市政技术


全国市政工程行业科技成果展示--温拌阻燃沥青在长大隧道路面中的应用研究


    “温拌阻燃沥青在长大隧道路面中的应用研究”项目于2012年4月立项, 2015年7月完成,2015年12月通过了天津市高新技术成果转化中心组织的项目成果鉴定。该项目研究由天津市市政工程设计研究院及长安大学合作承担。该研究项目成果获2015年度“全国市政行业市政工程科学技术奖”一等奖,其成果适用于道路交通工程行业。

    项目研究概况介绍 

    “温拌阻燃沥青在长大隧道路面中的应用研究”项目以天津市中央大道海河隧道路面工程为依托,自主研发了道路用温拌沥青改性剂和无机阻燃沥青改性剂,确定了温拌改性沥青与阻燃改性沥青的制备方法,揭示了温拌改性沥青与阻燃改性沥青的微观结构与作用机理,研究了新型温拌阻燃改性沥青及其混合料的路用性能与功能效果,提出了沥青混合料阻燃性能评价指标与标准,建立了沥青混合料阻燃性能评价体系,实现了沥青混合料阻燃性能的定量评价,创建了温拌阻燃改性沥青路面施工质量控制关键技术,进行了温拌阻燃改性沥青路面铺筑实验施工,并对其功能效果进行观测评价,形成了一套完善的温拌阻燃沥青混合料施工技术指南,为温拌阻燃沥青路面建设提供了参考依据。

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WP温拌改性剂

    项目关键技术及创新点

    该项目研究的关键技术有以下几个方面。

    1)自主研发了WP和WS两种道路用温拌改性剂,制备了新型温拌改性沥青,全面评价了温拌改性沥青的路用性能,确定了研发的两种温拌剂掺量对其改性沥青感温性能、高温性能、低温性能、黏附性能、老化性能及相容性的影响规律。

    2)采用SHRP试验中Brookfield旋转黏度试验和动态剪切流变试验(DSR)测试了新型温拌改性沥青的流变参数,确定了新型温拌改性沥青的拌和与碾压温度,明确了WP和WS改性沥青的黏弹性能和流变特性。

    3)采用红外光谱(FTIR)、差示扫描量热(DSC)和热重分析(TG)等材料分析手段,深入揭示了温拌改性沥青的微观结构与作用机理。

    4)自主研发了具有显著阻燃抑烟功效的WEAF-1和WEAF-2两种道路用无机阻燃改性剂,确定了研发的两种阻燃剂掺量对其改性沥青感温性能、高温性能、低温性能、黏附性能及老化性能的影响规律。

    5)采用Brookfield旋转粘度试验、动态剪切流变试验(DSR)和弯曲梁流变试验(BBR)测试了无机阻燃改性沥青的黏度、抗车辙因子、劲度模量和蠕变速率等流变参数,明确了WEAF-1和WEAF-2无机阻燃改性沥青的黏弹性能和流变特性。

    6)原创性地建立了一种基于质量和含量的无机微粉改性沥青离析定量测试方法,确定了基于该方法的完整评价体系,解决了无机微粉改性沥青相容性评价技术难题。

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WEAF-2 阻燃剂

    7)采用扫描电镜(SEM)、红外光谱(FTIR)、差示扫描量热(DSC)、热重分析(DT)等材料分析手段,深入揭示了道路用无机阻燃改性沥青的微观结构与作用机理。

    8)系统开展了温拌阻燃沥青混合料配合比设计,确定了混合料配合比设计参数及增黏剂类型和掺量,为温拌阻燃改性沥青混合料的工程应用提供参考依据。

    9)系统研究了温拌剂和阻燃剂类型与掺量对沥青混合料高温性能、低温性能、水稳定性及疲劳性能的影响规律,明确了温拌阻燃改性沥青混合料的路用性能。

    10)基于燃烧模拟试验、吸声系数试验和路面摩擦系数试验,完成了WEAF-1和WEAF-2无机阻燃改性沥青阻燃性能、降噪性能和抗滑性能测试,完善了温拌阻燃沥青混合料功能效果评价。

