温拌沥青混凝土技术应用研究

11.1温拌的概念温拌沥青（简称WMA）技术是指通过一定技术手段使沥青混合料在较低的温度下进行拌和、摊铺及压实的技术。其拌和温度在约80～120℃，摊铺及压实温度约在70～100℃，相对于拌和温度在约140～160℃、摊铺及压实温度不低于140℃的传统的热拌沥青混合料来说，WMA技术所需的设备、成本基本与HMA的一样，而前者在降低至少30℃工作温度的基础上，其产生的质量、路用性能完全能与后者相媲美。本文研究温拌沥青技术的一个重要原因是因为温拌沥青混合料与环境温度的温差小，降温速率慢，同时温拌沥青混合料压实温度比热拌沥青低，适合冬季低温施工。1.2现行的主要温拌技术温拌沥青混合料起源于欧洲，并于2000年的第一届国际沥青路面大会上由Harrison和Christodulaki首次介绍。同年，在《欧洲沥青》上Koenders等人做了更为详细的报道。目前温拌沥青混合料总的来说主要有四种不同的实现方式。（1）有机添加剂法该方法是将低熔点的有机添加剂添加到沥青或沥青混合料中，改变胶结料的粘温曲线。目前成功应用的化学添加剂有两类：合成蜡和低分子量酯类化合物，其中以Sasobit合成蜡为主。Sasobit可降低100℃沥青粘度，增加沥青60℃粘度，因此Sasobit可改善混合料的压实性能，同时提高沥青混合料高温性能。Sasobit可以在拌和厂使用简单的搅拌器拌入沥青中，但不推荐直接将固体Sasobit投入拌缸进行直接拌和，这样会造成沥青中Sasobit的分布不均。（2）沥青-矿物法该方法采用一种合成沸石，在沥青混合料拌和过程中将这种粉末状材料加入进去，从而在结合料中产生泡沫作用。从化学角度讲，沸石其实就是一种含有18%左右结合水的硅酸铝矿物，当加入沥青混合料中大约0.3%（重量比）的该种沸石时，水分会随着时间的延长而慢慢释放出来，从而产生连续的发泡反应。液相结合料中的发泡反应起到润滑剂的作用从而使混合料在较低温度下具有可工作性，拌和温度可低至130℃~145℃。2（3）温拌泡沫沥青混合料该方法是将软质结合料和硬质泡沫结合料在拌和的不同阶段加入到混合料中，温拌泡沫沥青混合料的第一阶段是将温度为100℃~120℃的软质沥青加入到集料中进行拌和以达到良好裹附。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胶结料粘度的作用，从而实现良好的工作性，得到最终满足需要的沥青混合料。Shell公司认为，温拌泡沫沥青混合料的成功在很大程度上要依靠对于软化沥青胶结料和硬化沥青胶结料的精心选择。在一些情况下，shell公司推荐在拌和的第一阶段使用粘结增强剂，同时它还认为在第一阶段的拌和过程中，集料的沥青裹附情况十分关键，如果裹附比好，会使得第二阶段所注入的水分通过沥青和集料的结合面进入集料内部，从而影响到最终的沥青混合料质量和性能，shell公司的研究报告称，温拌泡沫沥青混合料因为拌和温度的降低可以节约大约30%的燃料，同时会减小30%的CO2排放量。（4）基于表面活性剂的温拌沥青混合料用表面活性剂配制一定浓度的水溶液（简称为浓缩液），在沥青加入到拌和锅的同时，将浓缩液喷到沥青上再与集料一起拌和，经充分搅拌后生产出温拌混合料，以出料温度为120℃的温拌沥青混合料为例，其拌和工艺为：在拌和锅中将135℃的热集料充分干拌，下一步在130℃左右的沥青开始喷出后随即将50℃左右的乳化剂水溶液也喷出，经过充分拌和即生产出120℃左右的温拌混合料，该工艺称为浓缩液温拌法，代表产品为美德维实伟克公司的益路牌（Evotherm）温拌剂。1.3项目意义和前景长沙市被列入全国首批8个节能减排财政政策综合示范城市，这对我市促进经济结构调整和发展方式转变，推动“十二五”节能减排目标实现，显著增强城市可持续发展能力，加快建设两型社会是一个重大的政策机遇。