形成原因
2009年前節能減排、保護環境、可持續發展是世界各國共同關注的熱點問題,中國也把節約資源作為基本國策。熱拌混合料是優點突出,路用性能好,是主流技術。但是也有環境污染重,能耗大,瀝青老化較嚴重等缺點。冷拌混合料雖然環保、節能、混合料可存儲,但是路用性能與熱拌混合料則無法相比。如何保留熱拌瀝青混合料性能良好的特點並克服存在的環境污染重、能耗大、瀝青存在老化等問題,成為大家努力的方向。在此情況下,溫拌瀝青混合料技術出現並迅速投入套用。傳統的瀝青混合料分為熱拌合冷拌兩種,各有優缺點。熱拌熱鋪瀝青混合料路面結構強度高,水、溫穩定性好,是中國高等級公路最常用的路面結構。但施工過程中會產生對人體有害的濃煙,不僅對人體健康有害,還會增加溫室氣體排放和能源消耗。
溫拌瀝青拌合溫度介於熱拌合冷拌之間,結合了兩者優點,避免了雙方缺點。石家莊市環城公路在路面建設中套用了溫拌瀝青技術。河北路橋集團有限公司施工人員針對施工中的技術難題,探索解決方法,成功地完成了施工任務。為在瀝青路面施工中推廣套用溫拌瀝青技術,編寫了《溫拌瀝青混合料施工工法》。
工法特點
《溫拌瀝青混合料施工工法》的工法特點是:
一、少煙或無煙的作業環境,減少對施工作業人員的危害。熱拌瀝青混合料施工中產生瀝青煙,瀝青煙中含有致癌物質,由於溫拌瀝青混合料施工溫度130攝氏度左右,而瀝青加熱到130~140攝氏度以上才會產生瀝青煙,溫拌瀝青技術減少對人體有害的氣體排放81%。
二、減少CO2溫室氣體排放,以及CO、NO、NO2等有毒有害氣體排放。節約能源,減少不可再生資源投入,溫拌瀝青技術是一項節能環保的新技術,社會效益顯著。
三、可以在較低氣溫條件下施工。熱拌熱鋪瀝青混合料要求施工環境溫度必須高於10攝氏度,因此在高原地區或中國北方,冬季就不能施工。而溫拌技術卻能在較低氣溫條件下施工,延長施工周期。
四、減輕施工過程中瀝青的老化,使瀝青與石料粘結界面得到改善,提高瀝青混合料的動穩定度,延長路面使用壽命。
操作原理
適用範圍
《溫拌瀝青混合料施工工法》適用於高等級公路、運輸主幹線道路瀝青路面鋪築,特別適用於長大隧道瀝青路面施工、超薄瀝青路面施工、人口密集城鎮瀝青路面施工、廢輪胎橡膠瀝青路面施工以及低溫條件下的瀝青路面施工。
工藝原理
《溫拌瀝青混合料施工工法》的工藝原理敘述如下:
實現瀝青溫拌,原理是降低瀝青黏度。石環公路採用表面活性平台技術,特點是少量的表面活性添加劑(0.5~1%瀝青用量)、水與熱瀝青在拌合過程中共同作用,表面活性劑富集於殘留微量水和瀝青的界面,暫時在瀝青膠結料內部形成較為穩定的結構性水膜。在拌合過程中,水膜起到潤滑的作用,降低瀝青動力黏度,增加了低溫下的和易性。在碾壓過程中,水膜結構受到破壞,水膜內部微量的水分排除出去,化學添加劑起到抗剝落劑的作用,瀝青性能不受任何影響。
施工工藝
《溫拌瀝青混合料施工工法》的施工工藝流程:
溫拌瀝青混合料工藝流程與熱拌瀝青混合料基本相同,只是需要在拌合時加入DAT濃縮液,工藝流程圖如下圖。
《溫拌瀝青混合料施工工法》的操作要點如下:
一、增加溫拌劑添加系統為實現對拌合鍋準確、穩定地添加Evotherm-DAT添加劑,必須增加一套溫拌劑的添加系統。添加系統通過與拌合鍋瀝青添加信號建立聯繫,配合拌合樓的拌合循環。添加系統由三部分(下圖)組成:管路模組、泵送模組和控制模組組成。管路模組實現濃縮液從儲罐的抽吸和向拌合鍋的輸送、噴灑;泵送模組能夠配合拌合鍋的操作周期,為間歇式供應添加劑提供動力;控制系統通過採集瀝青輸送電信號,以及對輸送系統輸送時間和動力的控制,實現對添加時機和數量的控制。
