasobit，Asphaltan-B等。Sasobit是一種來自南非的低溫熔點的有機添加劑。它與前兩者不同，它不是通過產生泡沫而提高混合料的低溫工作性，而是通過化學反應降低瀝青粘性。Sasobit的熔點溫度剛低于其沸點溫度，_且在溫度超過115℃時能完全溶解在瀝青中。Sasobit的加人可降低30℃的瀝青生產溫度。在熔點以下，Sasobit會在瀝青膠結料中形成網狀結構以提高穩定性和抵抗車轍能力。Sasobit可使較軟的瀝青提高到較高等級以克服高溫下的變形和泛油。為達到最佳性能，Sasobit的推薦摻量為重量比的3%，不超過4%0AsphaltanB是一種粒狀的低分子酷化蠟，是由一種基于Montan蠟的物質與高分子碳氫化合物混合而成的，熔點與Sasobit接近，通過提高瀝青的流動性來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和抵抗車轍能力。生產廠家推薦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。
考慮到利用有機添加劑添加方式比較自由，可以采用自動添加方式進行投放，也可以進行人工投放，不會影響拌和樓的生產，實現溫拌技術具有施工方便、可操作性強等特點，以及Aspha-Min, DAT等WMA拌和樓生產時會有水蒸汽排出，會影響拌和樓的生產效率，最后選用Sasobit溫拌添加劑進行試驗。溫拌添加劑的添加方式總體上可分為預先投到瀝青罐中和生產時投到混合料拌缸中兩種方式，為比較兩種方式對瀝青膠結料的影響，對溫拌添加劑添加方式進行了室內模擬試驗。試驗方法是比較溫拌添加劑添加到SBS改性瀝青在170℃保溫1小時和24小時主要技術指標變化情況，試驗結果見表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，軟化點增加，粘度降低，延度降低，隨著170℃下保溫時間的延長，瀝青延度有了顯著的下降，其它指標變化則相對較小，溫拌添加劑的添加方式不能在使用前投放到改性瀝青中，否則會對瀝青混合料的低溫性能產生不利影響，添加需在拌和樓拌缸中進行。
2.沮拌瀝青混合料路用性能
采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗研究WMA的水穩定性，試驗結果見圖1;采用車轍試驗研究WMA的高溫穩定性，試驗結果見圖2;采用小梁彎曲試驗研究WMA的低溫抗裂性能，試驗結果見圖3:采用20 0C抗壓強度與彈性模量試驗研究其力學性能試驗結果見圖4。此外，還進行了室內降溫速率試驗，試驗結果見表2。
從上述試驗結果可知，WMA水穩定性、高溫穩定性、低溫抗裂性與HMA相差不多，均能滿足JTG F40-2004規范要求;WMA的抗壓強度以及彈性模量不低于同級配的HMA,分析其原因是當瀝青加入溫拌劑Sasobit后，60℃粘度提高，在相同的礦料性質和組成條件下，WMA粘聚力比HMA要高;在相同狀態下，WMA的降溫速率都要比普通HMA要小，表明WMA的保溫性能優于HMA，在低溫季節施工有利于瀝青混合料的壓實，施工質量更有保證。
3.實體工程應用
無錫市某道路是環太湖地區一條重要的干線公路，是省道5230與無錫市新區快速路共線段，建成后交通量大。按雙向六車道一級公路設計，行車道路面結構:4c m S MA13+8c mA C25+36c m水穩碎石+18c m石灰土底基層，溫拌SMA改性瀝青混合料試驗段長度約lkm，平均最低氣溫為1:2C，最高氣溫為160C，最低氣溫為-5。對于Sasobit溫拌瀝青混合料，由于它是通過降低瀝青高溫時粘度從而提高瀝青混合料施工和易性，達到降溫的目的，其攤鋪和碾壓溫度根據Sasobit摻加到瀝青后其粘溫曲線進行確定，其施工穩定見表30碾壓設備為三臺鋼輪，一臺膠輪，碾壓組合為1鋼輪初壓++1鋼輪振動復壓+膠輪復壓+1鋼輪收光，部分施工質量控制指標見表4，其他控制標準同HMA。工后壓實度檢測均滿足規定要求，其他各項質量控制指標也均滿足規范要求:該試驗路通車1年多的跟蹤觀測結果表明，WMA路面使用性能良好，長期的路用性能有待于進一跟蹤觀測。
4.結論
(1)資源節約、環境友好是經濟社會發展的客觀要求，也是道路行業可持續發展的必然選擇。WMA是一種綠色、節能、環保的新型的道路材料，在國外尤其是在歐洲地區得到了廣泛的應用，在國具有良好的推廣價值和應用前景。
(2)實體工程中的應用研究發現，溫拌添加劑的添加方式不能在使用前投放到改性瀝青中，否則會對瀝青混合料的低溫性能產生不利影響，添加需在拌和樓拌缸中進行;在相同狀態下，WMA的降溫速率都要比普通HMA要小，WMA水穩定性、高溫穩定性、低溫抗裂性與HMA相差不多，均能滿足JTG F40-2004規范要求，WMA的抗壓強度以及彈性模量不低于同級配的HMA。
(3)試驗路的成功鋪筑及跟蹤觀測表明WMtI路面使用性能良好。
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