熱拌瀝青混合料路面施工的節能減排措施研究

許 寶 明

(重慶公用工程建設監理有限責任公司，重慶 400023)

交通運輸是國務院確定的三大重點節能減排領域之一，能耗約占全國能耗總量的8%。隨著我國經濟的蓬勃發展和基礎設施建設的加快，交通建設迎來重要的發展期，能耗所占比例進一步增加。公路運輸是占用資源較多、能耗比例較大的運輸方式，要實現交通運輸行業的節約型建設,就應該開展節能減排相關的技術研究和科技創新。

生產熱拌瀝青混合料過程中，集料的含水率、加熱、篩分、設備保溫、混合料拌和等環節都影響生產能耗，如果技術和管理不當、保溫措施不到位或攪拌時間不合理等均會造成大量能源浪費。如果實現瀝青路面的節能環保施工目標，就必須從新材料、新施工工藝、新設備等方面綜合提高。文章提出公理化設計概念分析節能施工的多種措施，系統性、全面性地從宏觀方面研究瀝青路面施工節能減排的研究方向。

1 公理化設計的概念和應用

公理化設計的概念，最初被提出來是用于指導復雜的系統裝置進行結構設計的，是研究可實現最終設計目標而改進技術措施準則的，如圖1所示。公理化設計概念中有用戶域(以CAS表示)、功能域(以FRSS表示)、結構域(以DPSS表示)和工藝域(以PVS表示)。這幾個域概念分別代表著技術研究想要達到的目標、新目標所具有的功能、準備改進的技術參數、具體的技術改進措施。

在瀝青路面建設過程中的節能技術研究，如果要采用公理化設計思路分析節能減排技術的各種技術措施間的關系，則可以指定用戶域為瀝青路面建設質量達標，功能域為瀝青路面施工過程中的能耗和排放檢測指標，結構域為各種可采用的新材料、新技術，工藝域為路面節能高效的施工工藝。把公理化設計思想應用于路面修筑工程中，可從實行節能減排技術的整體安排上明確具體的措施和研究方向，以利于提出更全面的節能減排方案。

依據公理化理念，最高層次的功能需求是能耗和排放檢測指標達到節能標準，可以用功能域FRS11表示，而要完成功能域FRS11需要的結構域以DPS11表示，即完成FRS11—DPS11過程：

FRS11——能耗和排放檢測指標達到節能標準；

DPS11——節能施工技術與采用節能筑路材料。

FRS11=[X]DPS11

(1)

為研究FRS11，首先分析實現能耗和排放檢測指標達到節能標準的方法，即第二層功能需求，FRS21為代表確保瀝青路面施工質量，FRS22是減少施工過程能耗及排放。需要的結構參數設計為：

DPS21——施工機械優化；

DPS22——建筑原材料節能；

FRS21——確保瀝青路面施工質量；

FRS22——減少施工過程能耗及排放。

對第二層的功能需求確定第二層設計參數為：

(2)

此[X]矩陣為對角陣滿足設計過程要求。

瀝青路面施工中工程機械種類較多，包括攤鋪機械、運輸機械、壓實機械、攪拌站等等。本文研究中，根據多年瀝青路面施工經驗的積累，將混合料攤鋪機確定為瀝青路面施工核心設備。混合料攤鋪機施工過程中，如果能夠達到攤鋪初壓實度提高、攤鋪終了溫度在允許范圍內盡量降低、混合料攤鋪和壓實總時間盡量縮短這幾個技術要求，則可以大大降低瀝青路面施工能耗。

以公理化設計理念，分析節能減排施工的第三層設計思路，在機械化施工設備和施工工藝方面需要的參數設計為:

FRS31——攤鋪溫度降低；

FRS32——預壓實度提高；

FRS33——混合料施工時間縮短；

DPS31——攤鋪速度；

DPS32——攤鋪機頻率；

DPS33——壓實設備施工效率提高。

得到設計過程見式(3)。

(3)

以公理化設計理念，分析節能減排施工的第三層設計思路，在建筑材料方面需要的參數設計為：

FRS34——集料特性；

FRS35——結合料特性；

DPS34——集料含水、塵率降低；

DPS35——采用冷拌或溫拌瀝青材料。

得到設計過程見式(4)。

(4)

綜上各層矩陣都符合公理化設計概念的瀝青路面節能減排施工技術原理，對熱拌瀝青混合料施工的節能減排技術，可以從機械化施工節能施工技術和節能的筑路材料兩大方面開展，具體可細化到5個方面即DPS31,DPS32,DPS33,DPS34和DPS35采取措施。

