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温拌沥青混合料路面技术概述
温拌沥青混合料路面技术概述
一、温拌沥青技术简介
所谓温拌沥青混合料(WarmMixAsphalt,简称WMA),就是通过一定的技术措施,使沥青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,也称为温拌沥青技术。
其技术关键是在不损伤HMA路用性能的前提下如何降低沥青在较低温度下的拌和粘度。
目前,国际主流温拌技术主要通过外加材料降低沥青混合料的高温粘度来实现。
同时,先进的温拌沥青技术完全可以使温拌沥青混合料达到热拌沥青混合料的性能,但由于其较低的拌和及压实温度,使其与热拌沥青混合料相比还有许多优点。
(1) 降低拌和成本。
由于拌和温度下降10~60℃,石料加热温度、沥青保温温度下降。
燃油成本下降20%~50%。
拌和和裹覆难度下降,拌和能耗和机械损耗也相应下降。
(2) 降低了沥青混合料生产能耗、减轻老化,改善路用性能。
温拌沥青混合料的拌和温度介于热沥青混合料和冷沥青混合料之间,拌和温度一般保持在100~120℃,摊铺和压实路面的温度为80~90℃,相对于热拌沥青混合料,温度降低了30℃左右,相当于生产1t混合料将节省1~1.5kg燃油,即与热拌沥青混合料相比可节约30%的能源消耗。
研究显示,当温度高于100℃时,沥青温度每提高10℃,其老化速率将提高1倍,而温拌沥青混合料工作温度的降低,显著降低了沥青混合料的老化现象,从而可以增加路面的使用寿命。
(3) 减少有害气体以及粉尘的排放量,降低环境污染、改善工人工作环境质量。
单位混合料成品的燃油消耗减少,本身就会显著降低拌和过程当中的有害气体和温室气体的排放;由于拌和温度的下降,沥青混合料在拌和到现场压实的整个过程中产生沥青烟雾粉尘污染均会明显减少。
在摊铺过程中,基本可以实现无烟尘作业。
工人劳动条件显著改善,沥青路面对工人健康损害减轻;同时,混合料拌和沥青路面作业对道路沿线居民的生理影响也显著减少。
用温拌沥青技术,路面在施工时可节省加热燃油20%到30%,可使二氧化碳排放减少46%,一氧化碳减少约2/3,二氧化硫减少40%,氧化氮类气体减少近60%,而摊铺时产生的有毒的“沥青烟”,能减少达80%,这在很大程度上保护了环境和施工技术人员的身体健康。
(4) 延长施工季节,增加沥青路面施工的灵活性、便利性。
由于料温与环境温度的差异缩小,温拌沥青混合料的储运过程中降温速率下降,允许储存时间和运输时间均显著延长。
温拌沥青混合料卸车时料车底部因低温产生粘结和混合料粘料车现象也显著减少。
(5) 设备无需改造即可进行生产。
温拌沥青混合料可基本上全部利用现有的热拌沥青混合料设备,以满足热拌沥青混合料的标准要求进行生产,且成品混合料性能良好,几乎完全具备和热拌沥青混合料一样的施工和易性和路用性能。
(6) 降温速率减缓,混合料的可压实时间显著延长,压实更有保障;同时,更易于边角和补救位置的手工操作;温拌混合料对路表和环境温度的要求相对低,路面施工季节和日施工时间延长,比热拌更适合夜间施工。
(7) 延长沥青混合料拌和设备使用寿命,降低设备使用成本。
由于生产温度的降低,混合料生产过程中对钢铁制的生产设备的损耗也相应降低,可以延长设备使用期,降低成本;另外,温拌沥青混合料的生产备料或余料,均可灵活而有效地存储较长时间,增加了生产能力,降低了有关厂家的设备损耗;同样,沥青拌和厂家的产品使用范围也随之扩大,温拌沥青混合料一旦铺设完成,路面就可迅速投入使用,使工期提前。
(8) 较快的开放交通。
由于温拌混合料完成压实后,其温度已经处在较低水平,在碾压完成后可以较快的开放交通从而减少施工作业对交通的干扰。
