泡沫温拌再生沥青路面材料研究现状及其展望

◎吴正光 肖鹏 仲星全

泡沫温拌再生沥青路面材料研究现状及其展望

◎吴正光 肖鹏 仲星全

节能环保已成为全社会关注的热点问题，同时节能环保也是衡量一种应用技术成熟与否的关键因素。本文首先回顾了泡沫沥青发泡原理及特点，简要描述泡沫沥青温拌优缺点，详细地介绍了国内外泡沫沥青及混合料的研究情况，其次对国内外泡沫温拌再生沥青混合料的研究概况进行综述，最后对今后的泡沫温拌再生沥青路面材料研究进行一些展望。从研究结果来看，泡沫温拌再生沥青路面材料具有良好的经济、环境和社会效益，值大力推广和实际应用。

近年来，节能环保已经成为公路事业研究的热点，现阶段公路沥青路面最具应用前景的主要有两个技术：沥青路面厂拌热再生技术和泡沫温拌技术。一方面沥青路面再生料（即沥青路面铣刨料）应用在沥青面层上以厂拌热再生居多，可以节约不少成本。但在应用过程中，需对新石料至少加热到170℃，沥青再生料加热至120℃左右，沥青混合料出厂温度控制在160℃左右。如沥青再生料掺量较大（25%以上）需增加一定比例的再生剂，会增加不少的费用。另一方面泡沫温拌技术可以解决传统热拌沥青混合料高污染、高能耗的问题。采用泡沫温拌技术能将热拌沥青混合料粘度显著降低，拌和温度降低20～30℃，可以大大降低有害气体、热量及粉尘物的排放，改善生产和施工作业环境，降低生产过程中的能耗，污染问题。将厂拌热再生技术和泡沫温拌技术进行结合，可以大幅度降低沥青混合料的出厂温度，增加沥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，已经成为研究一个新的方向。

本文首先回顾了泡沫沥青发泡原理及特点，简要描述泡沫沥青温拌优缺点，详细地介绍了国内外泡沫沥青及混合料的研究情况，其次对国内外泡沫温拌再生沥青混合料的研究概况进行综述，最后对今后的泡沫温拌再生沥青路面材料研究进行一些展望，以此为泡沫温拌再生沥青的应用具有借鉴意义。

发泡沥青温拌技术特点

发泡沥青原理及特点。沥青发泡技术作为主要的废旧沥青路面回收再生技术之一，主要是在高温沥青中加水滴形成蒸汽泡，从而膨胀，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1 分钟内，沥青又恢复原状，此时沥青的物理性质会暂时发生变化，其粘度显著降低，这种状态下的沥青即称为泡沫沥青。泡沫沥青并不是一种新的沥青粘结料，而是一种新技术应用所带来的产物。

沥青发泡的基本过程当冷水滴与高温沥青接触时，将发生以下连锁反应：热沥青与小水滴表面发生热量交换，将水滴加热至100℃ ，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。

泡沫沥青的性能主要体现在发泡特性上，通常包括发泡温度、用水量、膨胀率、半衰期四个指标，其中前两个指标是生产控制指标，后两个指标是检验指标。 膨胀率：发泡过程中泡沫达到最大体积与恢复原状态的体积比。 半衰期：泡沫达到最大体积到体积降低到一半所用的时间，以秒计。评价沥青发泡效果时，膨胀率和半衰期是两个密不可分的指标，最好的发泡效果应使两个值均比较大，而不能单独采用一个指标来控制。建议发泡沥青的膨胀率≥10倍，半衰期≥8。

影响沥青发泡特性的因素主要有：（1）沥青的温度。一般情况下，低于120℃时，沥青很难发泡，但这并不表明温度越高，发泡效果就越好；（2）发泡时的用水量。一般情况下，用水量越大，膨胀率越大，但半衰期则越短；（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，对膨胀率和半衰期都不利；（4）当沥青反复加热而导致沥青老化后，发泡效果不好；（5）消泡剂的存在，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。

