溫拌瀝青路面可持續(xù)性發(fā)展綜述
2023-04-29 00:00:00王梓龍
西部交通科技 2023年9期
作者簡介：王梓龍（1992—），碩士，工程師，主要從事公路與城市道路設計相關工作。
摘要：文章收集近期國內外溫拌瀝青路面的部分研究數(shù)據(jù)，從環(huán)境、經濟、社會及技術方面論述溫拌瀝青路面性能，并證明了溫拌瀝青符合可持續(xù)發(fā)展原則。
關鍵詞：道路工程；瀝青混合料；溫拌瀝青混合料；降溫；性能
中圖分類號：U416.217
0 引言
隨著國家對環(huán)保的重視，溫拌瀝青（WMA）在近十幾年發(fā)展迅速。與傳統(tǒng)的熱拌方法相比，這種技術可以在較低的溫度下生產、攪拌和鋪筑瀝青混凝土，從而減少了瀝青在高溫下的老化問題。同時提高了施工效率、減少有害氣體產生、保護環(huán)境?？偟膩碚f，溫拌瀝青與傳統(tǒng)熱拌瀝青類似，但在某些方面優(yōu)于傳統(tǒng)熱拌瀝青，并且有利于瀝青行業(yè)可持續(xù)發(fā)展?？沙掷m(xù)性方面包括降低能源使用、減少排放以及增加再生瀝青路面使用的可能性。但同時，工程行業(yè)對于溫拌瀝青混合料也存在某些方面的疑慮，具體包括抗疲勞開裂能力較低、車轍和潛在的水敏感性問題，尤其是使用水基技術制備的混合料，這都需要進一步研究以解決這些問題。
在建筑行業(yè)中，路面施工和養(yǎng)護維修是資源密集型的工作，有時會對環(huán)境產生相當大的負面影響。在我國，公路建設與養(yǎng)護是國家節(jié)能減排的重點領域之一。每年消耗砂石等材料30×109～40×109 t，其中優(yōu)質集料10×109 t。每生產1 t熱拌瀝青混合料，需消耗7～9 kg燃料油，排放約18 kg的CO2以及大量瀝青煙等有毒、有害氣體［1］。這也要求交通建筑行業(yè)關注建造的可持續(xù)發(fā)展。
溫拌瀝青的生產溫度比傳統(tǒng)熱拌瀝青生產溫度低約20 ℃～40 ℃，性能上基本一致，部分性能甚至更好。目前，WMA技術是公路行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的核心，它能滿足節(jié)能減排的要求，可以使用再生瀝青混凝土材料（RAP）。
1 溫拌瀝青技術
1.1 背景
瀝青混凝土由礦物骨料和瀝青水泥在高溫下混合而成，因此稱為熱拌瀝青（HMA）。高溫施工是為了能夠徹底干燥骨料，降低瀝青的黏度，防止由于骨料中可能存在的水分在骨料與瀝青之間形成膜，避免后期道路運營時產生水損害及剝落，同時也增加施工時瀝青混凝土的和易性與壓實度。在瀝青路面施工時，需要對瀝青及集料進行加熱，這個過程非常消耗能源，同時也會產生大量有害氣體及溫室氣體。
1997年，聯(lián)合國氣候變化框架公約參加國在日本簽訂《京都議定書》，隨后WMA技術在歐洲誕生。歐洲的瀝青行業(yè)開始研究在低溫下建造瀝青路面的技術。1995年至1999年，在德國和挪威進行了第一次涉及WMA的路面試驗，隨后于1999年在德國進行了第一個采用Aspha-min沸石處理混合物的公路項目。繼2002年美國國家瀝青路面協(xié)會（NAPA）WMA歐洲考察之旅后，聯(lián)邦公路管理局已將WMA指定為重點研究領域，并加速部署。美國和加拿大的首次試驗分別于2004年和2005年進行，并在五年后應用比例就提升至50%。我國的溫拌瀝青技術引進比美國晚兩年，最先在北京得到應用，隨后上海、河南、遼寧等地也開始使用溫拌瀝青。