談中溫瀝青混合料的性能

喬衛(wèi)華 郭 福 呂安嶺

(1.山東職業(yè)學院，山東 濟南 250104;2.山東城市建設職業(yè)學院，山東濟南 250103)

1 概述

自從泡沫瀝青在1957年開始出現(xiàn)，就被廣泛應用于冷拌瀝青混合料。冷拌瀝青混合料準備工作較少，使用溫度較低，節(jié)約成本且易于操作，由于它存在一些缺點，目前還不宜用作公路面層，特別不適合用作高等級公路面層。對于較高級別的道路，渴望一種更穩(wěn)定、更耐久、更耐疲勞的瀝青混合料，這就要求使用溫拌瀝青混合料(WMA)。就目前的技術水平而言［1］，溫拌瀝青混合料的拌合溫度一般保持在110℃～120℃，攤鋪和壓實溫度為80℃～110℃，這種方法也可以使用高粘度的瀝青。

介于冷拌混合料和溫拌混合料之間，就出現(xiàn)了中溫瀝青混合料，各種集料進行加熱以達到一定溫度，此溫度應高于周圍環(huán)境溫度而低于100℃，添加泡沫瀝青，這個過程被稱為“中溫泡沫瀝青處治(HWF)”［2］。在混合料的制備工藝上，與傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料和溫拌瀝青混合料相比，它減少了能源消耗，但是混合料的品質并未受到大的損失。

2 中溫瀝青混合料的試驗研究

Roberts等人(1984年)指出［3］，對使用泡沫瀝青處治的再生材料加熱，混合料的密度和工程特性都得到了很大提高。Buschkühl等人(1990年)利用60℃的礦渣拌和泡沫混合料以改善混合料的低安定性，結果顯示，混合料的安定性可增加25%～158%［4］。Bowering，Martin(1976 年)和 Eggers等人(1990 年)也提出了相似的觀點，他們選定的礦料溫度是110℃和115℃［5］。

在Stellenbosch大學，南非conjunction Gvan Heesen Zonen對潮濕的非連續(xù)級配的材料進行了一些初步測試，這些礦料在被加熱至約95℃的溫度前加入泡沫瀝青進行拌合，現(xiàn)已取得了顯著的效果，因此聯(lián)同Delft技術大學發(fā)起了一個試驗項目來研究“中溫泡沫瀝青混合料”。

2.1 礦料

2.1.1 礦料溫度

礦料溫度應介于環(huán)境溫度與100℃之間，礦料溫度的升高直接導致了混合料拌合溫度的升高。視覺觀測表明，瀝青裹覆礦料顆粒的面積隨礦料溫度的升高而增加即顆粒裹覆層得到改善。尤其是較大的礦料顆?？梢酝耆粸r青裹覆，而且局部裹覆情況也在一定程度上得到了改善。

1)礦料溫度影響礦料顆粒裹覆。

由于礦料顆粒裹覆層對瀝青混合料的性能有很大影響，一些道路機構規(guī)定了裹覆礦料瀝青膜的最小厚度。對泡沫瀝青混合料來講［2］，顆粒裹覆層具有特別重要的意義，隨著拌合溫度的增加，該礦料顆粒有可能完全被瀝青裹覆。利用現(xiàn)有的文獻資料不可能預測具體的礦料溫度對最佳泡沫瀝青混合料性質造成的影響。拌合溫度對水分、瀝青粘度以及瀝青結構的間接作用不能夠簡單的認定為“高溫生產(chǎn)優(yōu)質混合料”。一般來說，礦料溫度介于30℃～100℃時較適宜。

2)礦料溫度與混合料溫度的關系。

傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料(HMA)在拌合前耗用大量能源來烘干礦料中存在的水分，水轉化為蒸汽需要克服水蒸氣的潛熱，因此耗費大量的能源。為使中溫瀝青混合料在保證能量優(yōu)勢的同時改善混合料的性能，建議礦料溫度不超過100℃，原因如下:a.能源消耗;b.拌合過程中礦料水分的損失會降低混合料的可壓實性能;c.在與瀝青拌合過程中水分全部喪失會降低混合料的連續(xù)抗車轍優(yōu)勢。

礦料與泡沫瀝青之間的溫度梯度會影響瀝青泡沫的衰退率。在泡沫狀態(tài)下，瀝青與礦料的熱傳導非常迅速，如礦料溫度為30℃，泡沫瀝青溫度為100℃，混合料溫度約為38℃;而如礦料溫度為90℃，混合料溫度將僅略低于100℃。

