CN101837603B - 低碳沥青混合料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于公路与城市道路技术领域，具体涉及一种低碳沥青混合料的制备方法，具体步骤为：通过在改性沥青或基质沥青中直接加入低碳剂，减少了二氧化碳的排放，降低了沥青混合料的拌和温度及铺筑温度，减少了能源的消耗。其拌和温度一般为110℃～140℃，压实温度一般为80℃～100℃，与热拌沥青混合料相比，降低二氧化碳排放量45％以上，可以降低能源消耗12％～18％。本制备方法可以起到减少二氧化碳的排放，节约能源的作用，是一种绿色、环保、节能的沥青混合料制备方法，可应用于城市道路、各等级公路等铺面工程的铺筑。
Description
技术领域
本发明属于公路与城市道路技术领域，具体涉及一种低碳沥青混合料的制备方法。
背景技术
当前，大气污染和能源紧张是人类共同面临的挑战。气候科学家们表示全球必须停止增加温室气体排放，并且在2015到2020年间开始减少排放，因为科学家们预计如果要防止全球平均气温再上升2℃，到2050年，全球的温室气体减排量需达到1990年水平的80％。如何在发展经济的同时，保护生存环境、节约自然资源成为世界各国面临的课题。早在2007年9月8日，中国国家主席胡锦涛在亚太经合组织(APEC)第15次领导人会议上，本着对人类、对未来的高度负责态度，明确主张“发展低碳经济”，令世人瞩目。在2009年8月12日温家宝主持召开的国务院常务会议提到培育以低碳排放为特征的新的经济增长点，加快建设以低碳排放为特征的工业、建筑、交通体系。在2009年12月07日召开的哥本哈根世界气候大会上，中国政府提出，到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40％～45％，并将减排目标将作为约束性指标纳入国民经济和社会发展的中长期规划，保证承诺的执行受到法律和舆论的监督。
在交通基础设施的建设中，沥青路面是国内外公路和城市道路的主要铺面类型，目前沥青路面工程中使用的沥青混合料根据拌和施工温度可分为两种类型：冷拌沥青混合料CMA(Cold Mix Asphalt)和热拌沥青混合料HMA(Hot Mix Asphalt)。冷拌沥青混合料一般采用乳化沥青或者液体沥青与集料在常温状态下拌和、铺筑，无需对集料和结合料进行加热，这样可节约大量能源。但是冷拌沥青混合料路用性能较差，难以满足高速公路、重载交通道路等重要工程的需要。热拌沥青混合料是应用最为广泛、路用性能最为良好的一种混合料。但是在其生产过程中，沥青与集料需要在150℃～180℃的高温条件下拌和。将集料、沥青加热到如此高的温度，不仅在生产过程中产生了大量的CO2、烟尘和有害气体，是温室气体、有害气体和粉尘颗粒的重要污染源之一。而且消耗了大量能源。仅以上海为例，近几年上海市每年沥青混合料的生产量约1000万吨，需消耗燃料油89,000吨，并排放CO2约195,800吨。
中国有13亿人口，人均国内生产总值刚刚超过3000美元，按照联合国标准，还有1.5亿人生活在贫困线以下，发展经济、改善民生的任务十分艰巨。我国正处于工业化、城镇化快速发展的关键阶段，能源结构以煤为主，降低排放存在特殊困难。所以必须可持续发展 理念指导下，通过技术创新、制度创新、产业转型、新能源开发等多种手段发展低碳经济，尽可能地减少能源消耗，减少温室气体排放，以达到经济社会发展与生态环境保护双赢的一种经济发展形态。
发明内容
为了克服热拌沥青混合料二氧化碳(CO2)的排放量大，消耗能源多的不足，本发明的目的在于提供一种低碳沥青混合料的制备方法，它通过在沥青中直接加入低碳剂或在沥青混合料拌和过程中加入低碳剂，从而减少了二氧化碳(CO2)的排放，降低了沥青混合料的拌和温度及铺筑温度，单位产量的燃油消耗减少，降低了能源消耗。
本发明提出的低碳沥青混合料的制备方法，具体步骤如下：
(1)对基质沥青、改性沥青、粗集料、细集料和矿粉进行性能检测，要求符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F 40-2004)的相关规定；
(2)根据不同的沥青混合料类型，按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F 40-2004)的级配规定，初步确定出粗集料、细集料和矿粉各档料的比例；
