溫拌阻燃瀝青在昆明西北繞城高速公路上的應(yīng)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(shù)研究開(kāi)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(yīng)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(shù)研究開(kāi)發(fā)中心,廣東河源 517000)

基于昆明西北繞城高速公路建設(shè)的實(shí)際需要,對(duì)溫拌阻燃瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)、路用性能、施工工藝、節(jié)能減排效果、經(jīng)濟(jì)效益、總體效益等進(jìn)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(zhǎng)大隧道中的應(yīng)用提供依據(jù)。

溫拌;阻燃;施工工藝;節(jié)能減排;經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)。鑒于隧道內(nèi)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(diǎn),云南省的高速公路隧道逐步改變了原來(lái)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(diǎn)。但是瀝青是易燃材料,再加上隧道內(nèi)部通風(fēng)條件很差,采用瀝青混凝土?xí)?lái)一個(gè)安全問(wèn)題,即一旦發(fā)生火災(zāi),瀝青混凝土中的瀝青可能會(huì)在高溫下燃燒,并釋放大量的有毒氣體,從而給救助帶來(lái)很大的困難,導(dǎo)致災(zāi)害損失的增加。

同時(shí),隧道內(nèi)采用瀝青鋪面還有另外一個(gè)問(wèn)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(guò)程中還會(huì)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(zhǎng)17.33 km,設(shè)計(jì)雙向6車道,隧道兩道,其中長(zhǎng)蟲(chóng)山隧道右幅長(zhǎng)3 830 m,左幅長(zhǎng)3 870 m;茨壩隧道右幅長(zhǎng)1 840 m,左幅長(zhǎng)1 775.709 m。隧道左右幅全長(zhǎng)11 315.709 m,鋪筑面積大,為了營(yíng)造良好的施工環(huán)境并考慮隧道路面運(yùn)營(yíng)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(duì)隧道路面進(jìn)行鋪設(shè)。

1 溫拌阻燃瀝青的制作

溫拌阻燃瀝青是通過(guò)對(duì)SBS改性瀝青添加溫拌劑和阻燃劑進(jìn)行雙重改性,以達(dá)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(jìn)行配方設(shè)計(jì),并將配方設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)正交優(yōu)化后得到試驗(yàn)組數(shù),進(jìn)行氧指數(shù)、粘度、老化等試驗(yàn)后便可確定改性劑的最佳摻量及降溫幅度。本文試驗(yàn)過(guò)程最終確定EC 120溫拌劑摻量為瀝青質(zhì)量的3.5%,阻燃劑摻量為瀝青質(zhì)量的7%。

1.1 原材料

1.1.1 瀝青

選用SBS改性瀝青,技術(shù)指標(biāo)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(jī)降粘型溫拌劑(見(jiàn)圖1、圖2)。其參數(shù)指標(biāo)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(yàn)的原材料。阻燃劑如圖2所示,其理化指標(biāo)如表3所列。

表3 FRMAXTM高效型阻燃劑的理化指標(biāo)一覽表

1.2 試樣制備及試驗(yàn)方法

1.2.1 溫拌阻燃瀝青的制備

溫拌阻燃瀝青的室內(nèi)制備方法如下步驟:

(1)將SBS改性瀝青取樣稱量,并保持在設(shè)計(jì)溫度勻速攪拌;

(2)按設(shè)計(jì)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(zhì)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(guò)程中瀝青的溫度保持在設(shè)計(jì)溫度,攪拌的時(shí)間可以根據(jù)阻燃劑的分散情況,適當(dāng)進(jìn)行增減。

在生產(chǎn)拌和中,溫拌劑是直接投入瀝青罐中進(jìn)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(guò)程中的試驗(yàn)方法

(1)極限氧指數(shù)試驗(yàn)方法(LOI):采用塑料的氧指數(shù)測(cè)定方法即按GB 2406-1993進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(2)Brookfield旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn):根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)中的T0625-2011進(jìn)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(jìn)行改性。性能指標(biāo)見(jiàn)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(zhì)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(qiáng)度及耐久性,優(yōu)質(zhì)的材料可以提高路用性能,其次配合比設(shè)計(jì)決定混合料的骨料結(jié)構(gòu),對(duì)瀝青混合料的強(qiáng)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(biāo)一覽表