二、温拌沥青的适用场合
结合热拌沥青混合料缺陷与温拌沥青混合料优点与特性的分析,温拌沥青技术的适用场合如下:
1)城市道路、人口密集区道路、隧道道面、地下结构工程道面等环保要求高的工程;
2)道路维修养护中的罩面工程;
3)较低环境温度条件下施工的工程。
三、几种典型温拌技术简介
目前主要有沥青一矿物法、泡沫沥青温拌法、有机添加剂法和基于表面活性平台温拌法四种。
(一)沥青一矿物法(Aspha-Min)
采用的矿物是一种合成沸石。
在沥青混合料拌和过程中将这种粉末状材料(大约0.3%)加入进去,从而使沥青产生连续的发泡反应。
泡沫起到润滑剂的作用。
从而使混合料在较低温度(120℃-130℃)下具有可拌和性。
(二)温拌泡沫沥青法(WAM-Foam)
将软质沥青和硬质泡沫沥青在拌和的不同阶段加入到混合料中。
第一阶段将软质沥青加入到温度为110℃-120℃的集料中进行拌和以达到良好裹附。
第二阶段将极硬的沥青泡沫化后加入到预拌的混合料中再进行拌和。
(三)有机添加剂法
将低熔点的有机添加剂加入到混合料中,从而降低结合料的粘度。
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。
添加剂大约在100℃—120℃之间熔化,熔化后的添加剂会产生大量的液体,从而使结合料粘度降低。
(四)基于表面活性平台温拌法(EWMA)
基于表面活性平台的温拌技术由美国Meadwestvaco公司提出,该方法是将一种特殊的乳化沥青替代热沥青实现温拌,工艺与热拌沥青混合料基本一致,用于生产这种乳化沥青的乳化剂中含有一些添加剂,这些添加剂能够提高沥青与集料的裹附能力,提高混合料的施工和易性以及粘聚能力。
乳化沥青中的水分在与高温集料拌和过程中就以水蒸气的形态释放出去。
拌和完毕的温拌沥青混合料从外观上看其裹附和颜色与热拌沥青混合料没有什么差别。
前三类温拌技术主要是在欧洲有所应用,由于其技术为各方单独拥有,更为详细的技术细节尚处于保密阶段。
并且由于这三种方法没有克服成本高、生产复杂等缺点,所以至今没有实质性进展。
而第四类技术则是一项开放的技术,近两年已在南非、美国、加拿大以及中国铺筑了多条试验路。
四、EWMA温拌技术特点
(一)此种表面活性型温拌技术的特点
1、添加剂残留少(0.4-0.7%),配合比设计结果与热拌逼近,对现有热拌体系改变少。
2、采用表面活性剂类添加剂,起到类似抗剥落剂作用。
抗车辙能力较热拌有所提高。
(二)EWMA技术优点
经国内、国外试验研究发现,基于乳化平台的温拌混合料具有如下技术特点:
1、在不牺牲沥青混合料路用性能的前提下,
拌和温度可降低至110℃-130℃、碾压温度可降低至70℃-110℃;
2、混合料的设计和施工工艺与热拌混合料基本一致:
3、采用热拌全套设备和工艺流程施工,所有工艺操作温度比热拌显著下降(30~60℃)。
4、具有良好的适应性:
不同石料,不同级配,不同沥青:
5、减少燃料消耗,节省20%~30%;
6、减少排放50%以上,降低对环境的污染和对施工人员健康的损害;
7、减轻热拌过程中沥青的老化,延长沥青路面的使用寿命。
8、延长施工季节,提高工作效率;温拌沥青混合料生产和拌合温度较低,在较低温度下同样可以保证路面的压实以及各项指标,显著延长施工季节 。
9、大大降低沥青胶结料的老化程度,延长道路使用寿命。
(三)费用比较
EWMA技术减少燃料消耗,但在温拌沥青混合料生产过程中须加入添加剂,综合比较,根据我国北京、青海等省使用情况,每吨EWMA混合料成本较普通HMA贵25—40元。
随着温拌技术大面积推广应用,经济成本的增加幅度会不断减小。
(四)、EWMA温拌技术在我国的应用
2005年9月,在北京铺筑了我国第一条、全球第六条EWMA试验路。
