溫拌橡膠瀝青混合料的節能減排

代 璐，崔 欣

（1．鄭州市建設投資總公司，河南 鄭州 450046；2．華北水利水電大學 土木與交通學院，河南 鄭州 450011）

0 引 言

橡膠瀝青是利用廢舊輪胎等制得的橡膠粉與瀝青共混制備得到的改性瀝青，采用橡膠瀝青混合料鋪筑路面能較好地抑制反射裂縫，且具有抗滑、降噪、環保、經濟等特點，因此橡膠瀝青已成為道路工程中應用程度僅次于SBS改性瀝青的一種改性瀝青［1－3］。但是，因為橡膠瀝青混合料需要較高的拌合和施工溫度，導致傳統橡膠瀝青混合料易出現瀝青老化嚴重、有害氣體大量排放、施工難以控制等弊端［4－5］。隨著溫拌技術（WMA）的推廣和應用，溫拌瀝青混合料的性能已經得到了廣泛研究，其良好的使用性能也已得到了普遍認可［6］。研究表明，WMA技術能夠在將熱拌瀝青混合料的拌合和施工溫度降低30℃～50℃的情況下，使混合料的各項性能與熱拌瀝青混合料基本相當，這對減少能量消耗和環境污染有極大幫助［7－8］，因此道路工作者提出在橡膠瀝青混合料拌合中采用WMA技術。摻加不同的溫拌劑拌合制成的溫拌瀝青混合料的節能減排效果各有不同，故本文對市場上常用的Sasobit、Aspha－min、Evotherm三種溫拌劑拌合制成的溫拌橡膠瀝青混合料的節能減排效果進行分析，為道路工作者實際使用提供參考。

1 原材料及方案

1．1 原材料

本文采用SK90＃基質瀝青，其基本技術指標見表1。膠粉采用新疆焦氏膠粉加工廠提供的40目橡膠粉，按照試驗規程ASTM D0297中的要求進行檢測，結果證明其各項指標均滿足要求。溫拌劑分別采用Sasol Wax公司、Eurovia公司和 MeadWestvac公司提供的Sasobit、Aspha－min和Evotherm溫拌劑。

表1 90＃基質瀝青的技術指標

1．2 礦料及其級配

集料采用河南三門峽寨上石料廠提供的石灰巖集料，礦料所采用的SMA－13級配見表2。室內配合比設計采用SGC成型試件，目標空隙率為4%，通過superpave設計方法修正得到橡膠瀝青混合料的油石比為6．1%。

表2 SMA－13礦料級配

1．3 溫拌橡膠瀝青混合料的制備

橡膠瀝青采用濕法制備，基質瀝青中橡膠粉摻量為22%（外摻），兩者共混，在180℃左右的溫度下以2 500r·min－1的速率剪切攪拌1h左右。

3種不同類型的溫拌橡膠瀝青混合料的制備工藝如下。

（1）對于Sasobit溫拌橡膠瀝青混合料，向制備的橡膠瀝青中直接加入占瀝青質量3%的Sasobit溫拌劑，制成溫拌橡膠瀝青，然后再與集料混合制得溫拌橡膠瀝青混合料，稱為Sa－溫拌橡膠瀝青混合料。

（2）對于Aspha－min溫拌橡膠瀝青混合料，采用干法制備，先將集料拌合，然后均勻散布0．3%的Aspha－min拌合，最后依次加入橡膠瀝青和礦粉，制成溫拌橡膠瀝青混合料，稱為Asp－溫拌橡膠瀝青混合料。

（3）對于Evotherm溫拌橡膠瀝青混合料，也是采用干法制備，先將集料拌合，然后將橡膠瀝青與0．6%含量的Evotherm溫拌劑同時加入拌合設備拌合，最后加入礦粉拌合制得溫拌橡膠瀝青混合料，稱為Ev－溫拌橡膠瀝青混合料。

2 溫拌橡膠瀝青混合料最佳施工溫度的確定

通過SGC方法成型各種溫拌橡膠瀝青混合料試件，測得試件空隙率與壓實溫度的關系，如圖1所示。基于目標空隙率4%確定各溫拌橡膠瀝青混合料的最佳壓實溫度，根據拌合溫度高于壓實溫度10℃～15℃的原則確定混合料適宜的拌合溫度范圍［9－10］。各種溫拌橡膠瀝青混合料相應的拌合、壓實溫度如表3所示。

表3 各種溫拌橡膠瀝青混合料的施工溫度

圖1 不同類型溫拌橡膠瀝青混合料壓實溫度與空隙率的關系

由表3可知，溫拌橡膠瀝青混合料的壓實和拌合溫度明顯比熱拌橡膠瀝青混合料低。其中Sa－溫拌橡膠瀝青混合料、Asp－溫拌橡膠瀝青混合料、Ev－溫拌橡膠瀝青混合料的最佳壓實溫度分別比熱拌橡膠瀝青混合料低18℃、22℃和25℃。

3 溫拌橡膠瀝青混合料的節能效果

通過熱力學方程對瀝青混合料生產過程中的能量進行計算。與橡膠瀝青混合料相比，摻加溫拌劑的橡膠瀝青混合料拌合溫度降低，從而使能量的消耗有所減少，通過式（1）可計算出不同溫拌橡膠瀝青混合料在拌合過程中所節約的能量［11－12］。

