CN104662230A - 用于路面再生的微波处理单元以及沥青路面生产 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种用于生产高性能热混合沥青产品的沥青设备，包括：RAP材料；乳液，该乳液添加给RAP；以及低能微波加热系统，用于处理RAP乳液混合物。本发明的目的是提供一种用于生产高性能热混合沥青产品的沥青设备的改进装置和方法，包括：RAP材料；乳液，该乳液添加给RAP；以及低能微波加热系统，用于处理RAP乳液混合物。本领域技术人员参考下面的说明书、附图和权利要求将清楚本发明的这些和其它目的。

Description

用于路面再生的微波处理单元以及沥青路面生产
技术领域
本发明是沥青生产技术领域。更特别是，本发明涉及在沥青产品的生产中使用微波能量。
背景技术
现有技术的沥青生产设备实际上数十年保持不变(见图1)。沥青胶泥和集料在混合设备中混合，它们在该混合设备中加热、均衡和进行混合，以便产生合适的铺设混合物。热混合沥青(“HMA”)设备可以永久性布置(也称为“固定”设备)，或者它可以是可移动的，对于不同工作而运动。热混合设备可以分类成批处理设备(batch facility)或鼓式混合设备；两者都能够是固定或可移动。批处理类型热混合设备使用不同尺寸的热集料部分，这些热集料以比例量从储料箱吸入，以便组成用于混合的批量。集料的组合倒入混合腔室(称为搅拌机)中。热液体沥青(该热液体沥青也称重)再与搅拌机中的集料完全混合。在混合后，材料再从搅拌机排空至卡车、储料仓或缓冲仓。鼓式混合处理使得集料与沥青一直在鼓式混合器中加热和混合。通常，每小时的生产燃烧＄500-＄700或更多的天然燃料。当混合完成时，热混合物再输送至铺设部位，并通过铺路机而以局部压紧的层展开成均匀的表面层。当仍然热时，铺设的混合物通过重的辊压机而进一步压紧，以便产生平滑的铺设表面。
在热混合沥青的生产中使用的热量的一个主要目标是努力降低这种设备的能量型面和环境影响。现有技术的设备消耗大量的能量和产生大量的污染物。近年来，WMA或热混合沥青发展成为一种方案，但是该方案遇到多个缺陷。当热混合沥青在350至400度生产时，WMA在300度生产，这仍然需要大量的能量，并产生只是稍微减少的污染物。尽管这些混合物表现为稍微有希望，但是需要更多信息来得出关于它们的效果和路面性能的确定的结论，但是WMA并不从根本上解决与沥青生产相关联的潜在问题。
当前沥青生产(特别是热混合沥青)的另一问题是它使用非常少的再生路面材料(“RAP”)来生产。当RAP从道路或停车场获取时，只有少量将用于新HMA生产。当前全国性的标准显示新HMA在任何地方都包含在HMA混合设计中的20％至35％的RAP。在大部分情况下，较大量的RAP导致新HMA性能降低。多年过去了，RAP堆继续更快速地发展(与能够用于HMA中的材料相比)。在多个区域中，RAP用作道路的基部材料。
因此需要一种改进的沥青产品和生产沥青的方法，它没有现有技术的缺陷和缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于生产高性能热混合沥青产品的沥青设备的改进装置和方法，该沥青设备包括：RAP材料；乳液，该乳液添加给RAP；以及低能微波加热系统，用于处理RAP乳液混合物。本领域技术人员通过参考下面的说明、附图和权利要求将清楚本发明的这些和其它目的。
附图说明
图1是现有技术沥青设备的照片。
图2是LEAP处理的方块流程图。
图3是平面布置图。
图4是平面布置图。
图5是LEAP设备的透视图。
图6是平面布置图。
具体实施方式
本发明包括用于生产低能沥青路面的设备，该设备利用具有低能加热系统的测试和设计装备，该低能加热系统使用微波技术和制造方法(“LEHS”)，用于使用直到100％再生沥青路面(“RAP”)，以便将它转变成高性能热混合沥青(“HMA”)，它的性能优于任意类型的现有技术沥青产品。LEHS使用非常少的能量，并产生实际上难以发现的污染量(当与生产HMA的现有方法相比时)。
通常，方法包括以下步骤：
该方法开始于从道路、停车场或其它铺设表面回收RAP材料。方法能够使用变化量的RAP，包括直到100％RAP，这能够最大程度地重新使用或再生产品。乳液添加给产品，如后面更详细所述，乳液能够构成产品的大约5％(或者与该值不同)。在如下面所述处理后，产生熔合的高性能HMA产品。
