溫拌阻燃瀝青在昆明西北繞城高速公路上的應用研究

馬加春,李 勇,吳 波,李華云,高云龍,董江峰,何唯平

(1 云南宏程路橋工程有限公司,云南昆明 650200;2 廣東省道路工程新材料工程技術研究開發(fā)中心,廣東河源 517000)

溫拌阻燃瀝青在昆明西北繞城高速公路上的應用研究

馬加春1,李 勇1,吳 波1,李華云1,高云龍2,董江峰2,何唯平2

(1 云南宏程路橋工程有限公司,云南昆明 650200;2 廣東省道路工程新材料工程技術研究開發(fā)中心,廣東河源 517000)

基于昆明西北繞城高速公路建設的實際需要,對溫拌阻燃瀝青混合料配合比設計、路用性能、施工工藝、節(jié)能減排效果、經(jīng)濟效益、總體效益等進行研究。其成果可為溫拌阻燃瀝青混合料在公路工程特別是長大隧道中的應用提供依據(jù)。

溫拌;阻燃;施工工藝;節(jié)能減排;經(jīng)濟效益

0 引言

云南省地處云貴高原腹地,山高箐深,高速公路修建中,橋梁隧道較多,公路隧道較長。鑒于隧道內路面鋪裝水泥混凝土路面存在抗滑系數(shù)低、安全性能差、行車舒適度低、噪音大等缺點,云南省的高速公路隧道逐步改變了原來的鋪筑方式,采用瀝青混凝土路面施工,能夠較好地避免水泥路面的很多缺點。但是瀝青是易燃材料,再加上隧道內部通風條件很差,采用瀝青混凝土會帶來一個安全問題,即一旦發(fā)生火災,瀝青混凝土中的瀝青可能會在高溫下燃燒,并釋放大量的有毒氣體,從而給救助帶來很大的困難,導致災害損失的增加。

同時,隧道內采用瀝青鋪面還有另外一個問題,目前隧道瀝青鋪面的施工主要以熱拌瀝青混合料為主,但傳統(tǒng)的熱拌工藝不僅要消耗大量能源,在生產(chǎn)過程中還會產(chǎn)生大量的CO2、煙塵和有害氣體。

云南宏程路橋工程有限公司施工的昆明繞城西北段高速公路路面第三合同段,全長17.33 km,設計雙向6車道,隧道兩道,其中長蟲山隧道右幅長3 830 m,左幅長3 870 m;茨壩隧道右幅長1 840 m,左幅長1 775.709 m。隧道左右幅全長11 315.709 m,鋪筑面積大,為了營造良好的施工環(huán)境并考慮隧道路面運營的安全性,工程指揮部決定在路面第三合同段采用溫拌阻燃瀝青混凝土對隧道路面進行鋪設。

1 溫拌阻燃瀝青的制作

溫拌阻燃瀝青是通過對SBS改性瀝青添加溫拌劑和阻燃劑進行雙重改性,以達到溫拌和阻燃的雙重功能。選擇不同的改性劑按照不同的摻加量和摻加溫度進行配方設計,并將配方設計經(jīng)過正交優(yōu)化后得到試驗組數(shù),進行氧指數(shù)、粘度、老化等試驗后便可確定改性劑的最佳摻量及降溫幅度。本文試驗過程最終確定EC 120溫拌劑摻量為瀝青質量的3.5%,阻燃劑摻量為瀝青質量的7%。

1.1 原材料

1.1.1 瀝青

選用SBS改性瀝青,技術指標如表1所列。

表1 SBS改性瀝青性能一覽表

1.1.2 溫拌劑

溫拌劑選用深圳海川新材料科技有限公司研發(fā)的EC 120有機降粘型溫拌劑(見圖1、圖2)。其參數(shù)指標如表2所列。

圖1 EC120溫拌改性劑樣本

圖2 FRMAXTM高效型阻燃劑樣本

表2 EC 120的主要參數(shù)表

1.1.3 阻燃劑

為保證阻燃劑與溫拌劑以及SBS改性瀝青的相容性,選擇深圳海川新材料科技有限公司的FRMAX高效型阻燃劑作為試驗的原材料。阻燃劑如圖2所示,其理化指標如表3所列。

表3 FRMAXTM高效型阻燃劑的理化指標一覽表

1.2 試樣制備及試驗方法

1.2.1 溫拌阻燃瀝青的制備

溫拌阻燃瀝青的室內制備方法如下步驟:

(1)將SBS改性瀝青取樣稱量,并保持在設計溫度勻速攪拌;

(2)按設計摻量稱取高效型阻燃劑(7%,與瀝青比)和溫拌劑(3.5%,與瀝青比)質量;

(3)邊攪拌邊將阻燃劑和溫拌劑陸續(xù)加入SBS瀝青中,全部加完后,攪拌約30 min,使其充分溶解,溶解過程中瀝青的溫度保持在設計溫度,攪拌的時間可以根據(jù)阻燃劑的分散情況,適當進行增減。

在生產(chǎn)拌和中,溫拌劑是直接投入瀝青罐中進行充分溶解,一般在攪拌循環(huán)的情況下約4 h,阻燃劑是直接投入拌和鍋中。

1.2.2 溫拌阻燃瀝青研制過程中的試驗方法

(1)極限氧指數(shù)試驗方法(LOI):采用塑料的氧指數(shù)測定方法即按GB 2406-1993進行評價。

(2)Brookfield旋轉粘度試驗:根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)中的T0625-2011進行。

1.3 溫拌阻燃瀝青性能

采用SBS改性瀝青摻加3.5% EC 120溫拌劑和7%阻燃劑進行改性。性能指標見表4所列。

2 溫拌阻燃瀝青混合料的性能

為保證溫拌阻燃瀝青混合料路面的耐久性和功能持續(xù)性,必須首先確保優(yōu)質的骨料,瀝青,以及溫拌改性劑和阻燃改性劑。原材料選擇直接影響溫拌阻燃瀝青混合料的強度及耐久性,優(yōu)質的材料可以提高路用性能,其次配合比設計決定混合料的骨料結構,對瀝青混合料的強度有著直接的影響。

表4 摻加溫拌阻燃改性劑前后瀝青的性能指標一覽表

2.1 試驗原材料

2.1.1 瀝青、溫拌劑與阻燃劑

SBS改性瀝青、溫拌劑與阻燃劑的選擇如同本文1.1節(jié)所述。

2.1.2 集料

所選的粗集料、細集料和填料的檢測指標均結果符合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40-2004)的技術要求,可用于路面瀝青面層施工。

2.1.2.1 粗集料(見表5、表6)

表5 瀝青路面用粗集料(2#料)技術要求一覽表

表6 瀝青路面用粗集料(3#料)技術要求一覽表

2.1.2.2 細集料(見表7)

表7 瀝青路面用細集料技術要求一覽表

2.1.2.3 填料(見表8)

表8 瀝青路面用礦粉技術要求一覽表

2.2 配合比設計

該項試驗按施工圖設計,瀝青路面上面層采用AC-13密級配進行溫拌阻燃瀝青混合料的配合比設計。按照《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40-2004)的級配范圍要求,采用逐級回配的方法進行調整,最終合成級配如圖3所示及表9所列。

圖3 混合料礦料合成級配曲線圖

表9 礦料組合計算表

2.3 最佳油石比確定

估算的瀝青含量為4.7%,按4.7%減少0.3%和增加0.3%,則為4.4%,5.0%,評價混合料特性以確定設計SBS瀝青膠結料含量。經(jīng)過綜合評比,推薦其最佳油石比為4.8%。

