軟硬瀝青復(fù)配溫拌混合料性能與節(jié)能減排效果

張永平

(杭州市公路管理局，浙江 杭州310030)

在道路工程領(lǐng)域，熱拌瀝青混合料(Hot Mix Asphalt，HMA)是應(yīng)用最為廣泛的一種混合料。但是，熱拌瀝青混合料需要在高溫條件下將瀝青與集料進(jìn)行拌和，不僅耗用大量能源，且在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的CO2、煙塵和有害氣體。自20世紀(jì)90年代中后期開始，美國(guó)及歐洲等國(guó)家開展了溫拌瀝青混合料(Warm Mix Asphalt，WMA)的研究。德國(guó)研究［1-3］表明，每生產(chǎn)1 t熱拌瀝青混合料需消耗8 L燃料油，而拌和溫度降低30～35℃，可節(jié)約燃料油2.4 L/t，并可減少30%以上的CO2等氣體以及煙塵的排放量。因此，WMA成為兼?zhèn)鋬?yōu)良路用性能及節(jié)能減排理念于一體的綠色環(huán)保路面材料而得到推廣使用。截至2008年，WMA技術(shù)的種類已經(jīng)達(dá)十幾種。瀝青混合料的溫拌技術(shù)可分為3大類，即以水為基礎(chǔ)的瀝青發(fā)泡技術(shù)、采用石蠟類添加劑的瀝青降黏技術(shù)和表面活性平臺(tái)技術(shù)。

基于軟硬瀝青復(fù)配的溫拌瀝青混合料是指采用軟瀝青預(yù)拌、硬質(zhì)瀝青增強(qiáng)原理開發(fā)的瀝青混合料溫拌技術(shù)［4］。筆者通過室內(nèi)瀝青混合料試驗(yàn)，評(píng)價(jià)該溫拌混合料的路用性能，并與石蠟降黏溫拌混合料、熱拌瀝青混合料的路用性能進(jìn)行比對(duì)。通過試驗(yàn)路鋪筑過程中的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)，評(píng)價(jià)該項(xiàng)溫拌技術(shù)在降低瀝青混合料施工溫度、減少CO2及煙塵等有害氣體的排放。通過試驗(yàn)路瀝青路面跟蹤檢測(cè)，評(píng)價(jià)軟硬瀝青復(fù)配混合料路面的使用性能。從而驗(yàn)證軟硬瀝青復(fù)配混合料溫拌技術(shù)的合理性和可行性。

1 軟硬瀝青復(fù)配溫拌混合料性能評(píng)價(jià)

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方案

1.1.1 試驗(yàn)混合料

試驗(yàn)混合料為AC-13C型，其設(shè)計(jì)級(jí)配組成見表1。所用集料與礦粉均為石灰?guī)r加工而成。

表1 試驗(yàn)混合料的級(jí)配組成Table1 Gradation of trial mixture

分別采用軟硬瀝青復(fù)配溫拌技術(shù)、表面活性溫拌技術(shù)、石蠟降黏劑溫拌技術(shù)和熱拌技術(shù)制備，后3者作為對(duì)比混合料。

在軟硬瀝青復(fù)配混合料中，軟質(zhì)瀝青為130#道路石油瀝青，硬質(zhì)瀝青為Gilsonite巖瀝青，巖瀝青摻量為軟質(zhì)瀝青質(zhì)量的13%。在另外3種試驗(yàn)混合料中，瀝青為70#道路石油瀝青，在強(qiáng)度試驗(yàn)中，增加一組SBS改性瀝青混合料試件。

試驗(yàn)混合料采用我國(guó)馬歇爾法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，根據(jù)試件空隙率4%，確定試驗(yàn)混合料的油石比為 4.7%。

