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EAPA立場文件┃溫拌瀝青的使用(節選)
2020年06月12日    閱讀量:1928    新聞來源:rewaycando 利維康道  |  投稿

摘要

自20世紀90年代中期以來,已經開發了一系列技術來降低熱拌瀝青(HMA)的拌合和鋪設溫度以及生產能耗。本文重點介紹了溫拌瀝青(WMA)技術,該技術用于在略高于100℃的溫度下生產瀝青,其性能或性能相當于傳統的HMA瀝青混合料。典型的WMA應用溫度比同等的熱拌瀝青低20-40℃瀝青網sinoasphalt.com。所涉及的能耗更少,在攤鋪作業期間,混合料中的溫度更低,從而降低排放,降低人員接觸,改善工作條件。

這種較低的接觸程度支持了歐洲瀝青行業在鋪路作業中減少瀝青煙霧的目標。

本文件向WMA的潛在用戶和生產商提供信息,并概述了:

可用的技術

WMA混合料的性能

WMA的好處

歐洲瀝青標準允許使用WMA的方式

生產WMA時對瀝青廠的影響

總結和建議


1.介紹

最早的WMA技術是在1990年底開發的,添加劑在德國和挪威進行了試驗,研制了WAM-Foam?工藝。

圖1顯示了WMA如何適應從冷拌合到熱拌合的各種技術:

EAPA立場文件┃溫拌瀝青的使用(節選) 瀝青網,sinoasphalt.com

圖1:按溫度范圍分類



冷拌料:由未加熱的集料和乳化瀝青或泡沫瀝青制成;

半溫瀝青:生產溫度在大約70℃到大約100℃之間;

溫拌瀝青:在大約100到150℃的溫度下生產和拌合;

熱拌瀝青:在大約120到190℃的溫度下生產和拌合。熱拌瀝青的生產溫度取決于所使用的瀝青。


本文描述了所使用的主要WMA技術,瀝青生產溫度高于100℃。混合料具有與常規熱拌瀝青相當的性能。


通過使用溫拌瀝青獲得的較低的拌合和攤鋪溫度將煙霧和氣味排放降至最低,并為瀝青工人創造了較冷的工作條件。根據經驗,每降低12℃,煙氣的釋放量就會減少50%左右。


這種排放的減少是歐洲瀝青行業鼓勵使用溫拌瀝青的最重要原因。


2.WMA生產技術


溫拌瀝青(WMA)技術在100℃以上運輸施工,所以混合物中剩余的水量非常少。使用各種技術來降低粘合劑的粘度使得能夠在較低溫度下完全裹覆并隨后壓實。


最常見的技術是:有機添加劑;化學添加劑;發泡技術。


混合料或瀝青中的有機添加劑


不同的有機添加劑可用于降低溫度高于約90℃時粘合劑(瀝青)的粘度。添加劑的類型必須仔細選擇,以使其熔點高于預期的使用溫度(否則可能發生永久變形),并使瀝青在低溫下的脆化最小化。可以加入混合料或瀝青中有機添加劑,通常是蠟或脂肪酰胺。


一種常用的添加劑是通過天然氣轉化生產的特殊石蠟。


有機添加劑通常能使溫度降低20-40℃,同時還能提高瀝青的抗變形能力。


化學添加劑


化學添加劑不會改變瀝青的粘度。作為表面活性劑,它們在集料和瀝青的微觀界面上起作用。它們在一定溫度范圍內(通常在85℃和140℃之間)調節和減少界面摩擦力。因此,可以混合瀝青和集料,并在較低溫度下壓實混合料。


化學添加劑可將拌合和壓實溫度降低約20-40℃。


發泡技術-啟動瀝青的發泡過程


采用了一系列發泡技術來降低瀝青的粘度。采用各種方法將少量的水引入熱瀝青中,水變成蒸汽,增加瀝青體積,并在短時間內降低其粘度。瀝青的膨脹允許在較低溫度下對集料進行裹覆,殘留的水分支持施工現場瀝青的壓實。生產和攤鋪溫度可以同時降低。