最后,確定生產(chǎn)配合比各熱料倉摻配比例:4#熱料倉∶3#熱料倉∶2#熱料倉∶礦粉∶瀝青油=38%∶21%∶39%∶2%∶4.8%。

2.4 溫拌阻燃瀝青混合料性能

2.4.1 混合料馬歇爾穩(wěn)定度及殘留穩(wěn)定度

采用SBS改性瀝青,AC-13密級配類型,擊實溫度140℃,雙面擊實75次,按最佳油石比4.8%成型,摻加瀝青質量3.5%的溫拌劑,摻加瀝青混合料質量7%的阻燃劑,進行馬歇爾試驗和殘留穩(wěn)定度試驗,其結果如表10所列。

表10 瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度及殘留穩(wěn)定度一覽表

2.4.2 混合料高溫穩(wěn)定性

按照規(guī)范要求的60℃車轍動穩(wěn)定度試驗,試驗輪接地壓強0.7 MPa,試驗輪往返碾壓速度42次/min,測試結果如表11所列。

表11 瀝青混合料車轍動穩(wěn)定度一覽表

3 溫拌阻燃瀝青路面施工

3.1 施工前準備

施工前準備和運輸均按照規(guī)范要求和施工設計要求。

3.2 溫拌阻燃瀝青路面的施工技術

不同的溫拌劑和阻燃劑應采用不同的施工工藝和相應的施工溫度,本章內容主要針對本文所述的溫拌阻燃瀝青混凝土的施工。

3.2.1 溫拌阻燃瀝青混合料的拌制

拌制溫拌阻燃瀝青混合料和普通瀝青混合料方法大致相同,以瀝青均勻裹覆集料為度,間歇式拌和機每盤的生產(chǎn)周期不宜小于50 s(其中干拌時間不少于5～10 s),以拌和均勻無花白料為宜。瀝青混合料的拌和溫度比普通瀝青混合料的溫度要低,熱集料加熱溫度可控制在160℃～165℃左右,瀝青混合料出料溫度約為145℃～155℃,最高溫度不得超過SBS改性瀝青混合料的棄料溫度。

3.2.2 溫拌阻燃瀝青混合料的攤鋪

鋪筑瀝青混合料前,應檢查確認下層的質量。當下層質量不符合要求,或未按規(guī)定灑布粘層瀝青的,不得鋪筑瀝青上層面。攤鋪前將攤鋪機熨平板預熱到100℃左右,將瀝青混合料從自卸車卸至攤鋪機受料倉斗內攤鋪。攤鋪速度一般為2～3 m/min,攤鋪溫度控制在130℃～135℃。

3.2.3 溫拌阻燃瀝青混合料的壓實

(1)瀝青混合料攤鋪后,必須緊跟著,在盡可能高的溫度狀態(tài)下開始碾壓,不得等候。除必要的加水等短暫歇息外,壓路機在各階段的碾壓過程中應連續(xù)不間斷地進行。同時也不得在低溫狀態(tài)下反復碾壓瀝青混合料,以防止磨掉石料和壓碎石料。碾壓溫度應符合表12所列的要求。

表12 溫拌阻燃瀝青混合料碾壓時的溫度控制一覽表

(2)振動壓路機碾壓混合料應遵循“緊跟、慢壓、高頻、低幅”的原則,碾壓速度控制在2～3m/min之內(見圖4、圖5)。

圖4 溫拌阻燃瀝青混合料攤鋪現(xiàn)場實景

圖5 溫拌阻燃瀝青混合料碾壓現(xiàn)場實景

3.2.4 開放交通

(1)應待攤鋪層完全自然冷卻,混合料表面溫度低于50℃后,方可開放交通。需要提早開放交通時,可灑水冷卻降低混合料溫度。

(2)開放交通初期應嚴格控制交通流量、車速,嚴禁急剎車、急轉彎,做好保護、保潔工作,嚴禁在瀝青路面上堆放土、砂石、磚等建筑材料,嚴禁停車檢修、漏油。

4 經(jīng)濟、社會、環(huán)境效益分析

4.1 經(jīng)濟效益分析

溫拌阻燃瀝青混合料與普通基質瀝青混合料,集料級配并未改變,增加的是溫拌劑跟阻燃劑的成本。因此,相對普通基質瀝青、SBS改性瀝青來說,溫拌阻燃瀝青混合料成本有較大幅度的提高,這也正是阻礙溫拌阻燃瀝青應用的一個重要因素。但是,評估溫拌阻燃瀝青混合料的經(jīng)濟效益不能單純從其所增加的成本來看,還應考慮其減少的燃油消耗和有害氣體排放量,以及對施工環(huán)境的改善和對隧道運營安全性的提高。