溫拌混合料的拌和溫度為135℃，熱拌瀝青混合料的拌和溫度為165℃。

1.1.2 試驗(yàn)方案

采用劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)依次評(píng)價(jià)瀝青混合料的強(qiáng)度特征、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性能和疲勞性能。其中疲勞試驗(yàn)采用三點(diǎn)式小梁彎曲試驗(yàn)、應(yīng)力控制模式、應(yīng)力比為0.3;加載波形為連續(xù)式半正弦波，加載頻率為10 Hz;試驗(yàn)溫度為(20±1)℃;其他各個(gè)試驗(yàn)參照我國(guó)現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程［5］的規(guī)定進(jìn)行。

1.2 軟硬瀝青復(fù)配混合料的性能特征

1.2.1 強(qiáng)度特征

將軟硬瀝青復(fù)配混合料試件成型后在常溫下放置1 d后脫模，隨即將試件置于60℃烘箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。每隔一天取出一組試件，將試件放入25℃烘箱中恒溫4 h，取出后即進(jìn)行劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)。試件劈裂強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系見圖1。未經(jīng)養(yǎng)護(hù)的SBS改性瀝青混合料試件、熱拌基質(zhì)瀝青混合料試件和軟硬瀝青復(fù)配混合料試件的劈裂強(qiáng)度分別為0.946，0.865 和 0.744 MPa。

圖1 試件劈裂強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化情況Fig.1 Sample splitting strength changing with curing time

由圖1可見，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，軟硬瀝青復(fù)配混合料試件的劈裂強(qiáng)度顯著增大。養(yǎng)護(hù)約1 d時(shí)，軟硬瀝青復(fù)配混合料試件的劈裂強(qiáng)度(0.861 MPa)約為初始劈裂強(qiáng)度(0.744 MPa)的1.16 倍，接近熱拌70#基質(zhì)瀝青混合料試件的強(qiáng)度水平;養(yǎng)護(hù)至3 d時(shí)的劈裂強(qiáng)度(0.952 MPa)約為初始劈裂強(qiáng)度的1.28倍，且超過了熱拌SBS改性瀝青混合料的強(qiáng)度水平。

軟硬瀝青復(fù)配溫拌混合料的技術(shù)原理為，利用軟質(zhì)瀝青的低熔點(diǎn)實(shí)現(xiàn)瀝青混合料的低溫拌和，利用巖瀝青的高黏度和耐老化性能來保證瀝青混合料的路用性能。由于溫拌瀝青混合料的拌和溫度較低，而巖瀝青的熔點(diǎn)較高，在135℃下進(jìn)行拌和時(shí)，多數(shù)巖瀝青未與軟質(zhì)瀝青充分互融，而是以“點(diǎn)焊”形式存在于軟硬瀝青復(fù)配膠結(jié)料中，巖瀝青對(duì)軟質(zhì)瀝青的改性效果有限。在試件的養(yǎng)護(hù)過程中，巖瀝青將與軟質(zhì)瀝青持續(xù)發(fā)生互融作用，軟硬瀝青復(fù)配膠結(jié)料的黏滯性隨之增大，從而提高瀝青混合料的黏結(jié)強(qiáng)度。

1.2.2 水穩(wěn)定性

經(jīng)測(cè)試，軟硬瀝青復(fù)配混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比TSR僅為63.6%，說明該混合料的水穩(wěn)定性較差，不能滿足現(xiàn)行規(guī)范對(duì)TSR不小于80%的要求，需要采取改善措施。溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性較差的主要原因?yàn)椋霞訜釡囟容^低，集料中水分不能完全排除，滯留在集料中的水分容易聚集在集料與瀝青表面，導(dǎo)致松散、剝落等問題。

為了提高軟硬瀝青復(fù)配混合料的水穩(wěn)定性，在混合料中分別摻加1%和2% 的消石灰(占集料質(zhì)量的百分比)，成型馬歇爾試件進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)。摻加消石灰后的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 摻加消石灰后的凍融劈裂強(qiáng)度比Fig.2 Results of freeze thaw splitting strength ratio after adding lime

由圖2可見，加入消石灰后，軟硬瀝青復(fù)配混合料的TSR增長(zhǎng)明顯，無(wú)論是1%的摻量還是2%的摻量，均能滿足TSR＞80%的規(guī)定。