    11)提出了沥青混合料阻燃性能评价指标与标准,建立了沥青混合料阻燃性能评价体系,实现了沥青阻燃性能的定量评价。

    12)创建了温拌与阻燃改性沥青混合料施工质量控制方法,编制了《温拌阻燃沥青混合料施工技术指南》,首次在天津进行了温拌阻燃改性沥青路面铺筑,验证了温拌阻燃改性沥青混合料的性能与实际工程应用效果。

    该项目研究的创新点主要体现在以下几方面。

    1)研发了具备低温降黏性能的WP和WS两种道路用温拌沥青改性剂,确定了温拌剂掺量对其改性沥青及其混合料路用性能的影响规律,基于微观分析手段揭示了温拌改性沥青作用机理。

    2)研发了WEAF-1和WEAF-2两种道路用无机阻燃沥青改性剂,确定了阻燃剂掺量对其改性沥青其混合料路用性能的影响规律,基于微观分析手段揭示了阻燃改性沥青作用机理。

    3)原创性地建立了一种基于质量和含量的无机微粉改性沥青离析定量测试方法,确定了基于该方法的完整评价体系,解决了无机微粉改性沥青相容性评价技术难题。

    4)首次系统测试了温拌阻燃沥青混合料的阻燃性能、降噪性能和抗滑性能,深入揭示了温拌阻燃沥青混合料的功能效果,完善了温拌阻燃沥青混合料功能效果评价。

    5)首次提出了沥青混合料阻燃性能评价指标与标准,建立了沥青混合料阻燃性能评价体系,实现了沥青阻燃性能的定量评价。

    6)编制了《温拌阻燃沥青混合料施工技术指南》,首次在天津进行了温拌阻燃改性沥青路面铺筑,验证了温拌阻燃改性沥青路面优良的路用性能与功能效果。

    该项目研究成果2015年12月曾荣获天津市科学进步奖一等奖,并获得国家发明专利6项,实用新型专利5项,实审专利4项,软件著作权1项,发表学术论文13篇,其中SCI或EI检索8篇。

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温拌阻燃改性沥青混合料摊铺施工现场

    与国内外同类技术的比较

    据国内知名专家的项目成果鉴定意见,该项目的研究成果达到国际领先水平。与国内外同类技术相比较,该项目研究成果更加成熟、系统、完善,主要体现在以下几方面。

    1)道路用温拌沥青改性剂的研发与应用。自主研发了WP和WS两种道路用温拌沥青改性剂,确定了温拌剂掺量对其改性沥青及混合料路用性能的影响规律,沥青混合料施工温度降低30℃左右。目前具有自主知识产权的温拌剂较少,效果有限,而国外温拌剂价格昂贵,不完全于适用中国的国情。

    2)道路用无机阻燃沥青改性剂研发与应用。自主研发了WEAF-1和WEAF-2两种道路用无机阻燃沥青改性剂,解决了常规阻燃剂高温条件下易产生有毒气体的技术难题。目前国内现有的阻燃剂产品在高温条件下会释放有害气体,应用效果不佳,而国外则缺少无机阻燃剂产品。

    3)无机微粉改性沥青离析定量测试方法。原创性地建立了一种基于质量和含量的无机微粉改性沥青离析定量测试方法,解决了无机微粉改性沥青相容性评价技术难题。国内外目前尚无针其他同类研究成果发布。

    4)温拌阻燃改性沥青微观结构与作用机理。采用扫描电镜(SEM)、红外光谱(FTIR)、差示扫描量热(DSC)和热重分析(TG)等材料分析手段,深入揭示了温拌阻燃改性沥青的微观结构与作用机理。而国内已知的相关同类研究仅对微观结构进行了分析,缺乏机理研究,国外在这方面的研究成果尚是空白。

