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节能环保材料及技术在道路建设中的应用

2017-02-23    来源:
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[ 导读 ]:道路建设一直被人们普遍认为是高污染、高能耗产业,但随着技术的发展,节能环保材料及技术在道路建设中的应用受到越来越多的重视。本人介绍了

道路建设一直被人们普遍认为是高污染、高能耗产业,但随着技术的发展,节能环保材料及技术在道路建设中的应用受到越来越多的重视。本人介绍了两种环保型道路建筑材料:废旧轮胎橡胶粉改性沥青及混合料,废旧回收塑料改性沥青及混合料;四种节能环保型道路建筑技术:沥青路面再生技术,超薄罩面技术,泡沫沥青技术以及温拌沥青技术。

1 前言

长期以来,道路建设一直被人们普遍认为是高污染、高能耗的产业,这主要是因为:

1)道路建设尤其是沥青路面的铺设通常使用的是石油的副ca88手机版登录沥青,这是一种不可再生资源,随着石油资源的日渐紧张和价格的不断上涨,如何找到一种替代材料或者部分替代材料已经是越来越多业内人士的共识。

2)沥青材料的生产和沥青路面铺设过程中,由于必须将沥青及其混合料加热到较高的温度(150℃-190℃),在高温下这些材料会释放出烟雾,同时伴有硫化物等有害物质的产生,对周围环境及生产和施工工人产生不利影响。

3)道路建设中材料的生产和摊铺过程中,都需要较高的温度(150℃-190℃),需要消耗大量的能源才能实现。

4)部分道路进入大修或改造期,绝大部分都是将原有路面直接铲掉然后废弃堆放。这种做法不仅占用宝贵的土地资源,而且旧路面的石料、部分胶结料等材料并未达到完全不可用的程度,没有做到有效循环利用实在是可惜。

由于目前环境污染和能源枯竭已得到全球范围的关注,为保护生存环境,世界各国都对温室气体、有害气体以及固体粉尘等排放进行严格限制,在这种大趋势下,通常使用的热拌沥青混合料道路铺筑技术亟待革新。如何从材料、技术着手,改变道路建设高污染高能耗的现状,节能环保型道路建设材料及技术是道路建设者正在不断努力的方向。

2 节能环保型道路建设新材料

2.1 废旧轮胎橡胶粉改性沥青及混合料

废旧轮胎是固体废弃物中最难处理的品种之一,这一“黑色垃圾”不能自然降解,无论采用堆放、填埋还是采用焚烧的方法处理都将带来新的污染。将废轮胎加工成橡胶粉末,用作沥青改性剂是国际公认的无害化、资源化处理“黑色污染”的最好方法。目前我国公路建设普遍采用的是SBS 改性沥青,如果我国每年有1/3 的改性沥青采用胶粉改性沥青即30 万吨,至少可节约沥青材料费用1 亿多元,同时还使600 万条废旧轮胎得以再生利用。

橡胶沥青是先将废旧轮胎加工成为橡胶粉粒,再按一定的粗细级配比例进行组合,同时添加多种高聚合物改性剂,并在充分拌和的高温条件下(180℃以上),与基质沥青充分熔胀反应或经过胶体磨充分研磨后形成的改性沥青胶结材料。废旧橡胶粉改性沥青是近几年发展起来的新型材料,其具有以下优点:

1)针入度减小,软化点提高,粘度增大。这说明其高温稳定性提高,对夏季行车的路面车辙、拥包现象有改善。

2)温度敏感性降低。温度降低时,沥青变脆弱使路面发生应力开裂;温度较高时,路面变软,受承载车辆作用而变形。而用胶粉改性后,沥青的感温性得到改善,抗流动性提高,橡胶沥青的粘度系数大于基质沥青,说明改性沥青有较高的抗流动变形能力。