在示范城市树立绿色、循环、低碳发展理念，加快构建政府为主导、企业为主体、市场有效驱动、全社会共同参与的推进节能减排工作格局，实现工业、建筑、交通运输等领域能效水平大幅提高、低碳技术广泛推广、可再生能源规模化应用、3主要污染物排放量显著减少、服务业加快发展、合同能源管理等市场化机制逐步健全，使试点城市节能减排工作走在全社会前列，可持续发展能力显著增强。根据以上总体目标的要求，围绕产业低碳环保化加大产业结构调整力度，支持重点企业实施节能技术改造，大力推广应用先进节能环保技术和设备，提高重点行业产业集中度和先进生产能力比重。坚持重点突破与整体推进相结合，优先选择节能减排潜力大、投入少、见效快的重点行业、重点企业进行突破，同时要统筹规划，全面推进工业、建筑、交通运输和全社会的节能减排工作。长沙市住房和城乡建设委员会、长沙市发展和改革委员会为进一步贯彻落实科学发展观，加强绿色市政建设和管理，推动市政领域“资源节约型，环境友好型”建设，依据相关法律法规及技术规范，提出了绿色市政道路建设的指导思想，保障市政道路在全寿命周期内，最大限度地节约资源、保护环境，为人民提供绿色、低碳的城市道路工程，并坚持把科技进步和创新作为加快转变经济发展方式的重要支撑，加快建设创新型城市。基于表面活性剂平台的温拌沥青混合料（WMA）路面技术是国际上近几年研发并逐步推广应用的新技术。与传统热拌沥青混合料相比，在不改变材料配比和施工工艺以及温拌沥青混合料性能不低于热拌沥青混合料的前提下，混合料拌和与碾压温度降低30℃～40℃。温拌技术可节省燃油20%-30%，减少温室气体排放60%左右，减少沥青烟等有毒气体排放80%以上，伴随施工温度的降低，同时减少了沥青在施工过程的老化、提高沥青混合料路用性能，延长使用寿命、减少道路的寿命周期养护费用，是名符其实的高节能、低排放的高新技术。根据《长沙绿色施工导则》，实施绿色施工，应积极采用先进的生产手段、技术措施和施工方法，鼓励发展绿色施工的新技术、新设备、新材料、新工艺。因此，对长沙市城市道路沥青路面施工采用目前国际上最先进的基于表面活性型的沥青混合料温拌技术，将很大程度上减少沥青路面施工过程中带来的大量的环境污染，节约能源，并提高沥青路面本身的使用寿命和提供更好的路用性能。长沙春夏季炎热多雨，秋冬寒冷干燥，气候走极端，寒冷季节较长，按照现行沥青路面施工规范中关于“气温低于10℃不允许沥青路面施工”的规定，长沙地区下半年适宜于沥青路面施工的时间太少，11月份就基本不能施工，也就是说，在长沙地区严格意义上春节前有3个月不允许沥青路面施工。4应用好温拌技术，延长长沙地区冬季沥青路面施工建设期，提高路面施工质量，对加快城市建设步伐，减低施工环境污染具有重要战略意义和广泛的应用前景。二、温拌沥青原材料及配合比选择2.1原材料图2-1粗集料筛分后分档保存图2-2细集料筛分后分档保存（1）粗集料：采用石灰岩碎石，洗净，烘干后，筛分成每一档备用，确保级配准确，集料性质见表2-1。（2）细集料采用石灰岩石屑，洗净，烘干后，筛分成每一档备用，集料性质见表2-2。表2-1石灰岩粗集料性能试验结果5指标单位试验结果高速公路及一级公路表面层其他层次石料压碎值％20.1≤26≤28洛杉矶磨耗损失％21.6≤28≤30表观相对密度g/cm32.712≥2.60≥2.50吸水率％0.6≤2.0≤3.0针片状颗粒含量（混合料）其中粒径大于9.5mm其中粒径小于9.5mm％％％10.27.311.2≤15≤12≤18≤18≤15≤20表2-2石灰岩细集料性能试验结果项目单位试验结果高速公路、一级公路表观相对密度g/cm32.696≥2.50含泥量(小于0.075mm的含量)％2.1≤3砂当量％61.5≥60（3）填料：采用石灰岩矿粉，（4）沥青：采用佛山高富AH-70沥青及壳牌鄂州SBS改性沥青，两种沥青均为长沙市沥青混合料拌合站常用的沥青。其指标如下表，符合规范要求。表2-3AH-70沥青三大指标沥青指标针入度/0.1mm软化点/℃15℃延度/cm检测结果7147145规范要求60～80≥46≥100表2-4SBS改性沥青三大指标沥青指标针入度/0.1mm软化点/℃5℃延度/cm检测结果537426规范要求30～60≥60≥20（5）温拌剂：采用美德维实伟克公司的益路牌（Evotherm）温拌剂DAT-H5（10F）。