（道路与铁道工程专业论文）泡沫沥青就地冷再生技术的应用研究.pdf

c o n fi d e n ti al # 2 y e a r s t o n g jiu n i v e r s it ym a s t e r sd e g r e ep a p e r f e asibiiit yo t ：th ef o a mas p h ait -i i一 - c oidr e c y c iin gte c h n oio g y s u b m itti n gt o ：t o n g jiu n i v e r s i t y m a j o r ：t r a n s p o r t a ti o ne n gi n e e ri n g ，1 1 5 u d d r a n c l lm a1 0 r ： r o a d & r a l 上w a ye n 9 1 n e e r l n 2 a u t h o r ：t i a nw ei d ir e c t o r ：p r o f e ss o rl il i h a n e x t e r n a ld i r e c t o r ：p r o f e ss o ry a o1i m a r c h2 0 0 8 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其他手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关 部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提 下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：田伟 二0 0 八年三月十八日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：田伟 二o o 八年三月十八日 摘要 摘要 我国经济的繁荣，促进了交通事业的发展。一方面公路通车里程和干线公 路比重在逐年加大，一方面2 0 世纪9 0 年代修建的公路已经陆续进入大中修阶 段。对于在沥青路面养护、维修和改造中所产生的大量废弃材料，通过再生加 以利用是当代公路建设中一项具有战略意义的重大举措。 本文通过大量实验室试验和现场测试，较为系统地研究了泡沫沥青就地冷 再生技术性能及应用特性。通过发泡试验分析阐述泡沫沥青的发泡作用机理及 泡沫沥青性能的影响因素，进而确定最佳发泡条件；通过大量的室内实验，研 究分析泡沫沥青混合料的物理力学性能以及影响泡沫沥青混合料性能的因素； 通过修筑试验路，阐述泡沫沥青就地冷再生混合料设计方法，验证泡沫沥青冷 再生性能影响因素及技术可行性，研究总结泡沫沥青冷再生技术的施工工艺； 通过泡沫沥青冷再生技术的经济效益分析，论证泡沫沥青冷再生技术的经济可 行性。 研究表明，评价泡沫沥青性能的主要指标为膨胀率和半衰期；影响泡沫沥 青性能的主要因素为沥青温度和发泡用水量；最佳发泡条件的确定原则是在最 佳发泡温度条件下确定最佳用水量；泡沫沥青混合料配比设计中，4 7 5 r a m 以下 材料不能太粗，0 0 7 5 r a m 以下颗粒含量为5 一2 0 时稳定效果好；在最佳泡沫沥 青用量的确定上，采用浸水残留间接抗拉强度作为关键指标；混合料中掺入水 泥或矿粉能明显提高混合料的水稳性能，但水泥掺量不宜超过2 ；泡沫沥青混 合料强度随时间增加而增长，三个月左右强度趋于稳定。 分析表明，泡沫沥青冷再生技术具有技术可行性和经济可行性。 关键词：沥青混合料，冷再生，泡沫沥青，技术性能，应用特性 i a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee c o n o m i cp r o s p e r i t yo fo u rc o u n t r yp r o m p t st h ed e v e l o p m e n to f t h et r a n s p o r t a t i o n ，w h i c hi sac o i no ft w of a c e s ：o nt h eo n eh a n d ，t h e r a t i oo ft h em i l e a g ea n dt h em a i nh i g h w a y sa r eb e c o m i n gl a r g e ra n dl a r g e r ， o nt h eo t h e rh a n d ，t h eh i g h w a y sb u i l ti nt h e1 9 9 0 sa r eg r a d u a l l y e n t e r i n gap e r i o dw h e r et h e yn e e dm a i n t e n a n c e i ti