熱拌瀝青混合料路面施工的節(jié)能減排措施研究

許 寶 明

(重慶公用工程建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，重慶 400023)

交通運(yùn)輸是國(guó)務(wù)院確定的三大重點(diǎn)節(jié)能減排領(lǐng)域之一，能耗約占全國(guó)能耗總量的8%。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加快，交通建設(shè)迎來重要的發(fā)展期，能耗所占比例進(jìn)一步增加。公路運(yùn)輸是占用資源較多、能耗比例較大的運(yùn)輸方式，要實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸行業(yè)的節(jié)約型建設(shè),就應(yīng)該開展節(jié)能減排相關(guān)的技術(shù)研究和科技創(chuàng)新。

生產(chǎn)熱拌瀝青混合料過程中，集料的含水率、加熱、篩分、設(shè)備保溫、混合料拌和等環(huán)節(jié)都影響生產(chǎn)能耗，如果技術(shù)和管理不當(dāng)、保溫措施不到位或攪拌時(shí)間不合理等均會(huì)造成大量能源浪費(fèi)。如果實(shí)現(xiàn)瀝青路面的節(jié)能環(huán)保施工目標(biāo)，就必須從新材料、新施工工藝、新設(shè)備等方面綜合提高。文章提出公理化設(shè)計(jì)概念分析節(jié)能施工的多種措施，系統(tǒng)性、全面性地從宏觀方面研究瀝青路面施工節(jié)能減排的研究方向。

1 公理化設(shè)計(jì)的概念和應(yīng)用

公理化設(shè)計(jì)的概念，最初被提出來是用于指導(dǎo)復(fù)雜的系統(tǒng)裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，是研究可實(shí)現(xiàn)最終設(shè)計(jì)目標(biāo)而改進(jìn)技術(shù)措施準(zhǔn)則的，如圖1所示。公理化設(shè)計(jì)概念中有用戶域(以CAS表示)、功能域(以FRSS表示)、結(jié)構(gòu)域(以DPSS表示)和工藝域(以PVS表示)。這幾個(gè)域概念分別代表著技術(shù)研究想要達(dá)到的目標(biāo)、新目標(biāo)所具有的功能、準(zhǔn)備改進(jìn)的技術(shù)參數(shù)、具體的技術(shù)改進(jìn)措施。

在瀝青路面建設(shè)過程中的節(jié)能技術(shù)研究，如果要采用公理化設(shè)計(jì)思路分析節(jié)能減排技術(shù)的各種技術(shù)措施間的關(guān)系，則可以指定用戶域?yàn)闉r青路面建設(shè)質(zhì)量達(dá)標(biāo)，功能域?yàn)闉r青路面施工過程中的能耗和排放檢測(cè)指標(biāo)，結(jié)構(gòu)域?yàn)楦鞣N可采用的新材料、新技術(shù)，工藝域?yàn)槁访婀?jié)能高效的施工工藝。把公理化設(shè)計(jì)思想應(yīng)用于路面修筑工程中，可從實(shí)行節(jié)能減排技術(shù)的整體安排上明確具體的措施和研究方向，以利于提出更全面的節(jié)能減排方案。

依據(jù)公理化理念，最高層次的功能需求是能耗和排放檢測(cè)指標(biāo)達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，可以用功能域FRS11表示，而要完成功能域FRS11需要的結(jié)構(gòu)域以DPS11表示，即完成FRS11—DPS11過程：

FRS11——能耗和排放檢測(cè)指標(biāo)達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)；

DPS11——節(jié)能施工技術(shù)與采用節(jié)能筑路材料。

FRS11=[X]DPS11

(1)

為研究FRS11，首先分析實(shí)現(xiàn)能耗和排放檢測(cè)指標(biāo)達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的方法，即第二層功能需求，F(xiàn)RS21為代表確保瀝青路面施工質(zhì)量，F(xiàn)RS22是減少施工過程能耗及排放。需要的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)為：

DPS21——施工機(jī)械優(yōu)化；

DPS22——建筑原材料節(jié)能；

FRS21——確保瀝青路面施工質(zhì)量；

FRS22——減少施工過程能耗及排放。

對(duì)第二層的功能需求確定第二層設(shè)計(jì)參數(shù)為：

(2)