2006年9月,在北京铺筑了全球第一条改性SMA温拌试验路,2007年12月成功用于浙江某隧道项目,2008年,还先后在河北和北京铺筑了温拌橡胶沥青试验路。
至今,EWMA温拌技术在我国已经是发展比较成熟的技术。
五、温拌、热拌AC-13沥青混合料性能对比
采用北京地区常用的普通沥青、改性沥青、集料和级配,通过试验,普通沥青AC-13的最佳油石比为4.7%,改性沥青AC-13的最佳油石比为4.8%。
温拌、热拌沥青混合料的性能见表1、表2。
表1温拌、热拌AC-13普通沥青混合料性能对比
项目
马歇尔稳定度(kN)
流值
(mm)
浸水马氏残留稳定度比(%)
冻融劈裂残留强度比(%)
车辙试验动稳定度(次/mm)
渗水系数
ml/min
温拌AC13
12.9
2.3
83.6
86.4
2012
35
热拌AC13
13.3
2.6
83.3
81.5
1294
40
规范要求值
≥8
1.5-4
≥80
≥75
≥1000
≤120
表2温拌、热拌AC-13改性沥青混合料性能对比
项目
马歇尔稳定度(kN)
流值
(mm)
浸水马氏残留稳定度比(%)
冻融劈裂残留强度比(%)
车辙试验动稳定度(次/mm)
渗水系数
ml/min
温拌改性AC13
13.5
2.3
86.4
89.3
3588
56
热拌改性AC13
13.9
2.6
85.9
85.1
3348
67
规范要求值
≥8
1.5-4
≥85
≥80
≥2800
≤120
温拌、热拌AC-13动稳定度对比
温拌、热拌AC-13浸水马氏残留稳定度对比
温拌、热拌AC-13冻融劈裂残留强度对比
根据上表和上图得知,在集料、级配、沥青完全一致,试件空隙率基本接近的情况下:
高温稳定性。
对于普通沥青,温拌沥青混合料的动稳定度提高显著。
温拌AC-13沥青混合料的动稳定度由热拌的1294次/mm提高到2012次/mm,温拌比热拌高出55%;对于改性沥青,温拌混合料的动稳定度略大于相应的热拌沥青混合料。
抗水损坏性能。
不论普通沥青还是改性沥青,温拌AC沥青混合料的浸水马氏残留稳定度和冻融劈裂残留稳定度均比热拌AC沥青混合料的略高,说明温拌AC沥青混合料的抗水损坏性能比热拌AC沥青混合料略有提高。
研究还表明,采用表面活性剂法的温拌沥青混合料技术,可显著降低温室气体和有毒气体的排放,在较低温度下仍有良好压实性能。
经国家环境分析测试中心检测,与热拌沥青混合料相比,温室气体排放减少50%以上,沥青烟排放减少80%以上,具体数据见表3、表4。
表3沥青拌和厂各类气体排放情况
测试项目
单位
热拌混合料
温拌混合料
下降幅度(%)
二氧化碳CO2
%
2.5
1
60.0
氮氧化物NOx
mg/m3
146
40
72.6
二氧化硫SO2
mg/m3
13.3
3.3
75.2
烟尘
g/m3
49.7
25.9
47.9
注1:
热拌沥青混合料的出料温度为150℃左右;温拌沥青混合料的出料温度为120℃左右。
表4施工现场各类气体排放情况
测试项目
单位
热拌
温拌
减少幅度(%)
沥青烟
mg/m3
21.1
1.7
91.9
苯可溶物
mg/m3
19.5
0.581
97.0
苯并[a]芘
μg/m3
0.0944
0.0187
80.2
温拌沥青排放热拌沥青排放
对温拌沥青混合料的可压实性能进行了研究,在矿料级配、油石比和压实条件相同的情况下,温拌和热拌沥青混合料的可压实性见表5、表6、表7。
表5热拌改性AC-13不同出料温度下试件的空隙率
出料温度(℃)
175
165
155
145
135
125
115
105
85
空隙率(%)
3.7
4.16
4.45
4.74
4.8
5.01
5.54
6.03
6.45
表6温拌改性AC-13不同出料温度下试件的空隙率
出料温度(℃)
145
