浅析新型环保节能混合料WMA在我国高等级公路中的应用

论文关键词:温拌沥青混合料;实体工程;路用性能

论文摘要:温拌沥青混合料与传统的热拌沥青混合料相比，其拌和压实温度相对较低，减少了能源的消耗和废气的排放，一种新型的节能环保型道路材料，具有十分广阔的应用前景，但在我国实体工程应用研究鲜见报道。在国外已有研究成果的基础上，归纳了WMA的优点，温拌技术的原理，并结合实体工程研究了WMA中Sasobit添加时间和与HMA对比的WMA的路用性能及施工，为WMA在我国的应用积累了新的资料。

引言：当前，能源紧张和大气污染是人类共同面临的两大严峻挑战。为保护生态环境，世界各国严格控制二氧化碳和其它有害气体的排放，节能和环保已成为全社会关注的热点问题。沥青混合料的生产是道路工程中能耗大户。传统的热拌沥青混合料HMA是一种热拌热铺材料，在拌和、摊铺及碾压时需要较高的温度，因而在生产和施工的过程不仅要消耗大量能源，而且排出大量的废气和粉尘，影响周围的环境质量和施工人员的身体健康，同时沥青还会产生热老化而影响其路用性能。为了降低能源消耗和废气排放，人们开始研制一种新的节能环保型沥青混合料，即温拌沥青混合料WMA(Warm MixAsphalt)o WMA就是通过一定的技术措施，降低沥青的粘度，从而使沥青混合料能在相对较低的温度下进行拌和及施工，同时保持其不低于HMA的使用性能的沥青混合料技术。采用温拌技术可使沥青混合料的拌合与碾压温度比常规热拌技术降低20~60℃，节能减排效果十分显著。WMA在国外尤其是在欧洲地区得到了广泛的应用，随着目前石油成本的快速增长及国内对环境保护日益严格，WMA在我国具有良好的推广价值和应用前景。

1.温拌沥青混合料

WMA最早在欧洲由Shell和Kolo-Veidekke研制开发，自2000年以来，在欧洲和澳大利亚得到广泛的应用，2003年，在能源成本相对较低的美国，开始引人WMA。有关资料表明，通过添加特定外加剂WMA可以在不降低压实的前提下，拌和、摊铺和压实的温度低于H M A27℃左右，由于其较低的拌和及压实温度，与HMA相比有许多优点:(1)较低的拌和及摊铺温度，会大量减少烟熏及其他有害的散发物质这将极大地减轻混合料生产过程中可能对人造成的潜在伤害，维护施工建设人员的身体健康;(2)降低能源消耗，能减少303’a左右的能源消耗，这对我国这样能源短缺的能源消耗大国而言，具有重要的意义; (3)利于施工组织，低排放利一于搅拌场的设置，同时，运输距离允许更长(4)提高路面性能。相对低温拌和施工可以减少沥青的氧化，由此可减少温度裂缝，网裂等; (5)较快地开放交通。由于WMA在摊铺和压实时温度较低，在碾压完成后能较快地开放交通;(6)延长施工季节，在较冷的气候条件下也可以施工，提高道路施工企业的效率。WMA主要通过一定的技术措施使得沥青能够在相对较低的温度下很好地裹覆在集料上，具有良好的粘结和润滑作用，从而使沥青能在相对较低的温度下进行拌和及施工，同时保持混合料使用性能不低于HMA。

目前的温拌技术可以大致分成2种原理:(1)在混合料拌和时，通过载体或者直接引入的水分，与热熔状的沥青接触产生大量蒸气，造成沥青体积膨胀形成泡沫沥青，沥青和易性增加使其可以在较低的温度下充分包裹集料，从而实现混合料在较低的温度下进行拌和和压实。该技术的主要影响因素有添加的水量、添加水的方式和沥青的温度。目前常用的产品有Aspha-Min， WAM-Foam， DAT浓缩液温拌技术等。Aspha-Min在欧洲注册名称为Eurovia，是一种合成沸石。成品为非常细的白色粉末状。它内含21%的水分，并于加热中释放出来。释放出来的水会在沥青中膨胀引起一种泡沫，增加工作性和能在较低温度下使沥青更好地裹附集料。该产品掺量为混合料重量比0.3%，它能使沥青混合料的生产温度减低到130~145℃，可降低生产和摊铺温度大约300C，由此可减少30%的燃料消耗。在施工过程中，只需在拌和的过程中直接投人仓内。WAM-Foam是由位于英国伦敦的壳牌国际石油公司和位于挪威奥斯陆的Kolo-Veidekke公司共同开发的产品。该方法的第一阶段是将温度为100~120℃的软质结合料加入到集料中进行拌和以达到良好裹附。在第二阶段，将极硬的结合料泡沫化后加入到预裹附的集料中。这样，软质结合料和泡沫化的硬质结合料都起到降低结合料粘度的作用从而实现良好的工作性。掺加WAM-Foam的WMA在不影响沥青混合料性能的前提下，能在100~121F之间拌和，并在80~90℃之间碾压。它能降低50%的二氧化碳的排放量，且每降低300C，浓烟排放量就减少50%。添加DAT浓缩液温拌技术，是美德维实伟克公司Evotherm温拌技术的第二代技术，第一代技术为基于乳化平台温拌技术。在沥青混合料温拌过程中，向拌和锅内喷注添加剂，该添加剂为表面活性水溶液(DAT)它能够在沥青混合料拌和过程中，在胶结料和混合料内部形成润滑结构，是实现温拌沥青混合料工作性的关键成分。DA T溶液呈棕色或橙色，p H值为2. 5~3. 5。根据使用场合不同，其掺加比例亦有所不同，一般拌和楼沥青拌和采用固含量为15%的DAT溶液，其掺加比例为m(DAT):m(沥青)二5:95;室内试验采用固含量万7%的DAT溶液，其掺加比例为m (DAT):m(沥青)二10:90。(2)加入低熔点的有机添加剂到沥青或者混合料中，从而改变沥青的粘温曲线，降低拌和温度。目前主要有sasobit，Asphaltan-B等。Sasobit是一种来自南非的低温熔点的有机添加剂。它与前两者不同，它不是通过产生泡沫而提高混合料的低温工作性，而是通过化学反应降低沥青粘性。Sasobit的熔点温度刚低于其沸点温度，_且在温度超过115℃时能完全溶解在沥青中。Sasobit的加人可降低30℃的沥青生产温度。在熔点以下，Sasobit会在沥青胶结料中形成网状结构以提高稳定性和抵抗车辙能力。Sasobit可使较软的沥青提高到较高等级以克服高温下的变形和泛油。为达到最佳性能，Sasobit的推荐掺量为重量比的3%，不超过4%0AsphaltanB是一种粒状的低分子酷化蜡，是由一种基于Montan蜡的物质与高分子碳氢化合物混合而成的，熔点与Sasobit接近，通过提高沥青的流动性来保证混合料的低温工作性。加人AsphaltanB可提高沥青混合料的压实和抵抗车辙能力。生产厂家推荐AsphaltanB的掺量为重量比的2%~4%。它可在搅拌楼中投入，也可直接加人到沥青或改性沥青中。