膨脹量取決于許多因素,包括加入的水量和粘合劑的溫度。


發泡通常使用兩種技術:


-注射發泡噴嘴

-礦物


直接的發泡方法是通過發泡噴嘴向熱瀝青中注入少量受控制的水。 這導致粘合劑有效體積暫時的大量增加,這有利于在較低溫度下拌合。 在壓實過程中,一些蒸汽殘留在瀝青中,降低了有效粘度并促進了壓實。 在冷卻時,粘合劑恢復正常,因為水的量是微不足道的。


這種技術可以使瀝青混合料的溫度降低約20至40℃。


圖2和3顯示了發泡噴嘴的例子。

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圖2:泡沫噴嘴(www.foampalphalt.info)

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圖3:泡沫噴嘴


在間歇式攪拌設備上,瀝青發泡可與多相拌合工藝相結合。另一種方法是“兩相發泡法”[3],先用軟質瀝青覆蓋集料,然后添加填料。之后,添加泡沫硬瀝青并混合,形成中間結合料等級的溫熱混合料。


間接發泡技術使用礦物作為發泡水的來源,通常使用沸石家族的親水性礦物。沸石是一種結晶水化硅酸鋁,含有約20%的結晶水,在100°C以上釋放。這種釋放的水會產生可控的發泡效果,可以在6-7小時內或直到溫度降到100°C以下時,提供改善的可加工性。


在這種情況下,發泡可改善混合料的和易性,從而使混合料溫度降低約30°C,具有同等的壓實性能。


第二種間接發泡技術使用沙子(或RAP)上的水分來產生自然產生的泡沫。 這是一種連續技術, 將代表約80%配合比設計的粗骨料干燥/加熱至130-160℃,然后用瀝青裹覆,從而在粗顆粒上形成厚粘合劑膜。 下一階段涉及添加冷/濕部分。 與熱瀝青接觸的水分引起發泡,這有助于冷濕RAP或細骨料的裹覆。


這種技術能夠降低與通過噴嘴直接發泡相同的溫度,約20-40℃。


除上述技術外,還有可用于生產溫拌瀝青的組合產品,如帶有纖維和沸石的托盤或帶有有機添加劑的纖維。


可以看出,溫度降低的受益在20到40°C之間(或多或少),這與所使用的技術無關。必須記住,這種受益也取決于所使用瀝青的鋪裝等級。


3.WMA的等效性能


德國和挪威WMA的使用歷史可以追溯到十多年前。


德國


在德國,1998年至2001年期間建造了許多試驗段和WMA(以及其他低溫技術)的商業應用。BASt 已經監視了七個試驗區。七個項目中有六個是SMA混合料,一個是密級配混合料。根據所有情況下的實驗室和現場性能數據,試驗段的性能與HMA控制段相同或更好[4]。


挪威


挪威最早的WAM泡沫瀝青試驗段建于1999年。同樣在挪威,總體結論是,WAM泡沫段的性能似乎與之前的HMA覆蓋層相似[5]。


文獻[5]中的結論是:根據實驗室和短期(3年或更少)現場性能數據,WMA混合料似乎提供與HMA相同的性能或更好的性能。其他研究還表明,WMA混合料的性能和使用特性與傳統混合料相當,而且往往更好[6][7]。


這種良好的表現被認為有幾個原因。特別是由于提高了可加工性,可以實現更高的壓實密度。這種較高的密度減少了瀝青的長期使用硬化,也防止了水的進入。


較低的生產溫度還可以減少瀝青在生產階段的老化,從而提高瀝青的耐熱性和抗疲勞開裂性。


和易性改善也有可能延長施工季節,延長瀝青混合料在任何一天的鋪筑時間。


最近的研究


文獻[8]回顧了世界各國進行的WMA技術現場試驗,重點是WMA和傳統HMA之間的性能差異。


在美國阿拉巴馬州奧本的國家瀝青技術中心(NCAT)和加州大學路面研究中心(UCPRC),美國他們使用重型車輛模擬器(HVS)對WMA和HMA技術在加速重載下的對比性能進行了加速加載研究。這些試驗涉及混合料的生產、試驗路面的建造和現場性能的監測,包括詳細的(路面內)載荷響應數據。還對現場和實驗室樣品進行了廣泛的實驗室研究,以便將WMA與HMA的相對性能與在當前HMA配合比設計程序中實施WMA的建議進行比較。