2.2配合比选择为保证试验的准确性、可操作性及复现性的要求，课题采用《公路沥青路面施工技术规范》的AC类混合料中值，级配通过率见表2-5～表2-7，由经验确定的油石比分别为：AC-25采用3.8，AC-20采用4.2，AC-13采用4.8。6表2-5AC-25级配表2-6AC-20级配表2-7AC-13级配三、试验方案的确定依据温拌沥青的主要作用机理，充分考虑课题进度计划、主观及客观条件，参考同行其他研究成果，制定本课题室内试验方案。3.1益路温拌剂作用机理益路™DAT温拌添加剂，实际上是专用表面活性剂水溶液，拌和过程中沥青内部和集料的裂隙水分在温拌条件下不会完全去除，而这些水分却很容易被表面活性剂俘获，水的沸点与界面条件密切相关，在狭小空间、不同表面压力情况下，水的沸点可能高于100℃，表面活性剂在胶结料内部以胶团形式存在，胶团组成的膜结构具有润滑作用，很好地实现了在较低温度下的拌和及碾压功能。益路™DAT（Evotherm）温拌沥青技术，其核心是采用物理和化学一起作用的手筛孔（mm）31.526191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075规范上限（%）100100908376655242332417137规范下限（%）10090756557452416128543规范中值（%）1009582.57466.555382922.516118.55筛孔（mm）31.526191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075规范上限（%）1001001009280725644332417137规范下限（%）100100907862502616128543规范中值（%）10010095857161413022.516118.55筛孔（mm）31.526191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075规范上限（%）100100100100100856850382820158规范下限（%）100100100100906838241510754规范中值（%）1001001001009576.5533726.51913.51067段，增加沥青混合料的施工操作性，在完成混合料成型后，这些物理和化学添加剂并不对路面使用性能构成负面影响。温拌剂分子在碾压完毕后将剩余水分带出混合料，同时温拌剂充分向石料和沥青的界面上富集，成为性能优良的抗剥落剂，提高混合料的水稳定性。图3-1Evotherm工作状态示意图3.2沥青的粘温曲线对温拌沥青施工性能的影响沥青粘度随温度降低呈指数增加关系，AH-70沥青及SBS改性沥青(PG70-28)的粘温曲线如图3-2。对于热拌沥青按照粘温曲线采用相同的等粘温度确定AH-70沥青混合料的施工温度，是合理的；对于不降粘的益路温拌沥青混合料，不论改性沥青还是普通沥青按照粘温曲线确定的施工温度显然不合理。尽管如此，沥青路面施工必然考虑粘度因素，由于温拌剂不改变沥青的粘度，粘度增加对温拌沥青混合料的施工性能的影响是显而易见的，因而，理论上温拌沥青混合料必然存在施工温度下限值。剪切力方向,V剪切层厚度,L80.150.190.250.150.190.250.310.31y=571.28e-0.0397xy=173.3e-0.0437x0.010.1110100110120130140150160170180190200210220230240温度(℃)粘度(Pa.s)拌和温度范围压实温度范围改性沥青普通沥青图3-2沥青的粘温曲线基于3.1及3.2叙述的相关机理，为充分发挥温拌剂效用，减少环境污染，延长施工可操作时间，同时充分考虑施工和易性及降温规律进行温拌沥青混合料室内试验研究。3.3热拌沥青混合料试验程序