用于生产如后面所述测试的RAP原料来自美国的多个不同气候区域，并代表在该领域存在的路面的多种变化。注射处理能够使用普通可用的工程沥青乳液(比率为4％至8％)。完成的材料的强度特征是当前生产的最好HMA的两倍，且至少有与现有技术HMA一样大的柔性以便抗裂纹。
生产处理利用比现有路面HMA制造设备小得多的占地面积。生产处理利用明显更少的能量，降低了处理温度，并产生明显更少的污染，与现有技术沥青生产设备不同，这些优点使得生产设备能够布置在封闭建筑物内部，从而在战略上开发了更好地设备布置，减少了卡车运输，从而使得方法和产品更经济。没有现有技术的环境和其它问题的设备能够布置成更接近使用产品的点，其将在致密居住区域，这些区域以前并不适合作为用于沥青设备的位置。还有，封闭的设备能够在寒冷和恶劣的天气中操作，这种天气对于室外设施将不可能或不现实。在寒冷气候中，加热产品所需的能量要求和使用明火使它不能在室内操作和在寒冷天气中操作非常昂贵，因此，在更冷气候中，沥青设备在冬天关闭。本发明基本消除了这些和其它问题。
图2表示了根据本发明生产HMA的方法的总体流程。该方法的步骤将在后面介绍。本发明方法的低能沥青生产(“LEAP”)方法涉及RAP接收、RAP尺寸设置和工程乳液注射、环境温度I-RAP(注射有乳液的RAP)储存、通过低能微波加热系统(“LEHS”)来处理以及储存和运输最终的HMA产品。
LEAP标准HMA混合设计基于重量，并使用大约在百分之4至8之间的乳液、大约在百分之96至92之间的RAP以及可选的另外大约百分之一的石灰，对应于85吨每小时(“TPH”)的RAP供给速率、4.5TPH的乳液以及0.9TPH的石灰。进入的RAP能够储存在设施的内部或外部。在处理之前储存在内部将使得原料中的水含量从在供给时的大约百分之4至7水分减小至在使用时的最小量。多余的水(当有时)在微波加热部分中排出，不会影响最终产品质量。
RAP接收
LEAP通过在处理建筑侧部的卡车尺寸车库门开口而经由端卸卡车来接收RAP；进入的材料通过前端装载器、传送器或类似装置来运动。RAP堆在建筑物的角落中，从而形成多个连接堆，优选是设计成用于组合储存大约20000吨材料。进入的RAP将由于来源而分级。LEAP将利用来自高速路或其它公众项目的RAP，以便限制在普通HMA DOT规格之外的进入集料的量。当需要使用来自多个源的RAP时，LEAP将来自多个堆，以方便多重混合设计。
RAP磨碎和乳液混合
RAP将使用额定250TPH生成量的磨碎和混合单元来磨碎，该单元可由Nesbitt Contracting或Caterpillar Corporation获得，它设计成使得RAP的尺寸在一又四分之一英寸和二分之一英寸之间(根据最终混合设计)。压碎/注射单元包括在进入RAP上的筛网，该筛网允许一又二分之一英寸或更小尺寸的材料进入磨碎部分。没有通过进入筛网的过大尺寸材料送至压碎部分，以便减小尺寸，然后返回进入筛网。水在磨碎前添加给RAP，以便控制灰尘和最小化在磨碎机内的发热。来自磨碎部分的输出发送至两个平行的搅拌机，这两个搅拌机能够注射或使得两种不同等级的液体工程乳液与磨碎的RAP混合。固体和液体材料使用在两个平行轴上的相对桨状物而在搅拌机内混合。桨状物同时混合材料和将混合物从搅拌机的进口推向出口。RAP-乳液混合物(称为中间或注射后RAP(“I-RAP”)将从出口传送，并堆在压碎/注射单元的任一侧，生产的规模为使得I-RAP材料能够以加热处理(后面将介绍)的速度的大约3倍来生产。I-RAP能够在处理成HMA之前在环境温度下储存直到8周。
低能加热系统(LEHS)
在传送用于筒仓储存和/或传送给铺设承包商之前，LEAP利用微波加热系统(后面所示)来将I-RAP加热至预定特殊温度。由于LEAP而称为低能加热系统(“LEHS”)的该系统使用大约915MHz的微波能量，以便选择地加热I-RAP内的集料，从而使得LEAP能够加热混合物，且不会损坏在乳液内的沥青胶泥。LEAP使用两个平行的加热系统，该加热系统具有大约300kW至800kW的最小值，各自有45至75TPH的能力，以便处理I-RAP。各LEHS系统包括最少四个微波发射器单元，该微波发射器单元具有分配器/波导件，该分配器/波导件将微波能量从各发射器引导到两个旋转头部加热腔室中，从而导致每系统组合的8个腔室(每个设备16个加热腔室)。I-RAP使用皮带传送器以稍微大于3英寸的I-RAP深度来通过微波加热腔室。