2 瀝青路面施工機械節能減排措施

2.1 瀝青路面施工中壓實度影響因素

1)溫度與壓實度的關系。

在路面壓實成型過程中，特別是熱拌瀝青混合料(HMA)和溫拌瀝青混合料(WMA)施工過程中溫度是重要因素之一，它制約機械群的匹盡量降低。當前場瀝青混合料施工過程中難以壓實到規范壓實度時，就需要后場瀝青混合料攪拌生產設備的生產出料溫度，進而提高運輸車保溫措施、縮短攤鋪和壓實的施工時間。通過這些技術措施，必須保證前場在施工技術規范要求的終碾溫度之上就達到瀝青路面的壓實度要求。根據瀝青路面施工規范知，下HMA路面施工的溫度范圍如表1所示。

表1 熱拌瀝青施工溫度范圍 ℃

2.2 高效施工工藝的節能量化

瀝青混合料在露天施工的過程中，降溫速度大約1 ℃/min～5 ℃/min?；诖罅繜岚铻r青混合料路面施工現場試驗結果分析，我們發現可通過對混合料攤鋪機的參數進行優化大大提高混合料攤鋪后的初壓密實度，進而減少壓路機工作遍數和時間，減少混合料在施工過程中的溫度下降幅度。這種高效節能施工將為降低攪拌站的熱拌瀝青混合料出料溫度奠定基礎。實驗證明，將攤鋪機熨平板振動頻率升至35 Hz，攤鋪機行駛速度調整為3 m/min[2]時，混合料預壓實密度可達88%，后續壓實工序僅需要碾壓8遍即可達到施工技術規范的壓實度要求。

根據混合料壓實施工最終溫度和整個施工各環節的溫度傳遞公式(5)[2]，可計算得出后場瀝青攪拌站的出料溫度。

T1=T^+T2+T3+T4=T^+60×L/Vyξ1+t2×ξ2+t3×ξ3

(5)

其中，T^為瀝青混合料壓實終了溫度,℃；T1為攪拌站熱拌混合料的出料溫度,℃；T2為熱拌混合料運輸過程中溫度下降值,℃；T3為熱拌瀝青混合料攤鋪過程中溫度下降值,℃；T4為熱拌瀝青混合料壓實過程中溫度下降值,℃；ξ1,ξ2,ξ3均為施工過程中混合料溫度下降系數；L為混合料運輸距離,km；Vy為運輸車輛速度,km/h；t2為卸料溫度,℃；t3為壓實溫度,℃。

在熱拌瀝青混合料壓實施工后終了溫度滿足規范要求下，混合料的出料溫度可以按式(5)計算。將與未采用高效節能施工方法時，熱拌瀝青混合料在后場攪拌站的出料溫度之差設為ΔT，當其他施工環節的各種條件完全相同的情況下可由式(6)計算HMA在后場生產階段可節約的能耗數量。

ΔQ=[C1×M×(1-ω)+C2×M×ω]×ΔT

(6)

其中，ΔQ為熱拌瀝青混合料攪拌站節約能量,kJ；C1為集料比熱,kJ/(kg·℃)；C2為水比熱,kJ/(kg·℃)；ω為集料含水率,%；M為集料質量,kg。

以1 000 m3的瀝青混合料為實例進行計算，根據工程經驗假設這1 000 m3瀝青混合料的集料質量為2 348.8 t，生產瀝青混合料所用的集料含水率為6%，集料比熱C1=0.045 5 kJ/(kg·℃)，集料所含水分的比熱C2=0.708 8 kJ/(kg·℃)，若ΔT為10 ℃，則可計算得：ΔQ=[C1×M×(1-ω)+C2×M×ω]×ΔT=2 003 MJ。

因此，如果采用針對熱拌瀝青混合料的高效攤鋪和壓實施工工藝，則可以在確保施工終了溫度和路面壓實質量的前提下盡量縮短HMA在前場的施工時間，這樣就可以降低后場生產HMA的出料溫度，從而大大降低HMA在后場生產拌和階段的能耗和排放，并使HMA路面整個施工過程的節能減排起到良好效果。

3 結語

本文在引入公理化設計概念基礎上，對熱拌瀝青混合料如何能夠實現節能減排施工進行研究，可得：

1)根據公理化設計概念對HMA施工可采取的節能措施進行建模分析，建議采用高效機械化施工與采用節能建筑材料兩大方面，以及5個方面采取具體措施，為HMA路面施工節能減排提供指導。

2)熱拌瀝青混合料的溫度是影響節能減排施工的重要因素，如果對攤鋪機的使用參數進行調整后可以提高混合料的預壓實度并減少碾壓施工遍數，從而降低整個施工過程中熱拌瀝青混合料的溫度降低幅度，為降低攪拌站出料溫度奠定基礎。

3)以熱拌瀝青混合料溫度為控制量，提出節能計算公式，并以1 000 m3混合料的生產為例，計算出料溫度降低10 ℃時可節約能量為2 003 MJ。

參考文獻:

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