溫拌瀝青混合料技術研究與應用綜述

陶有成,雷杰超,禤煒安

(1.廣西壯族自治區(qū)公路發(fā)展中心,廣西 南寧 530029;2.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007;3.廣西道路結構與材料重點實驗室,廣西 南寧 530007;4.高等級公路建設與養(yǎng)護技術、材料及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心,廣西 南寧 530007)

0 引言

近年來,“雙碳”發(fā)展戰(zhàn)略已成為全球熱點,交通建設行業(yè)也在積極探索綠色化、低排放發(fā)展路徑。熱拌瀝青混合料(HMA)的生產溫度一般在140 ℃以上,這不僅要消耗大量的能源導致成本增加,還排放大量有害煙霧造成環(huán)境嚴重污染,威脅人體健康。為了降低能耗,減少溫室氣體的排放,研究人員開發(fā)了溫拌瀝青混合料(WMA)技術。溫拌瀝青混合料技術可以在比傳統(tǒng)HMA生產溫度低20 ℃～40 ℃的條件下生產瀝青混合料而不會影響其路用性能,具有可加工性高、綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點,在全球范圍內得到廣泛關注。截至目前,道路研究工作者已經研發(fā)了多種WMA技術并研究其對瀝青材料的影響。本文旨在闡述WMA制造過程中的不同技術,總結WMA的路用性能,并分析WMA帶來的效益與挑戰(zhàn),為WMA在我國道路交通工程領域的推廣與工程應用提供參考。

1 溫拌技術分類

目前,溫拌技術主要分為:泡沫瀝青類、有機添加劑類和表面活性類。

1.1 泡沫瀝青類

泡沫瀝青溫拌技術是將冷水直接添加到熱瀝青中,水分受熱蒸發(fā)產生水蒸汽,水蒸汽被包裹在瀝青中,產生大量泡沫導致其體積暫時膨脹,改變?yōu)r青的表面張力使其黏度降低[1]。這種現(xiàn)象顯著提高了瀝青的可加工性和涂層能力,使瀝青在骨料上均勻分布。然而,膨脹的體積持續(xù)時間有限,這意味著混合料必須在生產后不久進行攤鋪和壓實。添加的水量應剛好足以產生起泡效果,但又不能引起剝離問題。一般來說,泡沫瀝青溫拌技術可以分為含水添加劑(間接發(fā)泡)技術和水基(直接發(fā)泡)技術[2]。間接發(fā)泡技術是沸石等含水添加劑放入瀝青混合料中,添加劑中所含的水分隨著溫度的升高從沸石結構中釋放出來,與熱瀝青接觸產生氣泡[3]。直接發(fā)泡技術是將水通過特定的儀器直接注入熱瀝青內部產生氣泡,與間接發(fā)泡技術相比,其產生的蒸汽量更多,所以瀝青膨脹得更大。常見的發(fā)泡添加劑如表1所示。

表1 發(fā)泡添加劑一覽表

1.2 有機添加劑類

有機添加劑類溫拌技術,主要指的是將有機蠟添加到瀝青或瀝青混合料中降低瀝青的黏度,從而降低拌和溫度的技術[4]。這些有機蠟主要由環(huán)烷烴和異鏈烷烴組成,其熔化溫度與高分子烴鏈直接相關,通常為100 ℃左右。有機蠟與瀝青混合后,通過化學方式改變?yōu)r青的黏溫特性,從而降低20 ℃～40 ℃的使用溫度。常見的有機添加劑如表2所示。當瀝青冷卻時,有機蠟結晶并形成微觀上分布均勻的小顆粒,可增加瀝青的剛度及抗永久變形的能力,但在低溫條件下容易發(fā)生開裂[5]。蠟在高于其熔點時通常表現(xiàn)為牛頓流體,而在中溫和低溫下則表現(xiàn)為非牛頓流體,所以應選擇熔點高于路面使用溫度的有機蠟,以確保有機蠟在使用溫度下為固態(tài),并減少瀝青在低溫下的脆化現(xiàn)象。一般有機臘對瀝青路面的高、低溫性能具有消極影響,未來建議該類技術的研究者多關注瀝青混合料的高、低溫性能研究。

表2 有機添加劑一覽表

1.3 表面活性類

與前面兩類技術的工作原理不同,表面活性類溫拌技術不依賴于發(fā)泡或降低黏度來降低瀝青混合料生產和壓實溫度,而是將由表面活性劑、乳化劑、聚合物或添加劑等多種混合而成的化學試劑添加到瀝青中,提高混合料的可加工性和壓實性,并改善骨料上的粘合劑涂層[6]。常見的產品如表3所示。通常該類技術含有大量水分,如果在拌和的過程中水分未能完全蒸發(fā),則殘留的水分對瀝青與骨料的粘結性能會產生一定的負面影響,導致瀝青混合料的水穩(wěn)定性降低。所以在制備WMA的過程中應注意控制好水量以及拌和時間。

