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EAPA立场文件┃温拌沥青的使用(节选)
2020年06月12日    阅读量:2036    新闻来源:rewaycando 利维康道  |  投稿

摘要

自20世纪90年代中期以来,已经开发了一系列技术来降低热拌沥青(HMA)的拌合和铺设温度以及生产能耗。本文重点介绍了温拌沥青(WMA)技术,该技术用于在略高于100℃的温度下生产沥青,其性能或性能相当于传统的HMA沥青混合料。典型的WMA应用温度比同等的热拌沥青低20-40℃沥青网sinoasphalt.com。所涉及的能耗更少,在摊铺作业期间,混合料中的温度更低,从而降低排放,降低人员接触,改善工作条件。

这种较低的接触程度支持了欧洲沥青行业在铺路作业中减少沥青烟雾的目标。

本文件向WMA的潜在用户和生产商提供信息,并概述了:

可用的技术

WMA混合料的性能

WMA的好处

欧洲沥青标准允许使用WMA的方式

生产WMA时对沥青厂的影响

总结和建议


1.介绍

最早的WMA技术是在1990年底开发的,添加剂在德国和挪威进行了试验,研制了WAM-Foam®工艺。

图1显示了WMA如何适应从冷拌合到热拌合的各种技术:

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图1:按温度范围分类



冷拌料:由未加热的集料和乳化沥青或泡沫沥青制成;

半温沥青:生产温度在大约70℃到大约100℃之间;

温拌沥青:在大约100到150℃的温度下生产和拌合;

热拌沥青:在大约120到190℃的温度下生产和拌合。热拌沥青的生产温度取决于所使用的沥青。


本文描述了所使用的主要WMA技术,沥青生产温度高于100℃。混合料具有与常规热拌沥青相当的性能。


通过使用温拌沥青获得的较低的拌合和摊铺温度将烟雾和气味排放降至最低,并为沥青工人创造了较冷的工作条件。根据经验,每降低12℃,烟气的释放量就会减少50%左右。


这种排放的减少是欧洲沥青行业鼓励使用温拌沥青的最重要原因。


2.WMA生产技术


温拌沥青(WMA)技术在100℃以上运输施工,所以混合物中剩余的水量非常少。使用各种技术来降低粘合剂的粘度使得能够在较低温度下完全裹覆并随后压实。


最常见的技术是:有机添加剂;化学添加剂;发泡技术。


混合料或沥青中的有机添加剂


不同的有机添加剂可用于降低温度高于约90℃时粘合剂(沥青)的粘度。添加剂的类型必须仔细选择,以使其熔点高于预期的使用温度(否则可能发生永久变形),并使沥青在低温下的脆化最小化。可以加入混合料或沥青中有机添加剂,通常是蜡或脂肪酰胺。


一种常用的添加剂是通过天然气转化生产的特殊石蜡。


有机添加剂通常能使温度降低20-40℃,同时还能提高沥青的抗变形能力。


化学添加剂


化学添加剂不会改变沥青的粘度。作为表面活性剂,它们在集料和沥青的微观界面上起作用。它们在一定温度范围内(通常在85℃和140℃之间)调节和减少界面摩擦力。因此,可以混合沥青和集料,并在较低温度下压实混合料。


化学添加剂可将拌合和压实温度降低约20-40℃。


发泡技术-启动沥青的发泡过程


采用了一系列发泡技术来降低沥青的粘度。采用各种方法将少量的水引入热沥青中,水变成蒸汽,增加沥青体积,并在短时间内降低其粘度。沥青的膨胀允许在较低温度下对集料进行裹覆,残留的水分支持施工现场沥青的压实。生产和摊铺温度可以同时降低。


膨胀量取决于许多因素,包括加入的水量和粘合剂的温度。


发泡通常使用两种技术:


-注射发泡喷嘴

-矿物


直接的发泡方法是通过发泡喷嘴向热沥青中注入少量受控制的水。 这导致粘合剂有效体积暂时的大量增加,这有利于在较低温度下拌合。 在压实过程中,一些蒸汽残留在沥青中,降低了有效粘度并促进了压实。 在冷却时,粘合剂恢复正常,因为水的量是微不足道的。


这种技术可以使沥青混合料的温度降低约20至40℃。


图2和3显示了发泡喷嘴的例子。

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图2:泡沫喷嘴(www.foampalphalt.info)

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图3:泡沫喷嘴


在间歇式搅拌设备上,沥青发泡可与多相拌合工艺相结合。另一种方法是“两相发泡法”[3],先用软质沥青覆盖集料,然后添加填料。之后,添加泡沫硬沥青并混合,形成中间结合料等级的温热混合料。