此[X]矩陣為對(duì)角陣滿足設(shè)計(jì)過程要求。

瀝青路面施工中工程機(jī)械種類較多，包括攤鋪機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械、壓實(shí)機(jī)械、攪拌站等等。本文研究中，根據(jù)多年瀝青路面施工經(jīng)驗(yàn)的積累，將混合料攤鋪機(jī)確定為瀝青路面施工核心設(shè)備。混合料攤鋪機(jī)施工過程中，如果能夠達(dá)到攤鋪初壓實(shí)度提高、攤鋪終了溫度在允許范圍內(nèi)盡量降低、混合料攤鋪和壓實(shí)總時(shí)間盡量縮短這幾個(gè)技術(shù)要求，則可以大大降低瀝青路面施工能耗。

以公理化設(shè)計(jì)理念，分析節(jié)能減排施工的第三層設(shè)計(jì)思路，在機(jī)械化施工設(shè)備和施工工藝方面需要的參數(shù)設(shè)計(jì)為:

FRS31——攤鋪溫度降低；

FRS32——預(yù)壓實(shí)度提高；

FRS33——混合料施工時(shí)間縮短；

DPS31——攤鋪速度；

DPS32——攤鋪機(jī)頻率；

DPS33——壓實(shí)設(shè)備施工效率提高。

得到設(shè)計(jì)過程見式(3)。

(3)

以公理化設(shè)計(jì)理念，分析節(jié)能減排施工的第三層設(shè)計(jì)思路，在建筑材料方面需要的參數(shù)設(shè)計(jì)為：

FRS34——集料特性；

FRS35——結(jié)合料特性；

DPS34——集料含水、塵率降低；

DPS35——采用冷拌或溫拌瀝青材料。

得到設(shè)計(jì)過程見式(4)。

(4)

綜上各層矩陣都符合公理化設(shè)計(jì)概念的瀝青路面節(jié)能減排施工技術(shù)原理，對(duì)熱拌瀝青混合料施工的節(jié)能減排技術(shù)，可以從機(jī)械化施工節(jié)能施工技術(shù)和節(jié)能的筑路材料兩大方面開展，具體可細(xì)化到5個(gè)方面即DPS31,DPS32,DPS33,DPS34和DPS35采取措施。

2 瀝青路面施工機(jī)械節(jié)能減排措施

2.1 瀝青路面施工中壓實(shí)度影響因素

1)溫度與壓實(shí)度的關(guān)系。

在路面壓實(shí)成型過程中，特別是熱拌瀝青混合料(HMA)和溫拌瀝青混合料(WMA)施工過程中溫度是重要因素之一，它制約機(jī)械群的匹盡量降低。當(dāng)前場(chǎng)瀝青混合料施工過程中難以壓實(shí)到規(guī)范壓實(shí)度時(shí)，就需要后場(chǎng)瀝青混合料攪拌生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)出料溫度，進(jìn)而提高運(yùn)輸車保溫措施、縮短攤鋪和壓實(shí)的施工時(shí)間。通過這些技術(shù)措施，必須保證前場(chǎng)在施工技術(shù)規(guī)范要求的終碾溫度之上就達(dá)到瀝青路面的壓實(shí)度要求。根據(jù)瀝青路面施工規(guī)范知，下HMA路面施工的溫度范圍如表1所示。

表1 熱拌瀝青施工溫度范圍 ℃

2.2 高效施工工藝的節(jié)能量化

瀝青混合料在露天施工的過程中，降溫速度大約1 ℃/min～5 ℃/min?；诖罅繜岚铻r青混合料路面施工現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析，我們發(fā)現(xiàn)可通過對(duì)混合料攤鋪機(jī)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化大大提高混合料攤鋪后的初壓密實(shí)度，進(jìn)而減少壓路機(jī)工作遍數(shù)和時(shí)間，減少混合料在施工過程中的溫度下降幅度。這種高效節(jié)能施工將為降低攪拌站的熱拌瀝青混合料出料溫度奠定基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)證明，將攤鋪機(jī)熨平板振動(dòng)頻率升至35 Hz，攤鋪機(jī)行駛速度調(diào)整為3 m/min[2]時(shí)，混合料預(yù)壓實(shí)密度可達(dá)88%，后續(xù)壓實(shí)工序僅需要碾壓8遍即可達(dá)到施工技術(shù)規(guī)范的壓實(shí)度要求。