NCAT和UCPRC正在進行的工作表明,WMA路面的性能至少相當于HMA的性能[10]。


在歐洲進行了大量的研究,結果表明,無論采用何種工藝,與傳統的熱拌混合料相比,都能獲得相同的力學性能。


4.WMA的優點


與熱拌瀝青相比,使用溫拌瀝青最重要的好處是,攤鋪作業期間瀝青煙暴露水平顯著降低。這一較低的暴露水平支持了歐洲瀝青工業的目標,即在攤鋪作業期間減少瀝青煙霧,以改善瀝青工人的工作環境。


第二個原因是京都議定書( the Kyoto protocol)。在這方面,批準國同意在2008年至2012年間將溫室氣體排放量(主要是二氧化碳排放量)降至1990年水平的5%。歐洲瀝青工業努力對此作出貢獻,并啟動減排措施。較低的混合和鋪設溫度將減少溫室氣體排放。


在本章中,使用/生產WMA的好處描述如下:


? 瀝青工人福利(Asphalt workers benefits)

? 環境效益(Environmental benefits)

? 生產和攤鋪效益(Manufacturing and paving benefits)

? 鋪路作業效益(Paving operations benefits)


瀝青工人福利


較低的拌合和攤鋪溫度最大限度地減少了煙霧和氣味的排放,并為瀝青工人創造了較冷的工作條件。根據經驗,溫度每降低12攝氏度,煙霧的釋放就會減少50%左右。因此,溫度降低25°C可以減少大約75%的煙氣排放。


減少排放量是歐洲瀝青行業鼓勵使用溫拌瀝青的最重要原因,符合2009年IARC的建議。


2009年7月發表的IARC研究"歐洲瀝青工人隊列中的肺癌病例對照研究”[9]沒有發現肺癌風險與接觸瀝青煙霧之間存在關聯的證據。然而,這項研究的結論提到,“我們的研究結果強調了當前減少工作場所吸入和皮膚接觸瀝青的趨勢的重要性”。


減少攤鋪作業期間的暴露也將減少瀝青煙霧可能造成的刺激。


正是由于這些原因,歐洲瀝青工業正在鼓勵使用溫拌瀝青,以減少攤鋪作業期間的暴露。


注意–需要評估添加劑或改性瀝青的使用,因為此類添加劑的排放會抵消較低攤鋪溫度的工地排放益處。


圖4顯示了應繼續的主要暴露變量[9]的指定暴露時間趨勢。

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2011年在挪威進行的一項研究顯示,與HMA相比,鋪設WMA道路時瀝青煙霧/蒸汽的暴露程度要低得多。在挪威[10]在同一天與HMA和WMA一起進行的道路鋪設工程中,對11個試驗路段的工作環境進行了評估。研究結果顯示,根據測量方法,在瀝青溫度平均降低29℃的情況下,瀝青煙霧的平均(算術平均值)顯著減少58-67%。


這種煙霧和氣味排放的減少也最大限度地減少了對工作場所附近公眾的不便。


環境效益


由于WMA的生產溫度較低,加熱骨料所需的燃料較少,降低了瀝青拌合廠的排放量。實際減少量因多種因素而異,應根據具體情況進行考慮。


然而,文獻中報告了WMA和半溫瀝青的顯著減少:


WMA和半溫瀝青生產產生的工廠煙囪排放量顯著減少[5]。二氧化碳的減少量在20%到40%之間。二氧化硫的減少量在20%到35%之間。揮發性有機化合物(VOC)的還原率可達50%,一氧化碳(CO)的還原率可達10%至30%,氮氧化物(NOx)的還原率可達60%至70%。


微粒釋放的減少量從20%到55%不等[5]。實際減排量根據許多因素而變化,例如所用燃料。導致更大溫度降低的技術預計將有更大的減排。


其他研究人員[6]也展示了與[5]類似的數據:二氧化碳、二氧化氮和二氧化硫等溫室氣體的排放量也按與能源增加量相同的比例減少,根據這些過程,這一比例約為25%至50%。

對瀝青氣溶膠/煙霧和多環芳烴(PAHs)的測試表明,與HMA相比,PAHs顯著減少,結果顯示減少了30%至50%。應注意的是,常規HMA的所有暴露數據均低于當前可接受的暴露限值。


簡而言之:

?降低WMA和半溫瀝青工藝中的生產溫度確實顯著減少了煙囪排放量;

?減少燃料和能源的使用減少了溫室氣體的產生,減少了二氧化碳/碳足跡;

?較低的拌合和鋪路溫度有助于將煙氣、排放物和氣味降至最低,并隨后降低工人接觸工廠散逸性排放物的可能性。


注意——添加劑所包含的二氧化碳“足跡”可能會抵消從能源和減排中獲得的一些節約。


生產和攤鋪效益


溫拌瀝青的使用有幾個優點,不僅對于瀝青混合料本身,而且對于攤鋪作業:


生產效益:

?較低的瀝青溫度導致瀝青/粘合劑在制造過程中硬化較少。

?較低的生產溫度降低了設備部件的熱應力。

?WMA與再生瀝青的使用完全兼容。


鋪路作業的好處:


溫拌瀝青的使用改善了瀝青的處理特性,并為瀝青工人和工作現場附近的公眾創造了更舒適的(工作)環境:

?對于某些技術,如泡沫,WMA可以在比傳統HMA更低的溫度下壓實,達到同等的壓實度。

?或者,在HMA溫度下生產WMA將允許延長運輸和壓實時間。因此,可以從具有相同和易性程度的每個工廠提供更遠的場地,或者延長達到相同壓實度的和易性時間。或者,在相同的(HMA)溫度下可以達到更高的壓實度。這還可以將施工季節延長到寒冷的月份和/或夜間工作。

?WMA可用于受場地限制的深層補丁。由于較低的溫度WMA以較少的熱量啟動,因此它將更快地冷卻到環境溫度。因此,該場地可以在早期開放交通。


5.WMA和歐洲標準


“瀝青混合料”的歐洲標準(EN 13108-1至-7)不排除使用溫拌瀝青。


歐洲標準包括特定混合料的最高溫度,但沒有最低溫度。瀝青混合料交付時的最低溫度由制造商公布。標準還包括處理含有添加劑的混合料的規定,但須證明其具有同等性能。


因此,不應將歐洲標準視為引進WMA的障礙。


6.生產WMA時對瀝青拌合廠的影響


低溫拌制瀝青影響整個生產過程。與所采用的WMA技術(如泡沫發生器)直接相關的工藝變化,以及瀝青廠需要滿足的其他后果或附加要求(如燃燒器的工作范圍)。


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Figure 5: Modern batch mixing asphalt plant


保持所需的集塵室溫度


需要防止過濾系統中的廢氣冷凝。冷凝會導致濾袋堵塞和金屬部件腐蝕。


因此,袋式除塵器內的廢氣溫度需要隨時高于露點。降低集料溫度會改變干燥滾筒的熱平衡。為了確保所需的廢氣溫度,可以在干燥滾筒上安裝變頻驅動器。這使得在將集料加熱到較低溫度的同時保持較高的廢氣溫度成為可能。一般來說,干燥滾筒的可變轉速為加熱過程創造了高度的靈活性。