3)低温性能得到改善。胶粉可提高沥青的低温延度,增加沥青的柔韧性。

4)粘附性增强。由于石料表面粘附的橡胶沥青膜厚度增加,可提高沥青路面抗水侵害能力,延长路用寿命。

5)增加车辆轮胎与路面的抓着性,提高行驶安全性。

6)减少各种噪声污染。

2.2 废旧回收塑料改性沥青及混合料

废旧塑料作为一种工业固体废弃物,其大量堆积会造成白色污染,给环境带来极大的危害。采用焚烧、填埋等方式既污染环境,也浪费了极其宝贵的土地资源。我国废弃塑料主要为塑料薄膜、塑料丝及编制品、泡沫塑料、塑料包装箱及容器、日用塑料制品、塑料袋和农用地膜等。这些塑料的成分主要为聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、ABS 等,回收利用价值较大。然而,从现在的情况来看,废弃塑料只是得到回收却没有真正的利用。在道路建设中,能够充分利用这些废旧回收的塑料,制成废旧回收塑料改性沥青或者直接以废旧塑料为基础,以非晶态高分子、树脂及辅助剂,按适当比例共混,并经引发化学反应而形成ca88手机版登录,直接在沥青混合料拌和中投放,拌和后形成废旧塑料改性沥青混合料。这种废物利用的ca88手机版登录具有以下优点:

1)废旧塑料来源广泛,数量巨多,且价格便宜,若能充分利用,即能创造良好的经济效益。

2)废旧塑料改性沥青能够明显提高沥青混合料的抗车辙能力、明显改善沥青混合料的抗疲劳性能、改善沥青混合料低温抗裂性和水稳性、对沥青无相容性要求、操作工艺简单、不需添加沥青改性设备、常温下可以长期库存。

3)废旧塑料中的有效成分可以提高沥青的软化点,改善沥青的低温柔韧性,降低针入度,使沥青具有较好的温度稳定性,进而使沥青混合料具有良好的路用性能。

3 公路建设中的节能环保新技术3.1沥青路面再生技术

按照沥青路面的设计寿命(10~15 年)和实际使用情况,我国每年有12%的沥青路面需要翻修,这其中大量的采用铣刨旧路面层,然后加铺新面层的措施。预计旧沥青路面材料废弃量每年达到220 万吨。对于这些旧路面材料,如果仅仅采用抛弃这种简单的处理方式,不仅会占用大量的土地、而且还会造成周边环境的污染,就材料本身而言,也是一种极大的资源浪费。采用再生技术,使材料得到重新利用,是一项符合可持续发展规律的有效措施,也是摆在研究人员、工程技术人员面前的一个实际问题。

沥青路面再生技术主要分为四大类:

1) 现场冷再生

现场冷再生技术主要有两种方式:

第一种是利用大功率铣刨机就地铣刨、翻挖、破碎、再加入新料(包括乳化沥青或其他再生剂、稳定剂),用路拌机就地拌和、摊铺、最后用碾压机碾压成型。这种方法采用的是乳化沥青,对设备要求较低,生产成本不高。相应地,这种再生路面品质不是很好,主要用于低等级公路路面和高等级公路路面基层,国外多用于乡村公路的翻修。

第二种是在旧路上洒布再生剂封层,通过再生剂渗入路面5~6mm 以恢复表层沥青活性,延长路面使用寿命2~3 年。

2)现场热再生

现场热再生是一种修复破碎路面的过程,也称为表层再生技术。它通过红外线加热路面以及一定深度的旧沥青混合料至一定温度,然后用翻松机将可塑状态混合料翻松,再添加新沥青,最后将再生混合料碾压成型。这种方法施工简便,无需旧料运输,工效高,多用于基层承载良好、面层出现疲劳裂纹路面,特别适用于老化不太严重但平整度较差的路面。

3)厂拌冷再生

厂拌冷再生技术先将旧沥青路面铣刨后运回稳定土搅拌厂,经过破碎作为骨料,再加入水泥或石灰、粉煤灰、乳化沥青等稳定剂进行搅拌和铺筑,多用作基层或底基层用途。该技术可解决无法进行热再生回收利用的旧料,实现废料处理和环境保护的目的。

4)厂拌热再生

厂拌热再生技术是将旧沥青路面铣刨后运回拌和厂,再集中破碎、筛分、并根据旧料性质掺入一定比例的再生剂、新沥青和新集料在拌和机中进行拌和,使混合料达到规范规定的各项指标,重新铺筑再生沥青路面。厂拌再生沥青混合料路面具有良好的抗车辙性能。这种方式属于结构性再生,能有效用于各种条件下的旧料再生,适用面较为广泛。

