泡沫沥青及其混合料的研究现状

・简报・
泡沫沥青及其混合料的研究现状
曹翠星1　何桂平1　韩海峰2
1　长沙交通学院道教系(长沙市410076)
2　同济大学道路与交通工程系
摘要　环境保护和可持续发展是公路今后发展的一个方向。

泡沫沥青和混合料的研究与
应用无论是对环保,还是对改善冷再生路面使用性能,都很有价值。

回顾了泡沫沥青的发展历
史,总结了其优缺点,详细地介绍了国外泡沫沥青及混合料的研究情况,分析了现阶段存在的
问题,并对今后发展的几个重要问题进行了探讨。

关键词　泡沫沥青　泡沫沥青混合料　再生剂　使用性能　冷再生　可持续发展
虽然早在1915年,已筑路面的材料就开始被用作道路修筑的再生材料,但直至70年代中期以后,由于中东石油危机和优质集料供应的减少,路面再生才广泛地得到应用〔1〕。

根据美国沥青混合料再生和回收协会的规定,路面再生分为5种基本方法:厂拌热再生,现场热再生,厂拌冷再生,现场冷再生和全厚式沥青路面回收。

现场冷再生有其突出的优点,基于节约能源和利用路面回收材料的可持续发展战略的考虑,现场冷再生越来越多地被国外公路部门和承包商所采用。

路面再生往往需要添加再生剂以恢复因路面老化导致的材料性能衰退,冷再生常采用沥青乳液作为再生剂。

但近年来,泡沫沥青作为沥青结合料/再生剂进行冷再生又引起了广泛注意并得到新的应用。

下面将介绍泡沫沥青的发展情况、优缺点,泡沫沥青及混合料在道路工程中的研究情况,存在的问题和今后的研究发展方向。

1　术语
a)泡沫沥青(foamed bitumen):又叫膨胀沥青,通过将一定的水注入热沥青中,因水突然蒸发,引起爆炸性泡沫,在仅几秒钟的时间,水和沥青的混合液形成雾状,体积膨胀数倍至数十倍,然后在1min内,沥青又恢复原状。

这种膨胀成泡沫的沥青称为泡沫沥青。

b)泡沫沥青混合料(foam ed mix ture):指用泡沫沥青和路面材料混合得到的混合料。

c)膨胀率(ex pansion ratio):指沥青在泡沫状达到的最大体积与泡沫完全消失的体积之比。

d)半周期(half-life):指泡沫沥青从最大体积降到最大体积的一半所需的时间,以s计。

泡沫沥青的特性可以用膨胀率和半周期加以描述。

2　泡沫沥青的发展和应用简介
收稿日期:2002-10-08。

作者简介:曹翠星,女,讲师,现任职于长沙交通学院,从事道路工程及工程经济专业。

泡沫沥青的发展可以分成下列几个阶段:
a)1928年德国的Aug ust Jaco bi注册了第一个制造沥青泡沫的专利〔2〕。

b)1956年依阿华州立大学的Ladi Csanyi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〔3〕。

c)1968年澳大利亚的Mo bil Oil公司以冷水替代热蒸汽改进了原有生产工艺并于1971年注册专利。

70年代,泡沫沥青主要作为劣质路面材料的稳定剂,Bo wering和M artin等人在这方面进行了详细的研究〔4〕。

80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〔5,7～11〕。

挪威从1983年开始采用冷再生技术,至1997年采用这一方法进行道路维修的数量达180×104 m2。

d)1990年代后,泡沫沥青的研究再次引起人
2003年6月　石油沥青　P ET RO L EU M A SPHA L T　第17卷第2期
们的兴趣,许多公路部门也采用它作为稳定剂/再生剂进行试验和研究。

