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1.前言
随着国家经济的高速发展，各个行业都有了不同的发展，尤其带动了高速公路网的建设，随着建设施工技术的成熟，高速公路建设的要求和标准也随之越来越高，为了实现以点带面，辐射周边的经济形势要求，这就对公路建设提出了更高的标准，尤其对质量标准和缩短建设周期提出了更高的要求，尤其是在中国北方地区，冬期长，年施工时间短，一般不足8个月，这就对对施工尤其是沥青面层施工提出了严峻的考验，现阶段国内低温时沥青由于加工者的技术水平差异、加工设备不同、加工工艺和原材料性能变化，导致沥青混合料成型后存在明显差异，本研究针对温拌沥青混合料生产技术，以期指导温拌沥青的生产与质量控制。
关键词：低温施工；温拌剂；LK-WMA
2 工程概况
太行山高速京蔚段项目位于河北省张家口市境内，全年可施工天数不足240天（8个月），路线整体走向呈东西走向，工程起讫里程为K0+0000～K65+719.916，全长65.72km。采用双向四车道高速公路标准建设，路基宽度24.5米，其中路面上面层沥青混合料13.93万吨。
3 工艺原理
本工艺采用的温拌剂类型为为无水型表面活性剂类，LK-WMA温拌添加剂可直接添加至沥青中，适用于不同种类的沥青混合料。在拌和过程中LK-WMA温拌剂俘获混合料中的水分以及空气中的水分，使得沥青在自身内部形成大量具有润滑功能的结构，达到降低混合料在拌和时的温度与压实时的温度，从而做到减少毒害气体以及粉尘的排放量、改善工作时的环境、降低环境污染、延长施工工期、快速开放交通等一系列优点。具体施工流程见下图：
4 施工工艺流程及操作要点
4.1 原材料检测与优选
4.1.1.改性沥青的选取
结合河北太行山季冻区原材料供应与应用现状，本项目采用现场法生产的SBS改性沥青（I-D），按照规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）的要求及操作步骤对沥青各项指标进行检测，其技术指标符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）要求。
表4.1.1-1 SBS（I-D）改性沥青技术要求
4.2.2.粗集料的选取
沥青混合料所用的粗集料应洁净、干燥，质量要求如表4.2.2-1所示。
表4.2.2-1 粗集料质量指标要求
4.2.3 细集料的选取
细集料采用坚硬、清洁、干燥、无风化、无杂质并有适当级配的0～2.36mm机制砂，选用反击式的方式生产机制砂，必须采用0.5cm以上优质石灰岩碎石磨制，其技术指标应符合表4.2.3-1。
表4.2.3-1细集料质量技术要求
生产机制砂过程中应采用除尘设备。级配范围要求见表4.2.3-2。
表4.2.3-2机制砂级配要求
4.2.4 矿粉的选取
采用洁净的5mm以上的石灰岩石料经磨细得到的矿粉。原石料中的泥土杂质应除净，并要求矿粉干燥、洁净，矿粉必须干燥、清洁，其技术指标及规格应符合表4.2.4-1的规定。
表4.2.4-1矿粉质量技术指标
4.2.5温拌剂的选取
我们对LK-WMA温拌剂进行了实验对比研究，重点对测定其针入度、延度、软化点、与集料的黏附性等级行了试验分析对比，然后根据室内小样制备与检测结果进行优选。
4.2 室内温拌沥青制备
4.2.1温拌沥青的制备
LK-WMA温拌沥青的制备，LK-WMA溶液为无色絮状液体，在制备LK-WMA温拌沥青时不要使容器内盛有太多沥青，由于LK-WMA为溶液的形式与沥青接触时会发生剧烈反应使沥青溢出，沥青用量应是本次试验制备试件所需要的用量，随时用随时制备不要囤积。由于沥青与温拌剂接触时反应相对剧烈，所以要分批次缓慢的将LK-WMA溶液加入沥青中，待沥青表面没有过于明显的气泡时，停止加热并进行搅拌5~10分钟左右，使LK-WMA溶液能均匀的溶解在沥青当中。