2021年發(fā)布的《國務院關于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經濟體系的指導意見》中的第十七條明確提出，積極推廣應用溫拌瀝青等節(jié)能環(huán)保先進技術和產品。國家對溫拌瀝青應用重視程度的提高將對溫拌瀝青行業(yè)市場需求增長起到拉動作用。我國對公路建設投資的增加也將促使溫拌瀝青市場需求持續(xù)增長。 “十四五”期間，除了新建公路外，存量公路改造市場也將帶來巨大的溫拌瀝青需求。預計2021—2025年，中國溫拌瀝青市場規(guī)模增速將保持在5%以上。
1.2 黏度和溫度降低技術
溫拌瀝青經常使用有機添加劑、化學添加劑和發(fā)泡技術。有機添加劑被稱為“智能填料”，其目的是使WMA攪拌時的黏度降低，路面運營狀態(tài)下溫度下黏度增加，減少剝落、水損壞及車轍等病害的產生?；瘜W添加劑不會降低瀝青結合料的黏度，而是以瀝青質量分數(shù)為0.30%的濃度添加到瀝青中的表面活性劑，以提高低溫時瀝青的粘結力，這種添加劑能降低瀝青溫度20 ℃～30 ℃。
泡沫瀝青技術也屬于WMA技術中的一種，即向加熱的瀝青結合料中引入控制量的水，使水迅速膨脹，讓瀝青中充滿氣體。泡沫瀝青技術能短時間降低瀝青黏度，改善瀝青低溫施工時的和易性；而在瀝青路面運營時，瀝青黏度提升至正常值。
1.3 可持續(xù)性效益
WMA的可持續(xù)性效益來自于生產和放置能耗低、溫室氣體排放低、自然資源保護和增加新瀝青混合料中舊瀝青的再利用。
1.4 環(huán)境效益
減少溫室氣體排放是WMA工藝的重大優(yōu)點。WMA生產過程中的溫室氣體排放與能源節(jié)約的比例相同，估計在25%～50%。WMA生產過程中節(jié)約的20%～35%的能源相當于每噸WMA少排放4.1～5.5 kg CO2，如果全部采用WMA技術，CO2的排放量可以減少約44%。詳細數(shù)據(jù)可見表1。
國外對WMA排放氣體進行了測試，具體見表2。加拿大安大略省交通部測量了WMA項目的溫室氣體排放量，包括二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）、揮發(fā)性有機化合物（VOC）和顆粒物，發(fā)現(xiàn)排放量相對較低。從表1、表2中可以看出，WMA可以明顯減少溫室氣體的排放。
再生瀝青路面與WMA技術一起使用時可以進一步減少溫室氣體排放，與傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料路面結構相比，面層（50 mm）的15%RAP每平方路面可節(jié)省1 L柴油，CO2當量排放減少2.4 kg/m2。見表3。
1.5 經濟效益
1.5.1 減少燃料使用
WMA技術降低了混合料的拌和溫度，因此節(jié)約了燃料成本，降低能耗量約11%～35%，相當于每噸WMA瀝青混合料節(jié)約1.5～2.0 L燃料。有研究發(fā)現(xiàn)，生產溫度降低10℃可節(jié)省3%～4%的能源，相當于每噸生產的瀝青可節(jié)約0.25 kg的燃料。WMA平均將生產過程中的燃料消耗減少20%，從而將生命周期溫室氣體排放總量減少5%，節(jié)省的能源相當于每年減少100×104 t瀝青產量。
1.5.2 WMA中RAP增加的可能性
瀝青生產時的高溫是瀝青老化的主要因素之一，在HMA中RAP瀝青會二次老化，因此在常規(guī)的HMA中不宜摻入高比例的RAP。WMA生產過程中，生產溫度的降低可以在一定程度上減少瀝青的老化，從而提高RAP的使用比例。
