隧道溫拌瀝青混合料應(yīng)用研究

許 波，孫 奔，呂 浩

(江蘇長路交通工程有限公司，江蘇 南京 210000)

隨著城市化的快速發(fā)展，隧道建設(shè)對于推動城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境等方面具有重要意義。地表鋪裝作為道路建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，鋪裝種類也較多。其中瀝青鋪裝路面具有抗滑、減噪等方面的優(yōu)勢，因此在道路鋪裝中逐漸成為的主流技術(shù)，但在隧道中采用瀝青鋪裝卻面臨著一些急需解決的問題。

隧道內(nèi)部空間狹小且接近半封閉，熱拌瀝青混合料在鋪裝施工過程中產(chǎn)生較多煙氣，鋪裝施工時通風(fēng)設(shè)施也并不完善，不能將攤鋪過程產(chǎn)生大量熱量和煙塵快速排除，因此極大程度上影響了施工安全，且施工質(zhì)量也較差[1，2]。國外較早在隧道鋪裝當(dāng)中采用溫拌技術(shù)來解決這類問題。近幾年我國溫拌技術(shù)高速發(fā)展，國內(nèi)多所城市將溫拌技術(shù)應(yīng)用于跨江、跨湖、跨海等隧道鋪裝結(jié)構(gòu)當(dāng)中，由此可見溫拌技術(shù)在隧道鋪裝中已逐漸取代熱拌技術(shù)[3-6]。本文基于隧道鋪裝異于傳統(tǒng)道路鋪裝技術(shù)，關(guān)注目前新穎的隧道鋪裝技術(shù)發(fā)展方向，研究探討隧道溫拌鋪裝技術(shù)，為我國城市隧道鋪裝提供發(fā)展借鑒。

1 隧道鋪裝溫拌技術(shù)

通常來說，溫拌瀝青混合料就是在瀝青中添加添加劑，從而實現(xiàn)在120 ℃左右均勻拌合的瀝青混合料與170 ℃均勻拌合的瀝青混合料擁有相近的各項性能[7-9]。因此國內(nèi)外眾多學(xué)者的研究表明：在隧道內(nèi)采用溫拌技術(shù)能降低瀝青混合料的施工溫度，便可有效減少施工過程中廢氣、煙塵的排放量以及不可再生資源的消耗量，如圖1所示。施工中采用溫拌技術(shù)，可以改善工作人員的工施工環(huán)境，減緩瀝青在施工過程中的硬化和老化程度；同時因為溫拌瀝青混合料的施工溫度低，與環(huán)境中的熱交換而造成的熱量損失較少，因此瀝青路面鋪裝可施工于溫度偏低的季節(jié)；路面成型冷卻時間大大減少，便可以縮短交通開放時間[10～11]，因此溫拌技術(shù)在隧道鋪裝中具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 溫拌技術(shù)的類型及比選

溫拌瀝青混合料技術(shù)來源于國外，目前國內(nèi)外已采用的溫拌瀝青混合料技術(shù)主要有4種，瀝青—礦物法、溫拌泡沫瀝青混合料、添加低熔點的有機(jī)添加劑從化學(xué)角度來改變粘溫曲線、基于乳化和表面活性平臺的溫拌瀝青。

沸石發(fā)泡法又稱瀝青—礦物法，是一種開放性的晶體骨架結(jié)構(gòu)，含有許多通道和空腔，可吸附大量的水分子，這些水分子在較高的溫度下會被開釋，進(jìn)而集料的表面便會被瀝青均勻裹覆的溫拌技術(shù)。

摻加費(fèi)托反應(yīng)蠟是一種添加低熔點的有機(jī)添加劑從化學(xué)角度來改變粘溫曲線的溫拌技術(shù)。這類添加劑在其熔點以上產(chǎn)生的大量液體會使結(jié)合料粘度降低，加入瀝青質(zhì)量可降低拌和溫度。

溫拌泡沫瀝青技術(shù)是一種將軟質(zhì)結(jié)合料和硬質(zhì)泡沫結(jié)合料分為兩個階段，分別在兩種不同溫度范圍內(nèi)拌和到混合料中的技術(shù)。