1.增加添加劑的泵送系統
泵送模組需要能夠實現間歇式向拌合樓供應添加劑,而且滿足穩定、耐久提供的添加劑泵送流量的要求。系統設計能力,取決於但不等於目標添加劑輸送流量,一般情況下,設計能力應為實際可能採用最大輸送流量的1.4倍,以保證系統的耐用性和穩定性。設計泵送能力的計算見下公式。
式中
—拌合樓每鍋產量,噸;
—需要配合的最大瀝青用量,%;
—添加劑對瀝青的比例,通常為5:95;
—每周期的添加劑噴灑時間,秒。需要研究拌合樓控制系統確定,目標是儘可能與瀝青噴灑時間重疊。
2.管路模組
管路模組分為三個不同的功能部分:吸入管道、輸出管道和噴灑桿。各部分功能要求和建議如下:
(1)吸入管道需要採用帶有鋼絲的透明管,型號為G1-1/4,正常向拌合樓供應時不得產生肉眼可見的管徑變化,透明是為了啟動前排除管路空氣方便。
(2)輸出管道採用鋁塑管,型號為G1/2,正常向拌合供應時不得產生肉眼可見的管徑變化。輸出管路上要安裝壓力表,通過壓力表可以觀察管路異常。正常工作條件下的供應壓力約為0.5~0.6兆帕。
(3)噴灑桿型號為G1/2,噴灑孔的寬為2~5毫米,長為10毫米,噴灑桿由長度為30厘米的管節組成,每隔15厘米打有一個噴灑孔。為了保證分散劑順利地噴灑在瀝青上,避免與石料直接接觸,噴頭位置的選擇很重要。分散劑噴頭方向必須和瀝青噴頭方向相匹配,以保證分散劑噴灑區域和瀝青噴灑點區域重合,另外,噴頭安裝高度應該不低於瀝青噴頭的高度,以避免瀝青噴灑在分散劑噴灑桿上面,噴灑桿實際的安裝圖片如下圖所示。
整個添加系統的直徑可以在以上基礎上有所放大。具體需根據添加劑輸送流量驗算,原則是不讓管路系統長時間工作在過大內部壓力下,避免導致接口位置產生破損。
3.控制模組
控制模組可以由兩個功能組成:控制
溫拌劑的噴灑時刻以及DAT的噴灑時間,可以由PLC集成控制方式實現,也可以由兩個延時繼電器實現。氣壓泵系統採用PLC控制系統,通過控制氣源的供應時刻,控制隔膜泵的輸送時間以及儲存罐的噴灑時間,從而控制了DAT的噴灑時刻和DAT的噴灑時間。延時繼電器控制電路主要包括2個控制單元:
(1)噴灑時刻的控制:從電腦控制系統給出的瀝青噴灑時刻信號,信號給出一個電流,帶動延時繼電器1,通過延時電路實現延時,延時過後帶動延時繼電器2,同時向電磁閥發出電流信號,保證濃縮液開始噴灑。
(2)噴灑時間的控制:延時繼電器2接到延時繼電器1的信號後,通過延時來保證電磁閥的工作時間,也就是濃縮液的噴灑時間。對於流量的控制,
齒輪泵可以採用變頻器和噴灑時間的組合形式,而氣壓泵可以採用噴灑時間以及壓力大小調整,齒輪泵採用變頻器控制。不管採用何種輸送方式,控制模組需要設定有流量計,流量計需經過標定。通過流量計實現過程中的流量監測。
4.安裝和調試
(1)噴灑桿安裝時,需要注意噴灑桿安裝高度和位置,確保全裝高度不低於瀝青噴灑桿的高度,且避免攪拌過程與翻起的混合料接觸。添加劑的噴灑扇面儘量與瀝青噴灑扇面重疊並靠近兩個攪拌漿之間的位置。
(2)進液管連線埠必須裝有過濾網,避免雜質進入泵送系統。運行過程中需觀察流量,過濾網需經常清理,避免因堵塞影響流量。
(3)出液管必須採用耐壓鋁塑管,管口的連線必須採用剛性活接頭,避免使用過程中壓力衝破管路接口。
