CN104355568B

CN104355568B - 一种微发泡温拌沥青混合料设备

Info

Publication number: CN104355568B
Application number: CN201410547316.2A
Authority: CN
Inventors: 王新明; 赵锡娟; 潘健; 李华; 王捷
Original assignee: JIANGSU EAST TRAFFIC ENGINEERING DESIGN CONSULTANT Co Ltd
Current assignee: JIANGSU EAST TRAFFIC ENGINEERING DESIGN CONSULTANT Co Ltd
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2034-10-15
Also published as: CN104355568A

Abstract

本发明涉及一种温拌沥青混合料及其制备方法和设备，尤其涉及微发泡温拌沥青混合料及其制备方法和设备，属于工程技术领域。本发明采用沥青微发泡配方和设备配套使用。在混合料生产过程中，该设备能使沥青充分发泡，胶结料以泡沫沥青的形式喷入拌缸与集料拌和成沥青混合料，泡沫沥青比沥青粘度降低，和易性增加，可以在较低的温度下充分裹覆集料，降低沥青混合料的拌和温度，实现沥青微发泡温拌混合料的生产。其有益效果是：用微发泡设备实现沥青混合料温拌，只需一次性投入购买设备的费用，生产时喷入少量的水即可。降低温拌沥青混合料的生产成本，能得到“一劳永逸”的效果，相对传统的添加温拌材料实现温拌的技术更加节能环保。

Description

一种微发泡温拌沥青混合料设备

技术领域

本发明涉及一种温拌沥青混合料及其制备方法和设备，尤其涉及微发泡温拌沥青混合料及其制备方法和设备，属于工程技术领域。

背景技术

全球性能源紧张以及气候变化已成为国际社会普遍关注的重大问题，节能减排已经成为国际社会的共同责任。我国作为世界上最大的发展中国家，正日益成为全球关注的对象。交通行业是我国能源消耗大户，是建设资源节约型、环境友好型社会的重要领域，是温室气体和大气污染排放的重要来源。据估算，2004年我国交通运输业的二氧化碳排放量约为2.9亿吨，预计到2015年和2030年将分别达到5.22亿吨和11.08亿吨。故如何控制交通运输行业的碳排放成为重中之重。

有资料显示，在沥青混合料生产过程中，温度每升高10℃，每吨沥青混合料将多产生0.9kg的CO₂排放量。若沥青混合料的拌和温度减低30℃，改性沥青混合料的CO₂排量将削减13％，普通沥青混合料削减14％。而温拌沥青混合料的生产温度和施工温度相对热拌沥青混合料能减低20-40℃，具有减少碳排放、节约燃料、保护环境的效果。目前我国温拌沥青混合料的实现90％以上都是采用添加温拌材料，但是温拌材料的使用却提高了施工成本，且温拌材料本身的生产过程中是否产生有害气体不得而知。而美国90％以上的温拌沥青混合料的实现都是采用沥青发泡设备，采用该设备生产温拌沥青混合料除了需要水以外不需要其他任何材料，且只需要一次性投入购买设备的费用，是最具有节约成本、节能减排效果的温拌技术。从国外引进沥青微发泡设备，是未来沥青混合料温拌技术的发展趋势。现今沥青混合料温拌技术主要分为四种：软硬沥青调和法、沥青-矿物法、表面活性温拌技术和有机添加剂温拌技术，这四种类型的温拌技术均是采用添加温拌材料的方式实现的。目前我国采用最多的温拌技术是表面活性和有机添加剂两种，表面活性温拌技术采用的是添加液体温拌剂，有机添加剂温拌技术采用的是添加有机固体温拌剂，这两种温拌沥青混合料均具有与相应热拌沥青混合料相当的路用性能，且具有良好的温拌效果。但是温拌材料价格昂贵，每次生产温拌沥青混合料均会增加施工成本，且温拌材料本身的生产过程中是否产生有害气体无法跟踪监测，所以亟需引进或开发新的沥青混合料温拌技术途径，为绿色交通做出贡献。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术存在的缺陷，提出一种微发泡温拌沥青混合料及其制备和设备，采用沥青微发泡温拌技术达到节约成本、节能减排的目的。