表3 表面活性添加劑一覽表

2 溫拌技術對瀝青及其混合料性能的影響

2.1 瀝青膠結料性能

溫拌瀝青膠結料的性能主要受到瀝青類型、WMA添加劑的類型和摻量等多種因素的影響。瀝青類型能明顯影響WMA膠結料的流變性能[7]。當生產含有長期老化瀝青的溫拌瀝青時,PG高溫等級較低的瀝青可以抵消由于溫拌添加劑和老化瀝青引起的流變性能變化[8]。

發(fā)泡添加劑對石油瀝青的高溫性能、溫度敏感性和抗疲勞性能有改善作用,發(fā)泡過程中,瀝青老化程度越深,需要的溫度和發(fā)泡含水量就越高[9]。非泡沫添加劑(化學、有機等添加劑)會略微提高瀝青的PG臨界高溫,從而提高瀝青的抗車轍性能。

對于含發(fā)泡添加劑的橡膠瀝青,高溫性能稍差,但低溫性能、溫度穩(wěn)定性和抗疲勞性更好。隨著發(fā)泡含水量的增加,高溫性能下降,低溫性能先降后升,溫度穩(wěn)定性和抗疲勞性能不斷提高[10]。

有機添加劑Sasobit?在各種測試溫度、瀝青類型和PG等級下,比其他WMA添加劑更能提高瀝青的彈性模量和黏性模量值,高溫下瀝青更不容易產生永久變形[7]。Sasobit?添加劑可以增加瀝青在中低溫下的復合剪切模量、軟化點、抗車轍性能和抗疲勞性能;但過高的Sasobit?摻量容易導致瀝青疲勞因子過大,不滿足Superpave中的要求(G*sinδ≤5 MPa),在較低溫度下也更容易開裂[11]。

化學添加劑主要作用于瀝青和集料的微觀界面,通過減少瀝青薄膜和骨料之間的界面摩擦,增強瀝青對集料的附著力和潤濕性,所以不會顯著改變?yōu)r青的性能[12]。在老化方面上,RTFOT老化對溫拌瀝青的影響較小,但PAV老化后會導致更嚴重的老化,這幾乎抵消了短期老化的差異[13]。這可能是因為在生產溫拌瀝青的過程中,較低的施工溫度使瀝青揮發(fā)和氧化減少,相對提高了短期抗老化性能。

2.2 瀝青混合料性能

2.2.1 配合比設計

溫拌瀝青混合料的配合比設計、生產和現(xiàn)場布置與HMA類似,包括適當的壓實方法、骨料和瀝青的選擇、添加劑和摻量、油石比和骨料級配的選擇、實驗室混合和壓實溫度等。在大部分情況下,現(xiàn)場生產和室內生產的混合料試驗結果相同,所以HMA配合比設計與性能測試方法也適用于有機添加類技術和表面活性類技術生產的WMA。而泡沫瀝青類技術在實驗室中測試較難,所以該類技術生產的WMA應盡可能精確地重現(xiàn)現(xiàn)場條件。

2.2.2 溫度敏感性

溫度敏感性主要包括高溫穩(wěn)定性和抗疲勞開裂性能。高溫穩(wěn)定性是指混合料在高溫條件下抗車轍的能力;抗疲勞性能是指混合料在中低溫條件下承受重復載荷作用而不斷裂的能力。與HMA相比,WMA由于混合溫度更低而導致更容易產生車轍,并且不同溫拌技術生產的WMA的高溫性能差異較大。

有機添加類技術能使瀝青變硬并抵消WMA在抗車轍方面的不足,如Sasobit?能明顯提高WMA的抗車轍性能。表面活性類技術則對車轍的影響不大。泡沫瀝青技術會降低WMA的抗車轍能力,其中水基技術降得比含水添加劑技術更嚴重[14-15]。

HMA和WMA混合料的疲勞性能都與瀝青路面的自上而下的開裂性能相關。與HMA相比,有機蠟添加劑和含水添加劑生產的WMA路面比HMA路面出現(xiàn)更多自上而下的開裂,這種結果可能是由于路面結構、預加鋪層條件等因素造成的[16]。由于有機蠟等添加劑在使用溫度下非常堅硬且易碎,所以建議通過使用較軟的瀝青或合適的壓實溫度來提高WMA混合料的抗疲勞性能。

