作者簡(jiǎn)介：王梓龍（1992—），碩士，工程師，主要從事公路與城市道路設(shè)計(jì)相關(guān)工作。

摘要：文章收集近期國內(nèi)外溫拌瀝青路面的部分研究數(shù)據(jù)，從環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及技術(shù)方面論述溫拌瀝青路面性能，并證明了溫拌瀝青符合可持續(xù)發(fā)展原則。

關(guān)鍵詞：道路工程；瀝青混合料；溫拌瀝青混合料；降溫；性能

中圖分類號(hào)：U416.217

0 引言

隨著國家對(duì)環(huán)保的重視，溫拌瀝青（WMA）在近十幾年發(fā)展迅速。與傳統(tǒng)的熱拌方法相比，這種技術(shù)可以在較低的溫度下生產(chǎn)、攪拌和鋪筑瀝青混凝土，從而減少了瀝青在高溫下的老化問題。同時(shí)提高了施工效率、減少有害氣體產(chǎn)生、保護(hù)環(huán)境?？偟膩碚f，溫拌瀝青與傳統(tǒng)熱拌瀝青類似，但在某些方面優(yōu)于傳統(tǒng)熱拌瀝青，并且有利于瀝青行業(yè)可持續(xù)發(fā)展?？沙掷m(xù)性方面包括降低能源使用、減少排放以及增加再生瀝青路面使用的可能性。但同時(shí)，工程行業(yè)對(duì)于溫拌瀝青混合料也存在某些方面的疑慮，具體包括抗疲勞開裂能力較低、車轍和潛在的水敏感性問題，尤其是使用水基技術(shù)制備的混合料，這都需要進(jìn)一步研究以解決這些問題。

在建筑行業(yè)中，路面施工和養(yǎng)護(hù)維修是資源密集型的工作，有時(shí)會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生相當(dāng)大的負(fù)面影響。在我國，公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)是國家節(jié)能減排的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。每年消耗砂石等材料30×10⁹～40×10⁹ t，其中優(yōu)質(zhì)集料10×10⁹ t。每生產(chǎn)1 t熱拌瀝青混合料，需消耗7～9 kg燃料油，排放約18 kg的CO₂以及大量瀝青煙等有毒、有害氣體^［1］。這也要求交通建筑行業(yè)關(guān)注建造的可持續(xù)發(fā)展。

溫拌瀝青的生產(chǎn)溫度比傳統(tǒng)熱拌瀝青生產(chǎn)溫度低約20 ℃～40 ℃，性能上基本一致，部分性能甚至更好。目前，WMA技術(shù)是公路行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的核心，它能滿足節(jié)能減排的要求，可以使用再生瀝青混凝土材料（RAP）。

1 溫拌瀝青技術(shù)

1.1 背景

瀝青混凝土由礦物骨料和瀝青水泥在高溫下混合而成，因此稱為熱拌瀝青（HMA）。高溫施工是為了能夠徹底干燥骨料，降低瀝青的黏度，防止由于骨料中可能存在的水分在骨料與瀝青之間形成膜，避免后期道路運(yùn)營時(shí)產(chǎn)生水損害及剝落，同時(shí)也增加施工時(shí)瀝青混凝土的和易性與壓實(shí)度。在瀝青路面施工時(shí)，需要對(duì)瀝青及集料進(jìn)行加熱，這個(gè)過程非常消耗能源，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量有害氣體及溫室氣體。

1997年，聯(lián)合國氣候變化框架公約參加國在日本簽訂《京都議定書》，隨后WMA技術(shù)在歐洲誕生。歐洲的瀝青行業(yè)開始研究在低溫下建造瀝青路面的技術(shù)。1995年至1999年，在德國和挪威進(jìn)行了第一次涉及WMA的路面試驗(yàn)，隨后于1999年在德國進(jìn)行了第一個(gè)采用Aspha-min沸石處理混合物的公路項(xiàng)目。繼2002年美國國家瀝青路面協(xié)會(huì)（NAPA）WMA歐洲考察之旅后，聯(lián)邦公路管理局已將WMA指定為重點(diǎn)研究領(lǐng)域，并加速部署。美國和加拿大的首次試驗(yàn)分別于2004年和2005年進(jìn)行，并在五年后應(yīng)用比例就提升至50%。我國的溫拌瀝青技術(shù)引進(jìn)比美國晚兩年，最先在北京得到應(yīng)用，隨后上海、河南、遼寧等地也開始使用溫拌瀝青。2021年發(fā)布的《國務(wù)院關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見》中的第十七條明確提出，積極推廣應(yīng)用溫拌瀝青等節(jié)能環(huán)保先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品。國家對(duì)溫拌瀝青應(yīng)用重視程度的提高將對(duì)溫拌瀝青行業(yè)市場(chǎng)需求增長起到拉動(dòng)作用。我國對(duì)公路建設(shè)投資的增加也將促使溫拌瀝青市場(chǎng)需求持續(xù)增長。 “十四五”期間，除了新建公路外，存量公路改造市場(chǎng)也將帶來巨大的溫拌瀝青需求。預(yù)計(jì)2021—2025年，中國溫拌瀝青市場(chǎng)規(guī)模增速將保持在5%以上。

