《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）——第一部分公铁水《高节能低排放冷拌冷铺沥青混合料开发与施工关键技术》

1 项目名称: 高节能低排放冷拌冷铺沥青混合料开发与施工关键技术

2 完成单位: 北京建筑大学、 哈尔滨工业大学、 北京特希达交通勘察设计院有限公司、 北京路桥瑞通养护中心有限公司、 河南金欧特实业集团股份有限公司、 威海银通新材料有限公司、 中石油燃料油有限责任公司研究院、 山西四方恒泰防水材料有限公司、 河南省台辉高速公路建设有限公司、 喜跃发国际环保新材料股份有限公司

3 主要完成人: 徐世法、 许鹰、 徐慧宁、 蔡硕果、 韩秉烨、 马小伟、 徐琦、 梁峰铭、 翟佳、刘然、 岳宗豪、 郝奇、 王晓晓、 谢永清、 冉晓勇

　　(一)项目背景

　　2019年9月,交通部发布的《交通强国建设纲要》要求推行绿色低碳环保的交通基础设施建设技术,但传统热拌沥青混合料“能耗高、污染大冶,冷拌沥青混合料“性能差、寿命短且不能用于结构层冶,均已不能适应未来碳达峰与碳中和的需求。因此,对传统路面材料进行升级,开发能够满足高等级路面性能要求的高节能低排放冷拌冷铺沥青混合料已成为行业面临的最严峻难题之一。本项目依托国家自然基金和北京市交通行业等科技项目,在高节能低排放冷拌冷铺沥青混合料的设计、开发、施工与工程应用方面进行了近15年攻关,取得了一系列重大突破。

　　(二)技术概况

　　本项目针对传统乳化沥青混合料路用性能和耐久性差的问题,开发出高浸润、高黏结性SEBS复合改性乳化沥青,并提出一种基于性能平衡的沥青混合料设计方法,使其性能满足高等级沥青路面的使用要求;针对乳化沥青混合料运输过程中易离析的问题,研发了拌和与摊铺一体化施工装备及工艺,确保了沥青混合料的均匀性。最终完成高节能低排放冷拌冷铺沥青混合料从材料、设计到施工的成套关键技术。

　　(三)适用范围

　　适用于公路及城市道路新建、改扩建和养护维修工程中的沥青路面结构层及功能层。

　　(四)获奖情况

　　“高节能低排放冷拌冷铺沥青混合料开发与施工关键技术冶获得2020年度中国交通运输协会科学技术奖一等奖。

　　(1)开发了高性能SEBS复合改性乳化沥青,使乳化沥青对粗集料的接触角平均降低30%,韧性和黏韧性分别达到30N·m和35N·m以上,比传统乳化沥青提高50%。

　　(2)提出了基于性能平衡的冷拌冷铺沥青混合料设计方法,与传统热拌改性沥青混合料相比,设计开发的新型混合料高温性能提高1倍以上,低温和水稳定性等性能相当。

　　(3)开发了基于摊铺机和稀浆封层车的冷拌冷铺沥青混合料一体式施工装备及工艺,实现了冷拌冷铺沥青混合料拌和与摊铺的一体化,避免了传统施工过程中在混合料运输环节引发的离析问题。

　　(4)自主研发了贯入阻力仪,以此建立了基于贯入阻力为指标的混合料现场压实时机确定标准,解决了传统冷拌冷铺沥青混合料因压实时机缺乏量化判据而导致松散、坑槽等早期病害频发的问题。

　　本项目针对传统乳化沥青及混合料存在的一系列问题,展开高性能冷拌冷铺乳化沥青及混合料的制备与应用技术研究,主要内容如下:

　　(一)高浸润、高黏结性SEBS复合改性乳化沥青的开发

　　针对传统乳化沥青对粗集料浸润差、施工易脱膜从而导致冷拌冷铺沥青混合料耐久性降低的问题,初选废植物油、糠醛油等不同类型有机增润剂,在不同增润剂掺量下,对乳化沥青在不同岩性集料表面的扩散行为进行了微观分子动力学模拟,结合乳化沥青与粗集料之间的动态接触角试验结果的验证,揭示了增润剂类型、掺量、粗集料岩性对乳化沥青在粗集料表面扩散行为的影响规律。基于以上研究,开发了可显著降低乳化沥青-粗集料之间表面张力的增润剂,从而提高界面浸润性和裹覆性。为提高乳化沥青与粗集料粘附性,提出了对传统乳化沥青进行SEBS复合改性的方案,采用透射电子显微镜观测乳化沥青-粗集料界面的黏附状态。基于COMPASS力场,采用LAMMPS软件建立沥青-集料的界面模型,量化表征和计算界面间的黏附功和剥落功,结合宏观黏附性试验验证,最终确定了SEBS复合改性配方和最佳掺量。