4.3 温拌剂对SBS改性沥青性能影响分析
4.3.1 温拌剂对沥青针入度的影响
沥青的针入度反映沥青的表观粘度即沥青的软硬程度，沥青针入度越大沥青自身的粘滞度越小，进而沥青越软抵抗变形能力越弱，反之沥青针入度越小沥青自身的粘滞度越大，进而沥青越硬抵抗变形能力越强。
分别向SBS改性沥青中加入掺量为0、3‰、4‰、5‰、6‰、7‰的LK-WMA，在25℃的温度下测定其针入度并分析其变化规律，结果见图4.3.1-1。
图4.3.1-1 LK-WMA用量对沥青针入度的影响
由图4.3.1-1可知，LK-WMA的加入没有对SBS改性沥青产生明显影响，仅使沥青的针入度略微变大。
4.3.2 温拌剂对沥青软化点的影响
沥青的软化点反映了沥青对于温度变化的敏感程度，温度敏感程度是指沥青的粘滞性与沥青塑性随温度改变而变化的性能。因为沥青是一种高分子非晶体状态的热塑性物质，且种类繁多各组分中所占比例不近相同，所以沥青没有固定的熔点。当温度升高时，沥青由固态或半固态渐渐软化，在这个过程中，反应了沥青随温度变化其粘滞性和塑性发生的变化。在相同的温度变化区间里，每一种沥青的粘滞性及塑性变化程度不尽相同，工程上要求沥青随温度变化所产生的粘滞性及塑性的变化程度应保持在较小的范围内，软化点越高表明沥青对温度的敏感程度越小。
分别向SBS改性沥青中加入掺量为0、3‰、4‰、5‰、6‰、7‰的LK-WMA，利用环球法测试其软化点并分析其变化规律，结果见图4.3.2-1。
图4.3.2-1 LK-WMA用量对沥青针入度的影响
由图4.3.2-1可知，LK-WMA加入SBS改性沥青后，两种沥青的软化点在掺量3‰~5‰时随着掺量的增加而增大，当掺量大于5‰后随用量的增大软化点不发生改变。
4.3.3 温拌剂对沥青延度的影响
沥青延度用来表征沥青的延展性能也称其为塑性，塑性是指，沥青在不同外力的作用下，产生变形而不被破坏，卸掉外力后，仍然能够保持变形之后形状的性质。延度越大表明沥青的塑性越好，延度是评定沥青塑性的重要指标。塑性高是沥青的一种良好性能，它表明了沥青开裂后的自行愈合能力较强。
分别向SBS改性沥青中加入掺量为0、3‰、4‰、5‰、6‰、7‰的LK-WMA，测试5℃时沥青的延度并分析其变化规律，结果见图4.3.3-1。
图4.3.3-1 LK-WMA用量对沥青延度的影响
由图4.3.3-1可知，LK-WMA加入SBS改性沥青之后，当加入温拌剂掺量大于3‰时，随掺量的增加改性沥青的延度也随之增大，当掺量大于6‰时改性沥青延度趋于平稳，掺量为6‰时的使原SBS改性沥青延度提高25%。
4.3.4 温拌剂对沥青黏附性的影响
沥青的黏附性是反映沥青在骨料上的附着程度，黏附性等级越高表示沥青与骨料的黏附性越好，也可以间接反映沥青混合料抵抗水侵蚀的能力。
分别向SBS改性沥青中加入掺量为0、3‰、4‰、5‰、6‰、7‰的LK-WMA，利用水煮法测试其黏附性，结果见图4.3.4-1。
图4.3.4-1 LK-WMA用量对沥青黏附性的影响
由图4.3.4-1可知，当LK-WMA加入SBS改性沥青的掺量大于3‰时，沥青的黏附性由4级提升为5级，随用量的增加，黏附性等级无变化，即掺加LK-WMA温拌剂有利于提升沥青与集料的黏附性，进而提高混合料抗水损害性。
4.3.5 温拌剂用量的确定
LK-WMA加入SBS改性沥青掺量超过6‰之后，针入度、软化点、延度以及沥青与集料的黏附性变化不显著，且各项指标都满足技术要求，故综合考虑LK-WMA的掺量为6‰。