(3)先将低碳剂与基质沥青或改性沥青预混，低碳剂掺量为基质沥青或改性沥青质量的2％～8％，然后将粗集料、细集料和矿粉加入其中，控制拌和温度为110℃～140℃，将拌和均匀的混合料在80℃～110℃温度下成型标准马歇尔试件，测定其密度、空隙率等物理指标，以及马歇尔稳定度、流值等力学指标；其中：所述低碳剂由衍生自C12～C24脂肪酸的脂肪咪唑啉、衍生自C12～C24脂肪酸的脂肪酰亚胺基胺、松香酸、富马酸和马来酸酐组成，并与聚亚烷基多胺反应得到的液体物质，它还可以是长链脂肪族烃的固体物质，其分子链长度为40～115个碳原子范围，即低碳剂包括衍生自C12～C24脂肪酸的脂肪咪唑啉、衍生自C12～C24脂肪酸的脂肪酰亚胺基胺、松香酸、富马酸、马来酸酐和聚亚烷基多胺，组份的重量百分比为：衍生自C12～C24脂肪酸的脂肪咪唑啉占15wt％～20wt％，衍生自C12～C24脂肪酸的脂肪酰亚胺基胺占7wt％～12wt％，松香酸占17wt％～26wt％，富马酸占14wt％～23wt％，马来酸酐占11wt％～22wt％，其余为聚亚烷基多胺，其总重量满足100％。
本发明中，所述低碳沥青混合料的加入纤维稳定剂，纤维稳定剂的加入量为低碳沥青混合料质量的0.3％～0.4％。
本发明中，所述低碳剂与改性沥青或基质沥青预混，或将低碳剂与改性沥青或基质沥青同步喷入拌缸，或在改性沥青或基质沥青喷洒3秒～5秒后喷入低碳剂。
本发明确定低碳沥青混合料的目标配合比，并对混合料的路用性能进行检验，最终确定集料级配、合理的低碳剂掺量和较佳基质沥青或改性沥青用油量。较佳的低碳剂加入量为基质沥青或改性沥青的3％～7％。
本发明确定低碳沥青混合料的生产配合比，首先根据目标配合比确定各个热料仓材料比例，并对冷料仓材料比例进行反复调整，使供料平衡，达到目标配合比的要求，并取目标配合比的沥青较佳用量、较佳沥青用量加0.3％、较佳沥青用量减0.3％等三个沥青用量进行马歇尔试验，确定生产配合比的较佳沥青用量。
本发明低碳沥青混合料的生产。按照生产配合比的对低碳沥青混合料用拌和厂等设备进行生产，生产时要求控制好混合料的拌和温度。可将低碳剂与沥青预混，亦可与沥青同步喷入拌缸或在沥青开始喷洒后延时3s～5s喷入，再与骨料、矿粉等材料进行搅拌，拌和温度为110℃～140℃。混合料应拌和均匀，所有矿料颗粒应全部裹覆沥青结合料。当低碳沥青混合料中添加纤维稳定剂时，纤维稳定剂应在混合料中充分均匀分散。如此即可得到成品低碳沥青混合料，可应用于公路与城市道路的铺筑。
本发明中，所述低碳剂是指一种能够降低沥青或沥青与集料的粘度，在沥青混合料拌和过程中，在胶结料和集料之间形成润滑结构，从而降低了沥青混合料的拌和温度与施工温度的物质。
本发明制备方法中加入低碳剂后，低碳沥青混合料的拌和温度比热拌沥青混合料的拌和温度降低20℃～45℃，拌和温度一般为110℃～140℃，与热拌沥青混合料相比较，可以降低二氧化碳(CO2)排放量45％以上，降低能源消耗12％～18％。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明。
1、低碳沥青混合料的目标配合比设计
1)对基质沥青、改性沥青、粗集料、细集料、矿粉和纤维稳定剂等原材料进行性能检测，要求符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F 40-2004)的相关规定。
2)设计级配范围将根据《公路沥青路面施工技术规范》推荐的级配范围、原材料级配组成，通过室内马歇尔试验确定。先将低碳剂与基质沥青或改性沥青预混或将两者同时加入拌缸，低碳剂掺量为沥青质量的2％～8％，拌和温度为110℃～140℃，粗集料与细集料的加热温度比拌和温度高10℃～20℃。将拌和均匀的混合料在温度为80℃～110℃成型标准马歇尔试件，测定其密度、空隙率等物理指标，以及马歇尔稳定度、流值等力学指标，由此确定出石料的级配和沥青的较佳用量。根据需要，亦可在混合料加入纤维稳定剂。
3)在沥青较佳用量的条件下成型车辙板进行车辙试验，测试在温度60℃、轮压0.7MPa条件下沥青混合料的动稳定度，以检验沥青混合料的高温稳定性，要求符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F 40-2004)所对应的沥青混合料的相关规定。