澳大利亚和南非在这方面进行了一系列研究,南非于1998年提出了泡沫沥青混合料设计方法〔10〕。

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。

3　泡沫沥青的优缺点
泡沫沥青与其它稳定剂/再生剂相比,有许多优点:
a)增加粒料的剪切强度和水稳定性。

这类混合料较水泥处治粒料更有柔性、耐疲劳。

b)泡沫沥青处治应用广泛(包括劣质路面材料)。

c)节约能源,仅需加热沥青,集料不需加热和烘干。

d)泡沫沥青混合料的储存时间相当长。

e)施工受季节和气候影响小。

泡沫沥青的缺点:
a)作处治基层时,较石灰、粉煤灰材料造价高。

b)泡沫沥青混合料需要连续级配。

c)沥青成功发泡需要较高的温度(约180℃)。

d)泡沫沥青的生产需要专用设备。

4　泡沫沥青及混合料的研究
4.1　泡沫沥青的特性
Walt等人对泡沫沥青的机理进行了分析,指出泡沫沥青是水饱和沥青〔2〕。

Castedo-Fr anco等人指出任何沥青均能在适当的条件下发泡〔8〕,但Kendall等人发现在澳大利亚产的沥青中硅树脂降低了其发泡的性能,为获得高质量的泡沫沥青,须采用发泡剂。

Kendall等人还采用柴油和煤油作为沥青发泡剂进行试验研究,发现柴油有发泡功效,但达不到商业发泡剂的水平〔11〕。

Br ennen等人指出泡沫沥青的半周期和膨胀率受泡沫体积、水的质量和温度的影响,增加温度和水的质量可以提高膨胀率,但降低半周期〔6〕。

Ruckel等人提出将膨胀率限制在8～15,半周期须大于20s〔7〕。

4.2　沥青用量
泡沫沥青混合料与普通热沥青(HM A)混合料的重要区别是沥青与填料形成沥青灰浆填充粗骨料空隙。

沥青灰浆的粘度对混合料的稳定性有重要的影响,因此沥青与填料用量比是一个重要参数。

Ruckel等人总结了泡沫沥青的研究和应用,建议以填料用量选择泡沫沥青的参考用量(见表1)〔5〕。

表1　泡沫沥青的用量%
4.75m m
筛的通过量
0.075mm
筛的通过量
泡沫沥青用量<50(砂砾)3～53
5～7.5 3.5
7.5～104
>10 4.5 >50(砂)3～5 3.5
5～7.54
7.5～10 4.5
>105
4.3　集料
从压碎石料到淤泥质砂,甚至矿渣尾料均可采用泡沫沥青稳定。

表2所列为可以采用泡沫沥青处治的集料及沥青用量。

用泡沫沥青稳定的土类需采用石灰处治并对级配进行调整以达到性能要求。

表2　可以用泡沫沥青处治的材料%土 类沥青用量范围添加剂良好级配的干净砂砾2～2.5
良好级配的粉/粘质砂砾2～4.5
差级配的粘质砂砾土 2.5～3
粘质砂砾土4～6石　灰良好级配的干净砂4～5细填料良好级配的淤泥质砂 2.5～4
差级配的淤泥质砂3～4.5细填料差级配的干净砂 2.5～4细填料淤泥质砂 2.5～4.5
淤泥质的粘性砂土4石　灰粘性砂3～4石　灰 填料含量对混合料性能有重要的影响, Ruckel等人提出填料(<0.075mm)含量应大于5%。

Sakr和Manke的研究显示,填料含量的增加会提高混合料的稳定性,同时粗骨料之间的嵌
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第2期曹翠星等・泡沫沥青及其混合料的研究现状
锁比沥青灰浆的粘性对混合料的影响程度大,这说明温度对泡沫沥青混合料的影响较HM A小;从另一个角度说,就是沥青的粘度不是泡沫沥青混合料非常关键的影响因素。