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低溫干燥骨料


傳統的干燥筒設計用于在熱拌溫度下干燥和加熱骨料。根據可用的干燥滾筒,可能需要改變滾筒內的氣流類型和位置。如上所述,干燥滾筒的可變轉速也支持這一點。


燃燒器的工作范圍


低溫瀝青的好處之一是減少燃料或氣體消耗。因此,燃燒器需要能夠在部分負荷下產生穩定的火焰。電子燃燒器控制系統確保正確的空氣燃料比和燃料輔助空氣比。如果燃燒器不能在精確的性能水平下工作,工廠將需要頻繁地啟動和停止干燥過程,導致效率下降。


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過程和質量控制


低溫技術的應用增加了瀝青生產的復雜性。生產過程的質量控制需要得到重視。需要高水平的自動化(如添加劑添加)、過程控制(如瀝青泡沫發生器的壓力水平、溫度測量)和文件。現代瀝青生產系統提供這種功能,以確保合規性。


泡沫發生器


泡沫瀝青裝置擴大了攪拌站的產品組合,使不同的道路施工瀝青以及聚合物改性瀝青能夠發泡。例如,它也可以用來制造100 %回收材料的冷基層。首先將熱瀝青泵入泡沫發生器,不含化學添加劑的冷水在高壓下注入,并與熱瀝青混合,然后迫使水/瀝青混合物通過出口。


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改性瀝青儲存量


一些低溫瀝青是以改性瀝青為基礎的。根據這些類型瀝青的儲存和離析特性,瀝青罐需要配備防止離析的部件(如攪拌器、泵)。

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拌合順序的靈活性


在使用添加劑或發泡技術的同時,需要調整拌時間和向拌合器中添加組分的順序。工廠控制系統需要相應的靈活性來為每個瀝青生產配方定義拌合順序。


7.采購


對能源使用和碳足跡的日益關注可能會激發人們對更廣泛使用WMA和其他節能技術的興趣。在采購過程中給予低能源/低碳技術一些優勢以鼓勵其使用可能是適當的。任何“綠色”采購都需要采用生命周期評估方法,以確保替代產品提供同等性能,并充分評估適當的維護方案。各種透明和客觀的模式可用于協助這一進程。


8.總結和建議


近年來,生產溫拌瀝青已有幾種技術。 

目前最常用的是:

-有機添加劑 

-化學添加劑 

-發泡技術


這使得瀝青混合料的生產和鋪設溫度比傳統熱拌瀝青低20至40℃。


研究表明,WMA混合料的性能特征至少與傳統混合料相當,通常可以實現更好的和易性性和更好的壓實。


較低的生產溫度也減少了瀝青在生產階段的老化,從而提高了瀝青的耐熱性和抗疲勞開裂性。


WMA的使用有利于: 

-瀝青工人:減少暴露在煙霧和氣味中的可能性,以及更涼爽的工作環境 

-環境:所需能源更少,排放更少 

-鋪路作業:更好的工作性,延長施工季節,提前開放道路 

-經濟問題:所需燃料更少


WMA技術可用于大多數類型的瀝青混合料,包括傳統上在高溫下生產的混合料,如EME2和瀝青瑪蹄脂,以及含有聚合物改性瀝青的瀝青混合料。


新技術不斷發展。


由于WMA的許多優點,它的使用正在增長,預計WMA的使用將成為標準做法。


在環境、瀝青工人、鋪路作業和經濟效益方面的優勢也必須引起政界人士和道路管理部門的指定人員的注意,他們必須相信WMA的優勢。


今后應根據現有鋪路工程的經驗,提供更多的數據來支持良好的性能和增強的耐久性。在未來,碳足跡/環境因素將變得更加重要,而使用WMA可能是實現低碳足跡的途徑之一。在投標過程中,一個良好且易于使用的計算環境影響的LCA工具將是有益的。


最后但并非最不重要的一點是,將WMA技術納入地方和國家規范將刺激該行業為社會提供有關生態問題的最新解決方案。




標簽:施工案例技術中心改性瀝青
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