1.5.3 延長攤鋪季節(jié)
與熱拌瀝青相比，WMA在較低溫度施工環(huán)境下的可增加和易性，因此在較低溫度下攤鋪和壓實WMA，延長寒冷天氣下的攤鋪季節(jié)。根據(jù)城市主干路和快速路施工氣溫＜10 ℃時，或其他等級道路的施工氣溫＜5 ℃時不宜施工。而采用WMA技術摻入溫拌劑后，攤鋪溫度可由原5 ℃降低至-3 ℃，延長的攤鋪季節(jié)，為工程趕制工期提供技術支持。
1.5.4 更長的運輸距離
廠拌瀝青混合料為了延長瀝青混合料的運輸距離，一般采取提高拌和溫度的辦法，避免在混合料在攤鋪時已經失去和易性，但此方案存在一個較大的弊端，就是高溫會將瀝青提前老化，最終衰減原有性能。WMA可以長距離運輸，同時保持攤鋪時的和易性及壓實性?，F(xiàn)階段WMA最長運輸記錄為澳大利亞Sasobit生產的WMA，運輸時間為9 h。由于混合料與環(huán)境溫度之間的溫度梯度較低，以及由于低溫下粘合劑的黏度降低，材料的冷卻速率降低，從而有助于WMA實現(xiàn)更長的運輸距離和延長攤鋪季節(jié)。
1.6 社會效益
1.6.1 減少排放
由于生產和攤鋪溫度相對較低，WMA在瀝青廠和攤鋪現(xiàn)場顯著改善了工作條件，瀝青混合料拌和及溫度降低，煙氣排放和氣味也隨之減少。鋪設WMA期間，煙霧和氣味的排放量相比HMA減少了30%～50%，攤鋪機后方的煙霧和氣味排放量減少了30%～90%［2］。根據(jù)EAPA［3］的經驗法則，放置溫度每降低10℃，煙霧釋放量就會減少50%左右。
加拿大安大略省交通部發(fā)現(xiàn)，相比HMA，WMA攤鋪機后面的灰塵減少了30%，攤鋪機操作員位置的灰塵減少了85%，可溶性苯部分減少了63%，而操作位置的HMA的不透明度值幾乎是WMA的三倍。研究發(fā)現(xiàn)，與WMA相關的舒適工作條件可以提高工人的生產率和降低離職率。雖然瀝青煙氣本身沒有致癌作用，但其排放的揮發(fā)性有機化合物（VOCs），如多環(huán)芳烴（PAHs），會對健康產生不利影響。根據(jù)國外研究，瀝青混合料生產溫度降低13℃，多環(huán)芳烴排放量可減少50%。
1.6.2 減少能耗
一般路面提升改造項目位于城區(qū)已運營地段，施工期的長短直接影響區(qū)域的交通狀況。WMA在攤鋪壓實時的溫度較低，意味壓實結束時，路面溫度更接近運營期的溫度，因此較常規(guī)的HMA提前20～40 min投產，節(jié)約使用者的時間成本。
1.7 性能
研究表明，WMA的性能與HMA相同甚至更好，并且兩種材料具有相似的特性。WMA用于密級配、瑪蹄脂和開級配摩擦層混合物，與瀝青結合料一起使用，適宜鋪設在交通量預計將超過3 000萬當量單軸荷載的路面，以及適宜在公共汽車站、機場和港口設施鋪設。在上述情況下，與HMA相比，WMA表現(xiàn)出相似或更好的性能，包括更好的壓實度、相近的剛度和抗車轍性、更好的抗疲勞和抗開裂性、相近的抗水損害性能以及更高的耐久性。研究表明，實驗室老化后的拉伸強度較高，強度變化相對較小，表明在使用達到老化期后仍可能保持高強度。
如Nicholls和James［3］所述，通過現(xiàn)場和加速路面加載設施中進行的受控車輛荷載和落錘彎沉儀試驗顯示了WMA和HMA混合物的相近性能。Hurley等［4］測定了現(xiàn)場生產的WMA混合物的特性、高溫穩(wěn)定性、抗水損害性和動態(tài)模量，發(fā)現(xiàn)WMA混合物的性能等于或優(yōu)于對照的HMA混合物。此外，在WMA樣品上進行的輪軌試驗產生的車轍深度與HMA樣品相近。由于溫拌瀝青具有良好的壓實度、粘結性、抗老化性能以及更好的抗車轍性和抗開裂特性，因此該材料有潛力提供優(yōu)越的性能。