本发明的技术方案是这样实现的，一种微发泡温拌沥青混合料，由以下重量份的组分构成：

其中，所述碎石集料分为如下四档：0-2.36mm、2.36-4.75mm、4.75-13.2mm、13.2-26.5mm，各档的比例为：26-30％：8-12％：21-25％：28-32％。所述石灰岩矿粉粒径的要求为0.6mm筛孔的通过率100％，0.15mm筛孔的通过率大于90％，0.075mm的通过率大于75％。

按上述比例制备微发泡温拌沥青混合料，步骤如下：

步骤一：将碎石集料加热至165±5℃后，按比例加入石灰岩矿粉，搅拌8～12s；

步骤二：将沥青和水按比例同时喷入微发泡温拌设备中，制备微发泡温拌沥青，沥青加热温度为160±5℃；

步骤三：将步骤二的微发泡温拌沥青加入到步骤一的混合物中，继续搅拌35～45s，搅拌温度为140±5℃，得到微发泡温拌沥青混合料。

步骤二中的水为常温可饮用水，水的洁净程度能影响沥青的发泡效果，故水喷入微发泡装置前均需经过计量供水系统中的过滤装置除去其中的杂质。

本发明进一步提供适用于该混合料的设备，一种间歇式沥青微发泡温拌设备，包括给水系统、连接给水系统的沥青微发泡头和控制给水系统的控制箱，所述给水系统设有供水组件和空气喷射组件，所述供水组件内含有电源控制柜；所述沥青微发泡头为套管，所述套管中段设有膨胀室，所述膨胀室内设有垂直安装的文丘里管，膨胀室的内壁设有进水口，所述套管的前段和后段的外管上开设导热油进口和导热油出口；所述控制箱与电源控制柜电连接。其中，电源控制柜与电机和控制箱通过电流感应器相连，电源控制柜不仅可控制水压水量、喷射时机，且获得的电流信号又传递给控制箱，所述控制箱控制给水信息和空气喷射信息。

其流程是：所述供水组件的按以下顺序依次连接，供水管、开关、供水压力表、过滤器、电子控制阀、水泵、压力传感器和压力表，所述水泵还连接电机，所述电机连接所述电源控制柜；所述空气喷射组件按以下顺序依次连接，空气喷射系统、风泵、空气过滤器和控制阀，所述控制阀连接于所述压力传感器和压力表之间，所述压力表连接科氏流量计。

所述套管前段的内管壁上固定喷流扇形片，所述喷流扇形片为3个，均匀分布在所述内管壁上，喷射的沥青经过喷流扇形片的剪切作用，使沥青充分分散。

所述进水口为两个对喷的喷水口，可同时喷水形成高压雾化水。所述文丘里管是一条与沥青流向相垂直的直径约5cm的隔棒，用于把喷入的沥青打薄。

本发明的控制箱含有集成控制、可编程控制和手工控制三种方式，所述三种方式均有各自的操控面板；所述控制箱与沥青拌合楼的控制室通过电流传感器连接，所述电流传感器感应控制室开启的沥青喷射信号，从而引导所述控制箱控制沥青喷射泵的开启和给水信号，给水信号又通过所述电流传感器传递给所述电源控制柜。本发明采用的一种间歇式沥青微发泡温拌设备，安装在任何间歇式沥青拌合站。区别于现有设备部分主要是微发泡头：(1)为使高压喷入发泡管的热沥青分散更充分，在发泡内管管壁距沥青喷嘴3-5cm处均匀设置了三个喷流扇形片，主要对喷射的热沥青起剪切/胶体搅拌器的作用。(2)在膨胀室内焊接了一条与沥青流向相垂直的直径为5cm的隔棒，当被喷流扇形片分散的热沥青经过隔棒时产生文丘里效应，使沥青在隔棒的后侧形成一个“真空”区，相当于将沥青分散、打薄，对喷的水形成高压雾化水使沥青膨胀、发泡。与现有设备相比，采用该微发泡温拌设备制备微发泡温拌沥青混合料的好处是：采用剪切原理设置的三个喷流扇形片，能达到将沥青充分分散的效果，采用文丘里管效应设置的与沥青流向相垂直的隔棒，可现场焊接、改装，能将沥青打薄、分散。对原有微发泡头进行的两处改装，结构简明，原理清晰，使得沥青膨胀得更加充分、微发泡效果更好。