    4)温拌阻燃改性沥青微观结构与作用机理。采用扫描电镜(SEM)、红外光谱(FTIR)、差示扫描量热(DSC)和热重分析(TG)等材料分析手段,深入揭示了温拌阻燃改性沥青的微观结构与作用机理。而国内已知的相关同类研究仅对微观结构进行分析,缺乏机理研究,国外在这方面的研究成果尚是空白。

    5)沥青混合料阻燃性能评价标准与评价体系。首次提出了沥青混合料阻燃性能评价指标与标准,建立了沥青混合料阻燃性能评价体系,实现了沥青阻燃性能的定量评价。国内外目前尚无其他同类研究成果发布。

    6)温拌阻燃沥青混合料施工技术指南。编制了《温拌阻燃沥青混合料施工技术指南》,首次在天津进行了温拌阻燃改性沥青路面铺筑,验证了温拌阻燃改性沥青路面优良的路用性能与功能效果。国内已有同类的技术指南发布,但尚不系统,国外这方面的研究成果则是空白。

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温拌阻燃改性沥青混合料试验路通车

    项目应用成果与效益

    该项目研究成果在天津市中央大道海河隧道工程、滨海新区中央大道轻纺经济区段工程、天津中心渔港陆域一期基础设施工程、天津中心渔港陆域二期基础设施工程中得到广泛应用,取得了良好的经济和社会效益。该项目研究成果也为国内温拌阻燃沥青路面技术应用提供了参考依据。

    经济效益  目前已应用该项目研究成果的工程项目经济效益统计如下:1)天津市中央大道海河隧道工程路线全长4.132km,分左右两洞,共节约费用972.7万元;2)滨海新区中央大道轻纺经济区段工程,路线全长6.25km,双线八车道,路面全宽32.5m,共节约费用1781万元;3)天津中心渔港陆域一期基础设施工程(经二路、经三路、纬二路、纬三路和汉蔡支路),该工程段全长8.411km,双向六车道,路面全宽25m,共节约费用1843万元;4)天津中心渔港陆域二期基础设施工程(纬一路、经一路、经二路和经三路),该工程段全长5.66km,双向六车道,路面全宽25m,共节约费用1240万元。上述5个工程项目应用该项目研究成果所产生的经济效益总计为5836.7万元。

    社会效益  该项目研究成果应用所产生的社会效益主要体现在以下几个方面。

    1)有效改善路用性能。与其它功能属性改性沥青相比,该项目研发的温拌剂可降低沥青混合料施工温度30℃左右,降低能源消耗,并能减小沥青的老化程度,改善沥青混合料路用性能。

    2)有效降低污染物排放。采用该项目研发的道路用温拌剂,可降低沥青混合料施工温度30℃左右,CO2排放量减少30%,减少排放2.7kg/t,沥青混合料在生产及施工过程中产生的污染气体大幅减少,降低了沥青混合料施工对周边环境和施工人员身体健康的危害,有利于促进我国减排目标的实现。

    3)便于低温施工,减少对交通的影响。在低温施工条件下,温拌沥青混合料可增加有效碾压操作时间,使得沥青混合料得到有效压实,利于低温季节城市道路的修复;在正常施工温度下,温拌沥青混合料出料温度较低,施工时间短,开放交通较早,减少了对城市交通的影响。

    4)有利于缓解“城市热岛效应”。该项目研发的新型温拌剂,可显著减小沥青粘度,降低沥青混合料施工温度30℃以上。温拌改性沥青混合料的低热排放量,可减少城市的热排放总量,在一定程度上缓解日益严重的城市热岛效应,有利于维护城市热环境的健康平衡。

    5)保障隧道运营的安全性。采用该项目研发的道路用无机阻燃改性剂,阻燃效果明显,可在源头上预防沥青混凝土路面尤其是隧道内沥青路面发生火灾后火势不可控的问题,为隧道沥青路面安全运营提供有力保障。

    (天津市市政工程设计研究院 供稿)

    注:本文刊载于《市政技术》2017年第2期,第1-3页。