根據(jù)混合料壓實(shí)施工最終溫度和整個(gè)施工各環(huán)節(jié)的溫度傳遞公式(5)[2]，可計(jì)算得出后場(chǎng)瀝青攪拌站的出料溫度。

T1=T^+T2+T3+T4=T^+60×L/Vyξ1+t2×ξ2+t3×ξ3

(5)

其中，T^為瀝青混合料壓實(shí)終了溫度,℃；T1為攪拌站熱拌混合料的出料溫度,℃；T2為熱拌混合料運(yùn)輸過程中溫度下降值,℃；T3為熱拌瀝青混合料攤鋪過程中溫度下降值,℃；T4為熱拌瀝青混合料壓實(shí)過程中溫度下降值,℃；ξ1,ξ2,ξ3均為施工過程中混合料溫度下降系數(shù)；L為混合料運(yùn)輸距離,km；Vy為運(yùn)輸車輛速度,km/h；t2為卸料溫度,℃；t3為壓實(shí)溫度,℃。

在熱拌瀝青混合料壓實(shí)施工后終了溫度滿足規(guī)范要求下，混合料的出料溫度可以按式(5)計(jì)算。將與未采用高效節(jié)能施工方法時(shí)，熱拌瀝青混合料在后場(chǎng)攪拌站的出料溫度之差設(shè)為ΔT，當(dāng)其他施工環(huán)節(jié)的各種條件完全相同的情況下可由式(6)計(jì)算HMA在后場(chǎng)生產(chǎn)階段可節(jié)約的能耗數(shù)量。

ΔQ=[C1×M×(1-ω)+C2×M×ω]×ΔT

(6)

其中，ΔQ為熱拌瀝青混合料攪拌站節(jié)約能量,kJ；C1為集料比熱,kJ/(kg·℃)；C2為水比熱,kJ/(kg·℃)；ω為集料含水率,%；M為集料質(zhì)量,kg。

以1 000 m3的瀝青混合料為實(shí)例進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)假設(shè)這1 000 m3瀝青混合料的集料質(zhì)量為2 348.8 t，生產(chǎn)瀝青混合料所用的集料含水率為6%，集料比熱C1=0.045 5 kJ/(kg·℃)，集料所含水分的比熱C2=0.708 8 kJ/(kg·℃)，若ΔT為10 ℃，則可計(jì)算得：ΔQ=[C1×M×(1-ω)+C2×M×ω]×ΔT=2 003 MJ。

因此，如果采用針對(duì)熱拌瀝青混合料的高效攤鋪和壓實(shí)施工工藝，則可以在確保施工終了溫度和路面壓實(shí)質(zhì)量的前提下盡量縮短HMA在前場(chǎng)的施工時(shí)間，這樣就可以降低后場(chǎng)生產(chǎn)HMA的出料溫度，從而大大降低HMA在后場(chǎng)生產(chǎn)拌和階段的能耗和排放，并使HMA路面整個(gè)施工過程的節(jié)能減排起到良好效果。

3 結(jié)語

本文在引入公理化設(shè)計(jì)概念基礎(chǔ)上，對(duì)熱拌瀝青混合料如何能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排施工進(jìn)行研究，可得：

1)根據(jù)公理化設(shè)計(jì)概念對(duì)HMA施工可采取的節(jié)能措施進(jìn)行建模分析，建議采用高效機(jī)械化施工與采用節(jié)能建筑材料兩大方面，以及5個(gè)方面采取具體措施，為HMA路面施工節(jié)能減排提供指導(dǎo)。

2)熱拌瀝青混合料的溫度是影響節(jié)能減排施工的重要因素，如果對(duì)攤鋪機(jī)的使用參數(shù)進(jìn)行調(diào)整后可以提高混合料的預(yù)壓實(shí)度并減少碾壓施工遍數(shù)，從而降低整個(gè)施工過程中熱拌瀝青混合料的溫度降低幅度，為降低攪拌站出料溫度奠定基礎(chǔ)。

3)以熱拌瀝青混合料溫度為控制量，提出節(jié)能計(jì)算公式，并以1 000 m3混合料的生產(chǎn)為例，計(jì)算出料溫度降低10 ℃時(shí)可節(jié)約能量為2 003 MJ。

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