路面再生技术,具有以下优点:

1)有利于环保:路面再生技术可直接将旧路面进行粉碎拌和,实现材料的再利用,防止资源浪费,解决了传统工艺中剥离后形成的废弃物对环境造成的污染。

2)高效节能:沥青路面再生技术直接利用废弃的旧路面材料,减少新、旧料的运输时间和费用。据统计,施工工期与传统工艺相比可缩短一半以上,施工费用降低三分之一以上。

3)受天气条件影响小:路面再生技术能够在天气条件不确定的情况下施工。雨天暂停施工,雨后可立即恢复施工。

4)施工速度快速。

5)显著降低对公路交通的影响:当公路半幅施工时,另外半幅可以照常开放交通;且

不必运输新旧料,减少交通量和交通载荷,大大改善施工时的交通安全。无论从环境保护、社会经济效益方面,还是从可持续发展方面讲,再生技术都是一个具有发展前景的工程技术领域。沥青路面再生技术不仅可以降低成本三分之一以上,更重要的是在施工过程中将公路的旧沥青面层直接粉碎、拌和作为基层骨料,提高了路基强度,更防止资源浪费,实现材料的再利用,消除了旧混合料的废弃给环境造成的污染,施工中减少交通量和交通载荷,不仅节能,而且减少环境污染。国外的应用实践证明,沥青路面再生技术是公路建设可持续发展战略的重要组成部分,在我国现阶段尤其具有重要的现实意义。有效地利用废旧沥青混合料,可节约大量自然资源,并有利于保护生态环境,防止污染。大力开展研究试验和推广应用,是一项具有深远社会意义的紧迫任务。3.2 超薄罩面技术路面结构设计中“功能分类”的概念是指路面结构的承载力通过路面结构厚度来实现,而表面层的作用是满足使用性能要求。根据这一理念,提出了薄层罩面技术。在欧美日发达国家,薄层罩面技术早在上世纪80 年代开始应用。法国是国际上采用薄层沥青混凝土路面的代表性国家。从1986 年开始,各种薄层沥青混凝土面层在法国公路上普遍使用,法国路网约30%公路使用薄层罩面养护,尤其是重交通公路。根据法国标准NFP98-137 的定义非常薄面层(BBTM)的厚度为20~25mm;超薄面层(BBUM)的厚度为15~25mm。BBM 所选材料非常类似于SMA 沥青混合料。与SMA 相比,BBM 是明显的断级配;胶砂含量少,0.075mm以下粉料的含量少了3~5%,沥青结合料含量少0.5~1.3%。2001 年,交通部公路科学研究所对超薄层沥青混凝土面层技术进行研究。提出了相应的薄层罩面沥青混合料设计指标、方法以及施工指南。《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)规定:薄层罩面中的超薄磨耗层是一种具有较大构造深度,抗滑性能好的磨耗层,适用于路面较平整、辙槽深度小于10mm,无结构性破坏的公路,为提高表面层服务功能的养护维修措施,也适用于新建公路的磨耗层。磨耗层一般厚度为20mm 左右,混合料宜选用断级配,改性沥青或其他添加剂,以提高超薄磨耗层的水稳性。

一般情况下,薄层罩面按沥青混凝土面层的厚度,可将其分为三种:即薄沥青混凝土面层25~30mm;很薄沥青混凝土面层20~25mm;超薄沥青混凝土面层15~20mm。薄层罩面的结构可分为两个层次:表面磨耗层和粘结防水层。表面抗滑磨耗层提供一个安全、舒适、耐久的行驶表面,恢复路面的表面功能,提高路面的抗滑性能,改善路面的平整度。粘结防水层能够保证薄层罩面与原路面结合紧密,防止雨水下渗,适度延缓旧沥青路面的反射裂缝。薄层罩面具有表面处治的全部优点,而没有表面处治需要后续照顾的缺点;可以在不适宜表面处治的气候条件下进行铺筑;在一定程度上调整原路面的不平整度。但是,薄层沥青混凝土罩面必须铺筑在路面结构强度和下层沥青面层的高温抗形变能力满足要求的路面上,而且不能提高路面结构的强度或承载能力,也不能提高沥青路面的高温抗形变能力和防止原路面的反射裂缝,由此看来,其更适宜用于高速公路路面的预防性养护。薄层罩面的主要特点:可以有效防止下渗水的破坏,具有更好的防水损坏性能;独特的断级配混合料能更有效地降低路面噪音,减少水雾;具有更高的抗滑性能,更好的排水性能,雨天行车安全性好;施工效率高,年施工期长,开放交通时间快;在一定范围内校正表面缺陷,提高路面平整度;必要时需对原路面进行铣刨处理。