(4)確認流量計安裝正確有效,並在使用前進行標定。
調試和標定:在正式生產前,需要對添加劑的添加量進行標定,主要通過調整控制臺上的延時繼電器(即噴灑時間)來實現。首先根據混合料的類型與拌缸每次出料的數量來確定每次噴灑量。例如:3000型拌合樓每次出料3噸,每噸混合料要求添加2.5千克添加劑,則每次添加劑的添加量為2.5×3=7.5千克;然後估算出添加時間,添加設備每秒噴灑量約為1.1千克,7.5/1.1=6.8秒,將延時繼電器時間調到6.8秒,按下手動噴灑按鈕,待噴灑完成,讀控制臺上流量計上的讀數,如與要求的噴灑量有誤差,通過增加或減少噴灑時間來調整,直至達到要求噴灑量。如果噴灑時間為固定的,可通過調整壓力罐出口處的手動閥門增加或減少添加劑的流量來達到要求的噴灑量。
5.注意事項
泵送系統管路不應有滲漏,否則重新進行裝配。檢查電磁閥的和氣閥工作狀態:無電時循環,得電時噴灑,並且檢查氣路系統有無泄露。按照計量要求,合理確定噴灑時間及變頻器頻率。如發現流量不穩或變小,請檢查過濾器是否堵塞,若有堵塞可拆下濾網仔細清洗後裝回。計量泵禁止無液體運行,否則會導致泵的損壞。添加劑溫度應不高於60攝氏度,否則套用耐高溫硬管。新的計量泵如發現阻力過大或有轉不動現象,請稍松泵外殼上的4個螺栓,如發現有泄露情況,請稍緊泵外殼上的4個螺栓,保證正常工作。壓力表循環時的壓力一般為0.3~0.4兆帕,工作壓力為0.5~0.6兆帕,觀察壓力表即可知道系統是否工作正常。時刻注意儲液罐容量,勿使吸空。每次設備使用完以後用50~60攝氏度的熱水循環幾次,對泵和管路內部進行清洗,避免濃縮液沉積在泵和管路裡面。
二、設定拌合缸排氣口
氣體的反衝力會影響到礦料的計量,需要在拌合缸中設定排氣口,以消散氣體,排氣口直徑50~60厘米,外接排氣管,排氣管的長度為1.5米,排氣口的設定高度稍大於混合料拌合區高度,以便氣體順利排出。
三、標定濃縮液流量
正式生產之前,需要標定濃縮液的流量,濃縮液與瀝青的比例為10:90,用量通過繼電器控制噴灑延續時間,從而控制噴灑量。
四、下料順序
瀝青開始噴灑後隨即噴入DAT濃縮液,噴灑延續時間控制在8~10以內,且必須保證在瀝青噴灑結束之前完成濃縮液的噴灑,在瀝青噴灑結束後添加礦粉,該時水蒸氣已排出完畢,從而避免影響礦粉計量精度、減少礦粉損失及礦粉堵塞情況。
五、溫拌瀝青混合料的施工溫度
溫拌瀝青混合料施工溫度見下表。
六、施工準備
施工前做好以下幾項準備工作:
1.備好石料、瀝青、機制砂等各種原材料,石料經現場水洗、二次過篩。
2.調試拌合樓,首先根據目標配比進行試拌,試拌時將二次篩分後進入熱料倉的材料取樣篩分,再次確定各熱料倉的材料比例,供拌合機控制室使用。同時反覆調整冷料倉進料比例達到供料平衡,根據試驗組成設計,確定生產配合比。
3.鋪築之前要對下承層進行清掃,保證表面潔淨,無浮料、雜物,並灑布SBS改性瀝青防水層(或粘層油)。
4.對各種施工機具做全面檢查,並經調試使其處於性能良好狀態,攤鋪、碾壓設備現場就位。
5.測量員恢復中線,並在兩側路肩釘設控制樁,每10米一排樁。根據中線按設計要求放出路面邊緣線和路肩線。
七、拌合
1.表面活性平台溫拌技術在瀝青混合料的拌合過程中,要產生一些水氣,為了儘快排除拌合過程產生的水汽,拌合鍋需打開孔徑不小於30厘米的排氣口。排氣口的設定高度稍大於混合料拌合區高度,以便氣體順利排出。
