温拌沥青混合料技术研究与应用综述

陶有成,雷杰超,禤炜安

(1.广西壮族自治区公路发展中心,广西 南宁 530029;2.广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007;3.广西道路结构与材料重点实验室,广西 南宁 530007;4.高等级公路建设与养护技术、材料及装备交通运输行业研发中心,广西 南宁 530007)

0 引言

近年来,“双碳”发展战略已成为全球热点,交通建设行业也在积极探索绿色化、低排放发展路径。热拌沥青混合料(HMA)的生产温度一般在140 ℃以上,这不仅要消耗大量的能源导致成本增加,还排放大量有害烟雾造成环境严重污染,威胁人体健康。为了降低能耗,减少温室气体的排放,研究人员开发了温拌沥青混合料(WMA)技术。温拌沥青混合料技术可以在比传统HMA生产温度低20 ℃～40 ℃的条件下生产沥青混合料而不会影响其路用性能,具有可加工性高、绿色环保和可持续发展等优点,在全球范围内得到广泛关注。截至目前,道路研究工作者已经研发了多种WMA技术并研究其对沥青材料的影响。本文旨在阐述WMA制造过程中的不同技术,总结WMA的路用性能,并分析WMA带来的效益与挑战,为WMA在我国道路交通工程领域的推广与工程应用提供参考。

1 温拌技术分类

目前,温拌技术主要分为:泡沫沥青类、有机添加剂类和表面活性类。

1.1 泡沫沥青类

泡沫沥青温拌技术是将冷水直接添加到热沥青中,水分受热蒸发产生水蒸汽,水蒸汽被包裹在沥青中,产生大量泡沫导致其体积暂时膨胀,改变沥青的表面张力使其黏度降低[1]。这种现象显著提高了沥青的可加工性和涂层能力,使沥青在骨料上均匀分布。然而,膨胀的体积持续时间有限,这意味着混合料必须在生产后不久进行摊铺和压实。添加的水量应刚好足以产生起泡效果,但又不能引起剥离问题。一般来说,泡沫沥青温拌技术可以分为含水添加剂(间接发泡)技术和水基(直接发泡)技术[2]。间接发泡技术是沸石等含水添加剂放入沥青混合料中,添加剂中所含的水分随着温度的升高从沸石结构中释放出来,与热沥青接触产生气泡[3]。直接发泡技术是将水通过特定的仪器直接注入热沥青内部产生气泡,与间接发泡技术相比,其产生的蒸汽量更多,所以沥青膨胀得更大。常见的发泡添加剂如表1所示。

表1 发泡添加剂一览表

1.2 有机添加剂类

有机添加剂类温拌技术,主要指的是将有机蜡添加到沥青或沥青混合料中降低沥青的黏度,从而降低拌和温度的技术[4]。这些有机蜡主要由环烷烃和异链烷烃组成,其熔化温度与高分子烃链直接相关,通常为100 ℃左右。有机蜡与沥青混合后,通过化学方式改变沥青的黏温特性,从而降低20 ℃～40 ℃的使用温度。常见的有机添加剂如表2所示。当沥青冷却时,有机蜡结晶并形成微观上分布均匀的小颗粒,可增加沥青的刚度及抗永久变形的能力,但在低温条件下容易发生开裂[5]。蜡在高于其熔点时通常表现为牛顿流体,而在中温和低温下则表现为非牛顿流体,所以应选择熔点高于路面使用温度的有机蜡,以确保有机蜡在使用温度下为固态,并减少沥青在低温下的脆化现象。一般有机腊对沥青路面的高、低温性能具有消极影响,未来建议该类技术的研究者多关注沥青混合料的高、低温性能研究。

表2 有机添加剂一览表

1.3 表面活性类

与前面两类技术的工作原理不同,表面活性类温拌技术不依赖于发泡或降低黏度来降低沥青混合料生产和压实温度,而是将由表面活性剂、乳化剂、聚合物或添加剂等多种混合而成的化学试剂添加到沥青中,提高混合料的可加工性和压实性,并改善骨料上的粘合剂涂层[6]。常见的产品如表3所示。通常该类技术含有大量水分,如果在拌和的过程中水分未能完全蒸发,则残留的水分对沥青与骨料的粘结性能会产生一定的负面影响,导致沥青混合料的水稳定性降低。所以在制备WMA的过程中应注意控制好水量以及拌和时间。

