陳明強(qiáng) 趙 松
(常州市公路管理處 常州 213164)
新世紀(jì)以來,我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨轉(zhuǎn)型,節(jié)能減排成為重要課題。中國作為《京都議定書》的簽約國,將承擔(dān)巨額降低CO2排放量任務(wù),中國能源可能因?yàn)榕欧臗O2指標(biāo)的限制而經(jīng)歷嚴(yán)峻的考驗(yàn)、中國環(huán)境科學(xué)能力將受到巨大的考驗(yàn)。江蘇省作為經(jīng)濟(jì)大省,面臨著能源緊缺、環(huán)境污染等嚴(yán)峻問題,同時(shí)大規(guī)模城市交通基礎(chǔ)設(shè)施的改善,許多高等級公路和城市道路的改、擴(kuò)建都勢在必行,如果我們在道路建設(shè)中深入貫徹節(jié)能減排理念,不斷尋求降低工程能源環(huán)境成本途徑,必定會帶來可觀的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。在這樣的背景下,溫拌瀝青混合料施工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。溫拌瀝青混合料(warm mix asphalt,WMA)是拌和溫度介于熱拌瀝青混合料(150~180℃)和冷拌瀝青混合料(常溫)之間,性能達(dá)到熱拌瀝青混合料(hot mix asphalt,HMA)要求的新型瀝青混合料。溫拌技術(shù)是一種高節(jié)能低排放的新型環(huán)保路面技術(shù),降低了礦料、瀝青加熱溫度及混合料施工溫度,減少了氣體和煙塵的排放量,緩解了因修筑瀝青路面造成的空氣污染以及溫室氣體的排放;對人體健康造成的影響也大大降低;且WMA減輕了瀝青因拌和溫度過高的老化,延長了瀝青路面的使用壽命。
目前國內(nèi)高等級瀝青路面基本上都采用傳統(tǒng)的HMA進(jìn)行鋪筑,對于江蘇省常用的70號瀝青,通常要求瀝青加熱溫度為160~170℃,礦料加熱溫度為170~185℃,混合料出料溫度160~170℃。將瀝青和礦料加熱到如此高的溫度,不僅要消耗大量的能源,而且在生產(chǎn)和施工的過程中還會排放出大量的廢氣和粉塵,嚴(yán)重影響周圍的環(huán)境質(zhì)量和施工人員的身體健康。
1995年在歐洲首先應(yīng)用了瀝青混合料的溫拌技術(shù)。它在滿足性能要求的基礎(chǔ)上,可通過減低瀝青混合料的拌和及攤鋪的溫度實(shí)現(xiàn)降低燃料成本和減少排放。目前溫拌技術(shù)主要有以下幾種方法:①采用軟硬瀝青結(jié)合料進(jìn)行調(diào)和,如殼牌公司的 WAM-Foam技術(shù);②采用乳化技術(shù),如MeadWestvaco公司的Evotherm技術(shù);③采用添加劑來實(shí)現(xiàn),包括礦物添加劑和有機(jī)添加劑。就目前的技術(shù)水平而言,WMA的拌和溫度一般保持在120~140℃,攤鋪和壓實(shí)路面的溫度為120~140℃,相對于HMA,溫度可以降低20~30℃,而且WMA同時(shí)具備和HMA一樣的施工和易性和路用性能。
WMA除了與普通HMA的路用性能基本一致之外,還具有以下幾個優(yōu)點(diǎn):
(1)節(jié)約能源。能夠減少燃料的消耗。國外研究數(shù)據(jù)表明,與HMA相比大約能節(jié)約20%~30%的能源。
(2)減少健康危害。WMA能夠減少CO2、粉塵等有害物質(zhì)的散發(fā),從而降低對環(huán)境的破壞和對施工人員的健康危害。國外研究數(shù)據(jù)表明,CO2、CO等主要有害氣體排放能減少3成。
(3)能夠簡化瀝青混合料的生產(chǎn)程序,延長設(shè)備的使用壽命,而且其生產(chǎn)、攤鋪和壓實(shí)的設(shè)備采用普通熱拌混合料的設(shè)備即可(可能需要做些很小的調(diào)整)。