1.3 與其他拌和技術(shù)下混合料性能的比較

1.3.1 高溫穩(wěn)定性

4組瀝青混合料試件的車轍試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 4種混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparision between rut test results of 4 kinds of mixture

由圖3可見，軟硬瀝青復(fù)配混合料試件的動(dòng)穩(wěn)定度最大，石蠟降黏溫拌混合料試件的動(dòng)穩(wěn)定度次之，表面活性溫拌混合料與熱拌70#基質(zhì)瀝青混合料所成型試件的動(dòng)穩(wěn)定度相當(dāng)。

1.3.2 抗疲勞性能

4種瀝青混合料試件的疲勞試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 4種瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparision between fatigue test results of 4 kinds of mixture

由圖4可見，在應(yīng)力比為0.3的應(yīng)力水平下，4種瀝青混合料的疲勞壽命從大到小依次為:表面活性溫拌青混合料＞軟硬瀝青復(fù)配溫拌混合料＞熱拌瀝青混合料＞石蠟降黏溫拌混合料。其中，軟硬瀝青復(fù)配混合料的疲勞壽命達(dá)到熱拌瀝青混合料疲勞壽命的2倍之多。

軟硬瀝青復(fù)配混合料的抗疲勞性能優(yōu)于同級(jí)配類型的熱拌瀝青混合料抗疲勞性能的原因是，較低的拌和溫度降低了軟質(zhì)瀝青在初期拌和時(shí)的老化程度，而且?guī)r瀝青與軟質(zhì)瀝青發(fā)生了物理化學(xué)互融作用，形成“點(diǎn)焊”式聯(lián)接，這種聯(lián)接間接地減緩了疲勞裂縫的擴(kuò)展。

2 軟硬瀝青復(fù)配溫拌混合料工程應(yīng)用

2.1 瀝青路面鋪筑情況

基于軟硬瀝青復(fù)配溫拌技術(shù)的室內(nèi)研究成果，依托浙江省S208(16省道)桐千線桐廬段大中修工程，采用3種拌和技術(shù)生產(chǎn)瀝青混合料，于2009年11月鋪筑了3個(gè)試驗(yàn)路段，見表2。

表2 溫拌技術(shù)試驗(yàn)段實(shí)施方案Table 2 Test plan of warm mix technique in test road

2.1.1 施工質(zhì)量

在試驗(yàn)路鋪筑過程中對(duì)瀝青混合料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣，并于室內(nèi)進(jìn)行性能檢測(cè)，結(jié)果見表3。

表3 試驗(yàn)路混合料性能和壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果Table 3 Measure results of mixture performance and compaction degree of the test road

由表3可見，采用不同拌和技術(shù)生產(chǎn)的瀝青混合料在性能上沒有太大的差異，僅熱拌瀝青混合料的TSR較低，這與溫拌瀝青混合料中摻加了消石灰而熱拌瀝青混合料中未摻消石灰有關(guān)。

試驗(yàn)路鋪筑結(jié)束后對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，3個(gè)路段中瀝青面層的滲水系數(shù)、構(gòu)造深度、摩阻系數(shù)和平整度等表面性能指標(biāo)接近，壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果見表3?？梢?，熱拌瀝青混合料路面的壓實(shí)度低于溫拌瀝青混合料路面，而軟硬瀝青復(fù)配溫拌混合料的壓實(shí)度高于石蠟降黏溫拌混合料。

2.1.2 施工溫度檢測(cè)結(jié)果

在試驗(yàn)路鋪筑過程中對(duì)混合料施工溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，溫拌瀝青混合料出廠溫度和到場(chǎng)溫度比熱拌瀝青混合料低約25℃。結(jié)合表3中壓實(shí)度的檢測(cè)結(jié)果，若要達(dá)到與溫拌混合料路面相同的壓實(shí)度，熱拌瀝青混合料施工溫度還需提高，即軟硬復(fù)配瀝青混合料與熱拌瀝青混合料的施工溫度差異超過25℃。