sas t r a t e g i c m e a s u r e t h a tt h el a r g ea m o u n tw a s t em a t e r i a lp r o d u c e db yt h em a i n t e n a n c eo ft h e a s p h a l ts u r f a c eo ft h er o a di sr e c y c l e da n dr e u s e d t h ea r t i c l es y s t e m a t i c a l l yi l l u s t r a t e st h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s a n df e a s i b i l i t yo ff o a ma s p h a l to nt h es p o tr e c y c l i n gb yal a r g en u m b e r o fl a be x p e r i m e n t sa n do nt h es p o tt e s t s w ea n a l y z et h em e c h a n i s mo f t h ef o 锄a sw e l la st h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h ea s p h a l tf u n c t i o n sb y c o n d u c t i n gt h ef o a m i n ge x p e r i m e n t si no r d e rt of i n dt h eo p t i m u mf o a m i n g c o n d i t i o n s ：w ea n a l y z et h ep h y s i c a lf u n c t i o n so ft h ef o a m i n g a s p h a l t m i x t u r ea n dt h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h ef o a m i n ga s p h a l tm i x t u r eb y c o n d u c t i n gt h el a be x p e r i m e n t s ：w ef i n d o u tt h ew a yo fa s p h a l to nt h e s p o tc o l dr e c y c l i n gm i x t u r e ，t e s tt h ef a c t o r st h a t a f f e c tt h ea s p h a l t f u n c t i o n sa sw e l la st h et e c h n i c a lf e a s i b i l i t y ，a n ds u m m a r i z e t h e p r o c e d u r eo fa s p h a l to nt h es p o t c o l dr e c y c l i n gb yc o n s t r u c t i n gt h e t e s t i n gr o a d ：b ya n a l y z i n gt h ee c o n o m i cb e n e f i t so ft h ef o a ma s p h a l to n t h es p o tr e c y c l i n g ，w ep r o v et h ef e a s i b i l i t yo ft h ef o a ma s p h a l to nt h e s p o tr e c y c li n g r e s e a r c h e ss h o w t h em a i ni n d e x e st oe v a l u a t et h ea s p h a l t c h a r a c t e r i s t i c sa r ed i l a t a t i o na n dh a l f - l i f e ，a n dt h em a i nf a c t o r st h a t a f f e c tt h ea s p h a l t sm a i nc h a r a c t e r i s t i c sa r et h et e m p e r a t u r ea n dt h e a m o u n to fw a t e r t h em a i np r i n c i p l ef o rt h ep r e m i u mf o a mi st h ep r e m i u m w a t e r a m