(4)當(dāng)進(jìn)行儲存性生產(chǎn)時(shí),能更穩(wěn)定地儲存更長的時(shí)間,有更好的靈活性和更長的工作壽命。
(5)降低瀝青結(jié)合料在生產(chǎn)過程中的氧化速率,減少熱老化程度,延長瀝青的使用壽命。
(6)擴(kuò)大瀝青面層的施工適宜溫度區(qū)間,提高施工速度。
2007年常州市在340省道金壇段養(yǎng)護(hù)改善工程中進(jìn)行溫拌瀝青試驗(yàn)段的鋪設(shè),從而拉開了江蘇省干線公路建設(shè)溫拌瀝青的研究序幕。近年,237省道揚(yáng)州段、205國道淮安段、221省道如東段、323省道徐州東繞城段等國省干線公路建設(shè)中都進(jìn)行了溫拌瀝青混合料施工的嘗試。今年,我處在S241省道金壇北段改擴(kuò)建工程中選取部分路段采用Sasobit溫拌瀝青改性技術(shù),進(jìn)行溫拌瀝青混合料施工。
Sasobit是一種窄分布的合成飽和碳?xì)浠衔锏幕旌衔?,是一種硬蠟。瀝青中蠟含量偏高會對瀝青的性能產(chǎn)生負(fù)面影響,但是摻入一定量的Sasobit卻不會出現(xiàn)這種問題。這是因?yàn)樗c瀝青中的蠟在分子結(jié)構(gòu)上有很大的不同:Sasobit的熔點(diǎn)在100℃左右,可以完全熔融在溫度高于115℃的瀝青中,降低瀝青的粘度,使混合料拌和及壓實(shí)溫度降低。在溫度低于熔點(diǎn)時(shí),則在瀝青中形成網(wǎng)狀的晶格結(jié)構(gòu),增加瀝青的穩(wěn)定性,提高路面在使用溫度范圍內(nèi)的抗車轍性能。經(jīng)試驗(yàn)證明,Sasobit在高溫瀝青中簡單地機(jī)械攪拌即可均勻地熔融分布于瀝青中且不離析,不必要采用膠體磨或者高速剪切攪拌等復(fù)雜的加工工藝。筆者做了70號道路石油瀝青的常規(guī)試驗(yàn),以及不同摻量的Sasobit瀝青試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表1。
表1 Sasobit對瀝青常規(guī)性能的影響
由表1可見,Sasobit的摻入可以降低瀝青的針入度,使瀝青軟化點(diǎn)升高,針入度指數(shù)增大。而針入度的降低、軟化點(diǎn)的升高、針入度指數(shù)的增大(感溫性降低)都可以很好地改善瀝青的高溫性能,增強(qiáng)混合料的高溫抗車轍能力。
本文選取Superpave-20級配進(jìn)行混合料性能試驗(yàn),WMASuperpave20所用原材料、級配及瀝青用量均參照熱拌Superpave20設(shè)計(jì)結(jié)果。采用溫拌劑為有機(jī)固體添加劑Sasobit,摻量為瀝青質(zhì)量的1.5%。為了探討Sasobit溫拌改性對混合料所需成型溫度的影響,本文分別采用馬歇爾法和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型試件,且在混合料拌和后均用烘箱保溫2h,以嚴(yán)格控制試件成型溫度在目標(biāo)溫度±2℃范圍內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)果見表2、表3及圖1。
表2 混合料不同擊實(shí)溫度馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果
表3 混合料不同溫度旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果
圖1 馬歇爾試件壓實(shí)溫度與空隙率的關(guān)系