而微发泡温拌沥青混合料是一种新型温拌技术的产物，主要是通过安装在拌和楼上的沥青微发泡设备生产出泡沫沥青，胶结料以泡沫沥青的形式喷入拌缸与集料拌和成沥青混合料，泡沫沥青比沥青粘度降低，和易性增加，可以在较低的温度下充分裹覆集料，降低沥青混合料的拌和温度，实现沥青发泡温拌混合料生产。整个生产过程中除了喷入可饮用的水外，不需要添加其他任何材料。

本发明的微发泡温拌沥青混合料的制备原理主要是对拌合楼稍微改造，添置了沥青微发泡温拌设备，其核心是沥青发泡装置，即生成泡沫沥青的部位。经过计量和加压的水喷入发泡装置中，能使同时喷入的沥青形成内外压力差而发泡膨胀，降低其表面黏度，使其更容易裹覆骨料，改善较低温度下沥青的工作性。同时降低沥青混合料出料温度约20～30℃，省略添加温拌材料的环节，得到了微发泡温拌沥青混合料。

本发明的有益效果是：采用引进沥青微发泡设备实现沥青混合料的温拌技术，降低了出料温度和施工温度，省略了添加温拌材料环节，节约了燃油消耗，减少沥青混合料生产过程中温室气体和有害气体排放，这项技术有着很大的经济效益和环保价值。

附图说明

图1微发泡设备原理图。

图2为图1中微发泡头的结构示意图。

图3为图1中微发泡头的截面图。

图4各实施例的高温性能试验对比图。

图5各实施例低温抗裂性能试验对比图。

图6各实施例浸水马歇尔试验对比图。

图7各实施例冻融劈裂试验对比图。

图8各实施例抗疲劳性能试验对比图。

具体实施方式

本发明中的微发泡温拌沥青混合料采用可饮用的自来水，通过微发泡温拌设备使沥青膨胀、发泡，降低沥青粘度，增加其和易性，不仅达到降温的目的，而且制备简单、价格便宜、减少能源的消耗及温室气体的排放。通过以下实施例进一步说明本发明的技术方案。

以下实施例的制备均采用相同的设备，该设备的结构如图1所示，包括给水系统、连接给水系统的沥青微发泡头和控制给水系统的控制箱，给水系统设有供水组件和空气喷射组件，供水组件的按以下顺序依次连接，供水管1、开关2、供水压力表3、供水过滤器4、电子控制阀5、水泵6、压力传感器9和压力表10，水泵6还连接电机7，电机7连接电源控制柜8；空气喷射组件按以下顺序依次连接，空气喷射系统15、风泵14、空气过滤器13和控制阀12，控制阀12连接于压力传感器9和压力表10之间，压力表10连接科氏流量计11，供水管1可以是接有自来水的任何管道，经过供水过滤器4过滤的水，在电源控制柜8上设定参数，压力表10和科氏流量计11的显示水压和流量经过压力传感器9反馈到电源控制柜8，电源控制柜8与电机7和控制箱通过电流感应器相连，电源控制柜8不仅可控制水压水量、喷射时机，且获得的电流信号又传递给控制箱，控制箱与沥青拌合楼的控制室、给水系统的电源控制柜通过电流传感器连接，控制开启的沥青喷射信号和给水信号；在拌锅正拌和温拌沥青混合料时暂停水的喷入，这时喷射系统15喷射的空气经过风泵14压缩和空气过滤器13过滤后，开启控制阀12，此时空气的压力和流量数值也在压力表10和科氏流量计11显示，喷射热沥青19进入沥青微发泡头，同时水通过进水口18也进入沥青微发泡头，直到制得微发泡沥青20，沥青微发泡头的外管上、下处分别设有导热油进口16和导热油出口17；控制箱含有集成控制21a、可编程控制21b和手工控制21c三种方式，所述三种方式均有各自的操控面板；控制箱与沥青拌合楼的控制室通过电流传感器连接，电流传感器感应控制室开启的沥青喷射信号，从而引导所述控制箱控制沥青喷射泵的开启和给水信号，给水信号又通过电流传感器传递给电源控制柜8。如图2所示，沥青微发泡头为套管结构，该套管为保温套管26，套管中段设有膨胀室28，膨胀室28内设有与沥青流向相垂直的文丘里管24，文丘里管是一条直径为5cm的隔棒，用于把喷入的沥青打薄，膨胀室的内壁设有进水口，进水口为两个对喷的喷水口25，可同时喷水形成高压雾化水。套管的前段和后段的外管上开设导热油进口16和导热油出口17，分别位于膨胀室28的两侧。如图3所示，套管前段的内管壁上固定喷流扇形片22，所述喷流扇形片为3个，均匀分布在所述内管壁上，喷射的沥青经过喷流扇形片的剪切作用，使沥青充分分散。以下不再赘述。实施例一