2.1 試驗(yàn)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(xì)集料和填料的檢測(cè)指標(biāo)均結(jié)果符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的技術(shù)要求,可用于路面瀝青面層施工。

2.1.2.1 粗集料(見(jiàn)表5、表6)

表5 瀝青路面用粗集料(2#料)技術(shù)要求一覽表

表6 瀝青路面用粗集料(3#料)技術(shù)要求一覽表

2.1.2.2 細(xì)集料(見(jiàn)表7)

表7 瀝青路面用細(xì)集料技術(shù)要求一覽表

2.1.2.3 填料(見(jiàn)表8)

表8 瀝青路面用礦粉技術(shù)要求一覽表

2.2 配合比設(shè)計(jì)

該項(xiàng)試驗(yàn)按施工圖設(shè)計(jì),瀝青路面上面層采用AC-13密級(jí)配進(jìn)行溫拌阻燃瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)。按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的級(jí)配范圍要求,采用逐級(jí)回配的方法進(jìn)行調(diào)整,最終合成級(jí)配如圖3所示及表9所列。

圖3 混合料礦料合成級(jí)配曲線圖

表9 礦料組合計(jì)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(píng)價(jià)混合料特性以確定設(shè)計(jì)SBS瀝青膠結(jié)料含量。經(jīng)過(guò)綜合評(píng)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(cāng)摻配比例:4#熱料倉(cāng)∶3#熱料倉(cāng)∶2#熱料倉(cāng)∶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(jí)配類型,擊實(shí)溫度140℃,雙面擊實(shí)75次,按最佳油石比4.8%成型,摻加瀝青質(zhì)量3.5%的溫拌劑,摻加瀝青混合料質(zhì)量7%的阻燃劑,進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)和殘留穩(wěn)定度試驗(yàn),其結(jié)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(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn),試驗(yàn)輪接地壓強(qiáng)0.7 MPa,試驗(yàn)輪往返碾壓速度42次/min,測(cè)試結(jié)果如表11所列。

表11 瀝青混合料車轍動(dòng)穩(wěn)定度一覽表

3 溫拌阻燃瀝青路面施工

3.1 施工前準(zhǔn)備

施工前準(zhǔn)備和運(yùn)輸均按照規(guī)范要求和施工設(shè)計(jì)要求。

3.2 溫拌阻燃瀝青路面的施工技術(shù)

不同的溫拌劑和阻燃劑應(yīng)采用不同的施工工藝和相應(yīng)的施工溫度,本章內(nèi)容主要針對(duì)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(jī)每盤(pán)的生產(chǎn)周期不宜小于50 s(其中干拌時(shí)間不少于5～10 s),以拌和均勻無(wú)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(guò)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(yīng)檢查確認(rèn)下層的質(zhì)量。當(dāng)下層質(zhì)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(jī)熨平板預(yù)熱到100℃左右,將瀝青混合料從自卸車卸至攤鋪機(jī)受料倉(cāng)斗內(nèi)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(shí)

(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(kāi)始碾壓,不得等候。除必要的加水等短暫歇息外,壓路機(jī)在各階段的碾壓過(guò)程中應(yīng)連續(xù)不間斷地進(jìn)行。同時(shí)也不得在低溫狀態(tài)下反復(fù)碾壓瀝青混合料,以防止磨掉石料和壓碎石料。碾壓溫度應(yīng)符合表12所列的要求。

表12 溫拌阻燃瀝青混合料碾壓時(shí)的溫度控制一覽表

(2)振動(dòng)壓路機(jī)碾壓混合料應(yīng)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(nèi)(見(jiàn)圖4、圖5)。