表3 表面活性添加剂一览表

2 温拌技术对沥青及其混合料性能的影响

2.1 沥青胶结料性能

温拌沥青胶结料的性能主要受到沥青类型、WMA添加剂的类型和掺量等多种因素的影响。沥青类型能明显影响WMA胶结料的流变性能[7]。当生产含有长期老化沥青的温拌沥青时,PG高温等级较低的沥青可以抵消由于温拌添加剂和老化沥青引起的流变性能变化[8]。

发泡添加剂对石油沥青的高温性能、温度敏感性和抗疲劳性能有改善作用,发泡过程中,沥青老化程度越深,需要的温度和发泡含水量就越高[9]。非泡沫添加剂(化学、有机等添加剂)会略微提高沥青的PG临界高温,从而提高沥青的抗车辙性能。

对于含发泡添加剂的橡胶沥青,高温性能稍差,但低温性能、温度稳定性和抗疲劳性更好。随着发泡含水量的增加,高温性能下降,低温性能先降后升,温度稳定性和抗疲劳性能不断提高[10]。

有机添加剂Sasobit®在各种测试温度、沥青类型和PG等级下,比其他WMA添加剂更能提高沥青的弹性模量和黏性模量值,高温下沥青更不容易产生永久变形[7]。Sasobit®添加剂可以增加沥青在中低温下的复合剪切模量、软化点、抗车辙性能和抗疲劳性能;但过高的Sasobit®掺量容易导致沥青疲劳因子过大,不满足Superpave中的要求(G*sinδ≤5 MPa),在较低温度下也更容易开裂[11]。

化学添加剂主要作用于沥青和集料的微观界面,通过减少沥青薄膜和骨料之间的界面摩擦,增强沥青对集料的附着力和润湿性,所以不会显著改变沥青的性能[12]。在老化方面上,RTFOT老化对温拌沥青的影响较小,但PAV老化后会导致更严重的老化,这几乎抵消了短期老化的差异[13]。这可能是因为在生产温拌沥青的过程中,较低的施工温度使沥青挥发和氧化减少,相对提高了短期抗老化性能。

2.2 沥青混合料性能

2.2.1 配合比设计

温拌沥青混合料的配合比设计、生产和现场布置与HMA类似,包括适当的压实方法、骨料和沥青的选择、添加剂和掺量、油石比和骨料级配的选择、实验室混合和压实温度等。在大部分情况下,现场生产和室内生产的混合料试验结果相同,所以HMA配合比设计与性能测试方法也适用于有机添加类技术和表面活性类技术生产的WMA。而泡沫沥青类技术在实验室中测试较难,所以该类技术生产的WMA应尽可能精确地重现现场条件。

2.2.2 温度敏感性

温度敏感性主要包括高温稳定性和抗疲劳开裂性能。高温稳定性是指混合料在高温条件下抗车辙的能力;抗疲劳性能是指混合料在中低温条件下承受重复载荷作用而不断裂的能力。与HMA相比,WMA由于混合温度更低而导致更容易产生车辙,并且不同温拌技术生产的WMA的高温性能差异较大。

有机添加类技术能使沥青变硬并抵消WMA在抗车辙方面的不足,如Sasobit®能明显提高WMA的抗车辙性能。表面活性类技术则对车辙的影响不大。泡沫沥青技术会降低WMA的抗车辙能力,其中水基技术降得比含水添加剂技术更严重[14-15]。

HMA和WMA混合料的疲劳性能都与沥青路面的自上而下的开裂性能相关。与HMA相比,有机蜡添加剂和含水添加剂生产的WMA路面比HMA路面出现更多自上而下的开裂,这种结果可能是由于路面结构、预加铺层条件等因素造成的[16]。由于有机蜡等添加剂在使用温度下非常坚硬且易碎,所以建议通过使用较软的沥青或合适的压实温度来提高WMA混合料的抗疲劳性能。