1.材料准备：

水，采用可饮用的自来水。

沥青，采用70#道路石油沥青，本实施例采用的为中海油泰州厂生产的沥青。

碎石集料，又称骨料。沥青混凝土的主要组成材料之一,主要起骨架作用和减小由于胶凝材料在凝结硬化过程中干缩湿胀所引起的体积变化，同时还作为胶凝材料的廉价填充料。有天然集料和人造集料之分，前者如碎石、卵石、浮石、天然砂等；后者如煤渣、矿渣、陶粒、膨胀珍珠岩等。本实例所采用石料为筛分碎石，按照常用的分档要求对碎石集料进行分档，本实施例采用的分档为：0～2.36mm、2.36～4.75mm、4.75～13.2mm、13.2～26.5mm，且碎石集料总和应小于100，为90％～95％之间(以下实施例相同，不再赘述)，本实施例各档比例为：29.25％：10.50％：22.50％：29.00％，加入时为同时加入。

石灰岩矿粉，主要成分为碳酸钙，要求采用石灰岩加工的石灰岩矿粉。粒径的要求为0.6mm筛孔的通过率100％，0.15mm筛孔的通过率大于90％，0.075mm的通过率大于75％。

2.将上述材料按以下步骤制备微发泡温拌沥青混合料：

实施例二

1.材料准备：

水，采用可饮用的自来水。

沥青，采用壳牌70#道路石油沥青。

碎石集料，又称骨料。沥青混凝土的主要组成材料之一,主要起骨架作用和减小由于胶凝材料在凝结硬化过程中干缩湿胀所引起的体积变化，同时还作为胶凝材料的廉价填充料。有天然集料和人造集料之分，前者如碎石、卵石、浮石、天然砂等；后者如煤渣、矿渣、陶粒、膨胀珍珠岩等。本实例所采用石料为筛分碎石，按照常用的分档要求对碎石集料进行分档，本实施例采用的分档为：0～2.36mm、2.36～4.75mm、4.75～13.2mm、13.2～26.5mm，各档比例为：26.64％：11.00％：24.00％：31.00％，加入时为同时加入。

2.将上述材料按以下步骤制备微发泡温拌沥青混合料：

实施例三

1.材料准备：

水，采用可饮用的自来水。

沥青，采用70#道路石油沥青，本实施例采用的为江苏宝利生产的沥青。

碎石集料，又称骨料。沥青混凝土的主要组成材料之一,主要起骨架作用和减小由于胶凝材料在凝结硬化过程中干缩湿胀所引起的体积变化，同时还作为胶凝材料的廉价填充料。有天然集料和人造集料之分，前者如碎石、卵石、浮石、天然砂等；后者如煤渣、矿渣、陶粒、膨胀珍珠岩等。本实例所采用石料为筛分碎石，按照常用的分档要求对碎石集料进行分档，本实施例采用的分档为：0～2.36mm、2.36～4.75mm、4.75～13.2mm、13.2～26.5mm，各档比例为：28.85％：10.00％：24.00％：31.00％，加入时为同时加入。

