王宇
(深圳市市政設(shè)計(jì)研究有限公司,廣東 深圳 518000)
淺談高速公路溫拌瀝青混合料面層的應(yīng)用及其控制
王宇
(深圳市市政設(shè)計(jì)研究有限公司,廣東深圳518000)
溫拌瀝青具有低能耗、環(huán)保、施工便捷等優(yōu)點(diǎn),是我國(guó)道路工程熱拌瀝青技術(shù)的良好改善和補(bǔ)充。分別從瀝青混合料的材料特性、瀝青面層結(jié)構(gòu)性能及其施工性能等三個(gè)方面,分析總結(jié)了高速公路路面用溫拌瀝青混合料的基本特征,研究說明:施工溫度要求低、能耗少和粉塵、廢棄污染少是高速公路路面用溫拌瀝青的最大優(yōu)勢(shì)。提出了溫拌技術(shù)在道路工程的主要應(yīng)用前景以及存在的缺點(diǎn)和問題,說明建立設(shè)計(jì)和評(píng)估的綜合評(píng)價(jià)體系,是溫拌瀝青廣泛推廣的重要基礎(chǔ)。
高速公路;溫拌瀝青;混合料;應(yīng)用研究;施工控制
公路路面是一種提供車輛行駛的道路結(jié)構(gòu)層,采用筑路材料鋪設(shè)在路基的表面使用。路面結(jié)構(gòu)的本身特性,直接決定其使用壽命和性能。瀝青路面是區(qū)別于混凝土路面的一種高速公路常規(guī)用路面結(jié)構(gòu)形式,其優(yōu)點(diǎn)在于瀝青材料的本身材料和力學(xué)特征。瀝青材料具有粗糙性和彈塑性等特征,可使路面的表觀具有良好的平整性和無(wú)接縫性,此外瀝青材料還有耐磨、施工工期短、養(yǎng)護(hù)維護(hù)方便及噪音低、振動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn),目前已廣泛地應(yīng)用于高速公路的路用結(jié)構(gòu)建設(shè)中[1]。
熱拌瀝青混合料HMA(Hot Mix Asphalt)是目前應(yīng)用廣泛的瀝青路面結(jié)構(gòu)形式之一。然而,該路用結(jié)構(gòu)在施工過程中也呈現(xiàn)一些問題:熱拌瀝青在高溫條件下會(huì)致使瀝青老化,此外還會(huì)消耗較大的能源,同時(shí)施工過程中排放的廢氣和粉塵等,還會(huì)嚴(yán)重影響施工人員身體健康和周邊環(huán)境的環(huán)保。因而,尋求節(jié)能環(huán)保、力學(xué)性能穩(wěn)定的瀝青面層成為目前研究關(guān)注的重點(diǎn)。溫拌瀝青混合料WMA(Warm Mix Asphalt)則是瀝青路面結(jié)構(gòu)的另一種制造方式,它是一種拌和溫度介于冷拌(10℃~40℃)和熱拌(150℃~180℃)瀝青混合料之間的節(jié)能環(huán)保型瀝青混合料。溫拌瀝青克服了瀝青老化不穩(wěn)定及環(huán)境污染等缺陷,又繼承了熱拌瀝青施工方便、行車性能好的優(yōu)勢(shì)。溫拌瀝青最初由歐美國(guó)家開發(fā)使用,而后向全世界道路工程中推廣[2,3]。本文將分別從瀝青混合料的材料特性、瀝青面層結(jié)構(gòu)性能及其施工性能等三個(gè)方面,分析總結(jié)了高速公路路面用溫拌瀝青混合料的基本特征。提出溫拌瀝青的應(yīng)用范圍和優(yōu)勢(shì),并討論其應(yīng)用控制技術(shù)。
1.1材料性能
溫拌瀝青混合料一般融合相關(guān)技術(shù)手段生成溫拌瀝青,例如可以采用軟瀝青或泡沫瀝青,保持瀝青的良好耐久性能,同時(shí)混合料中的液態(tài)瀝青的輕質(zhì)烴部分在加熱過程中也不像熱拌瀝青一樣被驅(qū)散。此外,溫拌技術(shù)因其適宜的制造溫度,可以減少熱拌過程中瀝青的老化問題,延長(zhǎng)瀝青的使用壽命。
