基于泡沫沥青的温拌沥青混合料技术

1、基于泡沫沥青的温拌沥青混合料技术基于泡沫沥青的温拌沥青混合料技术 2011年04月05日泡沫温拌沥青混合料是一种高节能低排放的新型路面材料。本文分析了泡沫沥青的生成机理、生产工艺和性能特点，介绍了泡沫温拌沥青混合料的配置原理、拌制工艺与节能减排效果，对比评价了其路用性能，指出了该技术的优势及需要解决的问题。 关键词：温拌沥青混合料；泡沫沥青；配置原理；降温效果；性能评价 0 引言 近年来，泡沫沥青作为稳定剂和再生剂已经被广泛地应用于基层稳定和冷再生技术，而且由于泡沫沥青施工和易性良好、性能可靠，其应用范围也越来越广泛， 而且已经应用到目前备受关注的温拌沥青混合料生产过程中。 1 泡沫沥青温拌技

2、术国内外发展现状 1998年，英国Shell（壳牌）国际石油有限公司和挪威Kolo-Veidekke公司共同开发了一种两阶段法生产温拌沥青混合料的技术，这种技术被称为泡沫沥青温拌混合料，并于1999年铺筑了试验路与热拌沥青混合料进行了现场对比试验，经过1年的跟踪观测，路面使用性能良好1。 这种温拌料的生产需要2种类型的沥青，一种软沥青和一种硬质泡沫状沥青，在拌和的不同阶段将它们分别加入到混合料中。在第一阶段，将温度为100120的软沥青与加热后的集料注入搅拌罐中，搅拌几分钟后以达到良好的裹覆。在第二阶段，将硬沥青通过泡沫机泡沫化后加入到预裹覆的集料中。硬沥青发泡后，体积临时增长1520倍，且其

3、黏度明显降低，非常有效地黏附在已经被软沥青包裹了的集料上。这样，软沥青和泡沫化的硬沥青都起到降低结合料黏度的作用从而实现混合料良好的工作性。相应于传统的热拌沥青混合料，这种温拌料的拌和温度只有100120，摊铺温度可以下降到80左右，同时具备更长的使用寿命。这不仅大大减少了能源的消耗，更有利于减少温室气体的排放，以及减少烟雾和刺激气味的形成，有效地改善了工人的操作环境。制备这种温拌料的关键在于必须选择合适的软、硬沥青种类以及二者的比例，以满足混合料相应的路用性能要求。另外，在第一阶段必须保证矿料干燥，防止水分存在于矿料表面，必要时可掺加抗剥落剂以增强抗水损害能力2。 自2003年以来，这种温拌

4、料在欧洲得到了广泛应用，铺筑了大量的试验路。2006年，意大利Speed Firenze-Pisa-Livorno高速公路上的试验段就使用了该技术，获得了令人满意的结果比传统沥青具有更低的温度敏感性，比相应的热沥青具有更强的抗疲劳性能；从路面损坏角度看，预期比传统沥青有更长的寿命，沥青和混合料的劲度随时间而增强 。对拌和厂和施工现场的污染物测量结果显示，与热拌料相比，减少了40%的CO2、70%的NOx及70%的粉尘排放量3 4。 美国专利52也介绍了泡沫温拌沥青混合料技术，该技术将石料加热到120后加入软质沥青（100黏度小于0.3Pa?s），拌和均匀后再将硬质沥青（25针入度小于10 mm

5、）发泡后喷入。这种技术可节约4060%的能量消耗，降低6070%的CO2排放量。为进一步降低拌和温度，Jenkins62开发出采用泡沫沥青制备半温沥青混合料（Half-Warm Asphalt Mix）技术。这种技术拌和温度控制在100以下，沥青结合料全部采用泡沫形式加入。试验结果表明，采用针入度为8 mm（25）的沥青进行发泡后在101与石料拌和，发现沥青可较好地包裹石料，同时在89条件下成型马歇尔试件，其空隙率可达到4.0%的要求。这种半温沥青混合料的疲劳寿命与热拌沥青混合料基本相当，但其抗剪强度相对较小。 为了满足满足重交通荷载的要求，对改性沥青发泡用于生产泡沫改性沥青温拌混合料受到了人

