瀝青溫拌劑降溫機(jī)制及優(yōu)缺點(diǎn)分析

崔梓鈺

【摘 ?要】瀝青溫拌技術(shù)通過(guò)降低拌和溫度能夠顯著降低道路施工過(guò)程中的能源消耗和有害氣體的排放。溫拌技術(shù)的核心是溫拌劑。溫拌劑的降溫機(jī)制可分為：有機(jī)添加劑、化學(xué)添加劑和發(fā)泡瀝青降黏技術(shù)。這三種機(jī)制都能是溫拌劑降低瀝青粘度，改善混合料施工和易性，節(jié)省能源消耗量20-35%，減少有害氣體排放，并且創(chuàng)造更好的施工環(huán)境。本文概述了溫拌劑在制造中的降溫機(jī)制、優(yōu)缺點(diǎn)等，并強(qiáng)調(diào)了在這一領(lǐng)域進(jìn)一步研究的必要性和其廣闊的應(yīng)用前景。

引言

在交通基礎(chǔ)設(shè)施中的道路工程等相關(guān)領(lǐng)域，瀝青路面因其平整度高、低噪耐久且便于維修養(yǎng)護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，80%以上的路面建設(shè)都選擇瀝青路面，且大多數(shù)為熱拌施工。而熱拌瀝青混合料（HMA）能耗高，煙氣粉塵排放量大，瀝青初期老化比較嚴(yán)重，施工效率低，應(yīng)用局限性越來(lái)越大。

現(xiàn)階段研究方向主要在不改變HMA優(yōu)良路用性能的同時(shí)，同時(shí)減少其存在的瀝青煙氣排放、以及瀝青老化嚴(yán)重等因素的影響。為此，歐洲科學(xué)家于1995年提出并著手研發(fā)出一種新型節(jié)能環(huán)保型的瀝青拌合技術(shù)，即溫拌瀝青混合料（WMA，Warm Mix Asphalt）。相關(guān)研究資料表明，采用溫拌技術(shù)不僅可減少能源消耗30-35%、溫室氣體排放30%、有害顆粒物排放45%，并且能改善瀝青老化問(wèn)題，同時(shí)可產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

綜上所述，WMA的應(yīng)用符合節(jié)能減排的發(fā)展理念及實(shí)現(xiàn)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略構(gòu)想與建設(shè)以資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的宏偉目標(biāo)，同時(shí)對(duì)道路交通基礎(chǔ)設(shè)施可以能持續(xù)發(fā)展以及和諧發(fā)展都具有戰(zhàn)略性的意義。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1國(guó)外研究現(xiàn)狀

歐洲研究者 Shell 和 Kolo-veidekke[1] 在 1995 年首先聯(lián)合研發(fā)出溫拌瀝青混合料（WMA），并且在 1996 年對(duì) WMA 進(jìn)行了有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)。在 WMA 的研制以及使用早期，WMA 通常是采用軟瀝青以及乳化瀝青兩種材料來(lái)進(jìn)行溫拌瀝青的生產(chǎn)，但是這種生產(chǎn)方式的成本卻高出了 HMA 近 20%。

2015年，Li等人 [2]對(duì)不同老化條件下的溫拌瀝青和熱拌瀝青混合料進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，短期老化后的溫拌瀝青混合料表現(xiàn)出比熱拌瀝青混合料相對(duì)更好的水穩(wěn)定性。

1.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

2009年，冬季低溫施工、隧道路面、密實(shí)型超薄層應(yīng)用方向，全面進(jìn)入規(guī)模化應(yīng)用階段，溫拌再生應(yīng)用方式進(jìn)入試驗(yàn)路階段。

2010年，同濟(jì)大學(xué)的王鵬等通過(guò)瀝青三大指標(biāo)試驗(yàn)和布氏旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)，研究了表面活性劑 DAT對(duì)SBS改性瀝青性能的影響。發(fā)現(xiàn)其降粘效果主要是通過(guò)發(fā)泡實(shí)現(xiàn)的，對(duì)瀝青本身性能并不產(chǎn)生明顯影響。

