沥青混合料温拌再生技术的研究与应用.docx

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沥青混合料温拌再生技术的研究与应用

沥青混合料温拌再生技术的研究与应用

项目主要研究、开发内容（不超过100个汉字）

本项目通过对废旧沥青材料对沥青砼质量影响、不同添加剂和温拌技术对沥青砼质量影响、温拌再生沥青砼设计方法、温拌再生沥青的拌和和施工工艺开发、温拌再生沥青砼性能评价、温拌再生沥青砼技术的社会经济效益评价等内容的研究，设计、研制出满足高等级道路要求的温拌再生沥青混凝土，开发出满足高等级道路要求的温拌再生沥青混凝土拌和和施工工艺，尽可能地扩大温拌再生沥青混凝土技术的潜在经济、社会和环境效益。

申请项目的依据和意义

1、说明国家产业技术政策

1.1立项背景

传统的热拌沥青混合料HMA（Hot-MixAsphalt）是一种热拌热铺材料，其拌和、摊铺及碾压过程都需在较高的温度下（约135～160C）进行。

因此，热拌沥青混合料的生产和施工，不仅需要消耗大量的能源，而且还会排放出大量的废气和粉尘，影响周围的环境质量和施工人员的身体健康。

为了降低能源消耗和废气粉尘的排放，目前欧洲和美国正在积极开发一类低能耗环保型的温拌沥青混合料WMA（Warm-MixAsphalt）来替代热拌沥青混合料。

温拌沥青混合料使用特定的技术或添加剂，使其拌和及施工温度比热拌沥青混合料可以降低达30～50C，却具有和热拌沥青混合料基本相当的施工和路用性能。

为了进一步节省能源、降低造价和保存自然资源，欧洲和美国开始研究在温拌沥青混合料大量使用废旧沥青路面，从而将温拌沥青混合料和再生沥青混凝土技术结合起来，开发温拌再生沥青混凝土技术。

1.2立项意义和必要性

目前，环境污染和能源危机已是全球范围内的人类共识。

为了保护生存环境，世界各国都对温室气体、有害气体和固体粉尘等排放进行严格限制。

1997年联合国气候大会通过的《京都议定书》严格限制包括CO2在内的6种温室气体的排放量，并于2005年正式生效。

中国作为《京都议定书》的签约国，将面临着四大严峻课题：

中国未来将承担巨额降低CO2排放量任务、中国经济会因为减少CO2排放量压力增大而面临减速威胁、中国能源可能因为排放CO2指标的限制而经历严峻的高原期以及中国环境科学能力将受到巨大的考验。

沥青混合料的生产是道路工程中能量消耗和环境污染最大的环节。

当前，我国道路工程建设正处于快速发展期。

为了缓解十分拥堵的交通，需要大规模进行城市交通基础设施的改善，许多道路的改、扩建都势在必行。

如果在今后的道路建设中采用温拌再生沥青混凝土技术，不仅可以降低工程成本，而且可以保护环境和自然资源，必定会带来巨大的经济、环境和社会效益。

2、国内外相关领域技术发展水平和趋势

2.1国外研究现状

温拌沥青混凝土（WMA）首先是在欧洲由Shell和Kolo-Veidekke于1995年联合研制出来的，并于1996年进行了现场试验。

在研制和使用初期，是利用软沥青和乳化沥青来生产WMA。

这样生产出来的WMA虽然在性能上能和HMA相媲美，但生产成本却比HMA高出20％。

为了降低成本，同时又不降低WMA的性能，Shell和Kolo-Veidekke在1998年开始用泡沫沥青和软沥青来生产WMA。

这种WMA于1999年和HMA进行了现场对比试验，经过一年的春、冬季跟踪观测，WMA的使用性能良好。

因此，Shell和Kolo-Veidekke在2000年的Eurobitumen和Euroasphalt国际会议上第一次提出了WMA。

随后，由于WMA具有节能和环保等有点，越来越得到人们的重视，其使用量也不断增加。

日本和欧洲等国家开始大量使用WMA，2001年WMA的使用量达8000吨，2002年增长到15000吨，2003年就高达30000吨。

从温拌沥青混合料使用量的大幅提高上，就可以看出温拌沥青混合料的发展趋势。

作为公路大国的美国在2002年考察了欧洲的温拌沥青混合料技术，2003年1月在美国圣地亚哥召开的美国沥青路面协会（NAPA）年会上，邀请了欧洲有关公司的代表做了详尽的介绍；至此，温拌沥青混合料在美国政府有关部门和业界引起了极大的兴趣，同年，NAPA、美国联邦公路局（FHWA）以及一些厂商联合设立基金给美国国家沥青技术中心（NCAT）专门用于温拌沥青混合料的研究。