2.1.2 礦料含水量

研究表明，水分對泡沫瀝青的分散、混合料的壓實和混合料的性能起到了重要作用。為了實現(xiàn)礦料和瀝青的可拌合性，瀝青和礦料拌和期間含水量要維持在高水平上，水是通過含水的礦料提供的。在瀝青和礦料粘結的地方，形成一層水膜，進一步促進了礦料和瀝青的可拌合性。在碾壓期間，水會被混合到瀝青和礦料之間。KJ Jenkins［2］在實驗室生產(chǎn)過程中的不同階段都對中溫泡沫瀝青混合料的水分控制進行了監(jiān)控。利用來自七種不同混合料的數(shù)據(jù)，取四種不同溫度的平均值，建立起了中溫泡沫瀝青處治過程中水分喪失的關系。這一關系如式(1)所示:

其中，MCf為拌合后的最終含水量，%;MCI為拌合前的最初含水量，%;Ta為礦料溫度，℃;BC為油石比，%。

為保證此方程有效，礦料溫度應介于45℃～98℃之間，瀝青低于190℃，混合料拌合時間控制在20 s(實驗室)。

由于礦料在較高溫度時會損失水分，需運用式(1)對最初含水量進行調整。拌合后的實際含水量也應進行監(jiān)測，以便于調整出更準確的結果。如果對此不予考慮，水分不足可能會對顆粒裹覆層、拌合以及壓實產(chǎn)生不利影響。

2.2 泡沫瀝青

泡沫瀝青也叫膨脹瀝青，就是通過向熱瀝青中加入一定量的經(jīng)過精確計量的水而制成的，水的質量通常為瀝青質量的1%～2%。當注入的冷水遇到熱的瀝青時，瀝青體積迅速發(fā)生膨脹，因而會產(chǎn)生大量的泡沫，表面活性進一步增強。對于粘度值較大或高等級的瀝青，通常需要加入一定的壓力，以促進泡沫的生成。

在發(fā)泡的過程中，瀝青的粘度顯著降低，使之能與高速攪拌狀態(tài)下的冷濕礦料具有很好的裹覆性能。泡沫瀝青中也可以含有添加劑，例如用來抑制消泡的添加劑。

2.3 混合料

2.3.1 混合料的拌和

礦料和泡沫瀝青的拌和是按一個傳統(tǒng)的數(shù)值比值進行的［6］，礦料和瀝青的重量比可介于10∶1～25∶1之間，最小值與SMA較為接近，最大值則接近于開級配或孔隙率高的瀝青混合料。

1)二次拌和［7］。

礦料與泡沫瀝青的拌合通常是按兩個步驟進行，把礦料分成粗、細兩部分，兩部分都含有小于0.5%的水分。泡沫瀝青首先與粗集料接觸，然后，把細料加入，細料的最大粒徑可達2 mm。把礦料分成兩個步驟操作，目的是為了阻止瀝青先與細料拌合，從而導致與粗料的粘結力不足。

2)一次拌和［6］。

一次拌和，即將干燥的礦料與泡沫瀝青進行一次性拌和。一次拌和過程中需要一個低的拌和用水量，泡沫瀝青和礦料可獲得足夠的粘結，沒有礦料粒徑分布的任何限制。

2.3.2 混合料的壓實

增加泡沫瀝青混合料的密度會改善混合料的各項性能，尤其對穩(wěn)定度和剛度有顯著影響。

Eggers等人的發(fā)現(xiàn)也適用于中溫泡沫瀝青混合料。使用連續(xù)級配的頁巖材料與泡沫瀝青在90℃時拌合，結果表明［2］，拌合溫度不變，隨著壓實溫度從34℃上升到76℃，空隙率從7%下降到了4%。

除極少數(shù)例外，礦料的拌合溫度對中溫混合料的壓實性能并沒有產(chǎn)生重大影響。關于拌合溫度和壓實水平而言并無特定的顯著趨勢。含水率的微小變化較有可能導致連續(xù)級配的中溫混合料孔隙率的變化。

在以往的技術中，熱拌瀝青混合料的碾壓通常在160℃～170℃的溫度下開始?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)中溫泡沫瀝青混合料的壓實的優(yōu)點是可以在更加低的溫度下開始，因為在溫度從50℃變化到70℃的這段時間，可以繼續(xù)進行碾壓，然而在以往的技術中，大約在70℃就已經(jīng)終止了。因而，壓實溫度可以是一個上至95℃～110℃，下至50℃～70℃范圍內(nèi)的溫度，這種低溫下的碾壓對于傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料是不可能的［6］。很明顯，這個溫度可以更高，只不過中溫瀝青處治是在溫度盡可能低的情況下進行的，以便于節(jié)省能源、減少排放和安全風險。