4.2 有害氣體排放量

溫拌阻燃瀝青混合料是在全球氣候不斷變暖的大環(huán)境下發(fā)展起來的新技術,研發(fā)的初衷就是節(jié)約能源、減少排放。而從實際的使用效果來看,它達到了人們的期望,見表13所列。

表13 隧道內溫拌阻燃和熱拌瀝青混合料有害氣體排放量對比一覽表

從表13的檢測結果來看,溫拌阻燃瀝青混合料的有害氣體排放量比熱拌瀝青混合料至少減少50%,這對改善公路隧道路面特別是長大隧道路面施工環(huán)境,保護現(xiàn)場施工人員身體健康都具有重要意義。新建隧道在路面鋪筑時,往往通風設備還沒有完善,這對于熱拌瀝青混合料的施工有著極大的潛在危險,濃濃的煙霧不僅危害施工人員的身體健康,對施工機械也有著較大損害,且會影響到工程的進度,在長大隧道路面施工中危害尤為嚴重。使用溫拌阻燃瀝青混合料則會很好地解決這一問題,而且也不會給混合料的鋪筑增加通風成本,因為溫拌阻燃混合料幾乎可以實現(xiàn)無煙施工。

4.3 燃料消耗

據(jù)統(tǒng)計,溫拌阻燃瀝青混合料在生產(chǎn)時與熱拌混合料相比單位產(chǎn)量可節(jié)省燃油約30%,具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表14所列。

表14 溫拌阻燃瀝青混合料與熱拌混合料相比在生產(chǎn)時燃油消耗對比一覽表

溫拌阻燃瀝青混合料較低的拌和壓實溫度不僅減少了混合料生產(chǎn)時的燃料消耗,同時在混合料攤鋪碾壓時也可以降低施工機械的燃油量,減少機械設備的高溫損耗。這對施工方的長遠利益來說也降低了不少成本投入。

4.4 社會經(jīng)濟效益綜合分析

綜合分析以上幾方面因素,可以發(fā)現(xiàn)使用溫拌阻燃瀝青混合料增加的成本與它為社會創(chuàng)造的巨大效益相比簡直微不足道。在經(jīng)濟高速發(fā)展的當今社會,人類享受著前所未有的高度發(fā)達的物質文明,但同時卻對人類賴以生存的自然環(huán)境造成了極大的破壞,承受著氣候變暖、環(huán)境惡化所帶來的一切后果。傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料的生產(chǎn),將瀝青和礦料加熱到很高的溫度,不僅需要消耗大量的能源,而且在生產(chǎn)和施工過程中還會排放出大量的廢氣和粉塵,嚴重影響周圍的環(huán)境質量和施工人員的身體健康。

5 結語

溫拌阻燃技術的應用,有利于環(huán)境保護,產(chǎn)生了巨大的生態(tài)效益。隨著高速公路建設的發(fā)展,公路不斷向山區(qū)延伸,公路建設中隧道的數(shù)量因此也不斷增加。同時,人們對高速公路的要求也越來越高,要達到既安全又舒適。在日益重視環(huán)境保護的今天,如何做到既要保證公路工程建設的順利開展,又要保護生態(tài)環(huán)境就顯得十分迫切。因此,溫拌阻燃瀝青混合料具有廣闊的市場需求前景,可推廣應用于其它地區(qū)、不同等級公路的隧道建設中。

TU528.42

B

1009-7716(2015)03-0167-04

2014-12-04

馬加春(1967-),男,云南昆明人,工程師,項目經(jīng)理,從事路橋工程建設工作。