泡沫溫拌再生瀝青路面材料研究現狀及其展望

◎吳正光 肖鵬 仲星全

泡沫溫拌再生瀝青路面材料研究現狀及其展望

◎吳正光 肖鵬 仲星全

節(jié)能環(huán)保已成為全社會關注的熱點問題，同時節(jié)能環(huán)保也是衡量一種應用技術成熟與否的關鍵因素。本文首先回顧了泡沫瀝青發(fā)泡原理及特點，簡要描述泡沫瀝青溫拌優(yōu)缺點，詳細地介紹了國內外泡沫瀝青及混合料的研究情況，其次對國內外泡沫溫拌再生瀝青混合料的研究概況進行綜述，最后對今后的泡沫溫拌再生瀝青路面材料研究進行一些展望。從研究結果來看，泡沫溫拌再生瀝青路面材料具有良好的經濟、環(huán)境和社會效益，值大力推廣和實際應用。

近年來，節(jié)能環(huán)保已經成為公路事業(yè)研究的熱點，現階段公路瀝青路面最具應用前景的主要有兩個技術：瀝青路面廠拌熱再生技術和泡沫溫拌技術。一方面瀝青路面再生料（即瀝青路面銑刨料）應用在瀝青面層上以廠拌熱再生居多，可以節(jié)約不少成本。但在應用過程中，需對新石料至少加熱到170℃，瀝青再生料加熱至120℃左右，瀝青混合料出廠溫度控制在160℃左右。如瀝青再生料摻量較大（25%以上）需增加一定比例的再生劑，會增加不少的費用。另一方面泡沫溫拌技術可以解決傳統熱拌瀝青混合料高污染、高能耗的問題。采用泡沫溫拌技術能將熱拌瀝青混合料粘度顯著降低，拌和溫度降低20～30℃，可以大大降低有害氣體、熱量及粉塵物的排放，改善生產和施工作業(yè)環(huán)境，降低生產過程中的能耗，污染問題。將廠拌熱再生技術和泡沫溫拌技術進行結合，可以大幅度降低瀝青混合料的出廠溫度，增加瀝青路面再生料的利用率，提高路面施工和易性和施工方便性，已經成為研究一個新的方向。

本文首先回顧了泡沫瀝青發(fā)泡原理及特點，簡要描述泡沫瀝青溫拌優(yōu)缺點，詳細地介紹了國內外泡沫瀝青及混合料的研究情況，其次對國內外泡沫溫拌再生瀝青混合料的研究概況進行綜述，最后對今后的泡沫溫拌再生瀝青路面材料研究進行一些展望，以此為泡沫溫拌再生瀝青的應用具有借鑒意義。

發(fā)泡瀝青溫拌技術特點

發(fā)泡瀝青原理及特點。瀝青發(fā)泡技術作為主要的廢舊瀝青路面回收再生技術之一，主要是在高溫瀝青中加水滴形成蒸汽泡，從而膨脹，在僅幾秒鐘的時間，水和瀝青的混合液形成霧狀，體積膨脹數倍至數十倍，然后在1 分鐘內，瀝青又恢復原狀，此時瀝青的物理性質會暫時發(fā)生變化，其粘度顯著降低，這種狀態(tài)下的瀝青即稱為泡沫瀝青。泡沫瀝青并不是一種新的瀝青粘結料，而是一種新技術應用所帶來的產物。

瀝青發(fā)泡的基本過程當冷水滴與高溫瀝青接觸時，將發(fā)生以下連鎖反應：熱瀝青與小水滴表面發(fā)生熱量交換，將水滴加熱至100℃ ，同時瀝青冷卻；瀝青傳遞的熱量超過了蒸汽潛熱，導致水滴體積膨脹，產生蒸汽。膨脹腔里的蒸汽泡在一定壓力下壓入瀝青的連續(xù)相；隨著融有大量蒸汽泡的瀝青從噴嘴噴出，蒸汽膨脹，從而使略微變涼的瀝青形成薄膜狀，并依靠薄膜的表面張力將氣泡完全裹覆。另外，在蒸汽膨脹過程中，瀝青膜產生的表面張力將抵抗蒸汽壓力直到達到一種平衡狀態(tài)，并且由于瀝青與水的低導熱性，這種平衡一般能夠維持數秒的時間；發(fā)泡過程中產生的大量氣泡以一種亞穩(wěn)態(tài)的形式存在。

