直投式沥青改方案及其节能效果分析.doc

直投式沥青改性方案及其节能效果分析李 交1 闫国杰1 赫振华1 陈德珍2 徐韵淳1 胡睿1（1上海浦东路桥建设股份有限公司工程技术研究所 上海市 201210）（2同济大学 上海市 200092）摘要：目前常用的沥青改性方案有两种，分别是直投式改性与预拌式改性。通过室内试验和实体工程，分析RST直投式改性剂的改性机理，证明直投式改性剂在沥青中的分散均匀性。同时对两种方案下材料选择和混合料生产过程中的节能效果进行量化计算，计算结果表明，每吨混合料生产过程中，直投式改性方案能耗相比预拌式改性方案减少1kgce/t，节能率达到37.4%。若抛开两者都存在且相同的混合料拌机运行能耗，节能率则变为61.3%。关键词：直投式； 预拌式； 改性机理； 节能效果1 前言现在社会的发展面临着资源短缺与环境污染等严重问题，如何提倡节能环保已经成为时下一个重要难题。在身处基础设施建设前沿的道路行业情况尤为突出，在这样的背景下，一系列具有节能减排效果的道路工艺措施层出，比如温拌技术、再生技术、废渣回收再利用、以及本文要研究的关于混合料生产工艺的直投式沥青改性方案等。2 直投式沥青改性方案目前国内道路行业常用的沥青混合料生产工艺主要有两种，一种是传统预拌式SBS成品改性沥青方案，即将成品改性沥青直接注入到集料中拌合生产改性沥青混合料，因此亦称为“湿法”工艺，如图1；另一种是直投式改性方案，是指先将改性剂添加到集料中干拌，后再注入基质沥青湿拌生产混合料，亦称“干法”工艺，如图2。图1预混式改性方案流程图图2 直投式改性方案流程A、投料 B、180溶胀剪切 C、成品改性沥青运输、储存1、集料干燥 2、集料过筛/干拌3、改性剂及纤维投放/干拌 4、湿拌5、装车从图1、2中可以看出，直投式改性方案节省了传统成品改性沥青的生产和储存环节。一方面节省了改性沥青生产设备的成本，也无需对改性沥青进行储存；另一方面避免了在改性沥青生产过程中因高温高速剪切条件下产生的沥青老化现象，对于沥青混合料的低温、疲劳性能都有正面贡献。直投式改性方案施工工艺简单，可操作性强，同时直投式改性沥青混合料与传统成品改性沥青混合料的性能几无二致。2.1 直投式改性机理分析（RST例）2.11 RST介绍直投式沥青改性剂以上海浦东路桥建设股份有限公司生产的高粘度改性剂RST 为例，见图3，物理性能见表1表1. RST的物理性质项目指标备注外观黄色或浅黄色颗粒状，粒子大小均匀，无颗粒粘结控制其在混合料中的分散性密度（g/cm3）0.95-1.02 g/cm3气味无刺激气味控制其环保性熔融指数（g/10min （190oC，2.16kg）10控制其在混合料中的分散性2.12 改性机理RST对沥青改性过程为二阶热混方式的三元共混体系，即改性历经两个阶段完成。一阶热混是RST直投式改性剂成品的形成过程。先将橡胶材料与增容剂及辅料共混，通过链段交换和分子间力等作用，形成以橡胶为连续相的、稳定的网状结构，如图4所示。RST在与沥青共混改性之前就已经形成了均匀致密的网状结构，无需再进行长时间的高速剪切，为改性过程能够容易完成创造了条件。 图4 RST颗粒显微结构（1000X）图3 RST颗粒二阶热混是RST直投式改性剂对沥青的改性，由于RST中所含橡胶等聚合物均保持了一定的溶胀状态，使其进一步溶胀变、得更加容易，所含相关辅料在改性过程较高的温度状态下，具有加速熔融及提高熔体流动性能的作用，使RST在改性过程中能够快速熔融、溶胀、稀释、均匀分散，具备了在拌和过程中足够短的时间内完成沥青改性的热力学条件1。2.2 RST分散性研究直投式改性方案分为两个阶段，一是干拌阶段，二是湿拌阶段。混合料拌合过程中，改性剂的熔融性与分散性均匀与否，决定混合料性能的优劣。下面就两个拌合阶段里改性剂的熔融性与分散性进行研究，（以RST为例）。2.2.1 干拌阶段熔融性及干拌时间的确定RST在混合料拌和时直接投入搅拌缸，在干拌过程中RST颗粒承受高温集料强劲的搅动揉搓和剪切，与高于自身重量百余倍的高温集料之间发生剧烈的机械能量交换和热交换，极短时间内即可被熔融，成为极薄的液膜粘附在集料表面。