间接发泡技术使用矿物作为发泡水的来源,通常使用沸石家族的亲水性矿物。沸石是一种结晶水化硅酸铝,含有约20%的结晶水,在100°C以上释放。这种释放的水会产生可控的发泡效果,可以在6-7小时内或直到温度降到100°C以下时,提供改善的可加工性。


在这种情况下,发泡可改善混合料的和易性,从而使混合料温度降低约30°C,具有同等的压实性能。


第二种间接发泡技术使用沙子(或RAP)上的水分来产生自然产生的泡沫。 这是一种连续技术, 将代表约80%配合比设计的粗骨料干燥/加热至130-160℃,然后用沥青裹覆,从而在粗颗粒上形成厚粘合剂膜。 下一阶段涉及添加冷/湿部分。 与热沥青接触的水分引起发泡,这有助于冷湿RAP或细骨料的裹覆。


这种技术能够降低与通过喷嘴直接发泡相同的温度,约20-40℃。


除上述技术外,还有可用于生产温拌沥青的组合产品,如带有纤维和沸石的托盘或带有有机添加剂的纤维。


可以看出,温度降低的受益在20到40°C之间(或多或少),这与所使用的技术无关。必须记住,这种受益也取决于所使用沥青的铺装等级。


3.WMA的等效性能


德国和挪威WMA的使用历史可以追溯到十多年前。


德国


在德国,1998年至2001年期间建造了许多试验段和WMA(以及其他低温技术)的商业应用。BASt 已经监视了七个试验区。七个项目中有六个是SMA混合料,一个是密级配混合料。根据所有情况下的实验室和现场性能数据,试验段的性能与HMA控制段相同或更好[4]。


挪威


挪威最早的WAM泡沫沥青试验段建于1999年。同样在挪威,总体结论是,WAM泡沫段的性能似乎与之前的HMA覆盖层相似[5]。


文献[5]中的结论是:根据实验室和短期(3年或更少)现场性能数据,WMA混合料似乎提供与HMA相同的性能或更好的性能。其他研究还表明,WMA混合料的性能和使用特性与传统混合料相当,而且往往更好[6][7]。


这种良好的表现被认为有几个原因。特别是由于提高了可加工性,可以实现更高的压实密度。这种较高的密度减少了沥青的长期使用硬化,也防止了水的进入。


较低的生产温度还可以减少沥青在生产阶段的老化,从而提高沥青的耐热性和抗疲劳开裂性。


和易性改善也有可能延长施工季节,延长沥青混合料在任何一天的铺筑时间。


最近的研究


文献[8]回顾了世界各国进行的WMA技术现场试验,重点是WMA和传统HMA之间的性能差异。


在美国阿拉巴马州奥本的国家沥青技术中心(NCAT)和加州大学路面研究中心(UCPRC),美国他们使用重型车辆模拟器(HVS)对WMA和HMA技术在加速重载下的对比性能进行了加速加载研究。这些试验涉及混合料的生产、试验路面的建造和现场性能的监测,包括详细的(路面内)载荷响应数据。还对现场和实验室样品进行了广泛的实验室研究,以便将WMA与HMA的相对性能与在当前HMA配合比设计程序中实施WMA的建议进行比较。


NCAT和UCPRC正在进行的工作表明,WMA路面的性能至少相当于HMA的性能[10]。


在欧洲进行了大量的研究,结果表明,无论采用何种工艺,与传统的热拌混合料相比,都能获得相同的力学性能。


4.WMA的优点


与热拌沥青相比,使用温拌沥青最重要的好处是,摊铺作业期间沥青烟暴露水平显著降低。这一较低的暴露水平支持了欧洲沥青工业的目标,即在摊铺作业期间减少沥青烟雾,以改善沥青工人的工作环境。


第二个原因是京都议定书( the Kyoto protocol)。在这方面,批准国同意在2008年至2012年间将温室气体排放量(主要是二氧化碳排放量)降至1990年水平的5%。欧洲沥青工业努力对此作出贡献,并启动减排措施。较低的混合和铺设温度将减少温室气体排放。


在本章中,使用/生产WMA的好处描述如下:


• 沥青工人福利(Asphalt workers benefits)

• 环境效益(Environmental benefits)

• 生产和摊铺效益(Manufacturing and paving benefits)

• 铺路作业效益(Paving operations benefits)


沥青工人福利


较低的拌合和摊铺温度最大限度地减少了烟雾和气味的排放,并为沥青工人创造了较冷的工作条件。根据经验,温度每降低12摄氏度,烟雾的释放就会减少50%左右。因此,温度降低25°C可以减少大约75%的烟气排放。