2.溫拌濃縮液添加方式:DAT濃縮液與
瀝青按質量比10:90加入拌缸,瀝青開始噴灑後3秒開始噴人DAT濃縮液,噴入延遲時間控制在8~10秒以內,且必須保證在瀝青噴灑結束之前完成濃縮液的噴灑。
3.每盤料拌合時間不低於60秒,其中濕拌6秒後再添加礦料,再繼續濕拌。
4.溫拌瀝青混和料生產時,可摻加消石灰粉代替部分礦粉。
5.檢查混合料拌合均勻性,以無花白料、無結團成塊和粗細分離為好。
6.生產添加纖維的瀝青混合料時,纖維必須在混合料中充分分散,拌合均勻。拌合機應配備同步添加裝置,鬆散的絮狀纖維在可以噴入瀝青的同時或稍候採用風送設備噴入拌合鍋,拌合時間宜延長5秒以上。顆粒狀纖維可在粗骨料投入的同時自動加入。
7.逐盤列印瀝青及各種礦料的用量及拌合溫度,每個工作班結束,列印各料數量,進行總量控制。
八、運輸
混合料採用大噸位自卸汽車運輸,但不得超載運輸。運料車的運力應稍有富餘,施工過程中攤鋪機前方應有運料車等候。為防止混合料與車廂板粘結,車廂側板與底板可塗一薄層油水混合液(柴油與水比例為1:3),但不得有餘液積聚在車箱底部。運輸車輛在裝料時應派專人指揮前後移動,先裝前部,再裝後部,最後再裝中間,防止出現混合料離析現象。車輛按規定線路行駛,不得在養護期間的鋪築層行使,車輛行走速度不宜太快,保證運輸安全。混合料要儘快運至鋪裝現場,保證及時、連續和安全。為了保證攤鋪溫度、防止溫度離析、防雨、防污染,運輸時採取加蓋苫布、棉被等切實可行的保溫措施。運料車進入攤鋪現場時,輪胎上不得沾有泥土等可能污染路面的髒物。為了保證連續,開始攤鋪時,現場待卸料車不得少於5輛。
九、攤鋪
採用一強整幅攤鋪機攤鋪,虛鋪係數1.2。攤鋪前應先檢查各部位是否牢固安全,然後根據攤鋪的寬度和厚度調整攤鋪機熨平板的寬窄和仰角的大小,開始攤鋪前提前1小時預熱熨平板不低於100攝氏度。攤鋪時使用非接觸式浮動梁自動找平,控制攤鋪的標高、厚度和平整度,攤鋪縱縫平行於中線。在運料車與攤鋪機間使用瀝青混凝土轉運車,自卸車將混合料卸到轉運車中,轉運車通過膠帶輸送機將瀝青混凝土混合料送至攤鋪機料斗中,為保持攤鋪的連續性,卸料有專人指揮,一車卸完下一車立即跟上,以保證混合料均勻、不間斷地攤鋪。攤鋪速度根據混合料的供應能力確定,一般掌握在2~3米/分鐘左右,避免攤鋪機停機待料情況。攤鋪過程中不得隨意變換速度,根據拌合樓生產量最終確定攤鋪速度,避免中途停頓,影響平整度。攤鋪室內料要飽滿,送料應均勻,攤鋪機螺旋送料器應不停地轉動,兩側應保持有不少於送料器高度2/3的混合料,並保證在攤鋪機全寬斷面上不發生離析。攤鋪前要對每車料進行檢測,發現超溫料、花白料、不合格材料要拒絕攤鋪,退回廢棄。攤鋪機攤鋪3~5米後,測量員及時覆核橫斷面各點標高與橫坡是否合適,以便及時調整松鋪係數和橫坡。攤鋪過程中檢測人員隨時檢測攤鋪厚度,以確保幾何數據準確無誤。
十、碾壓
混合料攤鋪後應立即對路面進行檢查,對不規則之處及時用人工進行調整,隨後進行充分均勻地碾壓。壓路機應從外側向中心碾壓,超高段則由低向高碾壓;相鄰碾壓帶重疊寬度振碾不大於20厘米,靜碾不小於20厘米;要將壓路機的驅運輪面對攤鋪機方向,防止混合料產生推移,碾壓方向不應突然改變,壓路機起動、停止必須減速緩慢進行。瀝青混合料的壓實按初壓、復壓、終壓三個階段進行。