4.4温拌沥青混合料降温效果研究
根据工程经验及文献调研可知，添加不同温拌剂后沥青混合料一般会出现下面三种结果：（1）如果原有压实温度不变，也不用降低空隙率，那么通过降低混合料的压实次数就可以实现，而且还减少了压实功。因此，利用这种方法可以大大节约能源使用，好处较多；（2）如果试件空隙率并不发生改变，那么在压实过程中，混合料的压实温度会不断降低，并且降低幅度较大；（3）添加温拌剂后可以在压实成型温度不变的情况下，有效减少试件的空隙率。
4.4.1温拌剂的降温效果对比
以压实效果来衡量降温效果，以空隙率为指标来确定温拌沥青混合料的压实温度。试验时，因为控制混合料的成型温度是非常关键的，所以，完成混合料拌和之后，需要将它放进恒温烘箱内，使用设置的目标温度养护1.5~2小时，同时需要在混合料成型时控制温度，进而保证混合料成型后，温差范围可以在±2℃范围内。运用烘箱养护两小时的方法运用了Superpave规定中旋转压实试件成型之前进行的养护，这样就模拟出混合料在生产与运输过程中将会出现的中短期老化问题（一般掺加温拌剂后，老化风险较低）。
根据第二章研究结果，按照6‰LK-WMA加入SBS改性沥青中，分别在145℃，155℃和170℃（正常温度）击实成型马歇尔试件，采用表干法测试其毛体积相对密度并计算其空隙率，试验结果见表4.4.1-1所示。
表4.4.1-1不同成型温度下AC-13C温拌沥青混合料的空隙率
由图4.4.1-1可知，成型温度为170℃时，温拌沥青混合料的空隙率小于5%，随着成型温度降低，温拌沥青混合料的空隙率逐渐变大，成型温度为145℃时，仍满足《公路沥青路面施工技术规范》的技术要求，为5.47%，LK-WMA的降温效果显著，降温幅度为25℃。
4.4.2不同温拌剂掺加方式对降温效果的影响
LK-WMA温拌剂的掺加方式有两种：（1）温拌剂从沥青混合料拌合楼直接加入SBS改性沥青储罐中，并搅拌30~60min后使用；（2）也可在卸油池随基质沥青一起泵送至沥青储罐，然后生成为SBS改性沥青。为对比温拌剂两种掺加方式对沥青混合料降温效果的影响，本项目在145℃温度下，击实成型了AC-13C混合料，测试其空隙率表4.4.2-1所示。
表4.4.2-1温拌剂掺加方式下的混合料空隙率
由表4.4.2-1可知，采用第一种方式掺加LK-WMA温拌剂制备的混合料的空隙率为5.2%，比第二种方式制备的混合料空隙率稍有降低，幅度较小，故工程应用时，可根据实际操作难易度以及计量的准确性而定。
结合实验研究成果，以压实效果来衡量降温效果，以空隙率为指标来确定温拌沥青混合料的压实温度，对比了温度下的降温效果，结果表明：LK-WMA的降温幅度为25℃，击实成型温度为145℃，所以选用LK-WMA作为温拌剂材料，掺量为0.6%。
5.材料与设备
5.1 原材料检测与优选
结合河北太行山季冻区原材料供应与应用现状，本项目采用现场法生产的SBS改性沥青（I-D），应符合第四章材料选用要求。
5.2 温拌沥青现场生产设备
5.2.1.设备的选取
考察国内外SBS改性沥青生产设备的差异，优先选择剪切效果好（尤其是胶体磨）、售后服务好、价格适宜的SBS改性沥青设备，结合依托工程拌合楼的位置和SBS改性沥青成套设备的配备情况建设现场SBS改性沥青生产线，经过性价比等指标进行详细分析。
5.2.2.设备的调试
设备式运转一般可分为空转试验、负荷试验、精度试验三种。
1.空转实验：在无贝多芬运转状态下考核设备安装精度的、稳固性，以及传动、操纵、控制、润滑、液压等系统是否正常，灵敏可靠等有关各项参数和性能。