o u n tu n d e rt h ep r e m i u mt e m p e r a t u r e i nt h ep r o c e s so fa s p h a l t m i x i n g ，u n d e r4 7 5 m mt h em a t e r i a ls h o u l dn o tb ec o a r s e ：c o a r s ef r a c t i o n i i a b s t r a c t i sf r o m5 t o2 0 u n d e rt h ec o n d i t i o no f0 0 7 5 r a mg e t st h ep e r f e c ts t a b i l i t y i nt h ed e t e r m i n i n go fp r e m i u ma m o u n to fa s p h a l t ，t h ek e yi n d e xi st h e w a t e ri n t r u s i o nr e s i d u a lt e n s i l es t r e n g t h 。a d d i n gc e m e n t so rm i n e r a l p o w d e ri n t ot h ea s p h a l tu n d e rt h ep r o p o r t i o no f2 c a ng r e a t l yi n c r e a s e t h es t a b i l i t y t h es t r e n g t ho ft h em i x i n gi n c r e a s e sa st h et i m ep a s s e s a n dr e a c h e sas t a b l ep o i n ta f t e r3m o n t h s a n a l y s e ss h o w s f o a ma s p h a l tc o l dr e c y c li n gt e c h n o l o g yh a st h e f e a s i b i l i t yb o t ht e c h n i c a l l ya n de c o n o m i c a l l y k e yw o r d s ：a s p h a l tm i x i n g ，c o l dr e c y c l i n g ，f o a ma s p h a l t t e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ，f e a s i b i l i t y i i i 目录 目录 第1 章引言1 1 1 课题背景l 1 2 国内外研究与应用现状2 1 2 1 国外研究现状3 1 2 2 国内研究现状4 1 3 本文研究的主要内容6 1 4 研究方法及技术路线7 第2 章泡沫沥青的技术性能研究8 2 1 泡沫沥青的发泡机理分析8 2 2 泡沫沥青的评价指标及影响因素研究9 2 3 最佳发泡条件的确定1 1 2 4 本章小结1 2 第3 章泡沫沥青冷再生混合料的设计方法1 3 3 1 配合比的设计原则和技术指标要求1 3 3 2 集料及级配选择1 3 3 3 拌合用水量的确定1 6 3 4 试件制备与养生1 7 3 5 密度测定1 8 3 6 空隙率测定1 8 3 7 最佳泡沫沥青用量的确定1 9 第4 章泡沫沥青冷再生混合料的力学性能及影响因素研究2 0 4 1 试验测试方法选择2 0 4 2 间接拉伸试验2 0 t v 目录 4 3 无侧限抗压强度试验2 4 4 4 泡沫沥青冷再生混合料性能的影响因素研究2 5 4 4 1 水泥剂量对强度的影响2 5 4 4 2 试件成型密度对强度的影响2 6 4 4 3 养护方法对强度的影响2 6 4 5 本章小结2 7 第5 章试验路的铺筑及试验测试分析2 9 5 1 试验路基本情况2 9 5 2 施工组织3 0 5 2 1 人员配备3 0 5 2 2 机械设备3 0 5 3 施工工艺3 l 5 3 1 施工总体要求3 1 5 3 2 施工工艺流程3 1 5 4 试验测试分析3 4 5 4 1 不同路段的混合料设计及强度测试分析3 4 5 4 2 不同再生混合料的强度测试分析4 1 5 4 3 泡沫沥青稳定材料的强度增长特性研究4 3 5 4 4 试验路外观质量4 4 5 5 本章小结4 4 第6 章泡沫沥青冷再生技术的效益分析4 6 第7 章结论及展望4 8 致谢5 1 参考文献5 2 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果5 5 第1 章引言 1 1 课题背景 第1 章引言 随着我国经济的繁荣，促进了交通事业的发展，公路建设速度和规模也迅 猛提高，通车里程及干线公路比重也在逐年加大。