泡沫瀝青的性能主要體現在發(fā)泡特性上，通常包括發(fā)泡溫度、用水量、膨脹率、半衰期四個指標，其中前兩個指標是生產控制指標，后兩個指標是檢驗指標。 膨脹率：發(fā)泡過程中泡沫達到最大體積與恢復原狀態(tài)的體積比。 半衰期：泡沫達到最大體積到體積降低到一半所用的時間，以秒計。評價瀝青發(fā)泡效果時，膨脹率和半衰期是兩個密不可分的指標，最好的發(fā)泡效果應使兩個值均比較大，而不能單獨采用一個指標來控制。建議發(fā)泡瀝青的膨脹率≥10倍，半衰期≥8。

影響瀝青發(fā)泡特性的因素主要有：（1）瀝青的溫度。一般情況下，低于120℃時，瀝青很難發(fā)泡，但這并不表明溫度越高，發(fā)泡效果就越好；（2）發(fā)泡時的用水量。一般情況下，用水量越大，膨脹率越大，但半衰期則越短；（3）瀝青的噴射壓力。主要包括水壓和氣壓的影響，壓力較低會使瀝青與水混合不夠均勻，對膨脹率和半衰期都不利；（4）當瀝青反復加熱而導致瀝青老化后，發(fā)泡效果不好；（5）消泡劑的存在，會影響發(fā)泡效果；（6）瀝青中加入表面活性物質(發(fā)泡劑)，可以明顯改善瀝青的發(fā)泡特性。

發(fā)泡瀝青溫拌技術優(yōu)缺點。泡沫溫拌再生混合料材料作為瀝青面層表現出良好的性能，與其它穩(wěn)定劑/再生劑的再生瀝青混合料相比，有許多優(yōu)點：（1）較低的出料、攤鋪、壓實溫度，同時性能接近常規(guī)熱拌混合料。（2）讓集料在較低溫度時能完全被瀝青裹覆。（3）節(jié)約能源，大幅度減少排放，節(jié)能環(huán)保，提高瀝青再生料的利用率。（4）減輕瀝青老化。（5）降低了施工溫度，可以一定程度上延長施工時間。但也有一些缺點：（1）瀝青成功發(fā)泡需要較高的溫度。（2）泡沫瀝青的生產需要專用設備。（3）在再生混合料生產過程中需要考慮如何將最多的熱量傳遞給再生料。

國內外研究現狀

國外研究現狀。1928年德國的August Jacobi注冊了第一個制造瀝青泡沫的專利。1956年，Ladi Csanyi 第一次將泡沫瀝青技術用于穩(wěn)定土基層。1968年澳大利亞的Mobil Oil公司以冷水替代熱蒸汽改進了原有生產工藝使得泡沫瀝青的廣泛應用變得現實和經濟，并于1971年注冊專利。

20世紀70年代，泡沫瀝青主要作為劣質路面材料的穩(wěn)定劑， Bowering和Martin等人在這方面進行了詳細的研究。70～80年代美國的一些洲都開展了這方面的應用研究，鋪筑了試驗路段。1997年后澳大利亞的Main Roads的M.Kendal、J.Ramanua jam等人開始采用泡沫瀝青技術對昆士蘭地區(qū)的道路進行冷再生，以提供具有柔性又耐疲勞的路面結構，并且進行了一系列試驗路研究，修筑了Gladfield，Rainbow Beach，Inglewood，Allora，Redland Shore等試驗路。南非的K.M.Muthen和K.J.Jenkins等人對泡沫瀝青再生混合料的設計、瀝青的發(fā)泡性能進行了較系統的研究，并在比勒陀利亞一等地區(qū)先后修建了不少實體工程。這些研究為泡沫瀝青技術的實踐應用奠定了基礎。