瀝青路面的使用效果取決于瀝青與集料的粘附和壓實(shí)特性,而瀝青與集料的粘結(jié)和潤(rùn)滑作用是影響上述性能的重要因素。廣義而言,瀝青與集料的粘結(jié)作用可使混合料連接緊密、易于成型而不致松散,瀝青與集料的潤(rùn)滑作用則使礦料顆粒嵌套就位而不致被壓碎。誠(chéng)然,加工過程中的拌和溫度和壓實(shí)溫度是影響瀝青混合料粘結(jié)和潤(rùn)滑性能的關(guān)鍵因素,溫拌瀝青一般將拌合溫度和壓實(shí)溫度控制在110℃~120℃。這一相對(duì)較低的拌合溫度,不僅便于瀝青混合料的拌合加工,也使得瀝青能夠很好地裹覆在集料上實(shí)現(xiàn)良好的粘結(jié)和潤(rùn)滑作用。
1.2結(jié)構(gòu)性能
瀝青混合料的主要結(jié)構(gòu)功能是車輛荷載作用下的車轍效應(yīng)和雨水作用下的水穩(wěn)定性。普通的熱拌瀝青混合料,其車轍深度一般與擊實(shí)溫度成反比演變,即擊實(shí)溫度升高車轍深度降低。溫拌瀝青則表現(xiàn)出一定差異性,相關(guān)研究表明[4]:對(duì)于溫拌瀝青,當(dāng)擊實(shí)溫度超過120℃且摻入Aspha-Min混合料時(shí),車轍深度會(huì)有很大的提高。此外,溫拌瀝青的馬歇爾穩(wěn)定度可達(dá)9.8 kN,動(dòng)穩(wěn)定度可達(dá)4 600次/mm,凍融劈裂強(qiáng)度比達(dá)到81%,各項(xiàng)指標(biāo)均能很好地滿足車輛行駛和路面長(zhǎng)期使用要求。表1和表2是某熱拌和溫拌瀝青的路用性能對(duì)比。
表1 熱拌瀝青混合料的路用性能
表2 溫拌瀝青混合料的路用性能
1.3施工性能
溫拌瀝青混合料的生產(chǎn)制作技術(shù)與熱拌瀝青基本相同,且其施工和易性也與熱拌瀝青無(wú)所差異,因而不需要進(jìn)行設(shè)備的改造。與熱拌瀝青相比:溫拌技術(shù)的拌合溫度要求降低,一般降低10℃~40℃;石料的加熱溫度和瀝青的保溫溫度都降低,直接降低瀝青加工的燃油成本。相關(guān)研究說明,對(duì)于瀝青材料,當(dāng)加工溫度高于100℃時(shí),每提高10℃,老化速率就提高1倍左右。溫拌瀝青技術(shù)所需較低的工作溫度,可以顯著降低其老化風(fēng)險(xiǎn)而增加服役壽命。另外,溫拌技術(shù)使得單位混合料的燃油消耗減少,這不僅顯著地降低了攪拌過程中有害毒氣和溫室氣體的排放,整個(gè)生成過程中產(chǎn)生的煙霧、粉塵等污染也會(huì)顯著降低,甚至可以實(shí)現(xiàn)無(wú)煙塵作業(yè)。
溫拌瀝青另一施工優(yōu)點(diǎn)是便宜性:拌合后溫度基本處于實(shí)際的工作環(huán)境,因而可以實(shí)現(xiàn)較快的交通開放,拌合溫度與環(huán)境溫度的較小差異。這說明,溫拌瀝青的施工時(shí)間選擇擴(kuò)大,可以在白天、夜晚、以及其他各種季節(jié),降低了施工對(duì)時(shí)間和氣候的要求,便易性更高。
溫拌瀝青混合料在我國(guó)處于實(shí)踐的初步階段[5],但綜合來(lái)講,這種新結(jié)構(gòu)形式至少可以在以下幾個(gè)方面得到應(yīng)用和推廣:
(1)隧道工程的路面施工