4)进行冻融劈裂和残留稳定度试验，验证低碳沥青混合料的水稳定性，要求符合国家 相关规范的规定，根据需要，亦可进行浸水车辙试验，以进一步验证低碳沥青混合料的水稳定性。
5)符合前述要求的沥青用量和级配即为低碳沥青混合料的目标配合比。
2、低碳沥青混合料的生产配合比设计
首先确定各个热料仓材料比例，并对冷料仓材料比例进行反复调整，使供料平衡，达到目标配合比的要求，并取目标配合比的沥青较佳用量、较佳沥青用量加0.3％、较佳沥青用量减0.3％等三个沥青用量进行马歇尔试验，确定生产配合比的较佳沥青用量。
3、低碳沥青混合料的生产
1)低碳沥青混合料要求用拌和机械拌制。
2)可将低碳剂与沥青预混，亦可与沥青同步喷入拌缸或在沥青开始喷洒后延时3s～5s喷入，再与粗集料、细集料、矿粉等材料进行搅拌，拌和温度为110℃～140℃。混合料应拌和均匀，所有矿料颗粒应全部裹覆沥青结合料。当低碳沥青混合料中添加纤维稳定剂时，纤维稳定剂应在混合料中充分均匀分散。
4、低碳沥青混合料的运输
低碳混合料运输的温度为90℃～120℃，其它要求同热拌沥青混合料。
5、低碳沥青混合料的铺筑
1)低碳沥青混合料要求使用机械铺筑与待摊铺物体的表面。
2)用摊铺机将低碳沥青混合料均匀摊铺于道路表面，根据混合料的级配类型，选择合理的压路机组合方式及碾压步骤。低碳沥青混合料压实宜采用钢筒式静态压路机与轮胎压路机或震动压路机组合的方式，如果在低温条件下施工，需要对碾压方式及遍数进行调整。碾压温度一般为80℃～100℃，压实度和平整度须符合国家有关规范要求。在低碳混合料压实后2～5小时即可开放交通。
实施例1：低碳沥青混合料AC-13的制备(不添加纤维稳定剂)
(1)低碳剂改性沥青性能的检测，集料和级配的选定
本实例的低碳剂掺量为3％，结合料为70#基质沥青，所需选用的70#基质沥青要求符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的相关要求。首先对掺加低碳剂后的改性沥青的基本性能进行检测，试验结果如表1所示。
表1 70#基质沥青+3％低碳剂的基本性能检测结果
所采用的粗集料为玄武岩，细集料为石灰岩，经检测均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的相关要求。对于本实例，采用的级配如表2所示。
表2 AC-13级配
注：用1.5％的水泥替代等量矿粉，以提高沥青与石料的粘附性。
(2)较佳油石比的确定
根据表2所给级配，按5个油石比3.9％、4.4％、4.9％、5.4％、5.9％制备试件进行马歇尔试验，拌和温度为130℃，成型温度110℃，为分别测定其毛体积相对密度、最大理论相对密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、稳定度、流值。另外，在拌和过程中检测二氧化碳(CO2)排放量，与热拌沥青混合料相比，可降低CO2排放量49.8％。
根据马歇尔试验结果来确定沥青混合料的较佳油石比：求取相应于密度最大值、稳定度最大值、空隙率中值以及沥青饱和度范围的中值的沥青用量的平均值作为OAC1值，以同时满足空隙率、饱和度、稳定度、流值要求的区间作为OACmin和OACmax值，最终计算较佳油石比OAC。
OAC1＝5.55％，
OACmin＝5.1％ OACmax＝5.55％
OAC2＝(OACmin+OACmax)/2＝5.32％
OAC＝(OAC1+OAC2)/2＝5.43％
根据计算结果，在AC-13沥青混合料的较佳油石比定为5.43％。
在拌和过程中检测二氧化碳(CO2)排放量，与热拌沥青混合料相比，可降低CO2排放量47.2％。
(3)低碳沥青混合料的路用性能检验
在较佳油石比5.43％条件下检验低碳沥青混合料的水稳性(进行试件的残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比测试)、高温稳定性(成型车辙板，测定其动稳定度指标)结果如表3、4、5所示。
表3 AC-13沥青混合料残留稳定度试验结果
表4 AC-13沥青混合料冻融劈裂试验结果
表5 AC-13沥青混合料动稳定度试验结果