初壓:攤鋪之後在較高溫度下立即進行碾壓,初壓長度控制在30米左右,瀝青混合料內部溫度不低於125攝氏度。初壓採用XP301膠輪壓路機、LRSS2030膠輪壓路機各1台分別全寬碾壓1遍,速度控制在3.5~4.5千米/小時。復壓:復壓緊接在初壓後進行,碾壓段長度控制在60~80米以內,採用寶馬震動震盪壓路機、DD-130、CC-722震動壓路機各碾壓2遍,速度控制在2.5~3.5千米/小時。終壓:終壓緊接在復壓後進行,速度控制在2.5~3.5千米/小時,採用CC-501振動壓路機關閉振動碾壓2遍以上,直至表面無輪跡。碾壓終了溫度應不低於70攝氏度。在碾壓過程中設專人進行質量檢測控制和缺陷修復。對壓路機無法壓實的橋樑、擋牆等構造物接頭、拐彎死角等壓路機壓不到的地方,應採用手夯或機夯把混合料充分夯實。壓路機不得停留在溫度高於70攝氏度的已經壓過的混合料上,同時採取有效措施,防止油料、潤滑脂、汽油或其他有機雜質在壓路機工作及停放期間灑落在路面上。
材料設備
《溫拌瀝青混合料施工工法》所用的材料及設備明細如下:
一、粗骨料:山東產玄武岩,各項技術指標滿足《公路瀝青路面施工技術規範》的要求。
二、細骨料、礦粉:購自石家莊鹿泉石料廠、礦粉加工廠,各項技術指標滿足《公路瀝青路面施工技術規範》的要求。
三、瀝青:天津科氏SBS改性瀝青,各項技術指標滿足《公路瀝青路面施工技術規範》的要求。
四、溫拌劑:溫拌劑(DAT濃縮液)的濃度為7%,即F6:蒸餾水=7:93。溫拌劑與SBS改性瀝青的質量比例為10:90。
五、混合料級配:混合料級配見下表。
六、瀝青拌合樓安裝濃縮液輸送設備,並設定拌合缸排氣口。機具設備配備見下表。
七、勞動力組織見下表。
質量控制
《溫拌瀝青混合料施工工法》的質量控制要求如下:
一、溫拌瀝青混合料施工除通過添加DAT濃縮液,可在較低溫度下(比熱拌瀝青混合料施工操作溫度降低30~60攝氏度)實現瀝青路面施工外,質量標準與要求應滿足《公路瀝青路面施工技術規範》、《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》、《公路工程集料試驗規程》、《公路工程質量檢驗評定標準》等有關標準與規範。
二、標準、規範中沒有規定,為達到工程質量目標而必須採取的技術措施有:嚴格控制濃縮液與瀝青的比例,濃縮液噴入的時刻與噴灑延遲時間,混合料拌合時間,混合料的施工溫度。
三、溫拌瀝青混合料性能評價見下表。
安全措施
採用《溫拌瀝青混合料施工工法》施工時,除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外,尚應遵守注意下列事項:
一、應遵照中華人民共和國《公路工程施工安全技術規程》的要求執行。
二、應遵照國家頒發的有關安全技術規程和安全操作規程辦理。
三、對參加瀝青路面施工的人員應穿戴勞保防護用品,防止燙傷,夏季高溫季節施工,應採取防暑降溫措施。
四、對從事瀝青試驗檢測人員除做好通常的瀝青作業防護以外,還得做好三氯乙烯等有害氣體的防護並發放一定的補貼。
五、改性瀝青拌合場應經常檢查導熱油,防止泄漏入瀝青罐中而引發火災,拌合場內應採取有效的防火、防爆、防毒措施,場內嚴禁菸火,設定醒目防火警示牌,並配備一定數量的消防器材。
六、瀝青混合料拌合場的燃油罐和加油站應與導熱油熱載體爐有足夠的安全距離,防止發生火災。
七、凡是對瀝青敏感的施工人員和試驗人員禁止從事瀝青路面的施工工作。
環保措施
《溫拌瀝青混合料施工工法》的環保措施如下:
