发泡沥青WMA技术应用的探讨
责任编辑:1359****4438     时间:2022-11-27     来源:转载于:微信公众号“沥青路面”
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分类: 学术交流
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摘要:文章通过分析沥青混合料温拌技术的发展和基础研究,提出了发泡沥青WMA技术在我国间歇式沥青搅拌站生产应用中需要研究的主要方向。包括:配套沥青发 泡设备参数设置和工艺,通过发泡沥青温拌混合料路用性能和耐久性试验分析,结合路面结构力学分析,研究温拌发泡沥青混合料的应用范围;探讨适合我国工程 实践推广应用的温拌发泡沥青混合料生产和施工工艺等。

关键词:温拌技术 发泡沥青 沥青混合料

研究背景:WMA技术即温拌沥青混合料(WarmMixAsphalt,简称WMA)技术,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,同时保持其不低于热拌沥青及沥青混合料(HMA)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。

沥青路面铺筑时采用的WMA技术主要有3种:第1,采用沥青发泡技术使施工中的沥青粘度降低;第2,在沥青中添加有机制剂,如采用Sasobit等温拌剂降低沥青施工粘度;第3,采用表面活性制剂如Evotherm等温拌剂降低沥青施工粘度。其中,采用发泡沥青技术的混合料温拌技术,由于不添加化学制剂,具有节能减排和减少生产成本的优势。在全世界经济高速发展,能源日益紧缺,全球气候变暖,2016年我国批准了《巴黎气候变化协定》的大背景下,WMA技术的推广应用更突显出了其在中国交通基础设施建设中的前景。

发泡沥青WMA技术是在生产沥青混合料过程中利用特定的技术,促使高温沥青体积迅速膨胀,在一定的时间内降低粘度,使沥青更容易裹覆在砂石骨料的表面,从而使沥青混合料在较低温度下进行生产与施工。沥青的这种由发泡导致的粘度降低,只是物理性和暂时的,沥青本身没有发生任何化学性质上的变化,沥青本身具有的高低温、水稳及抗疲劳、耐老化特性并无任何影响。所以从理论上讲,任何种类的沥青都可以采用发泡技术降低其施工作业的温度。
发泡沥青作为结合料用于稳定拌和建筑材料的工程实用性,在国内交通基础设施建设领域已被认可。但是,由于发泡沥青工程应用的相关技术与机械装备还不成熟,目前发泡沥青主要被用于冷拌和冷再生等成本较低的施工项目中。因此,研究如何利用发泡沥青作为结合料,修筑使用性能要求更高的沥青混合料面层,就成了一个很有工程价值的研究方向,具有重要的现实意义。
国内外研究现状分析与评价:沥青路面WMA技术在1997年《京都议定书》达成后,迅速进入了应用阶段。而且己经广泛应用在欧美等国家的路面铺装施工中,同时形成了很多的科研成果。Qazi等人重点研究了WMA的配合比设计方法,并对添加不同类型回收沥青混合料(RAP)的温拌技术进行了研讨[1];Capitao等人测试出了WMA技术可使摊铺压实温度降至80℃,并减少40%CO2、70%NOx及粉尘排放的科研成果;Kasozi等人通过试验研究了WMA路面的路用性能与HMA路面性能,结果无明显差异,而且抗疲劳性能和抗老化性能均有所提高。
国内对沥青路面WMA技术的研究目前还不够完善,但也取得了一些阶段性研究成果。乔卫华研究了温拌沥青特性及其影响因素,认为进行铺装高等级道路时HMA可用WMA代替;梁遐意针对基于沥青路面WMA技术生产的沥青混合料基体的半柔性路面进行了研究,研究表明其在耐候性、水稳定性、疲劳性能等路用性能方面与HMA相比得到了很大的提高[2];祝鸿等研究了WMA的体积特性。国内对于沥青路面WMA技术的研究相对较少,直到近几年对于WMA技术的研究成果才开始呈现出增长的趋势。
冷再生技术中曾广泛用到发泡沥青技术,而将其应用于沥青路面WMA技术中相对较晚。发泡沥青WMA技术是将高温沥青注入少量水,水遇到高温时迅速气化,由于包裹着水蒸气的沥青快速膨胀从而产生沥青泡沫。此时的沥青混合料在泡沫的作用下和易性得到提高。由于不用添加任何化学制剂,用于WMA生产时只是采用水,所以沥青路面铺筑采用发泡沥青WMA技术是所有种类WMA工艺中最节省成本的1种。因为发泡沥青具有良好的经济效益,又能节能减排,所以沥青发泡温拌技术在美国已经得到了越来越广泛的应用。
发泡沥青WMA技术的研究内容:
    一.WMA技术沥青发泡技术研究:当前在工程中沥青发泡技术的应用主要是被作为冷拌结合料使用,而要在WMA生产中使用沥青的发泡方式要适合沥青混合料在低温状态下拌和生产以及施工。在试验中,研究沥青加热温度、需水量、水温、沥青和水的压力等因素对温拌沥青的膨胀率、半衰期及发泡指数的影响,进而在实际应用中开发出适合WMA生产和施工的温拌沥青发泡技术。
   二.粘温特性在发泡沥青WMA技术中的研究:工程实践中温拌发泡沥青的粘度与其温度的关系是直接影响WMA生产与施工的因素,因此温拌沥青在其生产温度范围的粘温特性就成为了WMA工程应用研究的基础。研究可通过测试沥青粘度,分析各种发泡工艺得到发泡沥青的粘温特性,绘制温拌发泡沥青温度范围内的粘温曲线,归纳出WMA拌和、运输、摊铺、压实的合适温度区间。
        三.基于间歇式沥青拌和站生产的沥青发泡设备研究:据2012年统计资料,在美国道路施工中WMA的使用比例为24%,其中温拌沥青发泡技术占了90%。但美国大部分施工采用的沥青搅拌设备是连续式的,而我国沥青搅拌设备基本上都是间歇式的,国外温拌沥青设备不一定适用于国内的工程实际。所以需要结合国内间歇式搅拌站技术特点[3],研究适用于间歇式沥青搅拌站的温拌沥青装备。
   四.生产工艺研究:沥青混合料温拌生产工艺是根据沥青混合料和易性、压实和体积特性控制指标的数据,同时结合施工机械装备和材料相互作用的特点,设计出适合WMA的生产与施工工艺,是在WMA施工过程中保证路面施工质量达到交通部《沥青路面施工技术规范》要求的1项重要手段。实现沥青混合料温拌生产工艺研究,就要利用配套有温拌发泡沥青发生设备的间歇式沥青搅拌站来现场试拌WMA,进而研究温拌沥青温度、集料温度、搅拌温度、搅拌时间、沥青添加方式和注入时间等因素对WMA生产效果的影响。现场通过对温拌设备参数和搅拌站运行参数的调整,研究制定WMA生产工艺,确保搅拌站出料质量。图1为泡沫沥青WMA出料温度红外成像图。