由于RST与热集料之间的重量和热量存在巨大的势差，以及剪切揉搓作用，完成这一干拌过程只需10秒钟左右，如图5所示。鉴于RST熔融后的液膜呈无色透明状态，为了更加直观的表征RST干拌过程中不同时段的熔融状况，在RST原料中预先加入一定量的氧化铁红颜料作为示踪剂，以热集料表面色彩的覆盖程度评价RST随不同时间的熔融规律，确定最佳干拌时间。 180干拌5秒钟 180干拌8秒钟 181干拌10秒钟 182干拌15秒钟图5 不同干拌时间下RST直投式改性剂的熔融状态由图5可见，与热集料干拌5秒的RST由圆柱形体转变为不规则形体，虽已软化但未完全熔融；在与热集料的共同运动、接触过程中不断将表面熔融的液膜留在集料颗粒表面，干拌第8秒RST不规则形体消失，热集料呈现朦胧的红色，但液膜厚度尚不均匀；干拌第10秒，热集料基本上完全为红色所覆盖，液膜薄而均匀；干拌第15秒与干拌第10秒的状态无明显差别。为保证质量，选定15s干拌时间最为适宜。2）湿拌阶段改性剂分散性及湿拌时间确定在RST改性排水性沥青混合料实际生产过程中，取不同湿拌时间的混合料，运用显微结构分析方法，获取不同拌和时段混合料颗粒表面的改性沥青显微结构，描述了RST在湿拌过程中的变化历程，如图6所示。由图中可见，加入沥青第20秒改性剂在沥青中已形成较均匀分散状态，但改性剂网状粗大，表明与沥青间的相互作用未达到平衡，随着湿拌时间的增加，改性剂网状不断细化。第35秒与第40秒改性剂网状的粗细已相差不大，显微镜下测得湿拌到第40秒时，改性剂网架尺寸1.6m，远远优于预混成品改性结果。综合考虑选45s湿拌时间为宜。 图6 RST直投式改性剂在湿拌过程中的变化历程（1000X）综上所述，RST高粘度改性沥青的形成依赖于混合料的拌和过程，在这特定的体系和状态中，通过热能、机械能的交换，不仅使参加共混改性的各聚合物之间相互作用速率加快，更重要的是大幅度的减小了体系的相畴，改性剂网状结构更加细微，分布更加合理均匀，决定了RST高粘度改性沥青优异的宏观物理力学性能。2.3结合料与混合料的性能从之前结论得知，直投式改性剂RST在干拌15s、湿拌45s即总拌和时间1分钟的情况下，均匀的分散在基质沥青中，改性剂网状结构与成品改性沥青下并无区别，具有良好的相容性，性能见表2、3。表2 RST改性沥青与SBS改性沥青性能对比类别试 验 项 目基质沥青+12%RST基质沥青+6%SBS 沥青结合料针入度（25）1/10mm43.0045.00软化点94.5094.80延度（15） cm95.70106.30延度（5） cm49.6738.33粘韧性（25） Nm28.0023.21韧性（25） Nm23.7019.07135粘度 Pas2.405.2860粘度 Pas344066.67180000.00薄膜加热质量损失%0.100.30薄膜加热残留针入度比%95.0071.00类别试 验 项 目基质沥青+12%RST基质沥青+6%SBS沥青混合料空隙率%20.0020.00马歇尔稳定度 kN6.415.74流值0.1mm27.4231.70冻融劈裂强度比%96.4787.60动稳定度次/mm7733325020飞散率 %13.823.5表3 直投式RST与成品SBS改性沥青混合料性能对比（OGFC沥青混合料）显然，RST直投式改性方案下沥青和混合料的性能几乎全方位优于SBS成品改性方案。这消除了直投式改性方案中对改性剂分散性的质疑。表中数据至少能够证明一点，对直投式改性方案下改性沥青与混合料的性能的质疑是完全多余的。事实上，RST改性沥青混合料具有优异的高低温性能和抗水损、飞散能力。因此直投式改性方案适合于广泛的应用领域。包括排水性沥青路面铺装、钢桥面铺装、GSOG应力吸收层等。3 节能效果3.1 计算范围直投式：RST改性剂生产能耗；混合料生产能耗；预拌式：SBS成品改性沥青生产、储存、运输能耗；混合料生产能耗 其余产生能耗的环节，因两种方案皆有，且能耗很小，对计算结果影响甚小，因此未包括在此次计算范围内。