　　与传统乳化沥青相比,掺加增润剂后的乳化沥青对不同岩性的粗集料的接触角平均降低30%,开发的SEBS复合改性乳化沥青的韧性和黏韧性分别达到30N·m和35N·m以上,比传统乳化沥青提高50%。

　　(二)基于性能平衡的冷拌冷铺沥青混合料设计方法

　　针对传统冷拌冷铺沥青混合料设计方法缺失,混合料高温、低温及水稳定性三大路面性能相互牵制的技术问题,分别以疲劳寿命、冻断温度、低温剪切强度作为抗开裂指标,以冻融劈裂强度比作为抗水损害指标,并以动稳定度作为抗车辙指标,基于路用性能试验建立各性能指标与油石比的关系,确定满足各指标要求的共同油石比区间,在此区间内分别明确各单项性能最优的油石比代表值,采用序关系法和专家咨询法确定适应不同荷载和环境要求的各单项性能指标的权重值,基于各单项性能的权重及最佳油石比代表值确定最佳油石比。与传统热拌改性沥青混合料相比,开发的新型冷拌冷铺沥青混合料高温性能提高1倍以上,低温和抗水损害等性能相当。

　　(三)冷拌冷铺沥青混合料一体化施工装备与工艺

　　针对冷拌冷铺沥青混合料施工运输过程中混合料易离析的问题,提出了取消厂拌和运输环节的现场拌和与摊铺一体化施工技术方案。开发了基于沥青混合料摊铺机和稀浆封层车的冷拌冷铺料拌和摊铺一体化施工装备,完全解决了运输环节引发的混合料离析问题,混合料的均匀性得到显著提升。

　　(四)冷拌冷铺沥青混合料压实时机判据的建立

　　针对冷拌冷铺沥青混合料压实时机及工艺缺乏判据的问题,自主研发了贯入阻力仪,据此建立混合料贯入阻力指标作为压实时机参数。首次提出了冷拌冷铺沥青混合料压实时机的量化判据,建立了贯入阻力与混合料空隙率的关系模型,解决了传统冷拌冷铺沥青混合料压实时机缺乏量化判据而仅凭经验判断的问题,可降低因压实时机不当引发的混合料松散等病害。

　　1内蒙古准兴高速公路

　　项目于2013年9月在内蒙古准兴高速公路上应用了高节能低排放冷拌冷铺沥青混合料开发与施工关键技术,其中2cm冷拌冷铺超薄降噪抗滑表层5km,2cm冷拌冷铺防水联结层265km,累计应用面积540万平方米在生产过程中每吨材料约节省了56升的燃油。施工后达到验收标准,开放交通近7年,抗滑表层抗滑系数、平整度等指标满足要求,防水联结层起到很好的防水作用,整体路面结构情况良好。

　　2河南许尉高速公路

　　项目于2005年8月在河南许尉高速公路中应用,铺筑冷拌冷铺防水联结层642km,厚度15cm,面积约128万平方米,应用冷拌冷铺沥青混合料约46万吨。应用表明,每吨混合料节省燃油51升左右,累积节省燃油约23万升。该工程施工完成后,验收结果达到相关规范要求。

　　3北京顾八路(顾郑路-大件路)

　　项目于2017年9月在房山区顾八路(顾郑路-大件路)大修工程中应用了高节能低排放冷拌冷铺沥青混合料及其施工关键技术,铺筑AC-10冷拌冷铺沥青混合料上面层9600平方米,厚度3cm。工程应用表明,每吨沥青混合料节省燃油53升。工程应用后对沥青路面的平整度、压实度、抗滑等指标检测表明,其路用性能均满足规范和设计要求。

　　本项目研发的高节能低排放冷拌冷铺沥青混合料开发与施工关键技术,经过大量实体工程的验证,与传统热拌沥青混合料相比,以铺设厚度2cm、车道宽度35m计算,每车道公里可降低燃油消耗936升,减少碳排放51吨,且无沥青烟尘的排放,施工季节延长2个月左右,社会效益显著。