路面工程不同拌和類型瀝青混合料能耗研究

雷 濤 梁爭鋒 潼關(guān)縣交通運輸局，潼關(guān) 714300

瀝青路面有行車舒適性高、噪音低等優(yōu)點，它是我國公路和城市道路工程絕大部分采用的瀝青路面結(jié)構(gòu)。瀝青路面的建設(shè)包括從原材料生產(chǎn)、混合料加熱拌和到攤鋪碾壓等諸多過程，研究這些生產(chǎn)和施工過程中產(chǎn)生的能源消耗情況，是開展瀝青路面建設(shè)節(jié)能減排技術(shù)研究的基礎(chǔ)。本文研究了包括熱拌、溫拌和冷拌，三種不同拌和類型瀝青混合料的生產(chǎn)施工全過程的能耗，分析瀝青路面建設(shè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)中的能耗影響因素和主要來源。

1 原料生產(chǎn)能耗分析

1.1 石料生產(chǎn)能耗分析

作為路面建設(shè)重要原材料的石料是將天然巖石開采或進(jìn)行爆破，然后使用專用設(shè)備將石料進(jìn)行破碎和篩選，形成不同規(guī)格的集料產(chǎn)品，石料生產(chǎn)線工藝流程如圖1所示。石料生產(chǎn)線自動化程度高，可以對技術(shù)參數(shù)、處理能力、裝機功率進(jìn)行調(diào)查。石料生產(chǎn)過程主要采用電力驅(qū)動的機械設(shè)備，能源消耗為電能。

圖1 石料生產(chǎn)流程

調(diào)查國內(nèi)外研究數(shù)據(jù)，根據(jù)目前石料生產(chǎn)企業(yè)采用的設(shè)備情況，確定功能單位的石料生產(chǎn)過程的能耗參考值見表1。

表1 1t石料生產(chǎn)過程中能耗

1.2 瀝青的生產(chǎn)能耗分析

瀝青是一種由碳?xì)涓呔畚锖鸵恍┓墙饘兕愌苌锝M成的褐色或黑色混合物，按照生產(chǎn)工藝不同分為調(diào)和型瀝青、溶劑型脫瀝青、直餾型瀝青、乳化瀝青等。其中道路工程用的石油瀝青主要為直餾型瀝青，經(jīng)過石油蒸餾后的殘留物或其氧化而得到的產(chǎn)品，普通的生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。

圖2 瀝青的生產(chǎn)工藝

瀝青的生產(chǎn)驅(qū)動方式一般為電機和液壓站，需要消耗不同種類的燃料和電能，每種類型的瀝青生產(chǎn)工藝略有差別，經(jīng)調(diào)查研究國內(nèi)外具有代表性的基質(zhì)瀝青和改性瀝青的生產(chǎn)能耗見表2。

1.3 乳化瀝青生產(chǎn)能耗分析

乳化瀝青是將粘稠石油瀝青加熱到流動態(tài)，經(jīng)過機械力相關(guān)作用并在乳化劑和穩(wěn)定劑的作用下形成均勻穩(wěn)定的乳狀液體，常用做冷拌瀝青混合料的結(jié)合料。乳化瀝青主要的生產(chǎn)工序為：乳化劑水溶液的調(diào)制，瀝青加熱，瀝青與水比例控制，乳化設(shè)備（膠體磨、高速攪拌機、勻化機），乳液成品儲存，其制備工藝流程如示意圖3。

表2 基質(zhì)瀝青與改性瀝青生產(chǎn)能耗（kg/t）

圖3 瀝青乳液制備的工藝流程

乳化瀝青生產(chǎn)過程的能源消耗主要為電能，結(jié)合我國乳化瀝青生產(chǎn)情況和歐洲瀝青協(xié)會（EBA）的統(tǒng)計結(jié)果，乳化瀝青的生產(chǎn)能耗見表3。

表3 乳化瀝青能耗（kg/t）

2 不同類型混合料拌和過程能耗分析

根據(jù)生產(chǎn)拌和工藝不同，瀝青混合料拌和站可分為連續(xù)滾筒式和間歇式兩大類。間歇設(shè)備生產(chǎn)特點是冷集料從滾筒流出后，經(jīng)二次篩分裝置，把不同粒徑的石料累計儲存后，與礦粉和熱的瀝青按預(yù)先配合比在拌和鍋內(nèi)強制拌和，成品料分批卸出。由于我國瀝青混合料原料變異性大，間歇式設(shè)備在我國公路建設(shè)中占主要市場。

2.1 熱拌瀝青混合料（HMA）拌和階段能耗分析

拌和過程的能耗主要用于集料加熱及烘干，機械設(shè)備運轉(zhuǎn)的電力消耗。間歇式混合料拌和設(shè)備的加熱烘干系統(tǒng)燃料消耗大約占總消耗3/5，電力部分消耗占其總能耗的12%左右。瀝青混合料拌和站的燃料種類主要有柴油、重油、煤炭和天然氣，根據(jù)常用瀝青混合料拌和站的裝機功率和額定生產(chǎn)率可計算出混合料拌和設(shè)備生產(chǎn)單位質(zhì)量瀝青混合料的能耗，見表4。