虽然近几年公路建设的标准 和质量在提高，但不可否认的是养护管理水平还比较落后。主要表现在维修方 式单一，不能根据道路的损坏模式选择合理的维修方法。此外，养护技术含量 不高，施工效率低下，不能满足大规模养护工作的需要，而且养护维修方法通 常重视短期的经济效益，而忽视长期的、可持续发展的社会效益。因此，提高 道路养护管理水平，采取科学有效的方法对现有道路进行及时维修和改建，为 经济发展提供安全、舒适、畅通的公路基础设施，就显得迫在眉睫。 近年来，由于公路养护事业的发展，以及资源供应的日益紧张，加之人民 环境保护意识的增强，沥青路面再生技术越来越引起公路养护部门的重视。 沥青路面再生技术是将原有的路面材料，以不同方式加以再生或重复使用 的一种路面养护维修技术。按照不同的工艺，可以分为热再生技术和冷再生技 术。热再生技术包括就地热再生和厂拌热再生，冷再生技术包括厂拌冷再生和 就地冷再生。热再生技术主要用于恢复老化沥青的粘结性能，重新发挥沥青的 胶结料作用，将沥青资源再生利用，因此用于热再生的材料只能是沥青面层材 料。冷再生技术主要是将原有的路面材料加以重复使用，原有的路面材料主要 起骨料的作用，因此用于冷再生的路面材料不仅可以是沥青面层材料，还可以 是无机结合料稳定的基层材料。 就地冷再生技术以其节约能源和资源、简化施工工艺、改善施工人员的工 作条件、减少环境污染、节约资金等优点，使其在旧路维修改造中体现出比较 大的优势和适应性。 就地冷再生技术通常采用水泥、乳化沥青、泡沫沥青作为稳定剂。而其中 泡沫沥青就地冷再生技术的优点主要在于：( 1 ) 泡沫沥青稳定材料属柔性结构， 增加粒料的剪切强度和水稳定性，抗疲劳能力强，大大减少了反射裂缝的产生， 增强了抵抗水侵害的能力；( 2 ) 节约能源，仅需加热沥青，集料不需加热和烘 第1 章引言 干；( 3 ) 泡沫沥青处治应用广泛( 包括劣质路面材料) ，并可以在较长时间内保 持施工和易性，即使在恶劣的天气条件下，也不必担心受雨水的影响；( 4 ) 泡 沫沥青冷再生施工完成后，随即就可开放交通，减少了对交通的干扰和中断时 间。 国内外的大量实践证明，沥青路面就地冷再生技术是今后公路改建、大修 的一个方向。近几年国内很多地区先后推广使用这项技术，也积累了宝贵的经 验，但多采用以水泥作为稳定剂的就地冷再生技术，而以泡沫沥青作为稳定剂 的冷再生技术尚处于摸索阶段，本文将就这一技术进行较为全面的分析研究。 本文研究的目标为泡沫沥青以及泡沫沥青混合料的性能及影响因素，进而 论证泡沫沥青冷再生技术的技术可行性和经济可行性。 图1 - 1 就地冷再生过程 图1 - 2 典型的水泥浆与沥青稳定剂再生机组车队 1 2 国内外研究与应用现状 2 第1 章引言 1 2 1 国外研究现状 废旧沥青路面材料再生利用的试验研究，最早是1 9 1 5 年在美国开始进行的， 但以后由于大规模的新路建设，且由于再生沥青混合料的性价比与新拌沥青混 合料差距较大和施工关键设备不能满足人们的期望，故对这项技术没有引起足 够的重视。 1 9 7 3 年由于石油危机的爆发，燃油供应困难，而且由于严格的环保法制， 又使砂石材料的生产受到限制，导致了建设资金的减少和筑路材料的供应不足， 废旧沥青路面材料的再生利用才又引起了人们的重视。1 9 7 4 年美国重新开始研 究这项技术，且伴随着施工关键设备如间歇式拌和机及路面铣刨车的研制成功， 再生沥青路面迅速在全美推广应用。 1 9 8 1 年美国交通运输研究委员会编制出版了路面废料再生指南，同年美 国沥青协会出版了沥青路面热再生技术手册，1 9 8 3 年又出版了沥青路面冷 拌再生技术手册。根据美国联邦公路管理局统计，到1 9 9 5 年2 5 个州再生沥青 混合料的用量就达到近2 亿吨，差不多为美国全国路用沥青混合料的一半。这 表明美国的沥青路面再生技术己经达到了相当成熟的地步。 日本从1 9 7 6 年开始进行了沥青路面再生技术的研究。1 9 8 4 年7 月，日本道 路协会出版了路面废料再生利用技术指南，并且就有关厂拌再生技术编制了 手册。欧洲一些国家对沥青路面再生技术的研究也在同一时期展开。2 0 世纪7 0 年代中期，德国、荷兰和芬兰等国家相继进行了小规模的试验研究，并迅速推 广应用。相比之下，德国沥青路面再生技术研究的发展速度较快，居欧洲之首 位。法国对沥青路面再生技术的研究也颇为重视。前苏联在1 9 6 6 年就出版了沥 青混凝土废料再生利用技术的建议，但实际应用甚少，1 9 7 9 年出版了旧沥青 混凝土再生混合料技术准则，提出了适用于各种条件下的沥青路面材料再生利 用方法，1 9 8 4 年又出版了再生路用沥青混凝土一书，该书详细地阐述了路 拌再生和厂拌再生的方法。 国外一些国家的沥青路面再生研究起步较早，已经形成一个技术系统。作 为沥青路面再生技术基础与重要组成部分的冷再生沥青路面材料评价与混合料 设计，一些交通部门和组织机构对冷再生沥青路面进行了大量研究n 。