1990年代后，許多公路部門也采用它作為穩(wěn)定劑/再生劑進行試驗和研究。澳大利亞和南非在這方面進行了一系列研究，澳大利亞也在年制定了瀝青穩(wěn)定的就地再生規(guī)范，并于2003年出版了廠拌再生規(guī)范。加拿大的安大略省也于2003年頒布了泡沫瀝青全厚度再生規(guī)范。美國一些州也都相繼制定了再生手冊，例如愛荷華州于年出版了全厚度再生規(guī)范，并于年連續(xù)出版了就地冷再生規(guī)范，內容涉及到乳化瀝青和泡沫瀝青的設計、施工的各個方面。與此相應，著名的筑路設備機械公司也出版了冷再生手冊，用以指導具體的施工過程。國外各地區(qū)一系列規(guī)范的制定標志著泡沫瀝青混合料技術理論和施工工藝的不斷進步，也說明了這項技術具有發(fā)展前景和實用性。

與熱拌瀝青混合料相比，泡沫瀝青混合料的溫度敏感性并不很強。泡沫瀝青混合料的穩(wěn)定性，在很大的程度上是受集料的嵌鎖情況的影響而不是膠結料的粘結性。在泡沫瀝青里，大顆粒集料并未被膠結料很好地裹覆，因此集料在更高的溫度下仍然保持了相互之間的內摩擦力。然而，瀝青膠漿在高溫下其穩(wěn)定性和粘結性都會下降，這可能導致混合料強度的降低。

泡沫瀝青混合料的抗車轍性能研究比較少，有學者采用車轍試驗評價泡沫瀝青混合料的高溫性能。澳大利亞昆士蘭交通部門曾采用Image Flats的材料進行了兩種方式的車轍試驗：壓實后立即試驗和壓實后24小時試驗。試驗結果相差很大，前者在不到2000次輪碾時輪轍深度就超過14mm，但后者經過10000次輪碾試驗，車轍深度仍小于1mm。一些學者嘗試采用不同試驗方法評價泡沫瀝青混合料的疲勞性能。Little等人(1983)認為泡沫瀝青的疲勞特性與熱拌瀝青相似。Bissada(1987)的研究表明泡沫瀝青再生混合料的疲勞特性不如常規(guī)熱拌瀝青材料。Muthen指出：泡沫瀝青再生混合料的力學特性介于粒料類和水泥結構之間。對于泡沫瀝青混合料的抗壓強度和回彈模量，國內外的研究相對較少。

綜上所述，可以看出關于泡沫瀝青混合料的研究很多，但不同學者所采用的試驗方法、評價指標以及參照標準大多存在差異，一些關鍵技術問題尚未統一。

國內研究現狀。國內的一些學者也對泡沫瀝青進行了研究。雖然我國科研起步較晚，但是相關學者仍然在瀝青發(fā)泡試驗研究中取得了一些成果。楊虎榮等人通過兩種瀝青的發(fā)泡試驗，探討了兩種瀝青發(fā)泡性能的差異并提出了計算公式。何桂平等人通過對號瀝青的發(fā)泡試驗，認為溫度、氣壓和加水量三個因素對瀝青發(fā)泡性能均有著顯著的影響。曹翠星等人通過對發(fā)泡數據的非線性擬合，提出了兩種瀝青發(fā)泡性能的衰退方程，并以此分析和驗證發(fā)泡機理。1991年，山西省陽泉市市政工程養(yǎng)護管理處對泡沫瀝青技術進行了嘗試性研究，當時利用泡沫瀝青技術是為了增加瀝青與石料的裹覆性能，減少瀝青用量。由于設備所限，發(fā)泡效果不好，即使在使用了發(fā)泡劑的情況下，發(fā)泡倍數也只有6～12倍。