基于乳化及表面活性平臺的溫拌技術(shù)是一種應(yīng)用物理和化學(xué)相結(jié)合的方法，來提高瀝青混合料的裹附能力、粘聚能力和低溫下的和易性的技術(shù)。對四種溫拌技術(shù)在室內(nèi)測試性能和試驗路中性能表現(xiàn)的調(diào)研結(jié)果如表1所示。

表1 幾種典型的溫拌技術(shù)的使用性能比較

從表1可以看出：表面活性乳化液技術(shù)相對于其他幾種技術(shù)在提高混合料性能方面有一定的優(yōu)勢，另外一方面由于表面活性乳化溫拌劑的固含量僅7.5%，溫拌劑總使用量僅為瀝青質(zhì)量的10%，在水分蒸發(fā)后， 其殘余成分占混合料的質(zhì)量低于0.1%，因而對混合料的體積參數(shù)的影響幾乎可以忽略不計。因此國內(nèi)較多應(yīng)用基于乳化及表面活性平臺的溫拌技術(shù)，其余三種技術(shù)由于施工技術(shù)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)以及使用條件等方面的約束，并不適宜在國內(nèi)開展施工。

3 溫拌混合料性能對比

在室內(nèi)進(jìn)行了溫拌瀝青SMA-13設(shè)計。為保證溫拌瀝青混合料試驗的合理性，需要確定溫拌改性瀝青混合料各個加熱環(huán)節(jié)的施工溫度，如表2所示、礦粉的級配范圍、最佳油石比以及配合比。從表2可以看出溫拌技術(shù)可以降低瀝青混合料30～40 ℃的施工溫度。依據(jù)各類材料的篩分結(jié)果、級配范圍的要求，采用畫圖法調(diào)配的三種設(shè)計礦料級配，相應(yīng)的級配曲線如圖1所示，根據(jù)粗集料干搗實間隙率VCADRC測試結(jié)果和初試級配的體積分析結(jié)果，最終確認(rèn)只有級配C能同時滿足所有的技術(shù)要求，故選定級配C作為礦料設(shè)計級配。

表2 溫拌SMA-13混合料室內(nèi) 試驗各環(huán)節(jié)的溫度范圍

圖1 SMA-13的級配范圍及三種合成級配曲線

按級配C準(zhǔn)備礦料，分別采用油石比5.7%、6.0%和6.3%，按照上述的溫拌SMA-13的做法進(jìn)行拌和，在室內(nèi)制作馬歇爾試件，測定試件的密度并進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗，試驗結(jié)果見表3。根據(jù)表3結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)本次設(shè)計最佳油石比可定為6.0%，空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度、粗集料骨架間隙率、馬歇爾穩(wěn)定度和流值均滿足設(shè)計要求。

表3 不同油石比的溫拌SMA-13 馬歇爾試驗結(jié)果

基于相同配合比的前提下，按表2所示的溫度范圍進(jìn)行溫拌SMA-13的室內(nèi)試驗，試驗結(jié)果見表4。從表4結(jié)果可以看出溫拌SMA-13所能達(dá)到的各項路面性能均在技術(shù)要求范圍內(nèi)，表明采用溫拌技術(shù)制備的瀝青混合料可以達(dá)到與熱拌瀝青混合料相近的路面性能。

表4 溫拌SMA-13混合料室內(nèi)試驗結(jié)果

4 溫拌瀝青混合料隧道施工工藝的優(yōu)化研究

采用表面活性乳化溫拌濃縮液時，其工藝特點要求拌合站在現(xiàn)有的瀝青生產(chǎn)線上添加一個濃縮液注入口。在進(jìn)入拌合室之前將濃縮液與水就要通過機(jī)械發(fā)泡系統(tǒng)一同注入瀝青混合料線中。

通過與拌合鍋的瀝青(集料)添加電信號創(chuàng)建關(guān)系，將溫拌添加劑和瀝青同時灑布到拌和設(shè)備內(nèi)。確保溫拌液添加劑灑布到瀝青噴灑液面上，并能夠充分混合，可阻止其接觸石料。并且自動配合拌合樓的拌和循環(huán)作業(yè)，實現(xiàn)對拌合鍋充分、精確、穩(wěn)定地添加溫拌添加劑。

