泡沫沥青发泡特性及其冷再生混合料水稳性能研究

文/白锦霞 青岛路桥建设集团有限公司 山东青岛 266000

泡沫沥青作为一种沥青类的粘结剂，已经成为一种常用的冷再生方法。以泡沫沥青作为再生剂，将旧沥青路面的铣刨料加工后重复利用，根据需要加入部分新骨料、填料、水等，在常温下拌和即可形成泡沫沥青冷再生混合料，节约能源，操作简单。因为泡沫沥青冷再生技术具有污染少、节能、成本低等优点，得到广泛的关注和研究。20世纪90年代以来，在欧洲国家、美国、南非积极推广节能环保的技术，已经有许多成功的经验。随着中国经济技术的快速发展，公路建设也得到了迅速的发展，因此，维修公路进入了一个新的时期，重视减少污染、节约资源、降低成本是未来高速公路面临的一大问题。泡沫沥青混合料再生技术的应用与发展，可以有效地解决这个问题。

1、沥青的发泡原理和发泡特性

1.1 发泡原理

当冷水滴与高温沥青（140℃以上）接触时，冷水滴与热沥青表面发生热量交换，从而使水滴加热但沥青冷却，当沥青传递的热量超过蒸汽潜热时，导致体积膨胀，产生蒸汽。蒸汽泡在一定的压力下压入沥青的连续相，沥青就会产生细微的泡沫，并依靠泡沫薄膜的表面张力使气泡完全裹覆。

泡沫沥青并不改变沥青本身的各种物理性质，仅是利用汽化阶段沥青体积增大，粘度暂时降低的有利条件，在不增加沥青用量的情况下，有效地增大沥青同矿料的裹覆面，改善沥青与矿料拌和的和易性，减少沥青混合料中自由沥青膜的厚度，提高沥青混合料的质量，从而节省沥青用量。

1.2 发泡特性

沥青发泡特性的评价指标有膨胀率、半衰期、发泡指数。由于发泡指数较为复杂、不易操作，此次采用膨胀率和半衰期两个指标评价沥青的发泡特性。

膨胀率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；半衰期是指泡沫沥青从最大体积缩小至该体积一半所用的时间。通常，这两个指标无法同时达到最优，一般认为，最好的发泡性能出现在膨胀率和半衰期都较好之时。此次采用70号基质沥青进行发泡，分别测定140℃、150℃、160℃、170℃四个温度条件和1%、2%、3%、4%、5%五个含水量条件下的膨胀率和半衰期。试验结果如下：

表1-1 中海油70号基质沥青发泡试验结果

由上表可以看出，在相同的发泡用水量下，温度对膨胀率的影响不大，但随着温度的升高，半衰期呈现减小趋势；在相同的温度条件下，随着发泡用水量的增加，膨胀率明显增大，半衰期明显变小。

目前，膨胀率大于10，同时半衰期不低于12s是被普遍接受的条件，因此，综合考虑膨胀率和半衰期这两个指标，中海油70号基质沥青的最佳发泡条件为：沥青发泡温度选择160℃，发泡用水量选择2%，此时的膨胀率为13.7，半衰期为11.8s。

2、泡沫沥青混合料设计

2.1 集料及级配选择

本次试验研究采用旧路面铣刨材料进行冷再生使用，首先对RAP料进行级配分析。泡沫沥青提供的级配范围很宽，目前，不同研究机构对级配范围的界定略有不同，但普遍认为0.075mm以下集料的含量对泡沫沥青混合料特性有显著影响，一般建议控制在5%～20%范围内，易于泡沫沥青的分散，更能充分发挥其胶结作用。此次采用目前被普遍公认的德国Wirtgen公司建议的级配范围，根据加入水泥剂量不同将泡沫沥青稳定材料分为2类，即不添加水泥和水泥剂量为1.5%，水泥为P·O32.5级。矿料比例及合成级配如下表2-1及表2-2所示：

表2-1泡沫沥青混合料配合比

表2-2 矿质混合料合成级配

2.2 拌合用水量的确定

拌合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指标，采用重型击实试验确定泡沫沥青混合料的最佳含水率和最大干密度。试验结果如下表2-3所示。

表2-3 泡沫沥青混合料振动压实试验结果

2.3 最佳沥青用量的确定

以无侧限抗压强度作为泡沫沥青混合料的配合比设计指标，采用前述级配，初拟了4个不同的泡沫沥青含量，泡沫沥青用量分别为1.5%、2.0%、2.5%和3.0%，水泥用量采用0和1.5%，并通过振动压实试验确定了拌和用水量，采用规范要求的方法成型试件并养生，进行试件的抗压强度试验，以确定其最佳沥青用量。试验结果见表2-4所示。

表2-4 无侧限抗压试验结果

从表2-4可以看出：

（1）随着沥青用量的增加，两种配合比的泡沫沥青混合料抗压强度均表现出由大逐渐减小的趋势，在沥青用量1.5%时强度最大。分析原因，由于泡沫沥青主要裹附于细集料表面，尤其是0.075mm以下颗粒表面，当沥青用量少时，有少量水泥被沥青裹附而填充与粗骨料之间，其余水泥将发生水化反应，提高泡沫沥青的早期强度；当沥青用量多时，将有部分水泥被沥青裹附，使得发生水化反应的水泥减少，表现为泡沫沥青混合料抗压强度降低，柔性增加。

（2）对于泡沫沥青稳定基层而言，在满足抗压性能的同时，需综合经济因素决定泡沫沥青的用量，因此推荐沥青用量在1.5%～2.0%之间。

表2-1

表2-2

表2-3

表2-4

3、混合料水稳性能的试验研究

按照试验规程T0709-2000方法以最佳油石比（2%）及最佳拌合用水量进行泡沫沥青冷再生混合料试件成型，并按照规范进行养生后进行浸水马歇尔残留稳定度、冻融劈裂TSR，试验结果如下表3-1及3-2所示。

表3-1浸水马歇尔试验结果

表3-2 泡沫沥青再生料冻融循环试验结果(沥青2%)

综合浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验结果可以看出，添加水泥能够明显改善泡沫沥青冷再生混合料水稳定性。

结论：

（1）选择了不同温度及用水量进行发泡试验，通过发泡参数的比较，确定了中海70号沥青的最佳发泡条件为沥青发泡温度选择在160℃，发泡加水量为2.0%，喷射气压为5bar，水压为6bar，此时，发泡沥青的膨胀比为13.7，半衰期为11.8s。

（2）采用了振动压实法进行配合比设计，提出了泡沫沥青-水泥稳定旧料的最佳沥青用量和最佳拌合用水量。

（3）在泡沫沥青冷再生混合料中添加水泥能够明显改善其水稳定性，推荐掺量1.5～2.0%。