考虑到利用有机添加剂添加方式比较自由，可以采用自动添加方式进行投放，也可以进行人工投放，不会影响拌和楼的生产，实现温拌技术具有施工方便、可操作性强等特点，以及Aspha-Min， DAT等WMA拌和楼生产时会有水蒸汽排出，会影响拌和楼的生产效率，最后选用Sasobit温拌添加剂进行试验。温拌添加剂的添加方式总体上可分为预先投到沥青罐中和生产时投到混合料拌缸中两种方式，为比较两种方式对沥青胶结料的影响，对温拌添加剂添加方式进行了室内模拟试验。试验方法是比较温拌添加剂添加到SBS改性沥青在170℃保温1小时和24小时主要技术指标变化情况，试验结果见表1。从表1可知，Sasobit添加到改性沥青中，针入度较原样沥青减小，软化点增加，粘度降低，延度降低，随着170℃下保温时间的延长，沥青延度有了显著的下降，其它指标变化则相对较小，温拌添加剂的添加方式不能在使用前投放到改性沥青中，否则会对沥青混合料的低温性能产生不利影响，添加需在拌和楼拌缸中进行。

表1 Sasobit添加剂对不同贮存时间沥青胶结料技术指标影响

2.沮拌沥青混合料路用性能

采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验研究WMA的水稳定性，试验结果见图1;采用车辙试验研究WMA的高温稳定性，试验结果见图2;采用小梁弯曲试验研究WMA的低温抗裂性能，试验结果见图3:采用20 0C抗压强度与弹性模量试验研究其力学性能试验结果见图4。此外，还进行了室内降温速率试验，试验结果见表2。

从上述试验结果可知，WMA水稳定性、高温稳定性、低温抗裂性与HMA相差不多，均能满足JTG F40-2004规范要求;WMA的抗压强度以及弹性模量不低于同级配的HMA，分析其原因是当沥青加入温拌剂Sasobit后，60℃粘度提高，在相同的矿料性质和组成条件下，WMA粘聚力比HMA要高;在相同状态下，WMA的降温速率都要比普通HMA要小，表明WMA的保温性能优于HMA，在低温季节施工有利于沥青混合料的压实，施工质量更有保证。

3.实体工程应用

无锡市某道路是环太湖地区一条重要的干线公路，是省道5230与无锡市新区快速路共线段，建成后交通量大。按双向六车道一级公路设计，行车道路面结构:4c m S MA13+8c mA C25+36c m水稳碎石+18c m石灰土底基层，温拌SMA改性沥青混合料试验段长度约lkm，平均最低气温为1:2C，最高气温为160C，最低气温为-5。对于Sasobit温拌沥青混合料，由于它是通过降低沥青高温时粘度从而提高沥青混合料施工和易性，达到降温的目的，其摊铺和碾压温度根据Sasobit掺加到沥青后其粘温曲线进行确定，其施工稳定见表30碾压设备为三台钢轮，一台胶轮，碾压组合为1钢轮初压++1钢轮振动复压+胶轮复压+1钢轮收光，部分施工质量控制指标见表4，其他控制标准同HMA。工后压实度检测均满足规定要求，其他各项质量控制指标也均满足规范要求:该试验路通车1年多的跟踪观测结果表明，WMA路面使用性能良好，长期的路用性能有待于进一跟踪观测。

表3 Sasobit温拌SBS改性沥青混合料的施工温度

4.结论

(1)资源节约、环境友好是经济社会发展的客观要求，也是道路行业可持续发展的必然选择。WMA是一种绿色、节能、环保的新型的道路材料，在国外尤其是在欧洲地区得到了广泛的应用，在国具有良好的推广价值和应用前景。

(2)实体工程中的应用研究发现，温拌添加剂的添加方式不能在使用前投放到改性沥青中，否则会对沥青混合料的低温性能产生不利影响，添加需在拌和楼拌缸中进行;在相同状态下，WMA的降温速率都要比普通HMA要小，WMA水稳定性、高温稳定性、低温抗裂性与HMA相差不多，均能满足JTG F40-2004规范要求，WMA的抗压强度以及弹性模量不低于同级配的HMA。

(3)试验路的成功铺筑及跟踪观测表明WMtI路面使用性能良好。