表4 瀝青混合料拌和站能耗情況

2.2 溫拌瀝青混合料（WMA）拌和階段能耗分析

溫拌混合料技術(shù)是較新的瀝青混合料施工技術(shù)，是與許多材料技術(shù)的集成，具有拌和溫度低、有害氣體排放少的特點。對于液體溫拌劑的添加，需要在瀝青拌和設(shè)備上增加噴灑設(shè)備，但對功率的消耗影響不大，可以忽略；固體溫拌劑采用直接添加的方法，注意攪拌均勻。WMA的生產(chǎn)拌和設(shè)備和HMA所用的設(shè)備基本相同，在集料拌和時溫度低于熱拌瀝青混合料的30℃～40℃。

2.3 冷拌瀝青混合料（CMA）拌和階段能耗分析

CMA的結(jié)合料可采用乳化瀝青、水泥乳化瀝青、液體瀝青等常溫下為液體狀態(tài)的瀝青結(jié)合料，甚至使用樹脂類等非瀝青材料做結(jié)合料。CMA的結(jié)合料和礦料無需加熱，可直接拌和，拌和溫度可低至5℃以下，所以又稱為常溫混合料。由于冷拌混合料使用原料的特殊性，其拌和階段不需要加熱可以用拌和鍋直接攪拌，或是人工拌和，其能耗可根據(jù)拌和鍋功率及生產(chǎn)率依據(jù)定額法計算，能耗主要是電力消耗。

3 不同類型混合施工過程能耗分析

瀝青混合料的施工過程通常分為運輸、攤鋪和壓實三個階段。HMA、WMA和CMA三種類型的瀝青混合料雖然生產(chǎn)拌和過程不同，但是它們的施工過程的工藝流程相同，主要區(qū)別在于施工溫度不同。

目前國內(nèi)瀝青混合料施工基本上是全機械化，尤其是混合料攤鋪機的自動化程度很高，有全液壓驅(qū)動、電子調(diào)控和液壓振動等多種相結(jié)合，可以將混合料均勻地攤鋪到基層上，并按照施工規(guī)范在材料的攤鋪溫度或碾壓溫度范圍內(nèi)進(jìn)行初步振搗和碾壓。攤鋪機型號及數(shù)量的選擇應(yīng)與攪拌站的出料速率、運輸車的工作量相匹配，實現(xiàn)機械化施工的高效性。依據(jù)實際施工情況，一般要求攤鋪機的工作量應(yīng)稍超出攪拌站正常生產(chǎn)能力的20%～30%，工作速度v=0.12～0.36km/h，工作方式為2臺以上聯(lián)合攤鋪，工作面寬度一般為6～8m。

壓實工藝對混合料強度形成作用重大，路面的壓實過程包括初壓、復(fù)壓、終壓三個必需環(huán)節(jié)。壓路機種類很多，根據(jù)工作方式的不同分振動式、靜壓式、膠輪式等。在施工時，壓路機有效的壓實，提高在和混合料相互作用時的有用功，即有抵抗混合料的抗壓實力，與壓路機的類型、機械噸位、工作寬度有關(guān)。我國常見的壓路機型號為：雙光輪式自身質(zhì)量6～8t、輪胎式自身質(zhì)量12～20t、振動式自身質(zhì)量6～14t。根據(jù)相關(guān)資料，選取代表壓路機型號見表5。

表5 幾種壓路機分類和型號

碾壓的速度對壓實效果影響較大，為追求高效、高質(zhì)的路面工程，要以慢而平穩(wěn)的速度碾壓，工作速度應(yīng)控制在規(guī)范推薦的范圍內(nèi)，如表6所示。

表6 壓路機工作速度（km/h）

（1）HMA壓實遍數(shù)

壓路機壓實遍數(shù)關(guān)系到壓實度的大小、面層的空隙率、抗車轍情況，一般認(rèn)為壓實遍數(shù)多路面性能好，但是變數(shù)過多會破壞石料的骨架。對HMA路面建議比較合理的壓實次數(shù)見表7。

表7 HMA各環(huán)節(jié)壓實次數(shù)

（2）WMA壓實遍數(shù)

WMA在攤鋪碾壓時溫度在80℃～90℃，使用與HMA相同的壓實機械，它的壓實工藝原則是緊跟、低幅、均勻、水少。一般攤鋪幅度＜6m時采用2臺鋼輪壓路機與1臺膠輪壓路機，寬度＞6m使用3～4臺鋼輪壓路機，2臺膠輪壓路機，分別完成壓實的三個必備環(huán)節(jié)，所選用的碾壓組合見表8。

表8 WMA的碾壓組合

（3）CMA壓實遍數(shù)

由于冷拌混合料在常溫甚至低溫條件下進(jìn)行壓實，壓實過程考慮冷拌料壓實后交通封閉時間短的特點，研究建議初壓采用6t的輕型壓路機靜壓1～2遍使混合料成型，再使用噸位12t左右的鋼輪振動壓路機復(fù)壓3～4遍。由于施工溫度低，加強壓實力有利于提高壓實度，終壓最好選用膠輪式壓路機壓實1～2遍，可以除去輪胎印，實現(xiàn)規(guī)范中對平整度要求。中間可以加入用無核密度儀測量密度，冷拌料壓實層厚不宜大于100mm，以有利于對于壓實成型的路面達(dá)到建設(shè)規(guī)范要求的壓實度和平整度。

4 結(jié)語

本文對瀝青混合料原材料生產(chǎn)方面的能耗進(jìn)行了調(diào)查研究，針對HMA、WMA及CMA的壓實遍數(shù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)三種混合料在施工壓實過程中壓實遍數(shù)差別不大，其中CMA的壓實遍數(shù)最少，能耗最小。