由以上试验表明，所制备的AC-13低碳沥青混合料性能均符合国家相关规范要求，具有良好的路用性能。与热拌沥青混合料相比，本实例可降低CO2排放量49.8％，降低能耗13.1％。
当要进行大量的低碳沥青混合料制备时，则可以使用拌和楼等设备进行生产，根据前述的目标配合比，根据调整各料仓平衡，使供料平衡，达到目标配合比的要求，用同样的方法并进一步确定较佳沥青用量。在较佳油石比的条件下进行低碳沥青混合料的制备，即可将制备出来的低碳沥青混合料在95℃的施工温度下铺筑于待铺筑的的界面，以完成道路等工程实体。
实施例2：低碳沥青混合料SMA-13的制备(添加纤维稳定剂)
(1)低碳剂改性沥青性能的检测，纤维稳定剂、集料和级配的选定
本实例的低碳剂掺量为5％，结合料为SBS改性沥青，所选用的SBS改性沥青要求符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的相关要求。首先对掺加低碳剂后的改性沥青的基本性能进行检测，试验结果如表6所示。
表6 SBS改性沥青+5％低碳剂的基本性能检测结果
采用的粗集料为辉绿岩，细集料为石灰岩，填料为石灰岩石料经磨细得到的矿粉。经检查均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的相关要求。稳定剂采用聚丙烯腈纶纤维稳定剂，其长度为6mm，抗拉强度大于910MPa，熔点大于220℃，断裂伸长率大于15％，掺量为低碳沥青混合料质量的0.4％。对于本实例，采用的级配如表7所示。
表7 SMA-13级配
(2)低碳沥青混合料SMA-13的试验
根据上述级配，按0.2％间隔变化选择3种油石比，拌和温度为125℃，成型温度105℃成型，分别为5.7％，5.9％，6.1％，采用马歇尔双面击实75次成型，测定混合料的体积特性和力学指标，试验结果如表8。在拌和过程中检测二氧化碳(CO2)排放量，与热拌沥青混合料相比，可降低CO2排放量53.2％。
表8马歇尔试验结果
根据工程实际要求，空隙率不宜过大，以保证不渗水和抗疲劳能力。在以上三种油石比中，以5.9％油石比对应的体积指标和力学指标最好，选择其作为较佳油石比。
(3)配合比设计检验
采用油石比5.9％，拌和温度为125℃，成型温度105℃成型SMA-13沥青混合料，进行析漏试验、飞散试验、车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验，试验结果如表9。
表9 配合比设计检验结果
通过以上试验分析，以体积指标为控制指标，所制备的低碳SMA沥青混合料的各项体积指标和力学性能指标均满足国家相关规范要求，与热拌沥青混合料相比，可降低CO2排放量53.2％。，降低能耗14.7％。因此可以根据以上的配合比就行大量的制备，应用于道路及城市道路的实际工程中。
实施例3：低碳沥青混合料OGFC-13的制备
(1)低碳剂改性沥青性能的检测，集料和级配的选定
本实例的低碳剂掺量为6.5％，结合料为70#基质沥青，所需选用的70#基质沥青要求符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的相关要求。首先对掺加低碳剂后的改性沥青的基本性能进行检测，试验结果如表11所示。
表11 70#基质沥青+6.5％低碳剂的基本性能检测结果
排水路面的目标空隙率普遍设定为18％～25％，本实例的目标空隙率设为20％。选择初试级配的目的是在初试沥青用量下，确定满足目标空隙率的合理级配，本实例采用的粗集料为辉绿岩，细集料为石灰岩，初试级配如表12所示。
表12 初试OGFC-13矿料级配组成
初试沥青用量(对集料而言)的计算如下：
Pb＝h×A (式1)
式中：A＝(2+0.02a+0.04b+0.08c+0.14d+0.3e+0.6f+1.6g)/48.74
Pb—初试沥青用量；
h—沥青膜厚度，一般取为14μm；
A—集料总的表面积。
其中a、b、c、d、e、f、g分别为4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15和0.075mm筛孔通过百分率(％)。
(2)目标配合比设计
根据式1可得出四种级配的初试沥青用量分别为：4.97％、4.99％、5.37％。按照上面配出的级配和沥青用量配料击实马歇尔试件，混合料拌和温度为115℃，成型温度为95℃，采用双面击实50次成型。