1 幻，有的国 家对这些研究成果进行研究整理，已经形成了相对完整的方法。美国n c a t u 刀 ( n a t i o n a lc e n t e rf o ra s p h a l tt e c h n o l o g y ，国家沥青技术中心) 1 9 9 7 年的报 3 第1 章引言 告全面总结了沥青路面再生的研究成果，其中包括了沥青路面冷再生的材料与 混合料设计的研究成果。 泡沫沥青的发展经历了下列的过程。1 9 2 8 年德国的a u g u s tj a c o b i 注册了 第一个制造沥青泡沫的专利n 钔；1 9 5 6 年依阿华州立大学的l a d ic s a n y i 博士首 次将泡沫沥青用作道路稳定土基层的稳定剂，并注册了专利n 朝：1 9 6 8 年澳大利 亚的m o b i lo i l 公司以冷水替代热蒸汽改进了原有生产工艺并于1 9 7 1 年注册专 利；7 0 年代，泡沫沥青主要作为劣质路面材料的稳定剂，b o wb r i n g 和m a r t i n 等人在这方面进行了详细的研究n 叼；8 0 年代早期，美国对采用泡沫沥青作稳定 剂和粘结剂进行了研究n 钉；挪威从1 9 8 3 年开始采用冷再生技术，至1 9 9 7 年采 用这一方法进行道路维修的数量达1 8 0 万平米；1 9 9 0 年代后，泡沫沥青的研究 再次引起人们的兴趣，许多公路部门也采用它作为稳定剂进行试验和研究。澳 大利亚和南非在这方面进行了一系列研究，南非于1 9 9 8 年提出了泡沫沥青混合 料设计方法n 引。 现在，泡沫沥青在许多国家和地区( 包括南非、澳大利亚、加拿大、墨西哥、 荷兰、挪威、芬兰、中东地区等) 得到了应用。 1 2 2 国内研究现状 我国在早期曾不同程度地利用废旧沥青混合料来修路，但都将其作为废料 利用，一般只用于轻交通道路、人行道或道路垫层。1 9 8 2 年山西省结合油路的 大中修工程铺筑沥青再生试验段8 0 余公里，湖北省公路局动员各公路养护单位 进行了再生利用试验研究。1 9 8 3 年建设部曾下达了“废旧沥青混合料再生利 用”的研究项目，由上海市政工程研究所、武汉市市政工程设计研究院、天津 市市政工程研究所等单位承担。当时的主攻方向是把旧渣油路面加入适当的轻 油使之软化，来替代普通沥青混合料，铺筑层次是解决用量较多的下面层，拌 和设备方面则应用现有设备作适当改装，经过二年的努力，在苏州、武汉、天 津、南京四个城市铺筑了3 0 0 0 m 2 以上的试验路。经路用效果观测证明，再生路 面的综合使用品质不低于普通热拌沥青混凝土路面。湖南省将乳化沥青加入渣 油表处面层材料，并分别用拌和法和层铺法修筑了再生试验路( 冷再生) 用于低 等级公路沥青路面。甘肃省兰州公路总段从1 9 8 3 年以来采用阳离子乳化沥青作 再生剂对夏兰路、兰包路、甘川路修筑了冷法再生沥青路面，同时对兰空一榆中 4 第1 章引言 机场专用道路、中川路、西兰路、兰三路修筑了热法再生沥青路面。云南省1 9 8 3 - - 1 9 8 8 年分别对昆洛、昆碗、贵昆路进行了再生沥青路面的试验研究。 1 9 9 8 年1 0 月邯郸市交通局引进了世界最先进的德国维特根公司w r 2 5 0 0 再 生机，首次利用现场再生技术对河北省境内的一段路进行了改造。沪宁高速公 路上海段大中修工程采用沥青路面现场热再生技术进行表面作业，该设备和技 术由上海浦东路桥建设股份有限公司从国外引进，并于2 0 0 2 年底在浦东的几条 主要公路上得到了成功应用。2 0 0 2 年京津塘高速公路对部分老化严重的沥青路 面进行了就地热再生，广佛高速公路改造工程也采用厂拌热再生技术进行施工， 2 0 0 3 年河北省石安高速公路管理处也对部分老化严重的路段进行了就地热再 生，以恢复路面的行驶性能，并将再生沥青混合料作为高速公路底面层。 我国早期沥青路面的冷再生注重实践，以直接的应用为特点，带有一定的 经验性。随着实践的发展，实验室试验研究逐步得到重视，许多学者对冷再生 沥青路面材料试验作了深入的探讨。 李艳春n 明等通过试验分析说明了沥青路面冷再生材料作为底基层完全能满 足路用材料的力学性能要求。杨宇亮瞳叩等应用正交设计方法对回收旧沥青混合 料的冷拌再生影响因素进行分析，得出了各影响因素之间的关系，提出修正的 马歇尔试验，并给出适用的旧沥青混合料冷拌再生设计方法。曹翠星胆妇等介绍 了泡沫沥青的应用发展，分析了泡沫沥青冷再生技术的现状和有待研究的问题。 王丽瞳羽等在抗压强度、抗压回弹模量与劈裂强度试验的基础上，探讨了冷再生 沥青混合料力学性能变化规律及其影响因素。李强3 等通过劈裂拉伸和控制应 力的方式对冷再生沥青混合料的疲劳性能进行了室内试验研究，总结了疲劳方 程和疲劳曲线，分析了温度对疲劳性能的影响，并与相似试验条件下一般水泥 稳定类材料的疲劳规律进行了比较。王海燕乜幻等结合大量工程实践，探讨了沥 青混凝土路面现场冷再生的结构和材料组成设计方法。