6、们的高度关注。 目前，中国对泡沫沥青的研究还多集中在将其作为稳定剂和再生剂应用于基层稳定和冷再生方面，而利用泡沫沥青制备温拌沥青混合料的相关研究很少，应用就更不多见。因此，进行泡沫型温拌沥青混合料方面的研究是十分必要的。 2 泡沫型温拌沥青混合料的材料组成与制备工艺 2.1 泡沫型温拌沥青混合料的材料组成 在制备泡沫型温拌沥青混合料时，沥青结合料采用由2种不同硬度的沥青制备的温拌沥青，矿料仍为一般矿料。制备温拌沥青混合料的关键在于硬沥青的加入形式，一般有3种加入形式，即乳化沥青、泡沫沥青及粉末沥青。由于各种原因 ，目前大多将硬沥青以泡沫沥青的形式制作温拌沥青。在配制温拌沥青之前，应分别选用2种

7、不同硬度的沥青，要求如下。 （1）软沥青。25的针入度较大，使其能在100时具有一定的流动性，从而便于与矿料拌和均匀，能够裹覆住矿料。 （2）硬沥青。它是以泡沫沥青的形式加入的，根据路面的需求，硬沥青在25时的针入度应在（10100） 0.1mm之间。 此外，在配制泡沫型温拌沥青时，要根据它的针入度来确定软沥青和硬沥青的混合比率。如果需要的话，沥青结合料中还可以加入抗剥落剂，以减少水损害的产生7。 2.2 泡沫型温拌沥青混合料的制备工艺 在制备泡沫型温拌沥青混合料时，首先是在100左右的条件下将软沥青与矿料拌和，初步地裹覆矿料，矿料的加热温度在100120左右。然后加入泡沫沥青在90120进行

8、充分拌和，制备工艺如图1所示。至于泡沫型温拌沥青混合料的矿料级配、混合料的配合比设计、拌和设备等可以完全参照热拌沥青混合料的相关方法与规定7。 图1 泡沫型温拌沥青混合料的制备工艺 3 沥青发泡原理及发泡特性评价 泡沫沥青的生产是通过将少量的水注入热沥青（160180）中，水和沥青均需精确计量，水的质量通常为沥青质量的2%5%。此时，水遇高温沥青即迅速蒸发，形成饱和蒸气，导致热态沥青产生爆炸泡沫，其体积迅速膨胀至原来的1520倍，形成泡沫沥青8。 3.1 沥青发泡原理 沥青发泡的基本过程如图2所示。当冷水滴（环境温度）与高温沥青接触时，将发生以下连锁反应：热沥青与冷水滴表面发生热量（能量）交换

9、，将水滴加热至100，同时沥青冷却；沥青传递的热量超过了蒸气潜热，导致水滴体积膨胀，产生蒸气。膨胀腔里的蒸气泡在一定压力下压入沥青的连续相；随着融有大量蒸气泡的沥青从喷嘴喷出，蒸气膨胀，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。另外，在蒸气膨胀过程中，沥青膜产生的表面张力将抵抗蒸气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9。 图2 沥青发泡原理 发泡过程中导致泡沫破灭的因素很多，一种解释为随着沥青胶团在常温下冷却，气泡中的蒸气冷凝而导致气泡破灭，这时发泡水会存留在

10、沥青中形成所谓的水饱和沥青（Water Saturated Bitumen）；另一种解释为泡沫具有近乎稳定的蜂窝状结构的气室，气室两边的膜即为泡沫液膜。在3个或多个气泡聚集的地方，液膜被弯曲，并凹向气室的一方，形成普来特（Plateau）边界，如图3所示。由于在Plateau交界处有较大的曲率半径，根据拉普拉斯（Laplace）方程，在气相与液相之间就会产生压力差，它随液体表面张力的增加而增大，随气泡曲率半径的增大而减小，因此在Plateau交界处的液压要比附近曲率小的地方小，从而使得液体由小曲率处向Plateau交界处流动。这种排液作用会使液膜逐渐变薄，当液膜达到临界厚度（510mm）时，膜