135
125
115
105
95
85
75
空隙率(%)
3.5
4
4.4
4.4
4.2
4.3
5.1
6.3
表7温拌改性SMA不同出料温度下的空隙率
出料温度(℃)
140
130
120
110
100
90
80
空隙率(%)
3.4
3.9
4.1
4.0
4.3
5.0
5.8
温拌和热拌改性AC不同出料温度下的空隙率
温拌改性SMA不同出料温度下的空隙率
AC类和SMA类温拌混合料的空隙率比较
由上述图表可以发现,AC类温拌沥青混料压实温度在90℃到130℃之间时,所成型试件的空隙率出现了一个“平台区域”,其空隙率处于4.0%到4.4%之间。
这说明AC类温拌沥青混合料在此温度范围内压实性能变化不大,均具有良好的可压实性能。
SMA类温拌沥青混合料也有类似的现象。
综上所述,温拌沥青混合料完全能达到相应热拌沥青混合料的性能,部分指标还有所提高,同时还其具有害气体排放少和在较低温度下仍有良好压实性能等特点。
温拌沥青混合料和热拌沥青混合料一样,适用于路面工程的各沥青结构层,并尤其适用于:
对环保要求高的城市道路、人口密集区道路、隧道道面、地下结构工程道面等工程;
道路维修养护时压实较困难的罩面工程;
早春、秋末及初冬施工环境温度较低时的工程。
温拌沥青混合料技术既可用于各种级配类型的混合料(密级配沥青混合料AC、沥青玛蹄脂碎石SMA、沥青稳定碎石ATB、沥青碎石AM、排水式沥青磨耗层OGFC等),也可用于不同胶结料(普通沥青、改性沥青、橡胶沥青等)的混合料以及添加了其他材料(湖沥青、岩沥青、抗车辙剂等)的沥青混合料,应用时应进行混合料设计和混合料性能检验。
六、温拌沥青混合料路面技术要求
(一)、温拌沥青混合料类型和应用场所
温拌沥青混合料和热拌沥青混合料一样,按集料公称最大粒径、矿料级配、空隙率等进行分类,类型见表8。
表8温拌沥青混合料类型
混合料类型
密级配
沥青混合料
沥青玛蹄脂
碎石
沥青稳定
碎石
沥青
碎石
公称最大
粒径(mm)
最大粒径
(mm)
粗粒式
—
—
WATB-30
—
31.5
37.5
WAC-25
—
WATB-25
—
26.5
31.5
中粒式
WAC-20
WSMA-20
—
WAM-20
19.0
26.5
WAC-16
WSMA-16
—
WAM-16
16.0
19.0
细粒式
WAC-13
WSMA-13
—
WAM-13
13.2
16.0
WAC-10
WSMA-10
—
WAM-10
9.5
13.2
设计空隙率注(%)
3~5
3~4
3~6
6~12
—
—
注:
空隙率可按配合比设计要求适当调整。
温拌沥青层铺筑前,应检查下卧层的质量,不符要求的不得铺筑。
下卧层已被污染时,必须清洗或经铣刨处理后方可铺筑温拌沥青混合料。
表9常用温拌沥青混合料类型与推荐应用场合
结构
层位
高速公路、一级公路
城市快速路、主干路
其他
等级公路
一般城市道路
及其他工程
三层式沥青
路面
两层式沥青
路面
沥青路面
沥青路面
上面层
WAC-13、WAC-16
WSMA-10WSMA-13
WAC-13、WAC-16
WSMA-10WSMA-13
WAC-13
WAC-16
WAC-13
中面层
WAC-16
WAC-20
—
—
—
下面层
WAC-25、WAC-30
WATB-25
WAC-20、WAC-25
WATB-25
WAC-20
WAC-25
WATB-25
WAC-20
WATB-25
(三)、温拌沥青混合料的施工温度控制
温拌沥青混合料施工温度应根据沥青标号、气候条件、铺装层厚度等综合确定。
对于常用的70号、90号等道路沥青以及改性沥青,温拌沥青混合料的施工温度见表10、表11。
表10温拌沥青混合料的施工温度(℃)
施工工序
沥青标号
50号
70号
90号