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       五.摊铺和压实工艺研究:WMA的摊铺、压实工艺属于新材料施工工艺,不同于传统HMA,其混合料的流变性、和易性都会有所变化,需要重新研究设计。该研究一方面在室内采用不同成型方法制成混合料试件,研究WMA压实效果与温度和压实功能之间的关系;另一方面,依托实体工程检测现场摊铺与压实的效果,制定WMA面层压实施工工艺,确保压实度和空隙率达到面层施工技术规范要求。

   六.路用性能和耐久性研究:在实际施工过程中同种沥青的WMA与HMA相比,其主要路用性能指标经大量测试表明并无明显降低,但是如要将沥青混合料温拌技术取代传统HMA技术,用来铺筑高等级路面的面层,还需要对其路用性能展开全面研究。

路用性能指标研究包括:WMA路面耐候性、水稳定性等指标研究,测试这些指标作为面层结构使用性能指标是否满足路面施工规范要求;综合各种路用性能试验结果,分析归纳WMA作为沥青路面结构层材料的适用性[4]。

针对WMA特点制定高效摊铺工艺,提高初压密实度的研究可通过摊铺试验段,确定摊铺机行进速度、螺旋布料器参数、夯锤振幅频率、熨平板振动参数等摊铺机施工参数与摊铺离析、初压密实度之间的关系来实现。
针对WMA特点制定高效压实工艺,提高压实施工效率可研究试验段压实施工,研究压路机配置、振动压实参数、压实工艺等对WMA压实度增长规律的影响。

     七.力学性能分析与路面结构分析:在路面结构中的应用范围方面,HMA与WMA相差无几,但作为1种新型沥青路面材料,其作为结构层在路面结构中的受力特性应受到足够重视[5]。研究采用WMA铺筑的路面结构力学,可为路面设计中是否采用这种材料提供参考。在试验室内,对成型后的温拌发泡沥青混合料试件的抗压强度、抗拉强度、拉压弹性模量等力学性能指标进行测试,进而构建路面结构的弹性层状力学模型,分析采用WMA的路面结构力学,测试各结构层应力和变形,收集整理相关数据。
     八.节能减排效果研究:WMA成品料温度低于140℃,该温度下无沥青烟气产生。由此可见,WMA与HMA相比施工能耗和排放都极大减小;可采用气体分析仪、红外监测设备等技术手段实测搅拌站能耗和排放变化,评价温拌沥青技术节能减排效果;依托试验路施工,研究WMA高效摊铺和压实施工过程中的节能减排效果[6]。
研究方法:采用试验研究和计算机模拟技术相结合,通过实验研究发泡沥青技术参数对发泡沥青膨胀率、半衰期及发泡指数的影响;通过拌和实验研究发泡沥青温拌裹覆效果;通过旋转粘度实验研究发泡沥青在温拌施工温度范围内的粘温特性;通过制备各种级配下的WMA试件,研究高低温水稳等路用性能,结合WMA试件的微观结构研究混合料路用性能及耐久性的影响;通过路面结构力学分析,研究WMA作为面层结构的适用性。
结束语:综上所述,发泡沥青WMA技术如果在国内大面积使用,就必须针对基于间歇式沥青搅拌站设备特点,研究适合搅拌站生产配套使用的沥青发泡工艺和设备参数;基于我国沥青路面施工装备和技术规范,提出适合我国沥青路面工程推广应用的发泡沥青WMA生产和施工工艺。

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