2 降溫的主要機(jī)制

2.1有機(jī)添加劑

使用有機(jī)添加劑的技術(shù)主要是在瀝青或?yàn)r青混合料中添加蠟等有機(jī)化學(xué)產(chǎn)品。這類產(chǎn)品的熔點(diǎn)通常高于基質(zhì)瀝青，當(dāng)溫度升高到蠟的熔點(diǎn)以上時(shí)，粘度通常會(huì)降低。當(dāng)混合物冷卻時(shí)，這些添加劑固化成微小而均勻分布的顆粒，這增加了與纖維增強(qiáng)材料相同的粘結(jié)劑的剛度。若蠟的熔點(diǎn)低于使用溫度，則可能導(dǎo)致并發(fā)問(wèn)題。因此，必須仔細(xì)選擇蠟的類型，選擇合適的蠟可以最大限度地降低瀝青在低溫下的脆化。

該技術(shù)中的蠟是熔點(diǎn)為80-120℃的高分子烴鏈[3]，蠟熔化的溫度與碳鏈的長(zhǎng)度（C45或更高）直接相關(guān)。蠟的添加量通常為總質(zhì)量的2-4%。加入蠟?zāi)苁拱韬蜏囟冉档?0-30℃，提高瀝青在60℃時(shí)的粘度，降低瀝青在135℃時(shí)的粘度，并且提高瀝青的抗變形性能力。其相關(guān)產(chǎn)品包括：費(fèi)托蠟（FT），脂肪酸酰胺和蒙坦蠟（Montan）等。

2.1.1.費(fèi)托蠟

費(fèi)托（FT）蠟是一種從合成氣（CO/H2）合成碳?xì)浠衔锖推渌咀寤衔锏姆椒?。這種添加劑是不含官能團(tuán)的純烴，具有高化學(xué)穩(wěn)定性和耐老化性的特點(diǎn)。當(dāng)其冷卻時(shí)，結(jié)晶在105℃開(kāi)始并在65℃下完成，形成規(guī)則分布的微觀的棒狀顆粒。天然瀝青蠟和FT蠟的區(qū)別在于它們的結(jié)構(gòu)和物理性能，F(xiàn)T蠟的鏈長(zhǎng)更長(zhǎng)，晶體結(jié)構(gòu)更精細(xì)。研究表明，F(xiàn)T蠟具有良好的氧化性和老化穩(wěn)定性。

2.1.2酰胺蠟

酰胺蠟是合成脂肪酸酰胺，是通過(guò)使胺與脂肪酸反應(yīng)合成所得[4]。一般來(lái)說(shuō)，它們?cè)?40-145℃的溫度下熔化，在135-145℃下固化。當(dāng)脂肪酸酰胺冷卻時(shí)，它們?cè)跒r青中形成微晶，從而提高瀝青的穩(wěn)定性和抗變形性。

2.1.3.褐煤蠟

褐煤蠟是從特殊的含蠟褐煤中提取所得，主要由化石脂肪酸酯組成，是非甘油三酯長(zhǎng)鏈羧酸酯、游離長(zhǎng)鏈有機(jī)酸、長(zhǎng)鏈醇、酮、烴和樹(shù)脂的組合。這種蠟的純態(tài)熔點(diǎn)約為75℃，常與熔點(diǎn)較高的材料如酰胺蠟混合。褐煤蠟可以直接加入混合器，或者加入乳香瀝青的移動(dòng)式攪拌器。在降低 WMA 工作溫度的同時(shí)，能提高混合料的可壓實(shí)性和抗車轍能力。

2.2 化學(xué)添加劑

化學(xué)添加劑有很多種，如表面活性劑、乳化劑、聚集體包衣增強(qiáng)劑和抗剝離添加劑。它們通常包括乳化劑、表面活性劑、聚合物和添加劑，以改善涂層、混合物的工作性能和壓實(shí)性能。所需化學(xué)添加劑的數(shù)量和該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的溫度降低取決于所使用的產(chǎn)品。

3 優(yōu)缺點(diǎn)分析

3.1優(yōu)點(diǎn)