隧道工程的瀝青路面施工是一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境,其主要技術(shù)難點(diǎn)是粉塵和有害氣體的排放。目前大部分長(zhǎng)大隧道都采用水泥路面,以回避熱拌瀝青的粉塵和有害氣體排放問題,但是水泥路面的噪聲和行車舒適性不佳,維修養(yǎng)護(hù)也困難。溫拌瀝青技術(shù)恰好解決了上述難題,結(jié)合隧道路面濕度大、溫度低的特點(diǎn),溫拌瀝青相對(duì)較低溫度下的施工手段及無(wú)塵施工環(huán)境,免去了施工所需要的通風(fēng)成本。并且,溫拌混合料的良好抗水損壞能力,可以保證在封閉環(huán)境中隧道路面的抗潮濕性能。
(2)寒冷區(qū)域及低溫季節(jié)的路面施工
溫拌瀝青技術(shù)的所需施工溫度低。施工中,溫拌瀝青溫度下降的速率是相同環(huán)境溫度條件下熱拌瀝青的兩倍,且溫拌瀝青的可壓實(shí)溫度范圍更寬,選擇更大。因而對(duì)于工期要求嚴(yán)格的道路工程,溫拌瀝青可以較好地在寒冷環(huán)境下施工,擴(kuò)展和延伸瀝青面層的作用時(shí)間,有效地縮短公路工程的建設(shè)周期,降低人力和物力成本。
(3)城市人口密集區(qū)域的道路建設(shè)
溫拌瀝青的的施工溫度降低,使得它可以在夜間進(jìn)行作業(yè),體現(xiàn)出比熱拌瀝青良好的工作性能。城市道路建設(shè)會(huì)受到周圍密集人群的影響,因而其施工中的噪聲、粉塵、有害氣體等均受到嚴(yán)格要求,溫拌瀝青可以實(shí)現(xiàn)較短的交通開放間隔和更長(zhǎng)的有效壓實(shí)時(shí)間,可以實(shí)現(xiàn)白天和夜晚的雙重作業(yè),能很好地保障城市環(huán)境。
(4)超薄面層及路面的緊急恢復(fù)
瀝青路面受到車輛行駛和雨水環(huán)境的耐久性侵蝕,其使用壽命是有限的,瀝青路面受到破壞后需要進(jìn)行及時(shí)的修補(bǔ)才能保證行車的安全性。我國(guó)公路建設(shè)大發(fā)展的時(shí)期較近,而歐美國(guó)家的道路工程因建設(shè)運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng),目前大都處于修補(bǔ)時(shí)期,其中罩面厚度在2.5 cm以下的超薄面層可以快速地恢復(fù)路面使用性能,被廣泛采用。我國(guó)目前采用的超薄面層罩面技術(shù),主要采用熱拌瀝青方法,但是其降溫速度較低、攤鋪?zhàn)鳂I(yè)時(shí)間較長(zhǎng)等缺點(diǎn)使得其對(duì)交通的干擾很大,瀝青溫拌技術(shù)則可很好地解決上述問題:首先,溫拌瀝青施工和易性好,施工接縫更加便捷,容易進(jìn)行攤鋪處理;其次,溫拌瀝青的施工溫度要求較低,且溫降速率很快,可以非常顯著地提高施工效率;最后,溫拌技術(shù)還可以用于局部路面的修補(bǔ),更適合于手工操作。
溫拌瀝青在技術(shù)上和性能上均有超越熱拌瀝青的優(yōu)勢(shì),但是由于該技術(shù)手段在我國(guó)尚處于初步發(fā)展階段,溫拌技術(shù)的相關(guān)材料性能和力學(xué)性能還存在不確定方面,此外這種技術(shù)手段在我國(guó)的推廣應(yīng)用仍然有市場(chǎng)的難題。