发泡沥青温拌技术优缺点。泡沫温拌再生混合料材料作为沥青面层表现出良好的性能，与其它稳定剂/再生剂的再生沥青混合料相比，有许多优点：（1）较低的出料、摊铺、压实温度，同时性能接近常规热拌混合料。（2）让集料在较低温度时能完全被沥青裹覆。（3）节约能源，大幅度减少排放，节能环保，提高沥青再生料的利用率。（4）减轻沥青老化。（5）降低了施工温度，可以一定程度上延长施工时间。但也有一些缺点：（1）沥青成功发泡需要较高的温度。（2）泡沫沥青的生产需要专用设备。（3）在再生混合料生产过程中需要考虑如何将最多的热量传递给再生料。

国内外研究现状

国外研究现状。1928年德国的August Jacobi注册了第一个制造沥青泡沫的专利。1956年，Ladi Csanyi 第一次将泡沫沥青技术用于稳定土基层。1968年澳大利亚的Mobil Oil公司以冷水替代热蒸汽改进了原有生产工艺使得泡沫沥青的广泛应用变得现实和经济，并于1971年注册专利。

20世纪70年代，泡沫沥青主要作为劣质路面材料的稳定剂， Bowering和Martin等人在这方面进行了详细的研究。70～80年代美国的一些洲都开展了这方面的应用研究，铺筑了试验路段。1997年后澳大利亚的Main Roads的M.Kendal、J.Ramanua jam等人开始采用泡沫沥青技术对昆士兰地区的道路进行冷再生，以提供具有柔性又耐疲劳的路面结构，并且进行了一系列试验路研究，修筑了Gladfield，Rainbow Beach，Inglewood，Allora，Redland Shore等试验路。南非的K.M.Muthen和K.J.Jenkins等人对泡沫沥青再生混合料的设计、沥青的发泡性能进行了较系统的研究，并在比勒陀利亚一等地区先后修建了不少实体工程。这些研究为泡沫沥青技术的实践应用奠定了基础。

1990年代后，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，澳大利亚也在年制定了沥青稳定的就地再生规范，并于2003年出版了厂拌再生规范。加拿大的安大略省也于2003年颁布了泡沫沥青全厚度再生规范。美国一些州也都相继制定了再生手册，例如爱荷华州于年出版了全厚度再生规范，并于年连续出版了就地冷再生规范，内容涉及到乳化沥青和泡沫沥青的设计、施工的各个方面。与此相应，著名的筑路设备机械公司也出版了冷再生手册，用以指导具体的施工过程。国外各地区一系列规范的制定标志着泡沫沥青混合料技术理论和施工工艺的不断进步，也说明了这项技术具有发展前景和实用性。

与热拌沥青混合料相比，泡沫沥青混合料的温度敏感性并不很强。泡沫沥青混合料的稳定性，在很大的程度上是受集料的嵌锁情况的影响而不是胶结料的粘结性。在泡沫沥青里，大颗粒集料并未被胶结料很好地裹覆，因此集料在更高的温度下仍然保持了相互之间的内摩擦力。然而，沥青胶浆在高温下其稳定性和粘结性都会下降，这可能导致混合料强度的降低。

泡沫沥青混合料的抗车辙性能研究比较少，有学者采用车辙试验评价泡沫沥青混合料的高温性能。澳大利亚昆士兰交通部门曾采用Image 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24小时试验。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1mm。一些学者尝试采用不同试验方法评价泡沫沥青混合料的疲劳性能。Little等人(1983)认为泡沫沥青的疲劳特性与热拌沥青相似。Bissada(1987)的研究表明泡沫沥青再生混合料的疲劳特性不如常规热拌沥青材料。Muthen指出：泡沫沥青再生混合料的力学特性介于粒料类和水泥结构之间。对于泡沫沥青混合料的抗压强度和回弹模量，国内外的研究相对较少。

综上所述，可以看出关于泡沫沥青混合料的研究很多，但不同学者所采用的试验方法、评价指标以及参照标准大多存在差异，一些关键技术问题尚未统一。

国内研究现状。国内的一些学者也对泡沫沥青进行了研究。虽然我国科研起步较晚，但是相关学者仍然在沥青发泡试验研究中取得了一些成果。杨虎荣等人通过两种沥青的发泡试验，探讨了两种沥青发泡性能的差异并提出了计算公式。何桂平等人通过对号沥青的发泡试验，认为温度、气压和加水量三个因素对沥青发泡性能均有着显著的影响。曹翠星等人通过对发泡数据的非线性拟合，提出了两种沥青发泡性能的衰退方程，并以此分析和验证发泡机理。1991年，山西省阳泉市市政工程养护管理处对泡沫沥青技术进行了尝试性研究，当时利用泡沫沥青技术是为了增加沥青与石料的裹覆性能，减少沥青用量。由于设备所限，发泡效果不好，即使在使用了发泡剂的情况下，发泡倍数也只有6～12倍。