2.2 節(jié)能減排檢測(cè)結(jié)果

2.2.1 減排效果

試驗(yàn)路鋪筑時(shí)，分別在拌和樓、攤鋪現(xiàn)場(chǎng)對(duì)有害氣體和煙塵含量進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表4。

表4 有害氣體排放檢測(cè)結(jié)果Table 4 Results of emission of harmful gas/(mg·m－3)

由表4可知，軟硬復(fù)配溫拌混合料可顯著地降低有害氣體排放量。與熱拌瀝青混合料相比，軟硬瀝青復(fù)配溫拌技術(shù)的CO2排放濃度降低了27.0%，煙塵排放濃度降低了35.0%，苯并芘含量降低了55.3%。與石蠟降低溫拌混合料相比，CO2排放濃度相當(dāng)，而煙塵排放濃度、苯并芘含量分別降低了7.4%和40.5%。軟硬瀝青復(fù)配溫拌技術(shù)具有顯著減排效果。

2.2.2 節(jié)能效果分析

借鑒其他試驗(yàn)路瀝青路面鋪筑過程中的燃油情況［6］，計(jì)算瀝青混合料生產(chǎn)過程中燃油消耗情況，見表5。

表5 瀝青混合料生產(chǎn)過程中燃油消耗情況Table 5 Fuel consumption during asphalt mixture production process /kg

由表5可知，生產(chǎn)軟硬復(fù)配溫拌混合料時(shí)，與生產(chǎn)熱拌瀝青混合料相比，加熱瀝青的柴油用量可降低83.2%、加熱集料的重油用量可降低28.3%;與生產(chǎn)石蠟降黏溫拌混合料相比，加熱集料的柴油用量可降低83.2%。軟硬復(fù)配溫拌技術(shù)具有良好的節(jié)能效益。

2.3 瀝青路面使用情況

經(jīng)過兩年的使用后，對(duì)試驗(yàn)路段瀝青路面的使用情況進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表6。

表6 試驗(yàn)路跟蹤檢測(cè)路況指標(biāo)總匯Table 6 Tracking test results of index of road condition

由表6可知，采用軟硬復(fù)配溫拌技術(shù)鋪筑路段的PCI、RQI均顯著優(yōu)于熱拌瀝青混合料路段，與石蠟降黏溫拌混合料路段相當(dāng);采用軟硬復(fù)配溫拌技術(shù)鋪筑路段的車轍深度僅為熱拌瀝青混合料路段車轍深度的50%左右，且略小于石蠟降黏溫拌混合料路段的車轍深度。

3 結(jié)語(yǔ)

軟硬瀝青復(fù)配混合料具有強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增大的特征。養(yǎng)護(hù)1 d時(shí)，軟硬瀝青復(fù)配混合料試件的劈裂強(qiáng)度達(dá)到同級(jí)配組成的熱拌70#瀝青混合料的強(qiáng)度水平;養(yǎng)護(hù)約3 d時(shí)，可達(dá)到同級(jí)配組成的熱拌SBS改性瀝青混合料的強(qiáng)度水平。軟硬瀝青復(fù)配溫拌混合料的水穩(wěn)定性能略差，需要采取抗剝落措施。

軟硬瀝青復(fù)配混合料具有良好的高溫穩(wěn)定性和抗疲勞性能。試驗(yàn)路經(jīng)過兩年使用后，軟硬瀝青復(fù)配溫拌混合料路段的車轍深度僅為熱拌瀝青混合料路段車轍深度的50%左右，也略低于石蠟降黏溫拌混合料路段的車轍深度。

軟硬瀝青復(fù)配溫拌技術(shù)的節(jié)能減排效果顯著。軟硬瀝青復(fù)配混合料的施工溫度、廢氣排放量和燃油消耗遠(yuǎn)低于熱拌瀝青混合料。在降低有害氣體排放量，尤其是在降低苯并芘排放量上，甚至優(yōu)于石蠟降黏溫拌技術(shù)。

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