计算出四种级配下混合料的空隙率分别为：19.2％、15.3％、22.3％。目标空隙率取为20％，通过绘制2.36mm筛孔通过率与空隙率的关系曲线可确定出较佳级配的2.36mm筛孔通过率约为16。经过调整级配后确定此OGFC混合料级配组成如表13所示。
表13 OGFC混合料级配
由式1可计算得出较佳级配2.36mm筛孔通过率为16％的此种级配下初试沥青用量为4.97％。由于沥青用量为4.97％时空隙率接近20％，稳定度也符和要求，故选取较佳的沥青用量为4.97％。
(3)混合料性能检测
通过确定的级配(表13)和沥青用量4.97％进行马歇尔试验、谢伦堡析漏试验、肯特 堡飞散试验、车辙试验，得出各项数据如表14所示。
由此可见此级配和沥青用量下OGFC混合料的各项性能均满足规范要求，至此OGFC混合料的配合比设计全部完成，可据此进行各项基本路用性能的检测。
表14 较佳配合比下各项指标
按4.97的油石比分别进行试件的残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比测试，以检验混合料的水稳定性，结果如表15和表16所示。残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比分别符合85％和80％的规范要求。
表15 OGFC-13沥青混合料中线组配残留稳定度试验结果
表16 OGFC-13沥青混合料中线组配冻融劈裂试验结果
按4.97％的油石比成型车辙板，测定其动稳定度指标，测试结果见表17。动稳定度满足规范不小于3000次/mm的技术要求。
表17 OGFC-13沥青混合料中线组配动稳定度试验结果
本实例在拌和过程中检测二氧化碳(CO2)排放量，与热拌沥青混合料相比，可降低CO2排放量61.3％，降低能耗16.5％。
通过以上试验分析，所制备的低碳OGFC沥青混合料的各项体积指标和力学性能指标均满足国家相关规范要求，因此可以根据以上的配合比即可进行大量的制备，应用于道路及城市道路的实际工程中。
Claims (3)
1.一种低碳沥青混合料的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)对基质沥青、改性沥青、粗集料、细集料和矿粉进行性能检测，要求符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F 40-2004)的相关规定；
(2)根据不同的沥青混合料类型，按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F 40-2004)的级配规定，确定出粗集料、细集料和矿粉各档料的比例；
(3)先将低碳剂与基质沥青或改性沥青预混，低碳剂掺量为基质沥青或改性沥青质量的2％～8％，然后将粗集料、细集料和矿粉加入其中，控制拌和温度为110℃～140℃，将拌和均匀的混合料在80℃～110℃温度下成型标准马歇尔试件，其中：所述低碳剂是由衍生自C12～C24脂肪酸的脂肪咪唑啉、衍生自C12～C24脂肪酸的脂肪酰亚胺基胺、松香酸、富马酸和马来酸酐组成的原料与聚亚烷基多胺反应得到的液体物质，它还可以是长链脂肪族烃的固体物质，其分子链长度为40～115个碳原子范围，即低碳剂包括衍生自C12～C24脂肪酸的脂肪咪唑啉、衍生自C12～C24脂肪酸的脂肪酰亚胺基胺、松香酸、富马酸、马来酸酐和聚亚烷基多胺，组份的重量百分比为：衍生自C12～C24脂肪酸的脂肪咪唑啉占15wt％～20wt％，衍生自C12～C24脂肪酸的脂肪酰亚胺基胺占7wt％～12wt％，松香酸占17wt％～26wt％，富马酸占14wt％～23wt％，马来酸酐占11wt％～22wt％，其余为聚亚烷基多胺，其总重量满足100％。
2.根据权利要求1所述的低碳沥青混合料的制备方法，其特征在于所述低碳沥青混合料可加入纤维稳定剂，纤维稳定剂的加入量为低碳沥青混合料质量的0.3％～0.4％。
3.根据权利要求1所述的低碳沥青混合料的制备方法，其特征在于所述低碳剂与改性沥青或基质沥青预混，或将低碳剂与改性沥青或基质沥青同步喷入拌缸，或在改性沥青或基质沥青喷洒3秒～5秒后喷入低碳剂。
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