2006年3月美国第一次温拌沥青混合料技术工作组会议在NAPA所在地召开，旨在进一步推广温拌沥青混合料技术。

截至2007年底，美国三分之一以上的州都铺筑了不少的温拌沥青混合料实体工程。

美国学者同时指出，采用WMA技术所带来的节约成本的好处，即使在美国能源最昂贵的市场，尚不足以抵消设备改造以及使用添加剂所带来的成本的增加，无法对沥青混合料生产商产生吸引力。

然而，利用WMA技术可以降低沥青胶结料粘度的这一好处，通过在WMA中掺加废旧沥青路面或材料，进一步达到使用废旧材料和节约成本，开发温拌再生沥青混凝土技术。

由于这一技术具有广阔的应用前景，包括美国在内的世界各个国家正在积极开展这方面的研究[1-12]。

总体上，WMA技术可以划分为两大类：

一类是使用有机添加剂或蜡达到降低温度的目的，另一类则使用水作为发泡剂。

Aspha-min温拌沥青混合料是一种降低能源消耗、减少污染气体排放的环保型材料。

它通过掺加Aspha-min（合成沸石）外加剂可在相对普通热拌沥青混合料温度更低的情况下拌和、摊铺和碾压，并且具有与普通热拌沥青混合料相同的路用性能[13]。

基于乳化平台的温拌沥青混合料Evotherm温拌技术:

在沥青混合料温拌过程中，需向拌和锅内喷注添加剂。

该添加剂为表面活性水溶液（DAT），它能够在沥青混合料拌和过程中，在胶结料和混合料内部形成润滑结构，是实现温拌沥青混合料工作性的关键成分。

DAT溶液呈棕色或橙色，pH值为2.5～3.5。

根据使用场合不同，其掺加比例亦有所不同。

一般拌和楼沥青拌和采用固含量（质量分数，下同）为15的DAT溶液，其掺加比例为m（DAT）：

m（沥青）=5：

95；室内试验采用固含量为7%的DAT溶液其掺加比例为m（DAT）：

（沥青）=10：

90[14]。

沥青流动性改性剂Sasobit：

Sasobit被称为改性剂或“沥青流动性改善剂”,为细晶体、长链脂肪烃,使用费托（Fischer-Tropsch，FT）方法从煤炭液化中获得，因此也叫费托石蜡。

其熔点接近100℃，当温度超过116℃时，能完全溶解于沥青结合料里。

Sosal建议Sasobit的掺量为结合料质量的0.8以上，最大不超过300[15]。

低能量沥青技术（LowEnergyAsphalt,LEA）:

这是由法国Fairco提出的一项技术。

它主要是将湿冷的细集料搅拌到120～160℃，然后裹覆在热沥青的粗集料里,水汽从集料里逸出并激发出泡沫,泡沫化的沥青完全拌和并覆盖了集料,最终形成WMA混合料,也被称为半温拌沥青混合料（Half-WarmMixAsphalt）[14-16]。