2.将上述材料按以下步骤制备微发泡温拌沥青混合料：

对上述实施例的微发泡温拌沥青混合料进行以下性能试验：

a.高温性能分析

沥青混合料在行车荷载的重复作用下，会由于永久变形的累积而导致路表面出现车辙。车辙，是沥青路面的主要损坏现象之一。从我国沥青路面的破坏现象分析来看，在各类破坏现象中，车辙问题尤其严重。在其它发达国家，如美国、法国、比利时、日本等国，高速公路路面翻修或罩面的原因中，车辙占到80％以上。传统的方法是在实验室采用马歇尔稳定度这一强度指标来预估沥青路面的车辙，但很多的研究结果表明，马歇尔稳定度和路面实际使用性能相关性不好，难以建立起和路面性能指标的相关关系，而且其随材料和级配的变化较大。车辙试验是采用一个小型车轮在沥青混合料板块状试件上进行往复行走，从而使板块试件形成辙槽，并通过测定车轮荷载作用次数与板块试件变形的关系，得出变形速率或动稳定度，作为沥青混合料抗永久变形性能指标。该试验方法比较直观，对沥青路面车辙形成过程的模拟性好，操作简单，容易为工程上所接受，为此，本发明采用车辙试验作为微发泡温拌沥青混合料高温稳定性的评价方法。结果见图1。在级配相同的情况下，微发泡温拌沥青混合料与热拌沥青混合料的动稳定度几乎相当，这说明微发泡温拌沥青混合料的高温稳定性达到了相应热拌沥青混合料的高温稳定性。

b.低温抗裂性分析

通常认为裂缝是沥青路面的主要缺陷之一，初期产生的裂缝对行车一般无明显的影响，但随着表面雨水或露水的侵入，在大量行车荷载反复作用下，导致路面强度明显降低，产生冲刷和唧泥现象，使裂缝加宽，裂缝两侧的沥青面层碎裂，开裂后的路面可能折断成更小尺寸的板并发生龟甲状疲劳开裂；裂缝逐年加宽，边缘碎裂，使路面平整度明显下降，车辆通过时将产生明显的振动，影响沥青路面的使用性能，并加速沥青路面的破坏。采用低温小梁弯曲试验来研究沥青混合料的低温性能，通过规定温度和加载速率时混合料弯曲破坏的力学参数——破坏弯拉应变来评价沥青混合料的低温抗裂性能，试验温度-10℃。结果见图2。由低温弯曲试验结果可知，在低温条件下，微发泡温拌沥青混合料的破坏弯拉应变满足规范要求，能够满足规范沥青混合料低温性能的要求。

c.抗水损害性能分析

水损害是沥青路面的主要病害之一。水损害是沥青路面在水或冻融循环的作用下，由于车辆动态荷载的作用，进入路面空隙中的水不断产生动水压力或真空负压抽吸的反复循环作用，水分逐渐渗入到沥青与集料的界面上，使沥青粘附性降低并逐渐丧失粘结力，沥青从集料表面剥离，混合料掉粒、松散，继而形成沥青路面的坑槽、推挤变形等损坏现象。除了荷载及水分供给条件等外在因素外，沥青混合料的抗水损害能力是决定路面水稳定性的根本因素。

本发明采用冻融劈裂试验T0729和浸水马歇尔试验T0709共同评价微发泡温拌沥青混合料抗水损害性能，结果见图3和图4。不管是上面层还是中面层微发泡温拌沥青混合料的冻融劈裂强度比和浸水马歇尔强度和热拌沥青混合料相比有一定变化，变化的范围比较小，在正常的实验波动范围内，说明采用微发泡温拌技术得到的微发泡温拌沥青混合料的水稳定性与热拌沥青混合料相当，满足规范要求。