溫拌瀝青的設(shè)計(jì)體系有待研究,目前我國(guó)瀝青路面的設(shè)計(jì)規(guī)程和施工指南等,大都針對(duì)熱拌瀝青技術(shù),溫拌瀝青由于其材料性能、結(jié)構(gòu)性能和施工性能均差別于熱拌瀝青,決定了在設(shè)計(jì)原理和方法層面,溫拌瀝青應(yīng)該有自身的設(shè)計(jì)和施工指標(biāo),例如材料的基本力學(xué)要求、試驗(yàn)配合比指標(biāo)和配比方法、結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)的計(jì)算手段、相關(guān)質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和方法等,這些設(shè)計(jì)理論和方法的研究是溫拌瀝青推廣的基本基礎(chǔ)。
溫拌瀝青的評(píng)價(jià)體系有待完善,溫拌瀝青是一種綜合材料性能、結(jié)構(gòu)使用性能、經(jīng)濟(jì)性能和環(huán)保性能的綜合技術(shù),目前對(duì)于溫拌瀝青混合料面層的評(píng)價(jià)大都停留在結(jié)構(gòu)使用性能層次,如抗車轍、抗水損害、抗老化、開裂、抗腐蝕等,這些評(píng)價(jià)體系不全面。溫拌瀝青在降噪排水、粉塵廢棄降低、太陽(yáng)能利用等多方面具有顯著的優(yōu)勢(shì),因而,需要采用更加綜合的、全面的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。
溫拌瀝青的市場(chǎng)推廣有待提高,目前溫拌瀝青混合料中的原料使用范圍還比較狹窄,現(xiàn)有的制造技術(shù)和評(píng)價(jià)體系,只能利用一些性能很好的集料,對(duì)于劣質(zhì)集料和廢料集料的利用研究則很少,使得沒有凸顯溫拌瀝青技術(shù)的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。在可持續(xù)發(fā)展理念下,需要開發(fā)這種可再生、低污染、低消耗的原材料,推進(jìn)溫拌瀝青技術(shù)的成本降低和市場(chǎng)價(jià)格的降低,推廣其應(yīng)用。
溫拌瀝青的長(zhǎng)期性能需要跟蹤監(jiān)測(cè),溫拌瀝青技術(shù)在國(guó)外應(yīng)用較早,使用廣泛。我國(guó)瀝青溫拌技術(shù)的使用起步比較晚,對(duì)于溫拌瀝青混合料在道路工程中的應(yīng)用效果,還需要建立長(zhǎng)期跟蹤機(jī)制,采用全壽命的理念對(duì)該技術(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。
論文介紹了溫拌瀝青技術(shù)的基本特點(diǎn),采用溫拌瀝青改善我國(guó)高速公路路面結(jié)構(gòu)使用性能。對(duì)溫拌瀝青混合料的基本材料特性、溫拌瀝青面層的結(jié)構(gòu)性能和施工性能進(jìn)行了總結(jié)分析。根據(jù)溫拌技術(shù)施工溫度要求低、環(huán)保友好的優(yōu)點(diǎn),提出了溫拌瀝青混合料面層的主要應(yīng)用前景,并指出溫拌技術(shù)在我國(guó)目前的發(fā)展?fàn)顩r和需要改善研究的問題,建立全壽命綜合評(píng)估理念具有重要意義。
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U416.2
B
1009-7716(2016)07-0084-03
10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.025
2016-03-13
王宇(1985-),男,湖南邵陽(yáng)人,工程師,從事路橋設(shè)計(jì)工作。