11、就会破裂。前一种解释更适合发泡温度较低或发泡用水量较少的情况，因为发泡温度低，沥青胶团容易冷凝，泡沫中的水蒸气也易低于液化温度，同时用水量较少，沥青薄膜也相对较厚，不会产生明显的Plateau交界。而若是情况相反，则依据实际试验观察，发泡时产生的大量体积较大的气泡以及大量蒸气外溢与第2种解释更为贴近9。 图3 3个以上气泡相遇时产生的Plateau交界 3.2 沥青发泡特性评价 沥青泡沫经过很短的时间破裂，这一过程只是沥青的物理性质发生变化，而没有发生化学反应10。显然，沥青本身的发泡特性将直接影响泡沫沥青及其混合料的质量。通常，泡沫沥青的特性可以用最大膨胀比（ERmax）和半衰期（HL）2个

12、指标加以描述。最大膨胀比（ERmax）是指沥青在发泡状态下测量的最大体积与未发泡状态下的体积之比。由于在喷射过程中先期喷出的泡沫沥青体积已经开始衰减，因此所测量的最大发泡体积要小于实际的最大值。为了使泡沫沥青与翻腾的集料充分接触，形成良好的裹覆作用，ERmax要大。ERmax越大，拌制的泡沫沥青混合料质量越好。半衰期（HL）是指泡沫沥青从最大体积缩小至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。HL长，说明泡沫不容易衰减，可以与集料有较长时间的接触与拌和，从而提高泡沫沥青混合料的质量9。沥青的发泡性能受到较多因素的影响。 （1）沥青的温度。一般情况下，低于120时，沥青很难发泡，

13、但这并不表明温度越高，发泡效果就越好。 （2）发泡时的加水量。一般情况下，加水量越大，ERmax越大，但HL则越短。 （3）沥青的喷射压力。主要包括水压和气压的影响，压力较低会使沥青与水混合不够均匀，对ERmax和HL都不利。 （4）当沥青反复加热而导致沥青老化后，发泡效果不好。 （5）是否存在消泡剂。消泡剂（例如硅化合物）的存在，会影响发泡效果。 （6）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。 目前，国内外对于沥青发泡特性的评价尚无统一的数值标准。Ruckel等人建议最大膨胀比在815，半衰期大于20s时泡沫沥青性能较好。维特根公司的泡沫沥青冷再生试验表明为获得高质量的

14、泡沫沥青混合料，最大膨胀比应大于15，半衰期在510s内。Brennen等人指出泡沫沥青的半衰期和膨胀比受泡沫体积、加水量和温度的影响，增加温度和水量可以提高膨胀比，但会降低半衰期 10-14。 在实际操作时，主要是通过改变发泡温度和用水量来研究ERmax与HL的变化关系，以期找到最佳的发泡效果，并在这种状态下拌制泡沫沥青混合料。而通常情况下，ERmax与HL两者不可能都达到最优，一般认为最好的发泡性能是出现在ERmax与HL都较好时。 4 泡沫型温拌沥青混合料路用性能 目前，泡沫型温拌沥青混合料应用较多的就是英国Shell（壳牌）国际石油有限公司和挪威Kolo-Veidekke公司共同研制的

15、WAM-Foam?，研究资料表明，WAM-Foam?具有优良的路用性能。 对WAM-Foam?采用APA车辙试验，试验温度为50，试验结果如表1所示。 沥青 试样 空隙率/% 变形尺寸/mm DG 16 温拌料WAM-Foam? 道路取芯 3.2 8.0 DG 16（热拌料） 道路取芯 3.5 7.8 采用Nottingham Asphalt Tester测试两种沥青混合料的劲度模量，试验结果如表2所示。 表2 劲度模量试验结果 沥青 试样 空隙率/% 劲度模量/MPa 5 10 20 温拌料WAM-Foam? 道路取芯 4.0 5833 2198 532 DG 16（热拌料） 道路取芯 3.4 6268 2113 568 从表1和表2的试验结果可知，WAM-Foam?与热拌沥青混合料的车辙变形基本相当，各温度下的劲度模量也基本上一样，表明WAM-Foam?具有与热拌沥青混合料相当的稳定性。 5 结语 泡沫温拌沥青混合料的结合料通常采用两种沥青配置，即硬沥青和软沥青，硬沥青需要泡沫化处理，以达到降低黏度从而实现较低沥青混合料拌和与施工温度的目的。 泡沫沥青混合的降温效果非常明显，与热拌沥青混合料相比，通常为3050， 从而减少越40%的CO2、70%的NO