1.2 黏度和溫度降低技術(shù)

溫拌瀝青經(jīng)常使用有機(jī)添加劑、化學(xué)添加劑和發(fā)泡技術(shù)。有機(jī)添加劑被稱為“智能填料”，其目的是使WMA攪拌時(shí)的黏度降低，路面運(yùn)營狀態(tài)下溫度下黏度增加，減少剝落、水損壞及車轍等病害的產(chǎn)生?；瘜W(xué)添加劑不會(huì)降低瀝青結(jié)合料的黏度，而是以瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%的濃度添加到瀝青中的表面活性劑，以提高低溫時(shí)瀝青的粘結(jié)力，這種添加劑能降低瀝青溫度20 ℃～30 ℃。

泡沫瀝青技術(shù)也屬于WMA技術(shù)中的一種，即向加熱的瀝青結(jié)合料中引入控制量的水，使水迅速膨脹，讓瀝青中充滿氣體。泡沫瀝青技術(shù)能短時(shí)間降低瀝青黏度，改善瀝青低溫施工時(shí)的和易性；而在瀝青路面運(yùn)營時(shí)，瀝青黏度提升至正常值。

1.3 可持續(xù)性效益

WMA的可持續(xù)性效益來自于生產(chǎn)和放置能耗低、溫室氣體排放低、自然資源保護(hù)和增加新瀝青混合料中舊瀝青的再利用。

1.4 環(huán)境效益

減少溫室氣體排放是WMA工藝的重大優(yōu)點(diǎn)。WMA生產(chǎn)過程中的溫室氣體排放與能源節(jié)約的比例相同，估計(jì)在25%～50%。WMA生產(chǎn)過程中節(jié)約的20%～35%的能源相當(dāng)于每噸WMA少排放4.1～5.5 kg CO₂，如果全部采用WMA技術(shù)，CO₂的排放量可以減少約44%。詳細(xì)數(shù)據(jù)可見表1。

國外對(duì)WMA排放氣體進(jìn)行了測(cè)試，具體見表2。加拿大安大略省交通部測(cè)量了WMA項(xiàng)目的溫室氣體排放量，包括二氧化碳（CO₂）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO₂）、揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）和顆粒物，發(fā)現(xiàn)排放量相對(duì)較低。從表1、表2中可以看出，WMA可以明顯減少溫室氣體的排放。

再生瀝青路面與WMA技術(shù)一起使用時(shí)可以進(jìn)一步減少溫室氣體排放，與傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料路面結(jié)構(gòu)相比，面層（50 mm）的15%RAP每平方路面可節(jié)省1 L柴油，CO₂當(dāng)量排放減少2.4 kg/m²。見表3。

1.5 經(jīng)濟(jì)效益

1.5.1 減少燃料使用

WMA技術(shù)降低了混合料的拌和溫度，因此節(jié)約了燃料成本，降低能耗量約11%～35%，相當(dāng)于每噸WMA瀝青混合料節(jié)約1.5～2.0 L燃料。有研究發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)溫度降低10℃可節(jié)省3%～4%的能源，相當(dāng)于每噸生產(chǎn)的瀝青可節(jié)約0.25 kg的燃料。WMA平均將生產(chǎn)過程中的燃料消耗減少20%，從而將生命周期溫室氣體排放總量減少5%，節(jié)省的能源相當(dāng)于每年減少100×10⁴ t瀝青產(chǎn)量。

1.5.2 WMA中RAP增加的可能性

瀝青生產(chǎn)時(shí)的高溫是瀝青老化的主要因素之一，在HMA中RAP瀝青會(huì)二次老化，因此在常規(guī)的HMA中不宜摻入高比例的RAP。WMA生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)溫度的降低可以在一定程度上減少瀝青的老化，從而提高RAP的使用比例。

1.5.3 延長攤鋪季節(jié)