谭忆秋乜5 3 等基于美国 s h r p ( s t r a t e g i ch i g h w a yr e s e a r c hp r o g r a m ，夏普计划) 计划成果，针对乳化 沥青冷再生混合料的设计，通过实验室试验，提出了修正s u p e r p a v e ( s u p e r p e r f o r m a n c ea s p h a l tp a v e m e n t ，高性能沥青路面) 体积设计法，取得了良好效 果。 拾方治、吕伟民、孙大权、李秀君及其他合作者汹删3 ，2 0 0 4 2 0 0 5 年发表 了多篇关于沥青路面冷再生的论文。其中“冷再生沥青混合料设计方法概述” 一文通过对国外有关研究与施工经验的总结，对冷再生混合料设计进行了讨论， 5 第1 章引言 并对美国部分州公路局和单位有关冷再生设计方法进行了介绍。“沥青路面再生 技术简介 一文对国内外沥青路面再生技术现状与发展趋势进行了系统总结， 介绍了沥青路面的再生原理和技术途径，阐明了沥青路面再生的重要意义：同 时，针对沥青路面再生的常用方法，分析比较了不同再生方法的特点，提出了 根据沥青路面损坏类型采用不同再生方法的建议。“泡沫沥青混合料设计方法的 试验研究 一文结合国外有关研究，提出了泡沫沥青混合料材料组成和设计原 理，并通过试验研究得出泡沫沥青用于稳定路面铣刨料作为路面基层的可行性： 通过分析不同养护方法、不同水泥用量及泡沫沥青用量与间接抗拉强度( 劈裂强 度) 之间存在的关系，得出了确定最佳沥青用量的控制指标：考虑到泡沫沥青混 合料的力学特性对湿度有很强的依赖性，初步得出一套基于水稳性的泡沫沥青 混合料配合比设计方法。“泡沫沥青就地冷再生混合料设计方法与工程应用”一 文建议首先应对旧路路况进行调查，包括分析病害及其原因、结构承载能力及 交通条件等：然后，采用就地冷再生机现场取样，进行室内混合料设计，包括根 据取样材料和泡沫沥青要求，确定混合料的设计级配：根据沥青发泡试验，确定 选用沥青的最佳发泡条件：养护后测定试件的间接抗拉强度( i t s ，i n d i r e c t t e n s i l es t r e s s ) ，选择湿试件最大i t s 值对应的沥青用量作为设计值：最后， 该文结合试验路工程，简述了泡沫沥青就地冷再生的施工工艺。 正是认识到冷再生的推广应用价值，2 0 0 6 年8 月1 8 日到8 月2 0 日，全国 公路路面改造与再生利用技术交流会在长春召开，会上就再生技术作为专题的 交流与发言，并参观了长春至双辽冷再生路面的现场，为冷再生技术推广应用， 提高路面改造科技水平提明了方向，各地冷再生技术也开始大面积推广。 1 3 研究内容 泡沫沥青冷再生技术在很多地区虽然开始应用，但在很多技术环节方面还 很不成熟，处在摸索阶段。本文将结合我地区实际，通过试验路修筑应用全面系 统地研究泡沫沥青冷再生柔性基层技术，主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 分析泡沫沥青的发泡作用机理以及泡沫沥青性能的影响因素，阐述最 佳发泡条件的确定原则； ( 2 ) 研究分析泡沫沥青混合料的物理特性和力学性能以及影响泡沫沥青混 合料性能的因素： 6 第1 章引言 ( 3 ) 阐述泡沫沥青就地冷再生混合料设计方法，提出主要的控制指标； ( 4 ) 验证泡沫沥青冷再生性能影响因素及技术可行性，研究总结泡沫沥青 冷再生技术的施工工艺； ( 5 ) 论证泡沫沥青冷再生技术的经济可行性。 1 4 研究方法及技术路线 ( 1 ) 通过发泡试验分析阐述泡沫沥青的发泡作用机理及泡沫沥青性能的影 响因素； ( 2 ) 通过大量的室内实验，研究泡沫沥青混合料的性能，并对性能影响因 素进行分析； ( 3 ) 通过修筑试验路，阐述泡沫沥青就地冷再生混合料设计方法，验证泡 沫沥青冷再生技术的性能，提出泡沫沥青冷再生技术的施工工艺； ( 4 ) 通过泡沫沥青冷再生技术与常规路面结构的造价比较，对泡沫沥青冷 再生技术的经济可行性进行分析。 7 第2 章泡沫沥青的技术性能研究 第2 章泡沫沥青的技术性能研究 本章分析了沥青的发泡机理，评价了泡沫沥青的发泡指标，探讨如何改善 沥青与矿料拌合的和易性，进而增加混合料的粘聚性，提高混合料的强度。在 此基础上通过试验对泡沫沥青的性能评价指标和影响因素进行研究分析，提出 了最佳发泡条件的确定原则。 2 1 泡沫沥青的发泡机理分析 泡沫沥青是通过向热沥青中加入一定量的经过精确计量的冷水( 通常为沥 青质量的1 - - - 2 ) 而制成的。沥青的发泡过程依赖于水从液态变化至气态的过程， 该过程中水从正常空气压力下的液态膨胀至该体积的1 5 0 0 倍左右。沥青发泡的 基本过程如图2 1 所示。 图2 1 泡沫沥青产生示意图 当冷水滴( 环境温度) 与高温沥青( 1 4 0 。