3.2 计算指标表4 直投式沥青改性剂（RST）生产能耗计算指标 表5 3000型混合料拌合机能耗计算指标运行效率生产量/h0.35t运行能耗电/h105度拌和功率/kw720生产量 t/h240运行效率生产量/h30 t运行能耗电（剪切功率/h）300度柴油 （吨/h）o.36 储存能耗柴油/周期8kg/t运输柴油 L/km0.4 (22t/40t)价格/L6.7表6 成品改性沥青的生产过程能耗计算指标3.3 计算方法以排水路面为例，采用直投式改性方案下改性剂RST掺加量为12%（占沥青）；预拌式改性方案下成品改性沥青中SBS掺加量为9%（占沥青）。参照表46数值，计算方法如下：1) RST生产能耗：QR = 1050.35k1=1050.350.35=105 （kgce/t）2) SBS成品改性沥青生产能耗：Qs1 = 300k130 + 0.36k2100030= 3000.3530 + 0.361.4571100030 =20.98（kgce/t）3) SBS成品改性沥青储存能耗：Qs2 = 8k2=81.4571=11.66（kgce/t）Kgce/t 指生产每吨目标所消耗的千克标准煤k1 为电力折算标准煤系数k2 为柴油折算标准煤系数4) 混合料生产过程能耗：拌和过程能耗：Q拌 = 7202400.35=1.05（kgce/t）5) 直投式改性沥青混合料生产能耗：Q直 = QR12%5% + Q拌=0.63+1.05=1.68 （kgce/t）6) 预拌式改性沥青混合料生产能耗：Q预 =（Qs1 +Qs2）5%+ Q拌 =（20.98+11.66）0.05+ Q拌=1.63+1.05=2.68（kgce/t）那么，生产一吨混合料，直投式改性方案比成品改性方案节省了1kg标准煤。节能率为：（Q预 - Q直）/ Q预 = （2.68-1.68）/2.68100%=37.4%若抛开两者都存在且相同的混合料拌机运行能耗，节能率则变为（1.63-0.63）/1.63100%=61%直投式改性方案因节省了改性沥青单独生产和储存的环节，导致混合料的生产成本大为降低。从计算结果来看，抛开两者都存在且相同的混合料拌机运行能耗，前者只消耗了相当于后者三分之一的标准煤，节能率超过了60%。因此直投式改性方案具有十分明显的节能效果。3.4 实例节能效果分析在2010年上海世博会配套项目中环线浦东段高架和浦东国际机场北通道高架路面工程中，均采用直投式工艺生产的RST排水性沥青混合料。两段高架各自长达15.5km，相连总长达到31km，摊铺面积超过100万m2，混合料8万多吨，是国内单体最大的排水路面工程。图7 中环线浦东段与浦东国际机场北通线路示意图结合上述计算方法，生产8万吨的混合料，直投式改性方案相比预拌式改性方案共节省了180000=8104千克标准煤。根据标准煤与电能的换算系数，即1kg标准煤相当于29.27兆焦热能，对于中环线北通道高架排水路面项目，采用直投式方案比预拌式改性方案节省了29.278104=2.34106 兆焦热能，相当于2.3105度电。4 结语（1）通过分析直投式改性剂RST的改性机理，直投式改性剂具备完全熔融并在沥青中均匀分散改性的条件。（2）采用显微方式，从微观分子力学方面分析并确定湿拌时间。显微结果得出直投式改性沥青的微观分子网状结构与成品改性沥青并无二致，测试结果同样证明性能优异。（3）直投式改性方案在生产环节上相比传统成品沥青改性方案具有先天的优势，无需单独生产、储存改性沥青，显著降低了成本。（4）直投式改性方案生产每吨混合料消耗1kgce，比传统预拌式改性方案减少了近一半，节能率达到37%，节能效果明显。抛开两者都存在且相同的混合料拌机运行能耗，前者只消耗了相当于后者三分之一的标准煤，节能率超过了60%。参考文献1 赫振华，刘钢，闫国杰. 直投式沥青改性剂RST的改性机理.中国公路学会学术论文集.2010.3：53-62.2 张玉军，王仕峰，欧阳春发.SBS在