與熱拌瀝青相比，WMA在較低溫度施工環(huán)境下的可增加和易性，因此在較低溫度下攤鋪和壓實(shí)WMA，延長寒冷天氣下的攤鋪季節(jié)。根據(jù)城市主干路和快速路施工氣溫＜10 ℃時(shí)，或其他等級(jí)道路的施工氣溫＜5 ℃時(shí)不宜施工。而采用WMA技術(shù)摻入溫拌劑后，攤鋪溫度可由原5 ℃降低至-3 ℃，延長的攤鋪季節(jié)，為工程趕制工期提供技術(shù)支持。

1.5.4 更長的運(yùn)輸距離

廠拌瀝青混合料為了延長瀝青混合料的運(yùn)輸距離，一般采取提高拌和溫度的辦法，避免在混合料在攤鋪時(shí)已經(jīng)失去和易性，但此方案存在一個(gè)較大的弊端，就是高溫會(huì)將瀝青提前老化，最終衰減原有性能。WMA可以長距離運(yùn)輸，同時(shí)保持?jǐn)備仌r(shí)的和易性及壓實(shí)性?，F(xiàn)階段WMA最長運(yùn)輸記錄為澳大利亞Sasobit生產(chǎn)的WMA，運(yùn)輸時(shí)間為9 h。由于混合料與環(huán)境溫度之間的溫度梯度較低，以及由于低溫下粘合劑的黏度降低，材料的冷卻速率降低，從而有助于WMA實(shí)現(xiàn)更長的運(yùn)輸距離和延長攤鋪季節(jié)。

1.6 社會(huì)效益

1.6.1 減少排放

由于生產(chǎn)和攤鋪溫度相對(duì)較低，WMA在瀝青廠和攤鋪現(xiàn)場(chǎng)顯著改善了工作條件，瀝青混合料拌和及溫度降低，煙氣排放和氣味也隨之減少。鋪設(shè)WMA期間，煙霧和氣味的排放量相比HMA減少了30%～50%，攤鋪機(jī)后方的煙霧和氣味排放量減少了30%～90%^［2］。根據(jù)EAPA^［3］的經(jīng)驗(yàn)法則，放置溫度每降低10℃，煙霧釋放量就會(huì)減少50%左右。

加拿大安大略省交通部發(fā)現(xiàn)，相比HMA，WMA攤鋪機(jī)后面的灰塵減少了30%，攤鋪機(jī)操作員位置的灰塵減少了85%，可溶性苯部分減少了63%，而操作位置的HMA的不透明度值幾乎是WMA的三倍。研究發(fā)現(xiàn)，與WMA相關(guān)的舒適工作條件可以提高工人的生產(chǎn)率和降低離職率。雖然瀝青煙氣本身沒有致癌作用，但其排放的揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs），如多環(huán)芳烴（PAHs），會(huì)對(duì)健康產(chǎn)生不利影響。根據(jù)國外研究，瀝青混合料生產(chǎn)溫度降低13℃，多環(huán)芳烴排放量可減少50%。

1.6.2 減少能耗

一般路面提升改造項(xiàng)目位于城區(qū)已運(yùn)營地段，施工期的長短直接影響區(qū)域的交通狀況。WMA在攤鋪壓實(shí)時(shí)的溫度較低，意味壓實(shí)結(jié)束時(shí)，路面溫度更接近運(yùn)營期的溫度，因此較常規(guī)的HMA提前20～40 min投產(chǎn)，節(jié)約使用者的時(shí)間成本。

1.7 性能

研究表明，WMA的性能與HMA相同甚至更好，并且兩種材料具有相似的特性。WMA用于密級(jí)配、瑪蹄脂和開級(jí)配摩擦層混合物，與瀝青結(jié)合料一起使用，適宜鋪設(shè)在交通量預(yù)計(jì)將超過3 000萬當(dāng)量單軸荷載的路面，以及適宜在公共汽車站、機(jī)場(chǎng)和港口設(shè)施鋪設(shè)。在上述情況下，與HMA相比，WMA表現(xiàn)出相似或更好的性能，包括更好的壓實(shí)度、相近的剛度和抗車轍性、更好的抗疲勞和抗開裂性、相近的抗水損害性能以及更高的耐久性。研究表明，實(shí)驗(yàn)室老化后的拉伸強(qiáng)度較高，強(qiáng)度變化相對(duì)較小，表明在使用達(dá)到老化期后仍可能保持高強(qiáng)度。

