CN104981569A - 用于路面再生的机动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机动沥青设备，产品包括：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。

Description

用于路面再生的机动微波处理单元以及沥青路面生产
技术领域
本发明是沥青生产的技术领域。更特别是，本发明涉及在机动沥青生产设备中使用微波能量。
背景技术
沥青再循环和回收是除去老化沥青路面的过程。该过程能够从大约很小的英寸至几英寸的沥青路面去除，并能够包括除去沥青下面的一部分基部集料和将它压碎至特殊尺寸。在除去和压碎材料之后，产品与沥青乳液混合(在大部分情况下，乳液添加的比率为大约1.5％-6％重量)，这具有改进成用于特殊区域和天气条件的性能特征。
来自DOT公司的报告表示了方法之间的成功和失败的不连贯率(disconnected rate)，且对于沥青再生当前没有要遵循的国家规范。DOT公司、城镇和县都寻找更好更经济的方式来延长路面寿命。近年来，现场热再生(“HIR”)处理的普及度已经在增长，但是这些处理具有多个缺陷。这些缺陷包括处理对环境不友好、引起污染、以及需要大量的能量来产生用于HIR处理所需的热量。
还有其它用于路面再生的方法，包括CIR-冷现场再生、FDR-全深度再生以及HIR-热现场再生。
CIR是对环境友好的路面恢复处理，该路面恢复处理在不使用热量的情况下进行，该CIR从二十一世纪初期以来就是普通的路面恢复技术。两种最普通的CIR方法使用沥青乳液或泡沫沥青作为稳定剂。在任何位置，2至5英寸的当前道路表面磨碎至特定集料尺寸，与乳液或泡沫沥青混合，然后重新用于铺设该相同道路。使用的设备(图1)在单次通过时碾碎一部分路面(直到14英尺宽)，使它通过机动的压碎和尺寸设置装置，然后通过搅拌机，沥青稳定剂在该搅拌机中添加，最终的材料堆在后部外，在该处，它由标准的沥青铺设设备来拾取，并向下铺设至相同的道路表面上。联合铺路机为大约150’长。
CIR生产的最终产品有大约10％的气隙(与用于热混合沥青的3-7％比较)，并有新近热混合沥青的结构值的大约60-80％(AASHTO层系数0.25-0.28vs热混合的0.35-0.44)。因此，最终产品具有明显较差的初始完整性，且在质量上在强度和寿命方面比新近的沥青路面更差。
FDR本质上与CIR类似，尽管通常该方法将再生更多基部材料，其中，通常2+英寸的基部被拔起和包含在再生处理中。
HIR也是类似的处理，包括四个步骤：(1)通过热量来使得路面表面软化；(2)机械除去表面材料；(3)使得该材料与再生剂和/或原始集料和沥青粘合剂混合；以及(4)将再生的混合物放置和铺设在路面表面上。用于执行HIR的设备近似200英尺或更长的长度，包括预热器、翻路机和混合设备。HIR通常限制为只再生路面的上部1至2英寸。还没有关于HIR路面的结构值的可用公布研究，不过，因为使用的方法，它同样等效或稍微优于CIR，但是仍然并不等效于新沥青路面。生产HIR所需的设备使用大量的热量来软化路面。路面通常在加热后翻松，而不是磨碎，这与CIR相比导致更不确定的路面边缘-使得完成的最终产品较差。热量通常通过红外线加热器来产生，该红外线加热器使用丙烷作为燃料源(最通常使用Heat Master 16)。根据制造商的规格，HM-16具有每主面板8222000BTU/hr输出x 2＝16444000BTU/hr的总BTU/hr输出。因为直接将高热量施加在路面上，因此沥青粘合剂将老化和因此硬化，从而降低了最终产品抗热裂化的能力。
由于再生设备机组的尺寸，这些路面复原方法最适合较长部分的路面，如图2中所示。HIR设备机组能够相当大(图3)。
我们国家的道路在过去二十年里的增长交通要求、减少的预算资金以及对于安全、高效和具有成本效益的道路系统的需求都导致明显增加了再生我们现有路面的需求。过去的25年也发现，作为现有路面复原的、在技术上和环境上优选的方式，沥青的再生和利用明显增加。沥青再生和利用需要进行改进，以便满足提供安全、高效的道路的全部社会目标，同时还需要明显降低对环境的影响和能量(油)的消耗(与普通路面重新建造相比)。通过新结构来快速发展道路网络的时期到达顶点，现有道路的基础结构已经老化，大量的道路正接近它们的有利使用寿命的结束。有限的资金和对现有资源的需求已经将重点从新结构转变成保持和/或延长现有道路的使用寿命。实施更及时或提前的预防维护和复原处理已经用作保持现有道路基础结构的方式。
尽管这些现有技术在环境上更合理和具有成本效益，但是由于缺乏对它们的优点的了解和意识以及一些公司对试验新策略的犹豫，它们的实施不能被广泛接受。在一些情况下，导致不成熟的失败的不正确的设计及结构技术阻止了这些技术的发展。这些障碍阻碍了市场化的努力以及对新颖和改进的再生策略的促进。下面列出阻碍原地再生实施的一些障碍：缺乏经验和技术专家；本地承包商不可用；缺乏沥青行业的本地支持；很难保留适合范围；偏见和误解；过去不成熟的失败；缺乏对合适使用和处理控制的清楚指导；不一致的规格；没有意识到成本效益；关于HIR的空气质量问题；再生设备的较大成本；关于结构能力适当性的问题；在安装最终的热混合沥青(“HMA”)或可选的粗磨料之前，很多使用的乳液需要直到一周来“固化”，这导致建造的较大延迟，在一些情况下建造设备的双重运动增加了成本和建造的持续时间；工程乳液和泡沫乳液在整个国家具有不一致的成功率，这使得一些承包商没有意愿来加入这种节省成本的方法；对于新的乳液混合物设计，需要在项目规范和投标之前进行大量的实验室测试。根据当前的成功率，这是障碍；HIR方法消耗大量的能量来实现；且尽管现有的再生方法增加了老化路面的寿命，但是它们仍然达不到新HMA总体性能标准。