2.2.3 湿度敏感性

WMA的湿敏性可能受到各种因素的影响,如WMA技术类型、骨料的类型、级配和含水率、沥青的类型、来源和老化条件,以及沥青与骨料的粘结力[17]。

通过发泡技术生产的WMA可能会更容易受到水分的作用而发生剥离。若在混合过程中引入了水分,较低的混合和压实温度很难使骨料完全干燥,水分的存在会阻止沥青和骨料结合,因此,为了减轻该类技术的剥离问题,建议使用抗剥离剂(ASA)。

表面活性剂等添加剂在沥青和骨料表面之间起到桥梁作用,促进附着力并抵抗水分的作用。因为添加剂分子具有极化末端,其电荷吸引其他材料的相反电荷,使其能够结合到骨料表面并与沥青相容,从而提高抵抗水损坏的能力。

有机添加剂通常被认为对WMA的湿度敏感性有轻微的不利影响。

3 温拌技术的效益分析

减少有害烟雾和能源消耗是WMA的明显优点。目前每天都有数以百万计的工人近40%的工作时间都暴露在沥青烟雾中,这可能会给工人带来严重的健康问题。WMA技术显著降低了沥青混合料的生产和施工温度。

在环境方面,较低的生产温度减少沥青的挥发,从而减少排放。另外,较低的施工温度需要使用的能源较少,从而减少使用了石化能源时的二氧化碳排放。据预测,在通常使用的Sasobit®水平下,CO2排放能减少30%以上[18]。对于烟囱排放点,通过将沥青混合料温度平均降低52 ℃,可以减少21%燃料的使用量和20%CO2排放。而在低于100 ℃下生产沥青混合料能显著减少燃烧气体(58%CO2,99.9%SO2)的排放[19]。沥青烟雾的排放量降低对摊铺人员的安全和工作环境起到改善作用,有利于可持续发展。

在经济方面,生产温度的降低使能耗减少,从而降低成本。美国国家公路合作研究计划(NCHRP)表明,使用WMA可以为燃烧器节省20%～25%的燃料使用量。与传统的HMA相比,使用WMA可以节省18%～30%的能源。通过生命周期成本评估发现使用WMA技术可以将成本降低10%～30%[20]。

除了低排放和低成本,WMA还有不少优点。较低的排放量、烟雾和噪音允许WMA在对排放有特定限制的非达标区域进行铺设,也允许WMA工厂建在城市附近,提供了舒适的工作条件;生产温度的降低允许WMA在寒冷的天气条件下进行作业,延长了混合料的施工季节;混合料的可加工性和压实效率的提高,使工人拥有更多的时间进行摊铺和压实,也拥有更长的运输距离;由于冷却时间更短,在摊铺压实完成后能更快地开放交通。

4 结语

温拌沥青的路用性能满足相关技术规范要求,具有优越的性能、经济、环境和社会效益。然而,温拌技术体系尚不成熟,仍存在一些问题亟须解决:

(1)虽然研究表明WMA可以降低能源消耗,但温拌技术的实施及其使用也会产生相应的成本。减少能源消耗所节省的成本可能会被WMA生产技术的额外成本所抵消。这些初始成本以及特许权使用费可能会阻碍承包商的推广。

(2)生产WMA时使用的较低压实温度可能会导致骨料的未完全干燥,增加发生水损害的概率。而且表面活性类温拌技术使用化学添加剂,不确定其是否为潜在的污染源。

(3)目前研究多集中在温拌技术对石油沥青的性能影响研究,未来需要进一步研究温拌技术对聚合物改性沥青、天然沥青改性沥青、生物沥青改性沥青、纳米材料改性沥青以及各种复合改性沥青的性能影响。

(4)大部分研究只分析温拌技术对沥青流变性能及其混合料力学性能的影响。未来需要研究长期热氧老化、紫外老化等对WMA性能的影响,并从微观角度解释温拌剂与改性剂之间的相互作用,分析其对沥青性能的影响机理。

(5)需要进行全面研究,以了解具有与HMA相似的骨料类型、级配的WMA的配合比设计和路面性能。