式中：Q為節約的能量（J·kg－1）；C為物質的比熱容（J·（kg·℃）－1）；M 為物質質量（kg）；Δt為溫度差（℃）。

液態瀝青的比熱容為1 340J·（kg·℃）－1，礦質集料的比熱容為920J·（kg·℃）－1，根據混合料配合比設計可以得到橡膠瀝青與礦質集料在單位質量混合料中的占比，進而可得到瀝青混合料的比熱容為945J·（kg·℃）－1。溫度差計算基于熱拌橡膠瀝青混合料相應的拌合溫度范圍中值。重油產生的能量大約為42．5×106J·kg－1，基于此可以得到生產1t溫拌橡膠瀝青混合料所節約的燃油，具體見表4。

表4 不同類型溫拌橡膠瀝青混合料拌合過程中能源節約對比

由表4可知，溫拌劑的摻入能有效節省橡膠瀝青混合料拌合過程中的能量消耗。3種溫拌劑中，Evotherm節能效果最優，每噸Ev－橡膠瀝青混合料相對普通橡膠瀝青混合料能節約能耗23．63×106J，相當于節約燃油0．56kg；而每噸Sa－溫拌橡膠瀝青混合料和Asp－溫拌橡膠瀝青混合料在拌合過程中節約能耗分別為17．01×106J和20．79×106J，相當于節約燃油0．40kg和0．49kg。

4 溫拌橡膠瀝青混合料的減排效果

橡膠瀝青混合料在拌合及施工過程中會產生大量有害氣體，這些氣體不但會對大氣環境造成污染，而且對施工人員的身體造成極大傷害［13－15］。摻加溫拌劑后，混合料的拌合溫度降低，會減少燃料的消耗，同時也會顯著降低有害氣體的排放，本文依據施工現場實測的數據對溫拌劑的減排效果進行分析。對于熱拌橡膠瀝青混合料以及不同類型溫拌橡膠瀝青混合料，分別在拌合站生產作業的煙囪口和施工現場通過GS－IIIB大氣采樣器對各種有害煙塵進行量測，其中除了CO2為實測值外，其余氣體指標值均折算為單位體積的含量，檢測結果如表5、6所示。

由表5、6可知，與熱拌瀝青混合料相比，3種溫拌劑的摻加均不同程度地降低了拌合以及施工過程中有害物質的排放。3種溫拌劑對熱拌橡膠瀝青混合料施工過程中的有害物質的減排效果如圖2所示。

表5 拌合站排煙口有害物質檢測結果

表6 施工現場有害煙塵檢測結果

圖2 溫拌橡膠瀝青混合料施工過程的減排效果

由圖2（a）可知，不同類型的溫拌橡膠瀝青混合料對一氧化碳的減排效果較差，減排量不到普通橡膠瀝青混合料的25%，而對二氧化碳、氮氧化合物、二氧化硫、煙塵的減排效果良好，減排量均超過了普通橡膠瀝青混合料的50%，尤其是對氮氧化物和二氧化硫的減排量甚至達到了70%以上。整體來看，溫拌橡膠瀝青混合料在拌合過程中實現了有效的減排。3種溫拌橡膠瀝青混合料中，Ev－溫拌橡膠瀝青混合料拌合過程中有害物質減排量最大，二氧化碳、氮氧化合物、二氧化硫、煙塵和一氧化碳的減排量分別 達 到 了 63．7%、72．7%、77．5%、66．2% 和24．2%，均優于其他2種溫拌橡膠瀝青混合料。這是因為，相對于其他2種溫拌橡膠瀝青混合料，Ev－溫拌橡膠瀝青混合料的拌合溫度最低，所需的能耗較少，因此加熱過程中有害物質的排放量更少。

由圖2（b）可知，3種溫拌橡膠瀝青混合料現場施工過程中瀝青煙、苯可溶物、苯并芘等有害物質的減排量均超過了60%，其中苯可溶物的減排量甚至達到了95%以上，排放量基本可以忽略。與拌合過程相似，Ev－溫拌橡膠瀝青混合料現場施工過程中有害物質減排量均優于其他2種溫拌橡膠瀝青混合料，其瀝青煙、苯可溶物、苯并芘等有害物質的減排量分別為69．7%、97．2%和83．7%。

可見，溫拌劑的使用對橡膠瀝青混合料拌合以及現場施工過程中有害物質的排放起到顯著的抑制作用，大幅降低了施工人員受有害氣體傷害的可能性以及對大氣的污染程度［16］。此外，3種溫拌劑中，無論在拌合過程還是施工過程中，Evotherm溫拌劑的減排效果最好，Aspha－min次之，Sasobit相對最差，這與3種溫拌劑對橡膠瀝青混合料的降溫幅度有關。

5 結 語

（1）3種溫拌劑對降低橡膠瀝青混合料的拌合及施工溫度均有顯著效果，Sa－溫拌橡膠瀝青混合料、Asp－溫拌橡膠瀝青混合料、Ev－溫拌橡膠瀝青混合料的拌合及施工溫度分別比熱拌橡膠瀝青混合料低18℃、22℃和25℃。

（2）每噸Sa－溫拌橡膠瀝青混合料、Asp－溫拌橡膠瀝青混合料和Ev－溫拌橡膠瀝青混合料相對于普通橡膠瀝青混合料分別節約能耗17．01×106J、20．79×106J和 23．63×106J，相當于分別節約燃油0．40、0．49、0．56kg。

（3）相對于普通橡膠瀝青混合料，3種溫拌橡膠瀝青混合料在拌合過程中對有害物質（除一氧化碳外）的減排量均超過50%，而現場施工過程中對有害物質的減排量均超過60%，且三者中Ev－溫拌橡膠瀝青混合料的減排效果最優。

綜合來看，3種溫拌橡膠瀝青混合料中Ev－溫拌橡膠瀝青混合料的節能減排效果最優，這與其對橡膠瀝青混合料的拌合及施工溫度的降低效果有關。

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