3.1.1 環(huán)境效益：

1、降低有害氣體排放，提高空氣質(zhì)量

溫拌瀝青在生產(chǎn)過(guò)程中的排放量明顯低于傳統(tǒng)的熱拌瀝青，能大幅減少混合設(shè)備和放置過(guò)程中的排放和氣味。在WMA（溫拌瀝青混合料）的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，由于拌和溫度的大幅度降低，CO2和SO2各減少30 - 40 %，VOC（揮發(fā)性有機(jī)化合物）減少50 %，CO減少10 - 30 %，NOx減少60 - 70 %，揚(yáng)塵減少25 - 55 %，瀝青氣溶膠和多環(huán)芳烴（PAHs）減少30 % - 50 %。

2、改善施工環(huán)境，利于施工人員的健康

溫拌技術(shù)可以改善施工環(huán)境，降低有害氣體對(duì)施工人員身體的影響。溫拌技術(shù)可基本實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)瀝青路面施工無(wú)煙化，減少工人暴露在排放物中的時(shí)間。并且，較低的拌和溫度也有助于創(chuàng)造更舒適的工作環(huán)境，提高現(xiàn)場(chǎng)能見(jiàn)度，因此，WMA尤為適合此類較封閉式的道路施工項(xiàng)目。

3.1.2經(jīng)濟(jì)效益

1、降低能源消耗，節(jié)約生產(chǎn)成本

與HMA相比，WMA能夠降低瀝青混合料的拌和成型溫度達(dá)30-60℃，從而減少道路施工過(guò)程中的燃料消耗30-35%。隨著全球能源成本的不斷升高，瀝青生產(chǎn)商往往選擇使用WMA來(lái)降低原料成本。

2、延緩設(shè)備老化，降低設(shè)備成本

WMA顯著降低施工溫度，減少由于高溫造成的設(shè)備老化，有效保護(hù)拌和與攤鋪機(jī)械，從而降低設(shè)備的折舊率，節(jié)省設(shè)備成本。

3、延長(zhǎng)施工季節(jié)，節(jié)約施工成本

由于WMA的拌和溫度以及施工溫度更接近環(huán)境溫度，瀝青混合產(chǎn)生熱量的下降不顯著，增加低溫季節(jié)施工的可能，延長(zhǎng)攤鋪季節(jié)。由于混合料溫度與環(huán)境溫度較接近，可以減緩降溫速率，因此混合料的儲(chǔ)運(yùn)時(shí)間以及工人的攤鋪和壓實(shí)時(shí)間顯著延長(zhǎng)，進(jìn)而保障保證施工質(zhì)量。同時(shí)，更易于邊角和補(bǔ)救位置的手工操作。

4、利于工廠的選址，降低運(yùn)輸成本

由于WMA的生產(chǎn)溫度和污染物排放量較低，因此，在符合污染物排放標(biāo)準(zhǔn)下，可以在城市地區(qū)建設(shè)工廠，從而減少工廠至施工場(chǎng)地的距離，降低運(yùn)輸成本。

3.1.3生產(chǎn)效益

1、增強(qiáng)廢料壓實(shí)度，提高廢料利用率研究表明，在熱拌瀝青路面中使用再生瀝青路面有助于抵消增加的初始成本，節(jié)約了自然資源，避免其處置問(wèn)題，并且由于瀝青高溫粘度的下降及存在潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，使混合料的壓實(shí)性提高。

2、降低瀝青老化程度，延長(zhǎng)路面使用壽命

經(jīng)過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)的再生瀝青混凝土材料的性能與新的瀝青混凝土路面相當(dāng)，并且粘合劑的老化也較少。氣溫較低時(shí)，當(dāng)將WMA技術(shù)應(yīng)用于硬瀝青時(shí)，能得到更高的瀝青回收率或高模量瀝青，隨著硬粘合劑的粘度降低，材料的可加工性更好，溫度隨時(shí)間的下降也較不明顯。這也允許更長(zhǎng)的運(yùn)輸距離，降低壓實(shí)故障的風(fēng)險(xiǎn)，并且在鋪設(shè)材料通車或鋪設(shè)下一層之前，冷卻鋪設(shè)材料的時(shí)間更短。