减少排放量是欧洲沥青行业鼓励使用温拌沥青的最重要原因,符合2009年IARC的建议。


2009年7月发表的IARC研究"欧洲沥青工人队列中的肺癌病例对照研究”[9]没有发现肺癌风险与接触沥青烟雾之间存在关联的证据。然而,这项研究的结论提到,“我们的研究结果强调了当前减少工作场所吸入和皮肤接触沥青的趋势的重要性”。


减少摊铺作业期间的暴露也将减少沥青烟雾可能造成的刺激。


正是由于这些原因,欧洲沥青工业正在鼓励使用温拌沥青,以减少摊铺作业期间的暴露。


注意–需要评估添加剂或改性沥青的使用,因为此类添加剂的排放会抵消较低摊铺温度的工地排放益处。


图4显示了应继续的主要暴露变量[9]的指定暴露时间趋势。

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2011年在挪威进行的一项研究显示,与HMA相比,铺设WMA道路时沥青烟雾/蒸汽的暴露程度要低得多。在挪威[10]在同一天与HMA和WMA一起进行的道路铺设工程中,对11个试验路段的工作环境进行了评估。研究结果显示,根据测量方法,在沥青温度平均降低29℃的情况下,沥青烟雾的平均(算术平均值)显著减少58-67%。


这种烟雾和气味排放的减少也最大限度地减少了对工作场所附近公众的不便。


环境效益


由于WMA的生产温度较低,加热骨料所需的燃料较少,降低了沥青拌合厂的排放量。实际减少量因多种因素而异,应根据具体情况进行考虑。


然而,文献中报告了WMA和半温沥青的显著减少:


WMA和半温沥青生产产生的工厂烟囱排放量显著减少[5]。二氧化碳的减少量在20%到40%之间。二氧化硫的减少量在20%到35%之间。挥发性有机化合物(VOC)的还原率可达50%,一氧化碳(CO)的还原率可达10%至30%,氮氧化物(NOx)的还原率可达60%至70%。


微粒释放的减少量从20%到55%不等[5]。实际减排量根据许多因素而变化,例如所用燃料。导致更大温度降低的技术预计将有更大的减排。


其他研究人员[6]也展示了与[5]类似的数据:二氧化碳、二氧化氮和二氧化硫等温室气体的排放量也按与能源增加量相同的比例减少,根据这些过程,这一比例约为25%至50%。

对沥青气溶胶/烟雾和多环芳烃(PAHs)的测试表明,与HMA相比,PAHs显著减少,结果显示减少了30%至50%。应注意的是,常规HMA的所有暴露数据均低于当前可接受的暴露限值。


简而言之:

•降低WMA和半温沥青工艺中的生产温度确实显著减少了烟囱排放量;

•减少燃料和能源的使用减少了温室气体的产生,减少了二氧化碳/碳足迹;

•较低的拌合和铺路温度有助于将烟气、排放物和气味降至最低,并随后降低工人接触工厂散逸性排放物的可能性。


注意——添加剂所包含的二氧化碳“足迹”可能会抵消从能源和减排中获得的一些节约。


生产和摊铺效益


温拌沥青的使用有几个优点,不仅对于沥青混合料本身,而且对于摊铺作业:


生产效益:

•较低的沥青温度导致沥青/粘合剂在制造过程中硬化较少。

•较低的生产温度降低了设备部件的热应力。

•WMA与再生沥青的使用完全兼容。


铺路作业的好处:


温拌沥青的使用改善了沥青的处理特性,并为沥青工人和工作现场附近的公众创造了更舒适的(工作)环境:

•对于某些技术,如泡沫,WMA可以在比传统HMA更低的温度下压实,达到同等的压实度。

•或者,在HMA温度下生产WMA将允许延长运输和压实时间。因此,可以从具有相同和易性程度的每个工厂提供更远的场地,或者延长达到相同压实度的和易性时间。或者,在相同的(HMA)温度下可以达到更高的压实度。这还可以将施工季节延长到寒冷的月份和/或夜间工作。

•WMA可用于受场地限制的深层补丁。由于较低的温度WMA以较少的热量启动,因此它将更快地冷却到环境温度。因此,该场地可以在早期开放交通。


5.WMA和欧洲标准


“沥青混合料”的欧洲标准(EN 13108-1至-7)不排除使用温拌沥青。


欧洲标准包括特定混合料的最高温度,但没有最低温度。沥青混合料交付时的最低温度由制造商公布。标准还包括处理含有添加剂的混合料的规定,但须证明其具有同等性能。


因此,不应将欧洲标准视为引进WMA的障碍。


6.生产WMA时对沥青拌合厂的影响


低温拌制沥青影响整个生产过程。与所采用的WMA技术(如泡沫发生器)直接相关的工艺变化,以及沥青厂需要满足的其他后果或附加要求(如燃烧器的工作范围)。


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Figure 5: Modern batch mixing asphalt plant