设计成用于LEHS的工程乳液优选是能够隔离和保护在RAP中存在的剩余沥青粘合剂防止微波的剧烈加热功率。特别是，老化的RAP通常有2.4至4％的沥青烯粘合剂，沥青质存在于沥青中，希望的软沥青与沥青烯的比率由于天气和氧化而随着时间减小，从而使得沥青变得干或脆。高浓度的沥青烯因此限制了RAP的有用性，以使得它不能使用、只能使用有限量(导致较差的干和脆的产品)、或者沥青质能够在一定温度下烧掉，从而产生污染物。LEAP能够利用直到100％的RAP，因为它能够再生沥青烯，或者以其它方式增加软沥青与沥青烯的比率，从而导致非常高质量的HMA产品。微波发射器能够产生可变或恒定的功率，且加热程度由LEAP通过调节功率和传送器皮带速度(以便增加或减少I-RAP在LEHS内的暴露时间)来控制。通过改变在腔室或一系列腔室内的功率强度，不同的HMA混合设计能够产生为具有不同的性能特征。
图3-6中表示了用于LEAS/LEAP设备的多种示例布局，并能够将多达两个LEHS系统，该系统紧邻地布置在设备内。
LEAP HMA性能特征
LEAS HMA已经进行测试，与U.S.Department of Transposition，Federal Highway Commission形成的、用于所有铺设项目(这些项目整个或部分由联邦基金来提供资金)的Superior Performing AsphaltPavements(“Superpave”)标准比较。用于HMA评价的主要测量值是用于预计HMA的耐久性的拉伸强度率(“TSR”)。一些南方的州(特别是Texas和Louisiana)已经用Hamburg Rut Test测量值来代替TSR测量值，因为在升高温度下铺设的HMA可能变得较脆。下面的表示出针对前述标准在LEAS HMA上执行的测试结果。
每AET的LEAP HMA特性测试结果，2013年1月12日(1)(从2012年12月20日和2013年1月9日的HMA试样)
(1)工程测试概括，Crius Corporation沥青设备空气发散工程测试，2012年12月18日，AET项目号14-01235
(2)SPWEB340B是Minnesota Department of TransportationSuperpave规格，其中“SP”表示回转破碎机(测试)设计，“WE”表示磨损混合物，“B”表示＜3/4”集料，“3”表示交通水平，“40”表示百分之4.0的设计空隙，“B”表示原始沥青胶泥粘合剂等级
(3)测试在20000循环停止，可测试范围的上限
(4)lb./ft3＝磅每立方英尺
(5)psi＝磅每平分英寸
Superpave规格以及大部分派生的州规格并不允许在HMA混合物设计中使用超过百分之25至50的RAP，因为普通的批量和鼓形物HMA设备不能在并不形成过多烟排放和颗粒物质的情况下(过多烟排放和颗粒物质违反了标准空气允许)将RAP内的集料充分加热至满足最低TSR规格所需的温度。使用LEAP生产处理来产生的HMA满足或超过了对于大部分州的最低TSR规格，同时使用100％RAP，实际上产生零排放或颗粒物质。
选定州DOT规格的最低TSR
多个南方的州已经将Hamburg Rut Test作为HMA耐久性的更可靠测量值。原始沥青胶泥有两种主要的化学组分：沥青烯和软沥青。沥青烯是硬材料，它提供了机械强度，而软沥青是油状部分，它用作在HMA中的粘接组分。软沥青将通过老化或过多热量而氧化，以便形成沥青烯，这使得HMA变得硬和脆。老化或热损坏的HMA在较重负载下产生裂纹，从而引起道路表面故障。Hamburg Rut Test使用在HMA试样上面通过的轮来进行，直到随后的车辙超过12.5毫米深度。南方的州(其中，夏天铺设温度能够使得HMA过早老化)已经转变成以Hamburg Rut Test作为代替测量值，以便保证软沥青部分不会在施加过程中受损。当在RAP中的沥青胶泥老化时，该测试是用于LEAP HMA的重要基准，且使用RAP的普通HMA超过百分之25有早期失效的趋势(由于相对缺乏软沥青)。
