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全国市政工程行业科技成果展示:泡沫沥青温拌混合料配合比设计方法及路用性能研究

    “泡沫沥青温拌混合料配合比设计方法及路用性能研究”项目于2014年3月立项,2016年11月完成,2018年3月通过中国市政工程协会市政科技专业委员会组织的项目成果鉴定。该项目由沧州市市政工程股份有限公司承担。该项目成果获中国市政工程协会2017年度“全国市政行业市政工程科学技术奖”二等奖,其成果适用于道路工程建设。

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泡沫沥青温拌超薄改性沥青混合料施工

    项目技术研究概况

    道路建设中的热拌沥青混合料是碳排放的一个重要污染源,为有效减少碳排放、降低生产能耗,沧州市市政工程股份有限公司引进了泡沫沥青温拌技术,其利用高温沥青遇水瞬间发泡,生成泡沫沥青的原理,降低沥青泡沫的黏度,从而实现在较低的拌和温度下充分裹附集料,生成技术性能良好的泡沫沥青温拌混合料。

    该项目开发和引入一系列先进的试验方法,对沥青的发泡特性及泡沫沥青温拌混合料的各项路用性能进行深入、全面的研究;基于国内的马歇尔设计体系,深入研究泡沫沥青温拌混合料配合比设计方法,提出适用于国内工程实际的等体积设计方法,能够科学、合理地确定泡沫沥青温拌混合料的最佳成型温度;将核磁共振技术引入工程界,从微观角度研究水分在泡沫沥青中的迁移扩散规律。

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泡沫沥青温拌SMA-13混合料施工

    项目关键技术及创新点

    该项目先后进行了沥青发泡特性、沥青结合料性能、泡沫沥青温拌混合料配合比设计方法及路用性能以及水分迁移规律等研究工作,通过系统深入的室内试验研究及实际生产施工中不断尝试,取得了关键技术的突破。其关键技术及创新点如下:

    1)在膨胀率、半衰期的基础上,引入发泡能力指数、表面积指数、集料裹附性指数、和易性指数等几项新的评价指标,综合确定沥青的最佳发泡条件,同时对每种评价指标提出了针对性的试验方法。

    2)基于泡沫沥青温拌混合料最大限度接近相同配合比热拌沥青混合料体积参数的概念,提出了泡沫沥青温拌混合料等体积配合比设计方法。

    3)通过和易性试验表明泡沫沥青温拌技术降低拌和、施工温度的幅度约为30 ℃。

    4)与普通热拌沥青混合料相比,泡沫沥青温拌混合料高温稳定性略有下降,水稳定性基本持平,低温性能及抗裂性能较好。

    5)采用核磁共振技术构建泡沫沥青的微观结构,提出水分在泡沫沥青中的迁移扩散规律,当水分含量较低(小于1.5 %)时,水分扩散速度随时间的延长呈先增大再减小的规律,而当水分含量较高(2 %)时,水分扩散速度随时间的延长呈单调减小的规律,以此为基础提出水分在泡沫沥青中渗透、迁移的3个阶段。

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黄河路改造提升工程温拌橡胶沥青混合料桥面铺装

    与国内外同类技术的比较

    我国自2005年开始从国外引入温拌沥青混合料技术,并取得了较快的发展。目前国内应用最广的主流温拌技术是美国的Evotherm技术,其主要是乳化沥青类温拌混合料。但是这种温拌技术需要额外采购添加剂,从而提高了温拌沥青混合料的生产成本,经济效益不太理想。

    在美国,泡沫沥青温拌技术已逐渐成为主流技术。该技术是在高温沥青中添加一定比例的水,利用热沥青遇水后瞬间发泡生成泡沫沥青,黏度降低的原理,从而使沥青混合料的拌和温度降低30 ℃左右。采用泡沫沥青温拌技术拌制的混合料路用性能能够达到或接近热拌沥青混合料,同时可减少废气、粉尘的排放,具有较好的经济性和适用性,是一项绿色环保技术。

    目前,泡沫沥青温拌技术在我国还处于起步阶段,有关研究较少,尤其是还未形成一套完整的、适用于国内工程应用的配合比设计方法,对泡沫沥青温拌混合料路用性能的全面评价还较缺乏。沧州市市政工程股份有限公司于2010年从美国MEEKER公司引进国内第1台间歇式沥青发泡装置,并开展泡沫沥青温拌技术的研究工作,先后立项《泡沫沥青温拌技术研究》和《泡沫沥青温拌混合料配合比设计方法及路用性能研究》2项科研课题。《泡沫沥青温拌混合料配合比设计方法及路用性能研究》开发了一种基于马歇尔设计体系的等体积设计方法,科学、合理地确定泡沫沥青温拌混合料的拌和及成型温度,更适合国内的工程实践应用。研究中引入许多先进的试验方法,对沥青发泡特性及泡沫沥青温拌混合料的路用性能进行综合评价,进一步增强了泡沫沥青温拌技术的系统性;将医学上普遍采用的核磁共振技术引入工程界,从微观层面研究了水分在泡沫沥青中的迁移特性,在国内尚属首例。综上所述,该项研究技术水平先进,研究成果居于国际先进水平。

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泡沫沥青温拌混合料生产时无明显沥青烟

    项目应用成果与效益

    成果应用 目前,泡沫沥青温拌技术已在实体工程中得到了推广应用,类型涉及普通沥青混合料、改性沥青混合料、橡胶改性沥青混合料、SMA、超薄磨耗层等,应用情况良好,且符合国家节能减排政策,经济效益、环境效益、社会效益显著。截至目前,仅在沧州地区采用泡沫沥青温拌技术已累计铺筑道路100多km,生产混合料近60万t。同时在沧州市市政工程股份有限公司的大力推广下,泡沫沥青温拌技术已在河北、山东、辽宁、江西、青海等9个省区进行了工程应用,累计铺筑泡沫沥青温拌混合料路面150多km,推广应用前景广阔。相信不久的将来,泡沫沥青温拌技术必将迎来规模化的应用,推动我国道路建设事业的发展。

    项目效益 泡沫沥青温拌混合料的生产拌和温度比普通热拌沥青混合料降低了 30 ℃左右,生产加工成本比普通热拌沥青混合料节省费用7.6元/t,比其他使用温拌剂的温拌技术节省费用35元/t,且节能率达到30 %。此外,拌和温度的降低,使沥青拌和设备的磨损程度降低,节约了沥青拌和设备的维修养护费用,延长了设备的使用寿命。泡沫沥青温拌技术还可减轻沥青的老化,延长道路使用寿命,节约道路维修资金。

    泡沫沥青温拌技术大幅降低了有害气体和沥青烟的排放,经检测,CO2 排放量降低61.5 %,SO2排放量降低74.6 %,沥青烟排放量降低53.8 %,PM2.5和PM10排放量降低60 %以上。施工作业环境明显改善,减少了生产施工对环境的影响和对作业人员健康的危害,从而减少了对环境治理和人员健康的费用投入。

    (沧州市市政工程股份有限公司 供稿

    注:本文刊载于《市政技术》2019年第5期,第1、2页。