保持所需的集尘室温度


需要防止过滤系统中的废气冷凝。冷凝会导致滤袋堵塞和金属部件腐蚀。


因此,袋式除尘器内的废气温度需要随时高于露点。降低集料温度会改变干燥滚筒的热平衡。为了确保所需的废气温度,可以在干燥滚筒上安装变频驱动器。这使得在将集料加热到较低温度的同时保持较高的废气温度成为可能。一般来说,干燥滚筒的可变转速为加热过程创造了高度的灵活性。


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低温干燥骨料


传统的干燥筒设计用于在热拌温度下干燥和加热骨料。根据可用的干燥滚筒,可能需要改变滚筒内的气流类型和位置。如上所述,干燥滚筒的可变转速也支持这一点。


燃烧器的工作范围


低温沥青的好处之一是减少燃料或气体消耗。因此,燃烧器需要能够在部分负荷下产生稳定的火焰。电子燃烧器控制系统确保正确的空气燃料比和燃料辅助空气比。如果燃烧器不能在精确的性能水平下工作,工厂将需要频繁地启动和停止干燥过程,导致效率下降。


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过程和质量控制


低温技术的应用增加了沥青生产的复杂性。生产过程的质量控制需要得到重视。需要高水平的自动化(如添加剂添加)、过程控制(如沥青泡沫发生器的压力水平、温度测量)和文件。现代沥青生产系统提供这种功能,以确保合规性。


泡沫发生器


泡沫沥青装置扩大了搅拌站的产品组合,使不同的道路施工沥青以及聚合物改性沥青能够发泡。例如,它也可以用来制造100 %回收材料的冷基层。首先将热沥青泵入泡沫发生器,不含化学添加剂的冷水在高压下注入,并与热沥青混合,然后迫使水/沥青混合物通过出口。


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改性沥青储存量


一些低温沥青是以改性沥青为基础的。根据这些类型沥青的储存和离析特性,沥青罐需要配备防止离析的部件(如搅拌器、泵)。

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拌合顺序的灵活性


在使用添加剂或发泡技术的同时,需要调整拌时间和向拌合器中添加组分的顺序。工厂控制系统需要相应的灵活性来为每个沥青生产配方定义拌合顺序。


7.采购


对能源使用和碳足迹的日益关注可能会激发人们对更广泛使用WMA和其他节能技术的兴趣。在采购过程中给予低能源/低碳技术一些优势以鼓励其使用可能是适当的。任何“绿色”采购都需要采用生命周期评估方法,以确保替代产品提供同等性能,并充分评估适当的维护方案。各种透明和客观的模式可用于协助这一进程。


8.总结和建议


近年来,生产温拌沥青已有几种技术。 

目前最常用的是:

-有机添加剂 

-化学添加剂 

-发泡技术


这使得沥青混合料的生产和铺设温度比传统热拌沥青低20至40℃。


研究表明,WMA混合料的性能特征至少与传统混合料相当,通常可以实现更好的和易性性和更好的压实。


较低的生产温度也减少了沥青在生产阶段的老化,从而提高了沥青的耐热性和抗疲劳开裂性。


WMA的使用有利于: 

-沥青工人:减少暴露在烟雾和气味中的可能性,以及更凉爽的工作环境 

-环境:所需能源更少,排放更少 

-铺路作业:更好的工作性,延长施工季节,提前开放道路 

-经济问题:所需燃料更少


WMA技术可用于大多数类型的沥青混合料,包括传统上在高温下生产的混合料,如EME2和沥青玛蹄脂,以及含有聚合物改性沥青的沥青混合料。


新技术不断发展。


由于WMA的许多优点,它的使用正在增长,预计WMA的使用将成为标准做法。


在环境、沥青工人、铺路作业和经济效益方面的优势也必须引起政界人士和道路管理部门的指定人员的注意,他们必须相信WMA的优势。


今后应根据现有铺路工程的经验,提供更多的数据来支持良好的性能和增强的耐久性。在未来,碳足迹/环境因素将变得更加重要,而使用WMA可能是实现低碳足迹的途径之一。在投标过程中,一个良好且易于使用的计算环境影响的LCA工具将是有益的。


最后但并非最不重要的一点是,将WMA技术纳入地方和国家规范将刺激该行业为社会提供有关生态问题的最新解决方案。




标签:施工案例技术中心改性沥青
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