圖4 溫拌阻燃瀝青混合料攤鋪現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景

圖5 溫拌阻燃瀝青混合料碾壓現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景

3.2.4 開(kāi)放交通

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

(2)開(kāi)放交通初期應(yīng)嚴(yán)格控制交通流量、車速,嚴(yán)禁急剎車、急轉(zhuǎn)彎,做好保護(hù)、保潔工作,嚴(yán)禁在瀝青路面上堆放土、砂石、磚等建筑材料,嚴(yán)禁停車檢修、漏油。

4 經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

溫拌阻燃瀝青混合料與普通基質(zhì)瀝青混合料,集料級(jí)配并未改變,增加的是溫拌劑跟阻燃劑的成本。因此,相對(duì)普通基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青來(lái)說(shuō),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(yīng)用的一個(gè)重要因素。但是,評(píng)估溫拌阻燃瀝青混合料的經(jīng)濟(jì)效益不能單純從其所增加的成本來(lái)看,還應(yīng)考慮其減少的燃油消耗和有害氣體排放量,以及對(duì)施工環(huán)境的改善和對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)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(lái)的新技術(shù),研發(fā)的初衷就是節(jié)約能源、減少排放。而從實(shí)際的使用效果來(lái)看,它達(dá)到了人們的期望,見(jiàn)表13所列。

表13 隧道內(nèi)溫拌阻燃和熱拌瀝青混合料有害氣體排放量對(duì)比一覽表

從表13的檢測(cè)結(jié)果來(lái)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(duì)改善公路隧道路面特別是長(zhǎng)大隧道路面施工環(huán)境,保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)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(shí),往往通風(fēng)設(shè)備還沒(méi)有完善,這對(duì)于熱拌瀝青混合料的施工有著極大的潛在危險(xiǎn),濃濃的煙霧不僅危害施工人員的身體健康,對(duì)施工機(jī)械也有著較大損害,且會(huì)影響到工程的進(jìn)度,在長(zhǎng)大隧道路面施工中危害尤為嚴(yán)重。使用溫拌阻燃瀝青混合料則會(huì)很好地解決這一問(wèn)題,而且也不會(huì)給混合料的鋪筑增加通風(fēng)成本,因?yàn)闇匕枳枞蓟旌狭蠋缀蹩梢詫?shí)現(xiàn)無(wú)煙施工。

4.3 燃料消耗

據(jù)統(tǒng)計(jì),溫拌阻燃瀝青混合料在生產(chǎn)時(shí)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(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)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(shí)燃油消耗對(duì)比一覽表

溫拌阻燃瀝青混合料較低的拌和壓實(shí)溫度不僅減少了混合料生產(chǎn)時(shí)的燃料消耗,同時(shí)在混合料攤鋪碾壓時(shí)也可以降低施工機(jī)械的燃油量,減少機(jī)械設(shè)備的高溫?fù)p耗。這對(duì)施工方的長(zhǎng)遠(yuǎn)利益來(lái)說(shuō)也降低了不少成本投入。

4.4 社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(huì)創(chuàng)造的巨大效益相比簡(jiǎn)直微不足道。在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的當(dāng)今社會(huì),人類享受著前所未有的高度發(fā)達(dá)的物質(zhì)文明,但同時(shí)卻對(duì)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(lái)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(guò)程中還會(huì)排放出大量的廢氣和粉塵,嚴(yán)重影響周圍的環(huán)境質(zhì)量和施工人員的身體健康。

5 結(jié)語(yǔ)

溫拌阻燃技術(shù)的應(yīng)用,有利于環(huán)境保護(hù),產(chǎn)生了巨大的生態(tài)效益。隨著高速公路建設(shè)的發(fā)展,公路不斷向山區(qū)延伸,公路建設(shè)中隧道的數(shù)量因此也不斷增加。同時(shí),人們對(duì)高速公路的要求也越來(lái)越高,要達(dá)到既安全又舒適。在日益重視環(huán)境保護(hù)的今天,如何做到既要保證公路工程建設(shè)的順利開(kāi)展,又要保護(hù)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(chǎng)需求前景,可推廣應(yīng)用于其它地區(qū)、不同等級(jí)公路的隧道建設(shè)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(xiàng)目經(jīng)理,從事路橋工程建設(shè)工作。