超薄罩面技术具有以下优点:

1)超薄罩面技术主要用于老路面抗滑性能的恢复,也可用于新建公路,使用这种技术的沥青路面具有安全舒适、噪音水平低,节约养护或建设成本的优势。

2)采用此种技术的沥青混合料不仅外观漂亮,具有良好的初期抗滑性能,而且经受住重载、渠化交通的考验,具有良好的抗滑性能耐久性,且没有其他水损坏的病害现象发生。

3)由于其采用小粒径混合料,且构造深度较大,因此是一种典型的低噪音路面形式。根据欧洲十年来低噪音路面的研究成果表明,密实型、小粒径、粗集料断级配的混合料,是低噪音路面首选的材料,比一般高等级公路上常用的抗滑表层可降低行车噪音3~6 分贝。由于公路部门经常会存在沥青材料与经费不足的问题,再加上养路工作线长、面广、零星、施工繁琐和工效低等,常常使得维修养护的路面得不到应有的保养。因此,当前迫切需要加快养护速度,提高养护质量,降低养护成本的施工方法,用较少的材料,较快的速度以及较少污染的情况下,尽快改善路面状况。因此,当路面出现开裂、光滑、轻度车辙、松散、老化等病害时,在其表面采用超薄层沥青混凝土面层技术处理后,可以迅速提高路面的耐久性、抗滑和防水等性能作用。对于新铺的沥青路面如贯入式、表面处治、粗粒式沥青混凝土、沥青碎石等比较粗糙的沥青路面,在其表面做超薄层混凝土技术处理后,可以作为保护层与磨耗层,显著提高路面质量。超薄沥青混凝土能够适当减薄面层厚度,降低铺路成本。2~2.5cm 的摊铺厚度比一般常用的4~5cm 抗滑表层节约近50%的建设资金,即使考虑采用改性沥青防水层技术,也能比传统的方式节约10~25%的建设成本。

3.3 泡沫沥青技术

所谓泡沫沥青,就是通过向热沥青中加入一定量的经过精确计量的冷水而制成的。当注入的冷水遇到热的沥青时,沥青体积发生膨胀,因而会产生大量的泡沫,表面活性进一步增强。对于粘度值较大或高等级的沥青,通常需要加入一定的压力促进泡沫的生成。在发泡的过程中沥青的粘度显著降低,使之能与高速搅拌状态下的冷湿集料具有很好的裹覆性能,而且这种裹覆作用在常温下只针对集料中的细集料,通过裹覆细料形成高粘度的沥青胶浆,并在压实作用下粘结粗集料形成强度,增加了混合料的粘聚性。泡沫沥青产生的过程中并没有化学反应,所以不改变沥青本身的各种物理性质。仅是利用汽化阶段使沥青的表面积大量增加,体积大大膨胀,粘度暂时降低的有利条件,来增加沥青同矿料的裹覆面,改善沥青与矿料拌和的和易性,减少沥青混合料中自由沥青的厚度从而节省沥青用量。

泡沫沥青技术具有以下优点:

1)泡沫沥青混合料存贮时间长,不需加热,碾压成型迅速。这为缩短公路路面施工工期创造了良好条件。混合料规模化生产,铣刨、摊铺机械化连续作业,摊铺后可以立即压实,压实后立即可以开放交通。路面小修甚至可以做到即修即通车。