1992年，沈阳市政工程设计研究院进行了泡沫沥青的相关研究，自主开发了发泡设备，并对泡沫沥青混合料和普通热拌沥青混合料进行了比较，认为泡沫沥青混合料的主要技术指标完全能达到普通热拌沥青混凝土的标准，可降低10%的沥青用量。当时虽然开发了发泡设备，但是设备过于简单，即使使用发泡剂所得的发泡效果也不理想。只是将泡沫沥青和普通沥青的性质进行了比较，而忽视了泡沫沥青其实只是瞬态的产物，只发生物理性质的变化，不是一种新的沥青粘结料，而是一种新技术应用带来的产物，而且也没有考虑将泡沫沥青用于冷再生。

泡沫温拌沥青混合料的路用性能研究，辽宁省交通科学研究院王枫成、南雪峰研究了普通沥青和改性沥青不同沥青下，发泡前后的沥青混合料性能。郑州市公路管理局的金松菊、王利敏、王光辉研究了泡沫沥青的疲劳特性，得出了泡沫沥青的抗疲劳性能优势较为明显。金华市公路管理局的徐晓和，李寿伟、邹晓勇研究了Sup-20型混合料的各项路用性能。对于泡沫沥青温拌再生混合料的研究，现阶段才只有2014年沧州市市政工程公司石津金、杨跃焕、张宝峰等人研究的关于AC-20和AC-13级配的研究，在市政上进行了铺筑沥青路面，但在公路工程中进行实施的，目前国内还未有报道。

综上所述，当前国内外泡沫沥青再生技术主要包括冷再生技术与温拌再生技术，受我国现阶段技术水平和工艺水平制约，冷再生技术在国内推广较快，其中泡沫沥青冷再生混合料在众多节能环保材料中应用数量最多、消耗废旧沥青数量最大。泡沫温拌再生沥青混合料起步较晚，研究的也比较少，有待进一步深入研究。

进一步研究的问题

泡沫沥青从开发至今已有几十年的时间，近些年泡沫温拌再生才受到重视并取得广泛应用，这主要是因为拌合、摊铺等机械设备的进步以及由于能源危机和环保要求的提高，人们越发重视废旧沥青混合料的回收和再生利用，需要进一步研究的问题有：

加大对不同结构形式和重载交通下，泡沫温拌再生沥青路面材料的室内性能研究，尽早提出泡沫温拌再生沥青混合料的地方规范和国家规范，提出切实可行的和技术标准。

拓展对泡沫温拌再生沥青及沥青混合料的微观分析，通过对比试验，确定发泡沥青最佳参数，并进行优化，制造出合适我国国情的高水准泡沫沥青发泡装置。

加大对泡沫温拌再生沥青混合料的抗疲劳性能、耐久性等路用性能研究，尽快在多地铺筑试验路，提出切实可行的施工指导意见，并进行深入研究。

对于泡沫沥青再生混合料的成本进行长期记录和观测，最好进行长寿命观测。成本效益一般难以证明，没有可靠的长期路面使用性能预测，寿命周期费用的好处难以确定。

泡沫沥青温拌技术是目前世界上领先的低碳环保沥青材料生产技术，本文对温拌再生沥青混合料的主要技术要点进行介绍，总结了国外和国内泡沫温拌再生沥青路面材料研究的概况；列举了泡沫温拌再生沥青混合料进一步应该研究解决的热点问题；受我国现阶段技术水平和工艺水平制约，沥青路面热再生技术在国内推广较慢，泡沫沥青温拌再生技术是一项节约资源、低碳、环保的绿色技术，必将发展成为沥青路面的主流施工技术。

（作者单位：扬州大学建筑科学与工程学院)