由表2、表3及圖1可見,在混合料達(dá)到相同的壓實(shí)度(空隙率)的情況下,摻加1.5%Sasobit的溫拌瀝青混合料的拌和及壓實(shí)溫度可以比70號瀝青混合料降低15~20℃,這將為生產(chǎn)企業(yè)節(jié)約大量的能源消耗。而在相同的壓實(shí)溫度下,Sasobit溫拌表現(xiàn)出強(qiáng)烈的助碾作用,這有助于現(xiàn)場施工時(shí)的碾壓次數(shù),對骨架嵌擠型等比較難碾壓的混合料(如Superpave混合料等)更具有特殊的意義。
目前溫拌技術(shù)的應(yīng)用逐年增多,以摻加溫拌劑技術(shù)在江蘇的應(yīng)用實(shí)例,分析WMA的節(jié)能效果,記錄每種混合料的出料噸位和燃油消耗總量,計(jì)算出每種混合料的燃油消耗量,結(jié)果見表4、圖2、圖3。
表4 各種混合料的燃油消耗
圖2 燃油消耗對比柱狀圖
圖3 燃油消耗降低幅度
由圖2和圖3可見,WMA的燃油消耗低于HMA,WMAAC-25的燃油消耗降低幅度為7.1%,WMAAC-20的燃油消耗降低幅度為7.0%,WMASMA-13的燃油消耗降低幅度為11.0%,3種 WMA的燃油消耗降低幅度接近10%左右,即WMA相對HMA能節(jié)約10%的燃油。需要強(qiáng)調(diào)的是燃油品質(zhì)的好壞直接影響到燃油的消耗量,燃油品質(zhì)越好,節(jié)約能源的效果越明顯。
為了評價(jià)WMA的環(huán)保性能,通過環(huán)保部門對 WMASMA-13和SMA-13兩種混合料、拌和廠廢氣排放進(jìn)行了檢測,主要檢測的指標(biāo)為碳氧化合物和有毒瀝青煙,檢測結(jié)果見表5及圖4、圖5。
表5 拌和廠氣體排放檢測結(jié)果(WMASMA-13和熱拌SMA-13)
圖4 WMASMA-13和熱拌SMA-13的Cox和瀝青煙排放質(zhì)量濃度的對比
圖5 WMASMA-13和熱拌SMA-13的Cox和瀝青煙排放速率的對比
由圖4、圖5可見,WMASMA-13的Cox排放濃度較熱拌SMA-13降低了36.5%,有毒瀝青煙降低了54%;圖5從排放速率上比較,得出WMASMA-13較熱拌SMA-13降低了28.4%,有毒瀝青煙降低了45.1%。說明WMA降低了環(huán)境的污染和對施工人員健康的損害,對于今后隧道和城市道路等環(huán)保要求較高區(qū)域的瀝青路面施工帶來了好處,并且WMA減輕了瀝青因拌和溫度過高的老化,延長瀝青路面的使用壽命。
(1)根據(jù)節(jié)能檢測結(jié)果表明,WMA能節(jié)約接近10%左右的燃油消耗。根據(jù)已有研究成果,一般WMA比HMA節(jié)約燃油約20%以上,WMA具有明顯的節(jié)能效果。
(2)拌和廠廢氣檢測結(jié)果表明,WMA的碳氧化合物、瀝青煙等的排放量較HMA均有不同程度的降低,說明 WMA具有較好的環(huán)保效果,適應(yīng)環(huán)保型低碳經(jīng)濟(jì)社會的建設(shè)需求。
(1)較低的生產(chǎn)溫度可以減少燃料的消耗、降低排放量,使得瀝青混合料得到更廣泛的應(yīng)用(如:空氣污染控制較嚴(yán)格的地區(qū)、低溫地區(qū))。
(2)較低的拌和與壓實(shí)溫度可能導(dǎo)致集料不完全干燥,殘留的水分可能引起溫拌瀝青混合料的水損害。
(3)我國的公路建設(shè)處于發(fā)展時(shí)期,建設(shè)任務(wù)繁重,對資源需求量大,而溫拌瀝青混合料是正在研發(fā)推廣的新型路用材料,這種材料和技術(shù)的應(yīng)用能較大幅度減少公路建設(shè)的能源消耗,符合國家提倡的節(jié)能減排,降低環(huán)境污染,改善建設(shè)人員的工作環(huán)境,提高生產(chǎn)效率的發(fā)展目標(biāo),因此,不斷研究與推廣溫拌瀝青混合料技術(shù),對公路建設(shè)的發(fā)展具有重要意義。
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