因此，还需要一种提高的沥青再生产品和方法，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机动沥青设备的改进装置和方法，该机动沥青设备包括：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表示了沿道路运动的CIR设备机组。
图2表示了HIR设备机组的一部分。
图3表示了沿道路运动的HIR设备机组，它通过来自较大燃料箱的直接火焰来加热路面，该燃料箱位于被牵引的拖车的顶部。
图4表示了在拾取机和铺路机前面的、注射工程乳液的CIR机组。
图5表示了拾取机和铺路机，其中，本发明将布置于它们之间。
图6表示了MLEHS。
图7表示了MLEHS。
图8表示了MLEHS。
图9表示了MLEHS。
图10表示了MLEHS。
具体实施方式
本发明的目的是克服与当前再生方法相关联的问题，努力提供更好路面性能的方案，同时经济和节省能源。本发明在乳液混合阶段完成(在标准CIR或FDR再生设备机组中)的过程中或之后处理再生的沥青，并使用微波系统来快速地加热材料，该微波系统包括最少四个微波发射单元，这四个微波发射单元具有分配器/波导件，该分配器/波导件将微波能量从各发射器引导入两个旋转头部加热腔室中，使用大约2.4或915MHz。微波处理在本文中称为低能加热系统“LEHS”或机动低能加热系统(“MLEHS”)。使用连续微波能够使得功率和强度循环，以便获得在控制表面上的最佳加热效果。用于传送微波能量的另一可能结构是通过管或不锈钢管(使用不锈钢螺旋传送器)(或者其它适合抗微波能量损坏的材料)，同时使用波导件来分配来自各发射器的微波能量，并从多侧引导能量进入腔室。
微波单元具有合适的屏蔽，以便保护操作人员和向材料提供足够热量，从而在运行通过MLEHS处理器时获得大约220至340华氏度的温度。当材料传送通过MLEHS加热腔室时施加正确的热量，且关键是软化在老化沥青中存在的有限沥青乳液粘合剂，从而使它与新的沥青乳液混合。完成的材料在所需温度下落入铺路机中，以便在存在于老化路面中的剩余沥青和引入的新乳液之间提供最佳的压紧和熔合。
图4中表示了使用现有CIR设备机组的方法。该设备直接从道路上除去旧的路面或者路面和基部材料。路面材料被除去和传送至混合站，在该混合站中注入直到两种不同的新工程沥青乳液粘合剂，注射的材料再落回至地面。该处理在设备机组沿道路运动时进行。在大型的设备机组之后，较小的“拾取”单元跟随运动，从道路上除去注射的材料，并使它落入铺路机中，以便重新安装在道路上(图5)。
图6-10中所示的模型表示了MLEHS微波处理器的结构，该MLEHS微波处理器能够插入设备机组中并在拾取机后面和恰好在铺路机前面。当图5中所示的拾取机从地面上除去注射后的再生沥青路面(“RAP”)时，它向上传送，并直接置于在MLEHS前面的传送器上。注射后的RAP在它通过MLEHS时加热至用于该区域的设计性能HMA混合物规格。高性能HMA离开MLEHS，并直接落在铺路机上，用于均匀地分布在道路上。压紧辊跟随铺路机运动，以便压紧HMA至正确的压紧水平。其它可能的MLEHS结构包括将微波单元安装在铺路机的顶上或者附接在再生搅拌机上，新乳液引入该再生搅拌机中。
图6中所示的MLEHS装置包括四个微波发射器单元，这四个微波发射器单元具有内部布置的分配器/波导件，该分配器/波导件将来自各发射器的微波能量引导到两个旋转头部加热腔室中，各发射器使用大约2.4或915MHz(低能加热系统)。不过，根据用途能够使用不同数目的微波发射器。例如，可以使用多至10或更多微波发射器，并有内部布置的分配器/波导件，该分配器/波导件将来自各发射器的微波能量引导到两个旋转头部加热腔室中。
MLEHS装置将由较小的半牵引车来拉动，该半牵引车具有向左或向右偏离中心的操作人员站，以便容纳材料传送器。注射后的RAP材料供给至一端到传送器上，进行处理，然后从另一端直接沉积在铺路机中。这种单元使用它自带的发电机来作为电源。当产生高性能HMA时，组合的发电机和微波功率使用为大约800000BTU每小时(只是用于HIR设备的16000000BTU/HR的一小部分)。
机动LEHS能够有内置的操作人员站，因此它完全可操纵。图7-10中表示了附加图；图10表示了没有微波单元的装置。
当与压碎和注射系统(如在前面页中在设备机组中所示)结合使用时，上述MLEHS能够用于机组中，或者作为机动/临时的沥青设备。这种高性能HMA设备将占据很小空间，同时产生很少或没有颗粒或VOC排放。设备可以现场设置，用于任何大规模的道路或停车场的除去和替换。
利用2012内从Minnesota的州项目中获得的投标表，对于4英寸深的CIR，普通投标价格为＄1.90/平方码，且乳液成本为另外的＄4.20/平方码(3％的附加率)，总价格为＄6.10/平方码。使用＄60/吨的价格用于普通HMA，且＄2/平方码用于4英寸深的磨碎，用于4英寸磨碎和覆盖的总价格将为＄15.50/平方码。