2.3.3 中溫泡沫瀝青混合料的性能

中溫泡沫瀝青混合料不同于溫拌，它的優(yōu)勢是低于傳統(tǒng)溫拌的拌合溫度，并且與傳統(tǒng)溫拌制備的瀝青混合料相比，性能也得到了一定程度的改善(特別是抗疲勞和抗變形能力)。與傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料相比，在組成和性能上沒有什么不同。

間接抗拉強度(ITS)試驗的目的是衡量混合料的抗疲勞開裂能力，并用此指標來衡量礦料溫度對混合料性能的影響。在南非，這項試驗被廣泛應用于實驗室冷拌及熱拌瀝青混合料設計程序。間接抗拉強度不是一個可高度重復的參數(shù)，所以中溫混合料的抗拉強度之間并不具備較高的相關系數(shù)。因此，結果只能是大致的趨勢，而非確切關系。

試驗證明，壓實溫度對混合料性能所起的作用是正面的。當然，抗拉強度試驗不應該被視為評價中溫混合料優(yōu)點的唯一標準，抗永久變形能力和抗低溫開裂能力也應作為評價標準的一部分。

3 中溫瀝青混合料在荷蘭的應用

在荷蘭，Heijmans及道路水利水電工程學院(DWW)合作承辦了創(chuàng)新試驗中心(ITC)，主要就是研究采用泡沫瀝青所拌制的中溫混合料性能，經(jīng)過大量實驗得出了和上面相同的結論。

4 結語

通過對中溫混合材料的性能研究，得出以下結論:

1)礦料的加熱溫度應介于環(huán)境溫度與100℃之間，瀝青裹覆礦料顆粒的面積隨礦料溫度的升高而增加。

2)在泡沫瀝青混合料生產(chǎn)過程中，可通過拌合前對礦料加熱來改善瀝青的分布，隨著礦料溫度的升高，瀝青的分散性得到改善。

3)中溫泡沫瀝青混合料的壓實性能受到混合料的壓實溫度和含水量的影響遠大于拌合過程中礦料溫度的影響。

4)泡沫瀝青混合料的抗拉強度，是通過對礦料加熱來增強的，壓實溫度對混合料性能所起的作用是正面的。

5 展望

經(jīng)過上述分析可以看出，在混合料的制備工藝上，與傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料和溫拌瀝青混合料相比，中溫瀝青混合料減少了與制備有關的能源消耗，但是在組成和性能上并沒有什么不同，特別是在疲勞和永久變形的抵抗力上。

中溫泡沫瀝青混合料處治的潛力很大，目前還只是有限的室內(nèi)試驗，但改善中溫泡沫瀝青混合料工程性質的收獲將會激發(fā)更多的研究。隨著人們對瀝青混合料的要求越來越高，在不久的將來，這種半溫泡沫處治混合料有可能會替代熱拌混合料，中溫泡沫瀝青混合料的應用前景將更為廣闊。無論從瀝青混合料的發(fā)展、工程技術進步，還是從經(jīng)濟效益提高和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實施的角度，開展耗能相對較低、技術性能良好的中溫混合料的研究與工程應用都具有十分重大的意義和必要性。

［1］ 徐世法，顏 彬，季 節(jié)，等.高節(jié)能低排放型溫拌瀝青混合料的技術現(xiàn)狀與應用前景［J］.公路，2005(7):195-198.

［2］ Jenkins K.J.，de Groot J.L.A.，vande Ven M.F.C.，etal.Half-warm Foamed Bitumen Treatment，A New Process［R］.7th Conference on Asphalt Pavements for Southern Africa，CAPSA ，Victoria Falls，Zimbabwe，1999.

［3］ Roberts F.L.，Engelbrecht J.C.，Kennedy T.W..Evaluation of Recycled Mixtures Using Foamed Asphalt［C］.Transportation Research Record 968.，1984:78-85.

［4］ Buschkühl G.，Gapski J.，Gründel R，.Bituminse Tragschichten aus Müllverbrennungssasche und Schaumbitumen［R］.Diplomarbeit， Fachbereich Bauingenieurswesen， Fachhochschule Hamburg.Germany，1990.

［5］ Bowering R.H.，Martin C.L..Foamed Bitumen Production and Application of Mixtures:Evaluation and Performance of Pavements［C］.Proceedings Association of Asphalt Paving Technologists.New Orleans，USA ，1976，453-477.

［6］ Van den Beemt，Cornelis Marinus Antonius 4817BB，Breda(NL).Improved preparation of an asphaltmix，and use thereof［P］.EP1767581A1.20070328.

［7］ Jenkins K.J..Mix Design Considerations for Cold and Half warm Bituminous Mixes with emphasis on Foamed Bitumen［R］.Unpublished PhD Thesis(to be submitted in late 1999).University of Stellenbosch，1999.