3.2缺點(diǎn)

3.2.1初始成本較高：

WMA的初始成本是其廣泛應(yīng)用的一大障礙。使用先進(jìn)技術(shù)、生產(chǎn)特定的添加劑以及瀝青廠改造，都會(huì)增加工廠所需的額外技術(shù)人員和設(shè)備。這部分額外成本，只能通過(guò)降低拌和溫度、節(jié)省能耗來(lái)部分補(bǔ)償。

3.2.2車轍

車轍主要是由于較低的生產(chǎn)溫度以及WMA混合物的水分敏感性，導(dǎo)致粘合劑老化較少。Zaumanis和Corrigan都對(duì)WMA的車轍問(wèn)題進(jìn)行了研究發(fā)現(xiàn)WMA路面會(huì)過(guò)早出現(xiàn)車轍病害。

3.2.3 水損害

生產(chǎn)溫拌瀝青時(shí)使用的較低壓實(shí)溫度可能會(huì)增加水損害的可能性，水分損壞有兩個(gè)原因。首先，較低的混合和壓實(shí)溫度會(huì)導(dǎo)致骨料干燥不完全，在施工過(guò)程中殘留下來(lái)的水分也會(huì)增多瀝青混合料的水敏感性。因此，添加劑（如表面活性劑）將瀝青粘結(jié)劑與集料表面進(jìn)行連接，促進(jìn)粘結(jié)并能抵抗水的作用。其次是抗剝落劑（ASAs）的使用。由于液體ASAs與粘合劑混合，然后與骨料和含水添加劑混合，這些組分可能會(huì)在高混合溫度下（大約110℃）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致混合物中的特定化學(xué)鍵丟失。

3.2.4缺乏對(duì)WMA長(zhǎng)期效應(yīng)的研究：

如果WMA不能在其整個(gè)生命周期中保持穩(wěn)定的優(yōu)良性質(zhì)，就不會(huì)有長(zhǎng)期的環(huán)境效益或能源節(jié)約效果。由于WMA技術(shù)的研究和發(fā)展剛剛興起，對(duì)其的研究實(shí)驗(yàn)較少，而且目前應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)它們的使用壽命也較短（在美國(guó)為7年，在某些歐洲國(guó)家超過(guò)10年）。目前還沒(méi)有學(xué)者對(duì)WMA長(zhǎng)期應(yīng)用效果的系統(tǒng)性研究及評(píng)價(jià)。

4現(xiàn)階段存在問(wèn)題

（1）目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)溫拌劑的研究主要是基于瀝青混合料的性能進(jìn)行的評(píng)價(jià)，而對(duì)于瀝青膠結(jié)料的性能，特別是長(zhǎng)期應(yīng)用性能（如老化）的影響研究較少。且國(guó)內(nèi)外尚未建立溫拌瀝青溫拌指標(biāo)的表征方法。

（2）對(duì)于Sasobit、PE蠟類溫拌劑，比較一致的認(rèn)識(shí)是這類物質(zhì)可以降低瀝青高溫下的粘度，而降低粘度后對(duì)瀝青混合料性質(zhì)的影響缺少基礎(chǔ)研究;對(duì)于表面活性劑（乳化劑）類溫拌劑，由于缺乏溫拌劑與瀝青、集料作用原理方面的研究基礎(chǔ)，溫拌瀝青產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)是通過(guò)對(duì)拌合溫度的降低間接限定的。

參考文獻(xiàn)：

[1] S.D.Capit?o，L.G.Picado-Santos，F(xiàn).Martinho.Pavement engineering materials：Review on the use of warm-mix asphalt

[2] Li B，Yang J，Li X，Liu X，Han F，Li L.Effect of Short-Term Aging Process on the Moisture Susceptibility of Asphalt Mixtures and Binders Containing Sasobit Warm Mix Additive[J].Advances in Materials Science & Engineering，2015，2015（5）：1-8.

[3] EAPA.The use of warm mix asphalt – EAPA position paper.Brussels：European Asphalt Pavement Association;2010.

（作者單位：山東建筑大學(xué)）