泡沫沥青技术（WMAFoam）：

在WMAFoam中，拌和阶段使用两种单独的胶结料，软胶结料和以泡沫形式加入的硬胶结料，即两种硬度不同的沥青材料。

在拌和过程中，首先将软沥青在llO℃左右加入，并拌和使其充分裹覆在集料表面；再将硬沥青以泡沫沥青的形式加入其中拌和均匀[14,16]。

表1总结了世界各国当前使用和研究的WMA技术：

表1世界各国WMA技术

WMA产品

公司

添加剂

生产温度（C）

生产国家

至今生产大约总吨数

Sasobit

Sasol

是

不定，比HMA低20-30C

德国和其它20多个国家

>1千万

Aspha-min（沸石）,Advera（沸石）

Eurovia,PQCorporation

是

不定，比HMA低20-30C

法国、德国、美国

>30万

Evotherm

MeadWestvaco

是

85-115C

法国、加拿大、中国、南非、美国

>1万7千

低能量沥青技术（LowEnergyAsphalt,LEA）

LEACO

不是

<100C

法国和美国

>10万

泡沫温拌沥青技术（WAM-Foam）

KoloVeidekke,壳牌沥青公司

软沥青胶结料

110-120C

法国、挪威、英国、加拿大、意大利、荷兰、瑞典

>6万

DoubleBarrelGreen

Astec公司

不是

不定，比HMA低20-30C

加拿大和美国

>1万5千

2.2国内研究现状

经过近几年的研发和推广，该技术已经在全国的公路和市政工程行业内得到了高度认可和广泛应用。

2005年11月，由交通部公路科学研究院、同济大学、北京路桥路兴物资中心和美国MeadWestvaco公司合作铺设的我国第一条温拌沥青混合料路面在北京试铺成功，交通部公路科学研究院与北京市政路桥建材集团通过应用性研究合作，至今已在全市范围内l5个工程中成功应用了温拌沥青混合料技术，其中北京1l0国道温拌实验项目是全国第一条温拌沥青混合料实验路。

项目施工完成于2005年9月，已经经受了四年多的行车及高温、寒冷季节的考验。

至今道路性能良好。

2006年夏，上海市政在虹口区新市路铺筑了上海第一条温拌沥青混合料试验路，温拌沥青混合料生产拌和温度约为120C，摊铺温度约为95C，生产施工过程中未产生难闻的气味，现场施工人员也未感觉到炙热，尤其是试验路沿线居民也没有受到较大的影响。

试验路压实度和平整度良好，表面纹理构造粗糙均匀，施工后2h即开放了交通。

近两年来，交通部公路科学研究院也开展了温拌沥青混合料的有关研究，并与各协作单位在国内8个省份铺筑了18条温拌沥青混合料试验路。

另外，江苏省交通科学研究院也在正在开展温拌沥青混合料的相关研究。

2007年，中原股份郑石高速在具茨山隧道内路面也初次采用了“高节能低排放无烟雾型温拌沥青混合料技术”。

国内的相关科研工作人员也对温拌沥青混合料和再生沥青混合料的性能进行了大量的研究，也得到了一定的研究成果[17-34]，二者的研究基本是分离的，总体而言，迄今温拌沥青混合料技术整体上仍处于研究阶段。