一、選擇瀝青拌合場地時,應遠離居民區及村莊,無法避開居民區或村莊時應選擇在主風下方。
二、瀝青混合料拌合設備必須有良好的二級除塵裝置並能有效地進行除塵,使空氣品質標準符合當地環保部門的要求。
三、廢棄的粉塵和瀝青混合料存放在指定地點,粉塵可採用濕排法或採用經常灑水及覆蓋等措施,防止粉塵擴散。
四、拌合樓的礦粉和發電機等設備的噪聲,應符合當地環保部門的要求,不符合者應採取有效措施。
效益分析
《溫拌瀝青混合料施工工法》的效益分析如下:
一、溫拌瀝青施工技術可減少CO2溫室氣體排放,減少CO、NO、NO2等有毒有害氣體排放,減少施工過程中對作業人員的危害,節約能源,減少不可再生資源投入,社會效益顯著。
二、溫拌瀝青技術可以在較低氣溫條件下施工,延長施工周期,在臨近冬季又需要搶工期時,可提高經濟效益。
三、溫拌技術減輕施工過程中瀝青的老化,提高瀝青混合料的穩定度,延長路面使用壽命,提高經濟效益。
四、溫拌瀝青混合料的礦料加熱溫度是130~135攝氏度(普通瀝青混合料),140~145攝氏度(改性瀝青混合料),比熱拌瀝青技術低30攝氏度左右,可減少燃澆油的使用,節約資源消耗。熱拌技術每噸瀝青混合料消耗燃燒油7千克,溫拌技術每噸瀝青混合料消耗燃燒油5.5千克,節約燃燒油21%。據統計顯示,使用溫拌瀝青混合料可以節省高達55%的能源,根據理論計算以及在美國、加拿大和歐洲的溫拌技術報告,當瀝青混合料生產溫度下降40~50攝氏度時,可以節省30~50%的燃油。由於生產工藝和燃燒效率的差別,同樣的溫度條件下,在中國可節省燃油20~30%。由此,按照每生產1噸溫拌混合料節省2.0千克燃油,中國年均生產2.0億噸混合料計算,如果全部轉化為溫拌瀝青混合料,則每年可節省燃油400000噸。
五、通過對拌合站及攤鋪現場環境進行大氣漂浮物、二氧化硫、二氧化碳、一氧化碳、一氧化氮、二氧化氮檢測,排放檢測結果對比,溫拌瀝青混合料較熱拌瀝青混合料PM10降幅為40%,S02降幅為42%,C0降幅為47%,C02降幅為10%,N0降幅為30%,N02降幅為70%。
套用實例
《溫拌瀝青混合料施工工法》的套用實例如下:
一、石家莊市環城公路路面工程L2契約全長23.758千米,雙向6車道。在2008年AC-13型細粒式改性瀝青混凝土表面層施工中套用了該工法,設計厚度4厘米,半幅寬度14.25米。混合料目標配合比,10~15毫米:5~10毫米:3~5毫米:0~3毫米:礦粉=24:31:8:33:4,最佳油石比為4.6%,表乾法毛體積相對密度2.528;生產配合比10~20毫米:7~11毫米:3~7毫米:0~3毫米:礦粉=22:28:7:38:5,最佳油石比為4.6%,表乾法毛體積相對密度2.514。施工過程中各項檢測指標均滿足《公路瀝青路面施工技術規範》的相關要求。
二、在2008年河北省石黃高速公路超薄瀝青混凝土罩面時套用了溫拌瀝青技術,路面結構為:2.5厘米SBS改性瀝青UTAC-10罩面層。
三、在2010年河北省青銀高速公路養護中採用了溫拌薄層瀝青混凝土罩面,套用了溫拌瀝青混合料施工技術,路面結構為:2.5厘米橡膠粉改性瀝青UTAC-10罩面層。
榮譽表彰
2011年9月30日,中華人民共和國住房和城鄉建設部審定《2009-2010年度國家二級工法名單》,以建質[2011]154號檔案公布,《溫拌瀝青混合料施工工法》被評定為中國國家二級工法。