为此,研究者提出了采用颗粒指数描述集料的棱角特性(AST M D 3398试验),规定了颗粒指数大于10才能获得较好性能的泡沫沥青混合料〔7〕。

4.4　含水量
拌和及压实过程中的含水量是泡沫沥青混合料设计中最重要的一个指标。

水的作用是使集料中的结团体软化和破碎,帮助沥青扩散。

水量不足则拌和困难且沥青扩散不充分;水量过多则加长养生时间,降低混合料的密度和强度,并影响沥青裹覆集料。

M obil Oil公司建议混合料的最佳含水量(OMC)位于“疏松点”的水平,此时含水量使集料达到最大松散体积。

但“疏松点”的含水量难以保证混合料的拌和与压实,特别是对细料含量多的混合料。

Bissada进一步验证了拌和时最佳含水量约为65%～85%的修正AASHT O方法测定的OM C。

混合料中水和沥青共同起润滑作用,因此混合料达到最大压实效果时,实际含水量随沥青用量的增加而减少。

Sakr和M anke在其研究中提出了计算泡沫沥青混合料达到最大密度时含水量计算公式〔7〕,该公式考虑了采用修订AASHTO 方法测定的OMC,填料的含量(P F)和沥青含量(B C)三个因素,变量为混合料最大压实含水量(M MC)。

计算公式如式(1)。

M MC=8.92+1.48(OM C)+0.40(P F)-
0.39(BC)(1)
从式(1)可以看出,OMC比MM C高出约10%～20%。

为了防止风干混合料过分耗时,Sakr 和M anke建议在拌和混合料及压实时均采用MM C控制含水量,用此方法得到的混合料的性能并无显著差别。

Jenkins等人研究了集料在不同加热条件下混合料在拌和前后含水量的变化。

集料的加热温度在45～90℃范围,沥青温度在190℃,混合料拌和前后含水量的关系如式(2)所示〔12〕。

式中MC f为集料拌和后的含水量(%),MC i为集料拌和前的含水量(%),T a为集料的温度(℃)。

MC f=0.640×M C i-0.0232×T a-
0.093×BC+2.978(2)
近年来,室内混合料制备广泛采用旋转压实方法。

因为旋转压实效果通常高于修订的AASH-TO方法,采用旋转压实的试件OMC低于采用修订AASHT O方法制备试件的含水量。

4.5　养生条件
研究表明压实后的泡沫沥青混合料并没有达到最大强度,养生过程是使混合料强度逐渐增长的过程。

Ruckel等人的研究显示,养生过程中湿度对泡沫沥青混合料的最终强度有主要的影响。

以往研究多采用室内60℃烘箱养生3天的方法,养生结果使混合料的含水量稳定在0%～4%的水平,相当于室外可以达到的最干状态,养生强度约是通车约一年左右的现场路面强度。

但是因60℃养生条件高于普通沥青软化点,结合料发生老化,沥青的分布也会发生变化。

有研究者提出采用其它方法进行室内养生,即在40℃的温度下用烘箱将泡沫沥青混合料烘干至恒定质量。

4.6　温度状况
泡沫沥青混合料的最佳拌和温度是13～23℃,这取决于集料的类型。

泡沫沥青混合料拌和时也可以对集料进行加热,这有助于沥青在混合料中的分散和大集料的沥青裹覆。

Jenkins等人研究表明在混合料拌和时掺加热水明显有助于沥青的分散和沥青裹覆集料〔12〕。

4.7　混合料的性能
混合料设计通常采用M arshall方法,考察指标是Marshall稳定度和浸水条件的稳定度损失。

考虑到在低交通道路基层应用泡沫沥青处治的主要功能是降低混合料的水敏感性,增强其抗疲劳性能和增加待处治材料的粘结力,因此泡沫沥青用量可以选择使混合料达到要求的最低用量。