2.2.3 濕度敏感性

WMA的濕敏性可能受到各種因素的影響,如WMA技術類型、骨料的類型、級配和含水率、瀝青的類型、來源和老化條件,以及瀝青與骨料的粘結力[17]。

通過發(fā)泡技術生產的WMA可能會更容易受到水分的作用而發(fā)生剝離。若在混合過程中引入了水分,較低的混合和壓實溫度很難使骨料完全干燥,水分的存在會阻止瀝青和骨料結合,因此,為了減輕該類技術的剝離問題,建議使用抗剝離劑(ASA)。

表面活性劑等添加劑在瀝青和骨料表面之間起到橋梁作用,促進附著力并抵抗水分的作用。因為添加劑分子具有極化末端,其電荷吸引其他材料的相反電荷,使其能夠結合到骨料表面并與瀝青相容,從而提高抵抗水損壞的能力。

有機添加劑通常被認為對WMA的濕度敏感性有輕微的不利影響。

3 溫拌技術的效益分析

減少有害煙霧和能源消耗是WMA的明顯優(yōu)點。目前每天都有數以百萬計的工人近40%的工作時間都暴露在瀝青煙霧中,這可能會給工人帶來嚴重的健康問題。WMA技術顯著降低了瀝青混合料的生產和施工溫度。

在環(huán)境方面,較低的生產溫度減少瀝青的揮發(fā),從而減少排放。另外,較低的施工溫度需要使用的能源較少,從而減少使用了石化能源時的二氧化碳排放。據預測,在通常使用的Sasobit?水平下,CO2排放能減少30%以上[18]。對于煙囪排放點,通過將瀝青混合料溫度平均降低52 ℃,可以減少21%燃料的使用量和20%CO2排放。而在低于100 ℃下生產瀝青混合料能顯著減少燃燒氣體(58%CO2,99.9%SO2)的排放[19]。瀝青煙霧的排放量降低對攤鋪人員的安全和工作環(huán)境起到改善作用,有利于可持續(xù)發(fā)展。

在經濟方面,生產溫度的降低使能耗減少,從而降低成本。美國國家公路合作研究計劃(NCHRP)表明,使用WMA可以為燃燒器節(jié)省20%～25%的燃料使用量。與傳統(tǒng)的HMA相比,使用WMA可以節(jié)省18%～30%的能源。通過生命周期成本評估發(fā)現(xiàn)使用WMA技術可以將成本降低10%～30%[20]。

除了低排放和低成本,WMA還有不少優(yōu)點。較低的排放量、煙霧和噪音允許WMA在對排放有特定限制的非達標區(qū)域進行鋪設,也允許WMA工廠建在城市附近,提供了舒適的工作條件;生產溫度的降低允許WMA在寒冷的天氣條件下進行作業(yè),延長了混合料的施工季節(jié);混合料的可加工性和壓實效率的提高,使工人擁有更多的時間進行攤鋪和壓實,也擁有更長的運輸距離;由于冷卻時間更短,在攤鋪壓實完成后能更快地開放交通。

4 結語

溫拌瀝青的路用性能滿足相關技術規(guī)范要求,具有優(yōu)越的性能、經濟、環(huán)境和社會效益。然而,溫拌技術體系尚不成熟,仍存在一些問題亟須解決:

(1)雖然研究表明WMA可以降低能源消耗,但溫拌技術的實施及其使用也會產生相應的成本。減少能源消耗所節(jié)省的成本可能會被WMA生產技術的額外成本所抵消。這些初始成本以及特許權使用費可能會阻礙承包商的推廣。

(2)生產WMA時使用的較低壓實溫度可能會導致骨料的未完全干燥,增加發(fā)生水損害的概率。而且表面活性類溫拌技術使用化學添加劑,不確定其是否為潛在的污染源。

(3)目前研究多集中在溫拌技術對石油瀝青的性能影響研究,未來需要進一步研究溫拌技術對聚合物改性瀝青、天然瀝青改性瀝青、生物瀝青改性瀝青、納米材料改性瀝青以及各種復合改性瀝青的性能影響。

(4)大部分研究只分析溫拌技術對瀝青流變性能及其混合料力學性能的影響。未來需要研究長期熱氧老化、紫外老化等對WMA性能的影響,并從微觀角度解釋溫拌劑與改性劑之間的相互作用,分析其對瀝青性能的影響機理。

(5)需要進行全面研究,以了解具有與HMA相似的骨料類型、級配的WMA的配合比設計和路面性能。