下面的曲线图表示了用于两种变型的LEAP HMA的测试结果
LEAP车辙测试结果远胜于最佳执行HMA产品的车辙测试结果，特别是当你认为用过的RAP并不设计成用于在接近该水平的任何位置负载(拉伸<60)。
绿线表示加热至220度的材料，紫线是加热至290度。普通的Superpave在8500次通过时失效，而LEAP HMA在一些情况下超过20000循环而没有失效。
LEAP排放
下面表示的排放测试执行为用于室内LEHS系统排放的颗粒和不稳定有机碳(“VOC”)测试。该测试概括如下。
总的观点：颗粒和VOC气体排放测试在2012年12月18日在引导规模沥青设备上进行。颗粒排放测试根据EPA Method 5和EPAMethod 202来进行。VOC排放测试根据EPA Method 25A使用总烃(THC)分析器来进行。在排放测试时，引导规模的沥青设备生产10吨/小时的沥青。
存在用于全部热混合沥青设备(HMA)的颗粒物质的联邦规定(NSPS Subpart I)。当前没有用于VOC的联邦规定限制；在下面的表中VOC排放与EPA排放系数比较。详细测试结果在附接于本文中的表1和表2中找到。
a)VOC等效于作为丙烷的总烃
b)该数表示通过天然气运行的Drum Mix HMA的VOC排放的EPA排放系数。
表1
沥青设备颗粒测试结果的概括
Crius Corporation-Plymouth，Minnesota
AET#14-01235
表2
沥青设备VOC排放测试结果的概括
Crius Corporation-Plymouth，Minnesota
2012年12月18日，AET#14-01235
运行#1 9:29-10:28
运行#2 11:42-12:41
运行#3 13:28-14:27
平均值运行#1-3
污染测试结果表明LEAP设备将很好地低于用于HMA生产的所需排放标准。这些结果证明LEAP设备适合在大部分州中的、普通HMA设备不能到达的位置(由于污染和空气质量规定)。
LEAP技术设备能够布置在支持卡车运输的几乎任意工业区域。这明显增加了优于普通沥青设备的竞争优点(通过布置到普通沥青设备不能布置的地方)。在此之前，HMA设备由于污染和排放问题必须布置在遥远地区，通常不会靠近使用HMA产品的位置。这大大增加了与产品使用相关联的成本，因为产品必须运输更大距离(与可能有LEAP设备的情况相比)。
而且，因为LEAP设备能够布置在室内，并大大减少能量需求，因此它们能够在更冷气候中以低得多的操作成本整年操作。战略上的位置将减少运输比率和提高对最终用户的经济影响。
还有，LEAP设备有比普通沥青设备小得多的占地面积，从而提供甚至更大的优点。
LEAP设备能够在同时操作或根据产品需求来操作。与现有的普通HMA设备不同，只要很少的努力来从事生产，简单地打开几个开关，你的生产就准备好了。从事生产的容易性能够使得材料很容易地在一年12个月中获得，甚至在北方气候中。现有的HMA设备在北方区域需要在冬天的几个月中关闭，因为高操作成本和需要布置在室外。
在南方的州或更温暖的气候中，下面所示的结构允许RAP储存在外面。LEAP设备能够在城市中布置在40000平方英尺或更大的设施中。通过使得整个生产处理在内部进行，你还能够在任何时候生产，而没有与普通HMA设备相关联的寒冷天气开动成本。
尽管本发明的前述说明使得本领域普通技术人员能够以当前认为最佳的方式来制造和使用，但是本领域普通技术人员应当知道这里的特殊实施例、方法和示例存在变化、组合和等效物。因此，本发明并不由上述实施例、方法和示例来限制，而是由在本发明的范围和精神内的所有实施例和方法来限制。例如，LEAS系统能够用于改进现有的沥青设备，以便使得它们能够通过减少热量需求而减少污染水平，和/或增加在HMA生产中使用的RAP量，尽可能高至大约70％至80％。

Claims (1)

1.一种用于生产高性能热混合沥青产品的沥青设备，包括：
RAP材料；
乳液，所述乳液添加给RAP；以及
低能微波加热系统，用于处理RAP乳液混合物。
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