4.7.1　水稳定性
泡沫沥青混合料的强度特性与含水量密切相关,这是因为该类混合料相对少的沥青用量和较高的空隙率。

为提高混合料的水稳定性,需要采用较高的沥青用量,在这种情况下,混合料的密度增加,细料能裹覆更多的沥青,水稳定性提高。

4.7.2　温度稳定性
泡沫沥青混合料的温度敏感性较常规HM A 低。

Bissada发现经过21天常温养生,在30℃时
56石油沥青2003年第17卷
的泡沫沥青混合料模量比相当级配的HM A高,因为前者大集料没有裹覆较多的沥青,在较高的温度下,集料间的内摩阻力仍然得到保持〔9〕。

但在高温下,沥青灰浆的粘度会下降,这可能导致混合料强度损失。

4.7.3　无侧限强度
Bo wering和M artin的研究建议在泡沫沥青处治基层材料的应用中,混合料的无侧限抗压强度应在1.8～5.4M Pa之间;抗拉强度在0.2～0.55M Pa范围。

这取决于含水量的多少。

养生对泡沫沥青混合料的强度有重要的影响〔4〕。

4.7.4　回弹模量
一般情况下,泡沫沥青混合料的劲度随着细料的增加而增大。

在多数情况下,泡沫沥青混合料的回弹模量在高于30℃时较相当级配的HM A 要高。

泡沫沥青混合料的劲度可与水泥处治材料相当,但这类混合料具有柔性和耐疲劳的特点。

4.7.5　密度和空隙率
随着密度的增加,混合料的空隙率降低。

泡沫沥青混合料的强度在很大程度上依赖于混合料的压实密度,混合料的空隙率是决定泡沫沥青混合料最佳沥青用量的一个标准,同时也是影响这类混合料性能的一个重要方面。

4.7.6　抗疲劳性能
抗疲劳性能是决定泡沫沥青混合料结构承载能力的一个重要因素。

泡沫沥青混合料的力学特性介于粒料类和水泥处治类材料之间。

Bissada的研究表明泡沫沥青混合料的疲劳特性不如常规HM A〔9〕,Little等人的研究也显示该类混合料的疲劳响应低于常规HMA,但高于乳化沥青处治的优质集料〔3〕。

4.7.7　抗车辙性能
抗车辙性能的研究比较少。

澳大利亚昆士兰交通部门曾采用Im age Flats的材料进行了两种方式的车辙试验:压实后立即试验和压实后24h 试验。

试验结果相差很大,前者在不到2000次轮碾时轮辙深度就超过14mm,但后者经过10000次轮碾试验,车辙深度仍小于1m m〔13〕。

5　问题和今后的发展
在泡沫沥青用作低交通道路基层材料的稳定剂方面,南非、澳洲等国已有较成熟的经验。

但将它用作回收沥青(简称RAP)混合料的再生剂应用得不多,泡沫沥青再生RAP作为磨耗层的几乎没有,因为这类RAP混合料在疲劳和耐磨性方面较HM A差。

另外在泡沫沥青与RAP结合料的相互作用、泡沫沥青再生的RAP混合料抗水损性能、抗永久变形方面研究得也很少。

就混合料设计方法而言,以往泡沫沥青混合料设计几乎采用Marshall方法。

Marshall方法因使用简单而被许多国家所采用。

但它是一种经验设计方法,而不是基于性能的设计方法。

作为一项可持续发展的筑路策略,RAP冷再生极具潜力。

从环保角度看,道路的新建和维护尽可能多的利用RAP材料。

泡沫沥青具有许多常规HM A没有的优点,因此泡沫沥青结合RAP 冷再生是公路建设和养护的一个很有意义的方向。

要更好地应用泡沫沥青的技术,应该解决以下的几个问题:
5.1　设计方法
采用M arshall方法并结合基于性能的设计方法,研究泡沫沥青粘结料和混合料的性能。

属于基于性能极其相关的设计方法包括美国SHRP 的Supepave方法(水平II和III)、澳大利亚的NARC96年指南(水平II和III)、芬兰的AST O/ PANK95、法国的AFOR、荷兰的CROW(草案)以及英国诺丁汉大学的路面设计方法,这类方法较常规经验方法更合理。