1992年，沈陽市政工程設計研究院進行了泡沫瀝青的相關研究，自主開發(fā)了發(fā)泡設備，并對泡沫瀝青混合料和普通熱拌瀝青混合料進行了比較，認為泡沫瀝青混合料的主要技術指標完全能達到普通熱拌瀝青混凝土的標準，可降低10%的瀝青用量。當時雖然開發(fā)了發(fā)泡設備，但是設備過于簡單，即使使用發(fā)泡劑所得的發(fā)泡效果也不理想。只是將泡沫瀝青和普通瀝青的性質進行了比較，而忽視了泡沫瀝青其實只是瞬態(tài)的產物，只發(fā)生物理性質的變化，不是一種新的瀝青粘結料，而是一種新技術應用帶來的產物，而且也沒有考慮將泡沫瀝青用于冷再生。

泡沫溫拌瀝青混合料的路用性能研究，遼寧省交通科學研究院王楓成、南雪峰研究了普通瀝青和改性瀝青不同瀝青下，發(fā)泡前后的瀝青混合料性能。鄭州市公路管理局的金松菊、王利敏、王光輝研究了泡沫瀝青的疲勞特性，得出了泡沫瀝青的抗疲勞性能優(yōu)勢較為明顯。金華市公路管理局的徐曉和，李壽偉、鄒曉勇研究了Sup-20型混合料的各項路用性能。對于泡沫瀝青溫拌再生混合料的研究，現階段才只有2014年滄州市市政工程公司石津金、楊躍煥、張寶峰等人研究的關于AC-20和AC-13級配的研究，在市政上進行了鋪筑瀝青路面，但在公路工程中進行實施的，目前國內還未有報道。

綜上所述，當前國內外泡沫瀝青再生技術主要包括冷再生技術與溫拌再生技術，受我國現階段技術水平和工藝水平制約，冷再生技術在國內推廣較快，其中泡沫瀝青冷再生混合料在眾多節(jié)能環(huán)保材料中應用數量最多、消耗廢舊瀝青數量最大。泡沫溫拌再生瀝青混合料起步較晚，研究的也比較少，有待進一步深入研究。

進一步研究的問題

泡沫瀝青從開發(fā)至今已有幾十年的時間，近些年泡沫溫拌再生才受到重視并取得廣泛應用，這主要是因為拌合、攤鋪等機械設備的進步以及由于能源危機和環(huán)保要求的提高，人們越發(fā)重視廢舊瀝青混合料的回收和再生利用，需要進一步研究的問題有：

加大對不同結構形式和重載交通下，泡沫溫拌再生瀝青路面材料的室內性能研究，盡早提出泡沫溫拌再生瀝青混合料的地方規(guī)范和國家規(guī)范，提出切實可行的和技術標準。

拓展對泡沫溫拌再生瀝青及瀝青混合料的微觀分析，通過對比試驗，確定發(fā)泡瀝青最佳參數，并進行優(yōu)化，制造出合適我國國情的高水準泡沫瀝青發(fā)泡裝置。

加大對泡沫溫拌再生瀝青混合料的抗疲勞性能、耐久性等路用性能研究，盡快在多地鋪筑試驗路，提出切實可行的施工指導意見，并進行深入研究。

對于泡沫瀝青再生混合料的成本進行長期記錄和觀測，最好進行長壽命觀測。成本效益一般難以證明，沒有可靠的長期路面使用性能預測，壽命周期費用的好處難以確定。

泡沫瀝青溫拌技術是目前世界上領先的低碳環(huán)保瀝青材料生產技術，本文對溫拌再生瀝青混合料的主要技術要點進行介紹，總結了國外和國內泡沫溫拌再生瀝青路面材料研究的概況；列舉了泡沫溫拌再生瀝青混合料進一步應該研究解決的熱點問題；受我國現階段技術水平和工藝水平制約，瀝青路面熱再生技術在國內推廣較慢，泡沫瀝青溫拌再生技術是一項節(jié)約資源、低碳、環(huán)保的綠色技術，必將發(fā)展成為瀝青路面的主流施工技術。

（作者單位：揚州大學建筑科學與工程學院)