c 以上) 接触时，热沥青与小水滴表面 发生热量( 能量) 交换，将水滴加热至1 0 0 c ，同时沥青冷却，沥青传递的热量超 过了蒸汽潜热，导致水滴体积膨胀，产生蒸汽。膨胀腔里的蒸汽泡在一定压力 下压入沥青的连续相，随着融有大量蒸汽泡的沥青从喷嘴喷出，蒸汽膨胀，从 而使略微变凉的沥青形成薄膜状，并依靠薄膜的表面张力将气泡完全裹覆。另 8 第2 章泡沫沥青的技术性能研究 外，在蒸汽膨胀过程中，沥青膜产生的表面张力将抵抗蒸汽压力直到达到一种 平衡状态，并且由于沥青与水的低导热性，这种平衡一般能够维持数秒的时间， 发泡过程中产生的大量气泡以一种亚稳态的形式存在，泡沫容易破灭。 大量气泡的产生，使沥青的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，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。 2 2 泡沫沥青的评价指标及影响因素研究 为了衡量沥青的发泡效果，目前主要用膨胀率和半衰期两个指标加以评价。 膨胀率是指在沥青发泡状态下测量的最大体积与未发泡状态下的体积之 比。为了使发泡沥青与翻腾的集料充分接触，形成良好的裹覆作用，膨胀率越 大，拌制的泡沫沥青混合料的质量越好。 半衰期是指泡沫沥青最大体积缩小到该体积一半所用的时间。该指标实际 上描述了沥青泡沫的稳定性，半衰期越长，说明泡沫越不容易衰减，可以与集 料有较长的时间接触与拌合，提高泡沫沥青混合料的质量。 此外，在1 9 9 9 年南非第七次沥青路面会议上，j e n k i n s 教授提出了利用一 定温度和用水量下泡沫沥青体积的衰减曲线计算发泡指数f i 的方法来评价发泡 效果。f i 定义为衰减曲线下最小发泡倍数e r m i n 以上区域的面积，并给出了计 算公式。认为f i 值较大说明泡沫沥青在可拌和的粘度范围内具有较高的能量， 发泡效果也较好。通过比较沥青在发泡条件下的f i ，即可评价其发泡效果。并 且依据集料的温度和发泡指数对泡沫沥青的使用效果进行了分类。这种评价方 法比较合理地反映了沥青的发泡过程，而目能够克服使用膨胀率和半衰期两个 指标评价沥青发泡特性时带来的困难，因此有其合理性和先进性，但是实际应 用中显得较为复杂，而目不易操作，同时基于化学里同位素衰落规律的泡沫沥 9 第2 章泡沫沥青的技术性能研究 青衰落曲线，有时不能准确反映各种沥青的衰落规律，这样会使计算的发泡指 数f i 出现较大偏差。 泡沫沥青的发泡性能受沥青本身的特性、沥青温度、发泡用水量、沥青的 喷射压力以及是否加入添加剂等因素的影响。其中主要影响因素为沥青温度和 发泡用水量。 试验中使用德国维特根公司的w l b i o 发泡试验机对辽河9 0 # 沥青，在无添加 剂加入并且沥青喷射压力一定的条件下，进行了其性能与沥青温度和发泡用水 量关系的试验。沥青在1 6 0 和1 7 0 的情况下，采用不同的发泡用水量分别进 行了试验，测试其膨胀率和半衰期等指标，其结果如表2 - 1 所示，根据表2 - 1 数据绘制沥青发泡性能与温度、用水量关系图2 - 2 。 表2 一l 沥青发泡特性与温度和用水量的关系 发泡温度 发泡用水量1 6 0 1 7 0 膨胀率( 倍) 半衰期( 秒)膨胀率( 倍)半衰期( 秒) 1 51 5 o 3 1 01 5 52 8 5 2 o 1 9 5 2 3 51 7 5 2 2 o 2 52 3 o1 7 o2 0 o1 6 5 3 o 2 7 51 3 52 5 01 1 o 图2 - 2 沥青发泡特性与温度和用水量的关系图 1 0 第2 章泡沫沥青的技术性能研究 分析上面图表可以得出结论：在同一温度下，发泡时用水量越大，膨胀率 越大，但半衰期越短，当用水量由1 5 增长到3 时，膨胀率和半衰期近似均匀 地增长或减小；沥青温度由1 6 0 c 提高到1 7 0 ，膨胀率和半衰期反而减小，并 不符合通常认为的沥青温度越高发泡性能越好的观点，说明沥青发泡特性与发 泡温度( 高于可发泡温度) 无必然联系，进一步分析说明了沥青发泡过程是一 个复杂的热力学过程。温度高虽然有利于沥青产生泡沫，但使沥青表观粘度降 低，从而使沥青薄膜的弹性降低，不利于泡沫的产生。 此外，沥青类型不同发泡效果也不同，分析表明通常使用针入度为8 0 - - 1 5 0 的沥青用于发泡，较硬的沥青会产生较差质量的泡沫，从而导致沥青分散效果 变差；沥青的喷射压力( 主要包括水压和气压的影响) 较低，会使沥青与水混 合不够均匀，对膨胀率和半衰期都不利；消泡剂( 例如硅化合物) 的存在，会影 响发泡效果，沥青中加入表面活性物质( 发泡剂) ，可以明显改善沥青的发泡特 性。 2 3 最佳发泡条件的确定 由于膨胀率随着用水量的增加而增长，半衰期则随着相应降低。而我们所 需要的泡沫沥青最佳的状态是膨胀比较大，半衰期较长，有利于沥青均匀分布 在混合料中的状态。既然二者不能同时达到最优，无论取高膨胀率或长半衰期， 都不如二者都适当时效果好，有利于拌和。