混合料的设计方面,空隙率和含水量控制对混合料的性能相当重要。

空隙率过大,混合料的抗水损能力差,混合料易过早老化,这均会加速集料与粘结料的剥离,最终会导致路面破坏。

5.2　泡沫沥青改性及混合料的性能
要提高泡沫沥青混合料的性能,泡沫沥青的改性是一个方面。

常用的SBS、PE等沥青改性剂,造价偏高,且环保效应不显著。

废旧橡胶轮胎粉末作为掺加剂应该是一个可选的方法。

在美国部分州(如亚利桑那、加尼弗尼亚、佛罗里达等州)废旧橡胶轮胎已在公路部门得到较长时间的应用,在沥青路面结构层中作为应力吸收膜、应力吸收中间层、开级配、间断级配、密级配沥青橡胶混合料中取得了不少成果并获得了可观的经济效益〔14〕。

废旧橡胶轮胎在沥青混合料中的应用不仅可以起到环保和可持续发展的作用,更有意义的是能改善沥青混合料的性能。

但这方面的应
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第2期曹翠星等・泡沫沥青及其混合料的研究现状
用在泡沫沥青混合料中尚无研究。

在冷再生方面,泡沫沥青与橡胶粉末的混和工艺是一个需要解决的问题。

泡沫沥青再生RAP材料往往用在基层或底基层,原因是使用性能达不到路面面层的要求。

要提高泡沫沥青再生RAP混合料的性能,其抗疲劳性能、水稳性和耐磨性能的改善和评价是研究的重点。

从可持续发展的要求看,在多使用回收混合料的前提下,如何通过合理的混合料设计及泡沫沥青的改性(如掺加废旧橡胶)以提高混合料的性能,是今后泡沫沥青冷再生RAP需要研究的问题。

如果再生后的RAP混合料能达到沥青路面面层的使用性能要求,泡沫沥青冷再生将具有及其可观的经济价值和重要的现实意义。

5.3　施工与材料规范
现场泡沫沥青的冷再生施工需要专用设备,这不同于一般的HM A施工,现在德国的Wirt-gen公司为泡沫沥青的冷再生施工生产了专门的机械。

但对于掺加橡胶等改性剂的泡沫沥青混合料,由于粘度增大,施工较一般HM A困难,此时路面的施工平整度不易达到要求,另外泡沫沥青的改性工艺也需研究,这些都是施工中应该解决的问题。

泡沫沥青混合料的含水量大,强度成长依赖于养生。

如何缩短养生时间,尽可能早的开放交通,对于交通量大、工期紧的维修工程有现实的意义。

为了更好的应用泡沫沥青技术,应该建立一套完整的施工与材料规范,确保材料符合筑路要求,指导施工,保证路面的质量。

6　结语
在我国,泡沫沥青及混合料方面少有研究。

作为冷再生技术的发展和应用,泡沫沥青和混合料技术应是颇具潜力的,这方面的研究无论是对环保,还是对路面的使用性能,都很有价值。

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Keywords:Fo am ed bitumen;Fo am ed mix ture;Recycling agent;Per for mance;Cold recycling; Sustainable developm ent.
・短讯・
第八届低交通量道路国际会议
第八届低交通量道路国际会议将于2003年6月22—25日在美国的内华达州举行。

本次会议由T RB主办,会议议题主要为低交通量道路发生的问题及其解决办法。

2003年AASHTO重大工程会议
2003年AASHT O重大工程会议将于2003年7月15—18日在美国的佛罗里达州举行。

会议将集中介绍交通行业在实施重大工程过程中的先进经验。

第二届未来城市交通国际会议——如何应对城市交通发展的复杂性
第二届未来城市交通国际会议——如何应对城市交通发展的复杂性将于2003年9月22—25日在瑞典的GOT EBORG举行。

会议将讨论改善城市未来交通状况的必要性和可能性,分析存在的问题,寻求有效的解决办法。

赵文杰编译
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