沥青加热温度
140~160
135~155
130~150
集料加热温度
120~145
出料温度
115~135
110~130
105~125
运到现场温度
110~125
105~120
100~115
摊铺温度,不低于
正常施工
110
105
100
低温施工
120
115
110
初压温度,不低于
正常施工
105
100
95
低温施工
115
110
105
终压温度,不低于
70
70
70
开放交通温度,不高于
50
50
50
注:
施工时气温大于10℃称为正常施工。
大风降温天气对混合料的温度损失较大,不宜施工,必需施工时应适当提高混合料的温度。
下同。
施工时气温为5℃~10℃(高速公路、一级公路和城市快速路、主干路)或2℃~10℃(其他等级道路)称为低温施工。
大风降温天气不宜施工,必需施工时应适当提高混合料的温度。
温拌沥青混合料不宜在气温低于5℃(高速公路、一级公路和城市快速路、主干路)或2℃(其它等级道路)条件下施工,不得在雨天、路面潮湿的情况下施工。
表11温拌SBS改性沥青混合料的正常施工温度范围(℃)
施工工序
SBSI-C
SBSI-D
沥青加热温度
155~170
155~170
集料加热温度
135~145
出料温度
120~140
125~145
运到现场温度
115~135
120~140
摊铺温度,不低于
正常施工
110
115
低温施工
125
130
初压温度,不低于
正常施工
105
110
低温施工
120
125
终压温度,不低于
70
70
开放交通温度,不高于
50
50
(三)、温拌沥青混合料的配合比设计
温拌沥青混合料的配合比设计和热拌沥青混合料一样,必须在对同类沥青路面配合比设计和使用情况调查研究的基础上,充分借鉴成功的经验,选用符合要求的材料,进行配合比设计。
(四)拌和设备要求
对于表面活性剂法温拌技术,目前一般采用的添加剂为表面活性剂的浓缩液(液态),添加方法为在沥青混合料拌和过程中直接将温拌添加剂喷淋到拌和设备的拌和缸中。
因此必需在沥青混合料拌和设备上安装浓缩液的喷淋装置,浓缩液喷淋装置的计量应正确,浓缩液喷淋的计量和是否正常喷淋宜在拌和设备的控制台上在线显示,以保证添加剂的足量和正常添加,发现问题可及时采取措施。
(五)拌和工艺
温拌沥青混合料的拌制,应按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40)对热拌沥青混合料的拌制相关规定执行。
当温拌添加剂为水溶液状时,拌制过程中温拌添加剂宜在沥青喷洒1-3秒后开始添加,并在沥青喷洒完前添加完毕。
矿粉的添加宜适当延后,尽量减少可能产生的水蒸汽带走矿粉。
(六)温拌沥青混合料的压实
根据混合料的级配类型、天气情况,选择合理的碾压工艺。
常用的碾压工艺为:
(1)初压2遍,选择11t~18t双钢轮振动压路机振动压实,压实速度宜为2~3km/h。
如果第1遍前进振动碾压时发生严重推移,则采用静压,其他采用振压。
(2)复压2~4遍,应采用25t~35t胶轮压路机,压实速度宜为2~4km/h。
(3)终压2遍,选择10t~16t双钢轮振动钢轮压路机,采用振、静结合方式,收光采用静压,压实速度可为3~5km/h。
在不产生严重推移和裂缝的前提下,初压、复压、终压都应紧跟摊铺机,在尽可能高的温度下进行。
同时不得在过低温度状况下反复碾压,使石料棱角磨损、压碎,破坏集料嵌挤。
为保证压实过程中不出现沾轮现象,振动压路机水箱中可加入少量的表面活性剂,并应尽可能减少洒水量。
胶轮压路机不得洒水,压实过程中应适量喷洒或涂抹隔离剂(如食用油等),并以不粘轮为原则。
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