由这种成本比较，能够知道为什么CIR是用于路面复原的合适方法(当影响决定的其它因素(几何形状、路面高度、竖直间隙等)允许考虑它时)。因为CIR通常只有HMA的结构值的大约70％，且认为并不适合用于最终磨损表面，1.5至2.0英寸的普通HMA覆盖通常布置在CIR上作为最终表面，从而价格增加了另外的＄5.50-＄6.75，导致总价格为＄11.60-＄12.85/平方码。本发明生产的成本类似于下面的普通CIR，部分是因为形成的产品优于HMA，它不需要用于普通HMA覆盖。
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。下面的表示出了针对前述标准在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)(来自于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沥青装置空气发散工程测试，2012年12月18日，AET项目号14-01235。
(2)SPWEB340B是Minnesola 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，因为普通的批料和鼓状物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LEAS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
TSR(最低) 州
85％ MS(有1％的石灰)
80％ VA、OR、FL、AL、NM、OK、SD、IA、NY、GA、AR、MN
70％ CA、NV、MO、CO
60％ AZ
Hamburg Rut Test TX、LA、UT
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LEAS 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LEAS HMA的测试结果
LEAS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并不设计成用于接近该水平的任何位置的负载时(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 HMA在8500次通过时失效，而LEAS HMA在一些情况下超过20000循环而没有失效。
使用微波技术的现场再生中的热机会(opportunities)
实验室测试表明，使得100％再生沥青路面(RAP)与4-5％LEAS沥青乳液混合以及通过MLEHS来将其加热至250-300华氏度能够产生与新的热混合沥青(HMA)相等或者更好材料特性的沥青产品。设计成用于CIR铺设机组中的微波MLEHS单元将该处理转变成HMA处理机组。热量的添加将使得CIR材料以与HMA类似的密度来布置，且性能结果证明完成的表明将与普通HMA相当或者更优。
MLEHS单元需要在CIR或FDR注射处理中添加从大约4-8％(在CIR中5％，直到用于FDR的8％)的工程乳液，以产生高性能LEASHMA。在5％乳液含量时，成本将增加从＄6.10/平方码(用于CIR)至＄9.00/平方码(HIR)。显然，使用微波技术加热的HIR将是有成本效益的可选方式，因为MLEHS加热能够应用为小于＄6.50/平方码(设备和能量成本)。
当前在美国有8616200车道英里的路面，包括在Minnesota州中的292599。在Minnesota中，40％的道路英里数铺设有沥青，2％为混凝土，58％具有砾石或尘土表面。在US中的全部铺设道路的表面的统计还不容易获得，但是当表面类型的百分数与MN类似时(合理假设)，有大约3446480车道英里的沥青表面道路。沥青路面在复原之间的平均寿命周期为20年(在高交通量的城市环境中为5-12年，在居民区和低交通量的郊区环境中为15-30年)，意味着每年有大约175000车道英里(1,232,000,000平方码)的潜在市场用于路面恢复(作为可能的复原方法)。提供新HMA性能的路面现场复原的经济冲击是巨大的。
下面表示的排放测试执行为用于室内LEHS系统的排气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LEAS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LEAS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)。
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。

Claims (1)

1.一种用于生产高性能热混合沥青产品的机动沥青设备，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。
CN201380035208.0A 2012-05-04 2013-05-06 用于路面再生的机动微波处理单元以及沥青路面生产 Pending CN104981569A (zh)

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