2.设备的负荷实验：使试验设备在数个标准负荷工況下进行试验，确定设备各部件、系统等装置是否达到出厂的标准，是否能够正常、安全、可靠的进行工作，负荷实验的质量直接关系着设备的使用寿命
3.设备的精度实验：精度实验在设备投入使用两个月后进行，检查设备本身的几何精度和工作（加工产品）的精度。
5.2.3.生产前准备
1.开始生产前（1-3小时）做好设备预热和运行前的准备和检查。
2.按设备操作说明书要求，检查控制系统、沥青泵、搅拌器、胶体磨、各液位仪表、温度仪表、压力仪表、电流表等是否达到正常生产要求。
2.通过自动化系统，根据控机设定好的生产温度，自动调节燃烧器和加热系统实现温度，满足生产要求。
4.通过自动化工控机的参数设定生产量、生产速度和配比，自动调节沥青泵B2、B3、注油泵JB的电机变频器、喂料器WD和相关阀门实现自动化生产。
图5.2.3-1检查沥青泵、胶体磨等设备是否正常
6.质量控制
6.1 本工法质量控制依据
6.1.1.《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）；
6.1.2.《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）；
6.1.3.《温拌沥青混合料施工技术指南》（DB13/T 1014-2009）；
6.1.4.《寒区温拌沥青混合料设计与施工技术规范》（DB63/T 812-2009）；
6.1.5.《太行山高速沥青混合料面层施工技术指南》.
6.2 质量控制指标
6.2.1.SBS改性沥青主要技术指标及检测频率
SBS改性沥青由于其本身不易储存的特性，生产应随拌随用，搅拌均匀，储存时间一般不得超过5天，超过5天时需对改性沥青的针入度、软化点、延度、老化后延度指标检测，检测结果合格后方可使用，当储存超过10天时，慎重使用，如需使用需对其全部指标进行详细检测，合格后使用。
7.效益分析
7.1.1.温拌沥青成本计算如下：
表7.1.1-1 温拌沥青成本计算
由表7.1.1-1可知，温拌的综合成本为3956元/吨（按折中价计算），而目前市场上各性能稳定的成品沥青价格约为4400元/吨，故采用温拌沥青每吨节约444元，节约成本10%，京蔚项目上面层SBS改性沥青混合料13.93万吨，油石比约5%，即 139300*（1/1.05）*0.05*444=2945200，合计节约成本294.5万元。
7.2.社会效益
温拌沥青的加工设备直接与拌和站对接，生产过程全程公开透明，有利于质监站、业主、监理、施工单位等项目参与方从进料、加工、出厂等各个环节全过程监控，确保质量。
温拌沥青生产满足了北方地区低温时沥青面层施工的需要，解决了沥青低温施工质量难以保证的问题，同时利用废旧轮胎作为原料，真正实践了施工与环保同行的理念。
8 结论
（1）温拌沥青加工工艺能够较好的满足施工需要，沥青混凝土质量较好，路面质量能够满足设计要求；
（2）经本工艺生产的沥青混合料具有较好的使用性能，经交工验收检测，高速主线路面平均平整度指数0.43mm，匝道0.48mm，创河北省最佳；
（3）生产过程中积极响应关注车国家节能工程的有关要求，利用废弃轮胎等橡胶制品作为原料，在节省资源的同时创造了效益。
论文作者:许飞1,李凯1,闵苗1,薛守隆1,吕奇2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第22期
论文发表时间:2019/10/24
标签：沥青论文; 温度论文; 改性沥青论文; 空隙论文; 塑性论文; 设备论文; 用量论文; 《基层建设》2019年第22期论文;