因此发泡沥青性能最佳用水量是在 一定温度下，兼顾半衰期与膨胀率，取二者值均较大时的发泡用水量为最佳发 泡用水量。 根据表2 - 1 试验数据，沥青温度1 6 0 比1 7 0 具有较好的发泡效果，取 1 6 0 为最佳发泡温度，绘制沥青温度在1 6 0 c 条件下的发泡特性( 膨胀率和半 衰期) 同发泡用水量的关系图如下( 图2 - 3 ) 。 第2 章泡沫沥青的技术性能研究 图2 - 3 沥青1 6 0 发泡特性与用水量关系图 由上面的试验结果判断，此种沥青在1 6 0 。c 条件下的最佳用水量为2 2 ， 此时的膨胀率和半衰期分别为2 1 3 倍和2 0 9 秒。 发泡特性没有上限，目标总是产生最好质量的泡沫用于施工。关于下限的 设定，试验表明在2 5 稳定材料时，通常认为膨胀率和半衰期的最小接受值分 别为l o 倍和8 秒。 2 4 本章小结 ( 1 ) 评价泡沫沥青性能的主要评价指标为膨胀率和半衰期。膨胀率越大， 拌制的泡沫沥青混合料质量越好；半衰期越长，泡沫越不易衰减，与集料有充 分的拌合时间。 ( 2 ) 泡沫沥青发泡性能受沥青本身的特性、沥青温度、发泡用水量、沥青 喷射压力以及是否加入添加剂等因素的影响。其中主要影响因素为沥青温度和 发泡用水量。在同一温度下，发泡时用水量越大( 通常1 3 ) ，膨胀率越大， 但半衰期越短。虽然发泡时要求沥青具有较高的温度( 1 4 0 以上) ，但沥青温 度越高发泡性能不一定越好。此外较硬的沥青会产生较差的泡沫( 通常采用针 入度大于8 0 的沥青) ，沥青喷射压力较低，对膨胀率和半衰期不利，消泡剂会 影响发泡效果，发泡剂会明显改善发泡性能。 ( 3 ) 最佳发泡条件确定的原则是在最佳发泡温度的条件下确定最佳用水 量。最佳用水量确定要同时兼顾膨胀率和半衰期两项指标，使二者值均较大时 确定最佳发泡条件。通常认为膨胀率和半衰期的最小接受值为1 0 倍和8 秒。 1 2 第3 章泡沫沥青冷再生混合料的设计方法 第三章泡沫沥青冷再生混合料的设计方法 本章阐述泡沫沥青冷再生混合料配合比的设计原则和指标要求，并通过实 验室试验给出配合比的设计方法，包括集料及级配选择、拌合用水量的确定、 试件制备与养生、最佳泡沫沥青用量的确定等，同时测定其密度和空隙率。 3 1 配合比的设计原则和技术指标要求 由于泡沫沥青冷再生混合料的特性与用途不同于一般的热沥青混合料，因 此对泡沫沥青混合料的配合比设计不能采用常规的热沥青混合料配合比设计方 法。参照国外有关研究，采用基于泡沫沥青水稳性的配合比设计方法。 路面基层在行车荷载的反复作用下，主要承受竖向压应力及水平拉应力作 用。混合料中集料的骨架支撑作用基本能满足其实际需要。工程实践表明，泡 沫沥青混合料基层材料往往是由于基层底部抗拉强度( 或粘结强度) 不足而开 裂。试验证明，沥青混合料和各种半刚性基层材料的劈裂强度与弯拉强度具有 一定的相关关系，而劈裂试验比梁的弯拉试验简单、方便，且更接近路面结构 受力状态，考虑到泡沫沥青作为柔性基层材料，其特性与沥青混合料有一定的 相似性，因此采用间接抗拉强度( i t s ) 作为混合料设计的控制指标。 由于泡沫沥青混合料空隙率一般较大，其水稳性显得格外重要，因此采用 浸水残留间接抗拉强度作为确定最佳泡沫沥青含量的关键指标。 3 2 集料及级配选择 由于本次试验采用旧路面的铣刨材料进行冷再生使用，废旧沥青混合料是 作为骨料被重新利用的，因此首先需要对其原始状态的级配组成状况进行分析。 用再生机现场铣刨15 c m ，然后将铣刨料送至试验室进行级配组成分析可看出， 该铣刨料与泡沫沥青稳定材料的级配范围( 德国维特根冷再生技术手册标 准) 出入较大，特别是4 7 5 m m 以下部分太粗，因此，加入部分新石屑对级配进 行调整。基于泡沫沥青稳定类材料的特点，要求0 0 7 5m m 以下颗粒含量为5 - - - - 2 0 时稳定效果更好，更易于泡沫沥青的分散，充分发挥其胶接作用。参照技 1 3 第3 章泡沫沥青冷再生混合料的设计方法 术手册中对泡沫沥青稳定材料的级配要求，试验中r a p 料用量比例为7 5 ，其 余2 5 为新添加的石屑和水泥等，从图表中可以看出，合成后的试验级配基本满 足要求。为了验证添加水泥对混合料的影响，根据加入水泥含量的不同将泡沫 沥青稳定材料分为2 类，水泥含量分别为o ，1 5 。水泥选择3 2 5 级普通硅酸 盐水泥，0 0 7 5 r a m 筛孔通过率为1 0 0 。两种稳定材料只是相应调整矿粉含量，级 配几乎不变。下面列出r a p 料、石屑级配以及水泥含量1 5 时的合成级配。 表3 1 旧沥青路面铣刨材料( r a p 料) 筛分结果及泡沫沥青稳定材料级配范围 沥青路面铣刨旧料( r a p ) 泡沫沥青稳定材料级配 筛孔尺寸m m 范围 1 2 均值上限下限 3 7 51 0 01 0 01 0 0i 0 01 0 0 3 1 59 0 19 4 69 2 4 2 6 58 0