如Nicholls和James^［3］所述，通過現(xiàn)場(chǎng)和加速路面加載設(shè)施中進(jìn)行的受控車輛荷載和落錘彎沉儀試驗(yàn)顯示了WMA和HMA混合物的相近性能。Hurley等^［4］測(cè)定了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的WMA混合物的特性、高溫穩(wěn)定性、抗水損害性和動(dòng)態(tài)模量，發(fā)現(xiàn)WMA混合物的性能等于或優(yōu)于對(duì)照的HMA混合物。此外，在WMA樣品上進(jìn)行的輪軌試驗(yàn)產(chǎn)生的車轍深度與HMA樣品相近。由于溫拌瀝青具有良好的壓實(shí)度、粘結(jié)性、抗老化性能以及更好的抗車轍性和抗開裂特性，因此該材料有潛力提供優(yōu)越的性能。

1.8 建造

HMA的生產(chǎn)、運(yùn)輸、存儲(chǔ)和壓實(shí)所用的機(jī)械與WMA所需的機(jī)械相同，僅需要根據(jù)WMA技術(shù)對(duì)瀝青裝置進(jìn)行微小修改。如前文所述，WMA可以長距離運(yùn)輸，因?yàn)榭赡茉诶匣癁r青的情況下提高溫度生產(chǎn)WMA，并且由于混合物和環(huán)境溫度之間的溫度梯度較低，冷卻速度降低。WMA和HMA在攤鋪時(shí)的壓實(shí)操作相似，無須額外增加攤鋪，具有相似的攤鋪和壓實(shí)操作特征。一些研究發(fā)現(xiàn)，與同等HMA混合料相比，WMA具有相近或更高的壓實(shí)密度。

WMA攤鋪的相關(guān)優(yōu)勢(shì)有：（1）能夠在寒冷天氣下攤鋪，同時(shí)獲得設(shè)計(jì)密度；（2）長距離運(yùn)輸后具有良好壓實(shí)性能；（3）能夠摻入更高比例的RAP。一般認(rèn)為，WMA可以更均勻地壓實(shí)瀝青路面，因?yàn)閃MA壓實(shí)溫度較低，壓路機(jī)組可以有更好的間距，以確保適當(dāng)?shù)匿亴痈采w率。WMA試驗(yàn)的壓實(shí)結(jié)果優(yōu)于HMA，瀝青路面壓實(shí)度對(duì)路用性能影響極大，同時(shí)大多數(shù)單位都將壓實(shí)度作為項(xiàng)目的驗(yàn)收指標(biāo)之一。

1.9 局限性

溫拌瀝青符合可持續(xù)發(fā)展原則。傳統(tǒng)熱拌瀝青使用高溫將骨料中的水分完全蒸發(fā)，可以消除因骨料中存在水分而產(chǎn)生的病害問題。而對(duì)于WMA生產(chǎn)，行業(yè)內(nèi)更擔(dān)心低生產(chǎn)溫度可能無法完全干燥骨料，從而增加在骨料與瀝青中產(chǎn)生水隔膜的可能性，在運(yùn)營階段導(dǎo)致水損害、剝落等問題。此外，使用溫拌泡沫瀝青時(shí)，引入水基可能會(huì)使水在瀝青混凝土基質(zhì)中滯留，在運(yùn)營階段可能會(huì)引發(fā)水分敏感性問題。然而，到目前為止，也沒有相關(guān)研究或者工程實(shí)踐對(duì)上述問題做出驗(yàn)證。不過，即使未對(duì)上述問題進(jìn)行驗(yàn)證，在路面設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)方一般會(huì)在WMA中添加抗剝落劑，增加其抗水損害及抗剝落的能力，同時(shí)在配合比設(shè)計(jì)時(shí)，注重性能上的偏重設(shè)計(jì)。

2 結(jié)語

從環(huán)境及經(jīng)濟(jì)角度來分析，溫拌瀝青提供了符合可持續(xù)發(fā)展原則的重要優(yōu)勢(shì)，這是一種在低溫下生產(chǎn)瀝青混合料的有發(fā)展的方法。隨著工程經(jīng)驗(yàn)的積累，深入的研究將提供更多準(zhǔn)確的證據(jù)，證明溫拌瀝青具有可觀的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、性能和社會(huì)效益。自WMA技術(shù)問世近二十年以來，瀝青行業(yè)對(duì)其做出了積極的反應(yīng)，這有力地表明，在不久的將來，WMA將成為瀝青混合料生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，并與其他可持續(xù)建筑材料（如再生瀝青路面）結(jié)合，路面施工的可持續(xù)性可以進(jìn)一步提高。對(duì)溫拌瀝青技術(shù)的進(jìn)一步研究和對(duì)其潛在效益的全面探索，將有助于解決目前業(yè)界對(duì)溫拌瀝青的質(zhì)疑。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2023-04-20