而温拌再生沥青混凝土技术在国内刚刚起步，还未见有室内或现场试验的报道。

总结的温拌沥青混合料的优缺点如下[16]：

优点：

（1）Superpave旋转压实仪成型的结果表明,温拌沥青混合料可以减少最佳沥青用量。

（2）可以延长施工期。

可以在寒冷的天气使用温拌沥青混合料铺筑路面，因为温拌沥青混合料的施工温度比HMA低30～50℃，不必担心寒冷天气中的温度损失。

可以在某些地区使施工期延长到冬季。

（3）可以降低生产和施工温度约30～50℃，因而可以节约能耗20左右。

简化沥青装置，节约投资。

（4）降低存放温度，因而更容易存放，这种材料流动性更大，所以使用静态压路机就可以得到所需的密度，不必使用振动压路机。

（5）减少排放物。

温拌沥青与传统的热拌沥青混合料相比，可以极大地减少工厂的排放物，温度越低，烟雾越少，温度每降低10℃，CO2和沥青烟雾的排放量会随之减半。

由于控制气体的排放，在沥青厂，大约可以节省30%～50%的间接成本。

由于对排放物的控制，可以在更多的地区，例如，在限制空气污染地区建立沥青厂，大大减小有害气体和气味对施工人员身体健康的影响。

（6）可以加强路面的耐久性，因为混合料中液态沥青的轻质烃部分不会被加热驱除掉。

（7）可以使沥青层较厚的路面更快施工，例如，需要尽快开放的交叉口。

因为混合料的初始温度不高，所以在下一层摊铺前不需要冷却很长时间。

（8）可以使沥青被运输到更远的距离，无需担心温度的临界损失，有助于市场的开拓。

（9）减轻热拌过程中沥青的老化，延长沥青路面的使用寿命，同时不需要添加新的施工设备。

（10）可以提高路面性能，易于混合、铺筑及压实。

不足：

（1）对于可预见的将来，温拌沥青混合料技术的优点只有通过专有产品才能实现，而且可能会带来额外费用，按体积计算，据估计，大约（3～4）美元／t。

（2）一些技术提高了车辙敏感性。

（3）由于胶结料老化的减弱，车辙随着生产温度的降低有增大的趋势。

（4）较低的生产温度也许会使潮湿损坏的可能性增大，因为集料没有完全烘干。

某种技术也许会增加潮湿敏感性。

（5）一些过程或者添加剂需要改进工厂设备或生产条件，燃料的节省并不能完全弥补增加的费用。

（6）生产WAM—Foam需要对工厂进行改进，估计需要50000～70000美元。

温拌沥青混合料作为一项成熟的沥青混合料新技术，应用和推广引起我国公路交通及市政工程行业的高度关注，北京、上海等多个省市温拌产品企业标准、地方标准、行业标准和应用技术指南等相关的技术标准和文件已经形成或正在形成之中。

我国业内有关专家认为，温拌沥青混合料技术在中国的应用前景十分广阔，随着国内温拌沥青混合料技术应用的快速发展，我国很有可能成为世界上第一个制定温拌沥青混合料技术行业标准的国家。

温拌沥青混合料技术在国际上被认为是沥青混合料拌合及施工工艺的一次革命性突破，美国权威科学家预言它将有可能在5至10年内取代传统的热拌沥青混合料技术。

当前，我国道路工程建设正处于快速发展期，需要大规模进行城市交通基础设施的改善，许多道路的改、扩建都势在必行。

如果在今后的道路建设中采用温拌再生沥青混凝土技术，不仅可以降低工程成本，而且可以保护环境和自然资源，必定会带来巨大的经济、环境和社会效益。

温拌再生沥青混合料与我国发展绿色和可持续的道路是一致的。

随着技术的逐渐完善，其优越性会逐渐体现出来,有着广阔的应用前景。

参考文献

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三、项目研究开发内容及目标

3.1项目实施方案

项目通过对温拌再生沥青混合料的均匀程度及其力学和长期性能的研究，提出废旧沥青材料前期处理方法,确定再生沥青混合料性能影响因素；在此基础上，重点试验研究不同拌和温度和不同添加剂等因素对温拌沥青混合料的压实性能和路用性能的影响，确定实用的温拌再生沥青混凝土拌和和施工工艺；通过实体工程的技术应用，试验对比热拌和温拌沥青混合料的施工和易性和路用性能，开发再生沥青混凝土设计方法,并行经济、技术和环境效益分析。

3.2技术关键

本项目的技术关键是再保持基本相当的施工性能和路用性能的基础，尽可能地加大废旧沥青用量和降低拌和和施工温度。

3.3技术路线和技术经济指标等

3.1.1技术路线

1、废旧沥青材料对沥青混凝土质量影响

重点研究废旧沥青材料的加工处理、筛分和组合方法，废旧沥青材料级配和老化沥青对沥青混合料的施工和易性及路用性能的影响。

特别是老化沥青的可利用率及其和新鲜沥青胶结料混合问题，以及废旧沥青材料在再生沥青混合料中的分布均匀程度将得到专题研究。

2、不同添加剂和温拌技术对沥青混凝土质量影响

将研究不同WMA添加剂（比如Sasobit，Aspha-min和EvothermG3等）对再生沥青混合料的拌和及施工温度、施工和易性及路用性能的影响，为遴选最佳的WMA技术提高直接的依据。

3、温拌再生沥青混凝土设计方法

以本项目的试验研究为基础，并总结国内外再生沥青混凝土技术的最新成果，采用理论方法和经验方法相结合的原则，得出相应的温拌再生沥青混凝土设计方法和设计参数。

4、温拌再生沥青混凝土的拌和和施工工艺的开发

在本项目试验研究的基础上，并参考国外的先进经