2)运用泡沫沥青技术浇铺的路面强度、抗疲劳度、抗水性更胜一筹,使用寿命更长。

3)路面标高可以不抬高或抬高较少,从而减少挡墙、边沟、绿化带等附属设施的加高费用。

根据统计资料,我国90%以上的高等级公路沥青路面基层或底基层采用半刚性材料,但由于使用这一方法造成路面的早期损坏非常严重,故发达国家已很少采用半刚性基层沥青路面这种结构。而泡沫沥青作为一种新型的公路材料已引起许多国家公路界的重视。应用泡沫沥青混凝土作为路面底层,就可以解决半刚性基层沥青路面结构带来的问题。既能有效避免早期病害的发生,又能解决大量路面材料废弃后造成的污染和浪费问题。利用泡沫沥青与旧路面废料再生,既利于环保,又节约大量投资。全国每年约有12%的高等级公路需要大修,保守估计每年沥青路面废弃量有220 万吨。回收利用这些废料,用于路面新建或维修,每年全国仅在材料费方面就能节省数亿元。

泡沫沥青温拌混合料与热拌沥青混合料相比,生产施工温度降低25~30℃,节约能耗30%以上,从面能够有效降低生产成本,减少温室气体、沥青烟等有害气体的排放,改善施工作业环境。

3.4 温拌沥青技术

温拌沥青技术,是指用于沥青路面铺筑的沥青混合料,通过加入某种添加剂(即温拌剂),实现混合料拌和、施工温度降低20~30℃,而其品质(使用性能)不下降。温拌沥青混合料其拌和温度介于热拌沥青混合料和冷拌沥青混合料之间。温拌沥青技术具有以下优点:

1)环保。温拌沥青混合料较传统沥青混合料的拌和温度降低30-50℃,其在拌和过程和摊铺过程中的有害气体排放会大大减少。

2)节能。根据有关资料,沥青混合料拌和温度从160~170℃降至120℃,可降低能源消耗30%左右。

3)减轻沥青老化程度。沥青从热拌时160℃拌和、储运下降到温拌时120 ℃拌和、储运(温度甚至更低),沥青老化的程度可大大降低。

4)性能优良。根据目前初步的试验结果,乳化沥青温拌混合料的路用性能可完全达到热拌沥青混合料的性能,对于部分指标,温拌沥青混合料的性能甚至更优。

5)完全利用目前热拌沥青混合料的拌和设备和摊铺设备,不需要进行改动。

6)由于降低了摊铺温度,可延长施工季节。

7)较低的拌和及摊铺温度,会大量减少烟熏及其他有害的散发物质,这将极大地减轻

混合料生产过程中可能对人造成的潜在伤害,维护施工建设人员的身体健康。使用温拌沥青技术,由于拌和温度降低燃料使用量20-50%,每吨集料可少消耗燃油的成本约为5.5 元/吨,可降低油石比,节省沥青使用量,每吨集料可节省3.5 元/吨,出料量每小时增加30%,由此人工费和设备及油电的节约每吨集料约为50 元,另外节省工期成本及施工队的施工时间。使用温拌沥青混合料,同普通热拌沥青混合料相比,能够减少CO、CO2 等气体的排放30%以上,减少施工中对施工人员的伤害和环境污染。符合现代经济发展和交通特点的需求,也是建设资源节约型、环境友好型社会的需要,具有良好的市场应用前景,社会和环境效益显著。

4 结语

近年来,我国的公路建设事业取得了快速发展,我们应该按照既要加快发展,更要好中求快,实现增长方式转变的要求,应把环境保护、降低成本的新理念贯穿到公路建设中。节能环保型新材料及技术并不仅仅是上述介绍的几种,在公路建设和各个阶段,我们应该注意

以下几点问题:

1) 要合理规划路网布局,有效利用土地资源,确保建设项目的科学性,要立足扎实的调查研究和科学的分析论证,根据地区社会效益和经济发展的需要、现有路网状况和未来的交通需求,综合项目所在区域的地质、水文、生态、环保、各种运输方式的需求、建设用地等,合理利用路线资源,减少对环境的破坏,避免重复建设浪费土地资源。

2) 在公路建设的设计阶段,应综合考虑环境和造价等各种因素,灵活运用设计指标,进一步细化设计,使设计方案更环保,更安全,更经济。

3) 在公路建设过程中,本着节约能源的原则,应当充分利用可再生资源与技术,做到“变废为宝”,尽可能减少烟、气、及固体排放物的排放。最终达到环保、节能、减少投资的目的。

 
关键词: 节能环保 材料技术
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