d.抗疲劳性能分析

沥青混凝土的疲劳性能直接影响沥青路面的使用寿命。路面使用期间，在环境温度影响下经受车轮荷载的反复作用。其应力、应变长期处于交迭变化状态。致使路面结构强度逐渐下降。当荷载重复作用超过一定的次数以后，路面内产生的应力就会超过路面结构强度下降后的结构抗力，使路面产生疲劳裂缝。疲劳开裂的早期现象是路面在纵向出现不间断的裂缝，最终导致路面出现网裂、龟裂，甚至坑槽。沥青混合料疲劳破坏机理极其复杂，影响沥青混合料疲劳寿命的因素众多，并且各因素之间相互作用。本发明通过对不同橡胶粉含量沥青混合料进行了疲劳劈裂试验，分析橡胶沥青混合料的抗疲劳性能。采用UTM试验仪进行疲劳性能试验，单向无侧压，模具使用劈裂试验的夹具。试验试件采用标准马歇尔击实试件，单向无侧压，使用劈裂试验的夹具，采用应力控制方式，试验预压力为10kPa，预压时间为1分钟。施加的荷载为正弦脉冲荷载，荷载为0.7MPa；脉冲时间0.1s，间隔0.9s，试验温度为20℃。由于是应力控制的疲劳试验，在疲劳过程中，应变随着循环加载次数的增加而不断地增加，材料内部的损伤也在不断地增加，在达到一定次数时，沥青混合料试件将发生断裂，此时对应的荷载循环作用次数即为材料的疲劳寿命。结果见图5。

表1混合料劈裂疲劳试验结果

从表1和图5中试验结果来看，在相同的应力水平下，不管采用何种沥青，微发泡温拌沥青混合料的疲劳性能略优于相应的热拌沥青混合料，说明由于微发泡温拌沥青混合料拌和温度低，沥青老化程度减小，其疲劳性能比相同级配类型的热拌沥青混合料要好。

各实施例的主要性能指标试验结果见表2，分析结果附后。

表2不同级配混合料的性能试验结果

混合料类型

浸水马歇尔残留

冻融劈裂强度

动稳定度，次

低温小梁弯曲应变

	稳定度S₀，％	比，％		(-10℃)，με
					对比一	94.6	88.3	3160	2534
对比二	93.3	86.3	3750	2847
					对比三	94.5	91.8	5127	3648
实施例一	94.8	88.7	3225	2753
					实施例二	95.1	90.3	3893	2934
实施例三	96.4	92.2	4842	3895

结果分析：

(1)在相同级配类型的情况下，微发泡温拌沥青混合料的动稳定度相对热拌沥青混合料几乎相当，这说明采用微发泡温拌技术得到的温拌沥青混合料不影响高温稳定性。

(2)微发泡温拌沥青混合料的低温抗裂性、水稳定性均与相应的热拌沥青混合料性能相当，且能满足规范要求。

(3)在相同的应力水平下，不管采用基质沥青还是改性沥青，微发泡温拌沥青混合料的疲劳性能略优于相应的热拌沥青混合料，说明由于微发泡温拌沥青混合料拌和温度低，沥青老化程度减小，其疲劳性能优于相同级配类型的热拌沥青混合料。

以上结果，说明书附图中的对比实例与表格中的对比实例是相吻合的。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims

1.一种微发泡温拌沥青的设备，其特征在于：所述微发泡温拌沥青设备是间歇式沥青微发泡温拌设备，包括给水系统、连接给水系统的沥青微发泡头和控制给水系统的控制箱，所述给水系统设有供水组件和空气喷射组件，所述供水组件内含有电源控制柜；所述沥青微发泡头为套管，所述套管中段设有膨胀室，所述膨胀室内设有与沥青流向相垂直的文丘里管，膨胀室的内壁设有进水口，所述套管的前段和后段的外管上开设导热油进口和导热油出口；所述控制箱与电源控制柜电连接。

2.根据权利要求1所述微发泡温拌沥青混合料的设备，其特征在于：所述供水组件按以下顺序依次连接，供水管、开关、供水压力表、过滤器、电子控制阀、水泵、压力传感器和压力表，所述水泵还连接电机，所述电机连接所述电源控制柜；所述空气喷射组件按以下顺序依次连接，空气喷射系统、风泵、空气过滤器和控制阀，所述控制阀连接于所述压力传感器和压力表之间，所述压力表连接科氏流量计。

3.根据权利要求1所述微发泡温拌沥青混合料的设备，其特征在于：所述套管前段的内管壁上固定喷流扇形片。

4.根据权利要求3所述微发泡温拌沥青混合料的设备，其特征在于：所述喷流扇形片为3个，均匀分布在所述内管壁上。

5.根据权利要求1所述所述微发泡温拌沥青混合料的设备，其特征在于：所述进水口为两个对喷的喷水口，所述文丘里管是一条直径为5cm的隔棒。