采用表面活性乳化液技術(shù)、應(yīng)用溫拌工藝，在SMA-13和HMAC-13的相同配合比的基礎(chǔ)上，再額外添加相當(dāng)于瀝青質(zhì)量7.5%的溫拌劑進(jìn)行拌和試驗。拌和結(jié)果顯示兩類混合料在145 ℃時的裹覆狀況良好，拌和均勻無離析。對溫拌混合料進(jìn)行車轍試驗、浸水馬歇爾試驗、浸水劈裂試驗、以及低溫小梁彎曲試驗，測試結(jié)果相對于熱拌瀝青混合料的性能幾乎無區(qū)別。以上結(jié)果表明采用溫拌工藝、表面活性乳化溫拌濃縮液SMA-13和HMAC-13混合料完全可以滿足相應(yīng)的技術(shù)要求，在降低了拌和溫度下仍然保持良好的拌和性，混合料均勻無離析，石料表面瀝青裹覆完整。

5 隧道溫拌瀝青混合料能耗研究

隧道溫拌瀝青混合料除了添加溫拌劑環(huán)節(jié)外，在材料組成和生產(chǎn)工藝上與之對應(yīng)的熱拌瀝青混合料基本一致，其節(jié)能減排主要體現(xiàn)在混合料拌和生產(chǎn)的環(huán)節(jié)，本文為了對比分析熱拌技術(shù)與溫拌技術(shù)的節(jié)能減排情況，對拌和生產(chǎn)的環(huán)節(jié)的平均燃油消耗量、能耗、二氧化碳當(dāng)量進(jìn)行了分析和計算。結(jié)果如表5所示。

表5 生產(chǎn)單位噸數(shù)瀝青混合料的 能耗及碳排放當(dāng)量

由表5結(jié)果可知，溫拌HMAC-13瀝青混合料的平均耗油量比熱拌HMAC-13瀝青混合料的平均耗油量減少了26.2%，能耗降低了26.2%，二氧化碳排放量減少了25.7%。溫拌SMA-13瀝青混合料的平均耗油量比熱拌SMA-13瀝青混合料的平均耗油量減少了28.8%，能耗降低了28.8%，二氧化碳排放量減少了28.7%。以上結(jié)果表明溫拌瀝青混凝土能有效降低能源消耗，減少二氧化碳排放量，實現(xiàn)了保護(hù)環(huán)境節(jié)約成本的良好效果，基于以上優(yōu)點，在隧道鋪裝中更適合應(yīng)用溫拌技術(shù)。從上表亦可看出溫拌HMAC-13瀝青混合料的平均耗油量比拌和溫拌SMA-13瀝青混合料的平均耗油量減少了2.69%，能耗降低了2.67%，二氧化碳排放量減少了2.40%。表明溫拌HMAC-13的應(yīng)用效果更好。

對隧道溫拌瀝青混凝土的節(jié)能減排量進(jìn)行計算，計算結(jié)果如表6所示。從表6可知采用溫拌瀝青混合料所節(jié)約的燃油量3 071 kg，節(jié)約能量127 400 mJ，節(jié)約4.351 tce標(biāo)準(zhǔn)煤，減排二氧化碳8.606 t，有利于節(jié)約能源，保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境。

表6 快速路隧道溫拌鋪裝的節(jié)能減排量計算

綜上所述，在道路建設(shè)中采用溫拌瀝青混合料不僅可以降低施工成本，而且還可以保護(hù)自然環(huán)境，可以促進(jìn)社會與自然的和諧發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因此溫拌瀝青混合料具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

6 結(jié) 論

(1)溫拌瀝青混合料在降低施工溫度的前提下，仍能具有與之對應(yīng)的熱拌瀝青混合料相近的各項物理性能。因此隨著溫拌技術(shù)的研究發(fā)展，隧道路面結(jié)構(gòu)采用溫拌瀝青混合料將會成為隧道路面鋪裝的主流技術(shù)。

(2)與熱拌瀝青混合料相比，采用溫拌瀝青混合料在減少有害氣體、煙塵的排放，降低施工成本，改善施工環(huán)境，減少能源消耗，保護(hù)環(huán)境等方面具有較大的優(yōu)勢。

(3)溫拌瀝青混合料是一種節(jié)能環(huán)保類型的材料，在國外應(yīng)用較早也較為廣泛。目前隨著國內(nèi)日益嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)要求以及較高的施工成本，因此溫拌瀝青混合料在我國將會具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。