1.8 建造
HMA的生產、運輸、存儲和壓實所用的機械與WMA所需的機械相同，僅需要根據(jù)WMA技術對瀝青裝置進行微小修改。如前文所述，WMA可以長距離運輸，因為可能在老化瀝青的情況下提高溫度生產WMA，并且由于混合物和環(huán)境溫度之間的溫度梯度較低，冷卻速度降低。WMA和HMA在攤鋪時的壓實操作相似，無須額外增加攤鋪，具有相似的攤鋪和壓實操作特征。一些研究發(fā)現(xiàn)，與同等HMA混合料相比，WMA具有相近或更高的壓實密度。
WMA攤鋪的相關優(yōu)勢有：（1）能夠在寒冷天氣下攤鋪，同時獲得設計密度；（2）長距離運輸后具有良好壓實性能；（3）能夠摻入更高比例的RAP。一般認為，WMA可以更均勻地壓實瀝青路面，因為WMA壓實溫度較低，壓路機組可以有更好的間距，以確保適當?shù)匿亴痈采w率。WMA試驗的壓實結果優(yōu)于HMA，瀝青路面壓實度對路用性能影響極大，同時大多數(shù)單位都將壓實度作為項目的驗收指標之一。
1.9 局限性
溫拌瀝青符合可持續(xù)發(fā)展原則。傳統(tǒng)熱拌瀝青使用高溫將骨料中的水分完全蒸發(fā)，可以消除因骨料中存在水分而產生的病害問題。而對于WMA生產，行業(yè)內更擔心低生產溫度可能無法完全干燥骨料，從而增加在骨料與瀝青中產生水隔膜的可能性，在運營階段導致水損害、剝落等問題。此外，使用溫拌泡沫瀝青時，引入水基可能會使水在瀝青混凝土基質中滯留，在運營階段可能會引發(fā)水分敏感性問題。然而，到目前為止，也沒有相關研究或者工程實踐對上述問題做出驗證。不過，即使未對上述問題進行驗證，在路面設計時，設計方一般會在WMA中添加抗剝落劑，增加其抗水損害及抗剝落的能力，同時在配合比設計時，注重性能上的偏重設計。
2 結語
從環(huán)境及經濟角度來分析，溫拌瀝青提供了符合可持續(xù)發(fā)展原則的重要優(yōu)勢，這是一種在低溫下生產瀝青混合料的有發(fā)展的方法。隨著工程經驗的積累，深入的研究將提供更多準確的證據(jù)，證明溫拌瀝青具有可觀的經濟、環(huán)境、性能和社會效益。自WMA技術問世近二十年以來，瀝青行業(yè)對其做出了積極的反應，這有力地表明，在不久的將來，WMA將成為瀝青混合料生產的標準，并與其他可持續(xù)建筑材料（如再生瀝青路面）結合，路面施工的可持續(xù)性可以進一步提高。對溫拌瀝青技術的進一步研究和對其潛在效益的全面探索，將有助于解決目前業(yè)界對溫拌瀝青的質疑。
參考文獻
［1］黃頌昌.我國道路工程材料循環(huán)利用概況［J］.建筑機械，2018（9）：10-13.
［2］馮秀亮.不同溫拌劑類型對溫拌瀝青混合料性能的影響［J］.山東交通科技. 2022（3）：91-93.
［3］Nicholls，J.C.， James，D. Literature Review of Lower Temperature Asphalt Systems［J/OL］.Construction Materials，2011-11-07.
［4］Hurley，G.C.，Prowell，B.D.and Kvasnak，A.N.Ohio Field Trial of Warm Mix Asphalt Technologies： Construction Summary［R］. NCAT Report，2009.
收稿日期：2023-04-20
