泡沫温拌沥青混凝土的生产和使用特性研究

杨博超，胡锦锦

(郑州财经学院 土木工程学院，河南 郑州 450044)

1 泡沫温拌石油沥青的材料组成

沥青是沥青混合料的胶结材料，起到将各种不同粒径的集料粘结在一起的作用。泡沫温拌沥青混凝土采用多次添加不同针入度沥青的方法温拌生产。泡沫温拌沥青混合料中的沥青需要采用两种不同硬度的沥青，并在拌和的不同阶段将两种沥青分阶段加入到混合料中。其中两种不同硬度的沥青分别是软质沥青和硬质泡沫沥青。软沥青是属于石油和沥青之间的过渡产物，一般是重质石油经过氧化形成，软沥青的颜色为棕黑色或黑色。软沥青在100 ℃左右时具有良好的流动性，能更好地满足温拌要求，更好地裹附集料，节省拌和时间，节约能源。泡沫温拌沥青混合料中所需的硬沥青即为硬质泡沫沥青，是因为在拌和的过程中沥青是以泡沫的形态注入到集料中的。硬沥青也称“地沥青”。是一种可燃性有机岩，系树脂石油和石沥青的混合物，质硬而粘；硬质沥青的硬度要求是其在25 ℃时的针入度应在1～10 mm，并在拌和前将其加热至熔融状态，用特殊的发泡机加水发泡。

集料又称作骨料，骨料又可细分为细骨料和粗骨料，是混凝土的主要组成材料之一，在混凝土发挥作用和承受荷载时主要起骨架支撑作用并减小水泥等胶凝材料在凝结以及硬化的过程中产生干缩湿胀现象引起的体积变化，同时还作为胶凝材料的廉价填充料。一般分为天然集料和人造集料。泡沫温拌沥青混凝土使用的集料和普通混凝土使用的集料相同。

发泡剂，一般采用碳酸盐，属于一种无机发泡剂，分解温度约为100 ℃～140 ℃，溶于水，帮助沥青更充分地发泡。沥青抗剥落剂,用于提高沥青与集料的粘聚性，从而增加泡沫温拌沥青混凝土的密实度，使得泡沫温拌沥青混凝土能具备更好的抗水损害性和抗热老化性。

2 泡沫温拌沥青混合料的生产方法

本课题的研究，在生产温拌泡沫沥青混合料的过程中，硬沥青是以泡沫型态的沥青形式加入搅拌罐与混凝土集料拌和形成泡沫温拌沥青混凝土。将经过准确量取的发泡介质，一般是常温水，注入到高温液态沥青中，常温水滴与热熔态沥青接触后，高温熔态沥青和小水团发生热量交换，使得水分被加热到100 ℃，与此同时常温水也会使热沥青温度降低，温度下降至100 ℃左右，接着由于沥青温度过高其传递给小水滴的热量超过了液态水汽的汽化温度点，从而使得水滴气化。又因为水和高温沥青是混合在一起，所以蒸汽泡会在压力作用下进入沥青内部形成膨胀腔孔，而膨胀腔孔空隙里的蒸汽泡则会在压力作用下进一步高压压入到沥青中和沥青质结合；随后伴随着融合有蒸汽的热沥青从泡沫沥青喷射系统喷嘴处受压喷出，压缩的蒸汽失去压力制约，从而沥青迅速膨胀变成薄膜状，而薄膜状的沥青具有良好的表面张力，能很好地裹附住整个气泡，达到水蒸气和沥青的充分结合，从而使得沥青体积急剧膨胀。并且在沥青膨胀的整个过程中，沥青薄膜表面产生的张力会与蒸汽膨胀产生的压力相互抵消直到达成一种动态平衡状态，且由于沥青与水均具有低导热性能，所以这种平衡一般地仅能维持住很短的一段时间：所以沥青在发生泡沫生产的进程中产生的大量的气泡一般会以一种动态亚稳态的形态存在，随后发泡产生的沥青泡沫会因为亚稳态形态的消失而逐渐的破灭，泡沫沥青也将恢复原来的黏度和原来的体积。通常发泡的过程中需要给发泡沥青中加入一定的压力，促进气泡的生成和蒸汽与沥青的结合，此过程需要运用专用的泡沫沥青发生喷射系统完成[1](如图1所示)。

(a)泡沫沥青实验机

(b)泡沫沥青发泡系统

本课题查阅资料显示泡沫沥青在生产地过程中不会改变原有地沥青本身的物理性质与化学性质，是因为薄膜沥青在发泡的过程中仅仅形态发生了改变，而其他并未发生改变。沥青的表面积增大的原因是硬泡沫型沥青利用了汽化原理，体积急剧膨胀增大，黏度有所降低的有利条件，使处于泡沫性状态的硬质沥青对高速搅拌状态下的湿冷集料在第一阶段软沥青的包裹下进一步地裹覆。泡沫温拌沥青混合料与传统的沥青混合料相比较，有很大不同之处：例如，普通的沥青混凝土中的沥青起到的更多是粘结作用，而非完全裹覆。这种粘结作用仅仅是连接了集料与集料，所以不仅能增加沥青同沥青集料的包裹面积，同时还能减少泡沫型沥青混凝土中的自由沥青的厚度，使沥青的用量有所减少。泡沫沥青混合料的生产方法分两个阶段，第一阶段是将温度为100 ℃～120 ℃的软沥青添加到装有混凝土集料的搅拌罐中拌和，使其到达良好的裹附效果；第二阶段，将硬质沥青加水发泡，再将泡沫态的硬质沥青添加到前面进行过初步裹附的集料之中，进行充分拌和，生成温拌泡沫沥青混合料。其中硬沥青和软沥青的适宜混合比率是拌制混合料成功与否的关键(如图2所示)。

图2 泡沫沥青制备原理

3 泡沫温拌沥青混凝土的特性

3.1 高温稳定性

一般来说衡量温拌泡沫沥青混合料在使用过程中的高温稳定性能的实验方法有很多，但是在一般道路工程中，其主要的指标检测是温拌泡沫沥青混凝土通过车辙试验获得的车辙动稳定度来决定的。实验方法采用标准车辙实验，并且经过实验证明，一般情况下泡沫温拌沥青混合料的车辙动稳定度要小于热拌沥青混合料的车辙动稳定度。这表明了温拌泡沫沥青混凝土的高温稳定性不如热拌型沥青混凝土，但却能减小沥青路面在高温下的车辙深度，使得路面更加平缓。

有实验数据分析得出，影响泡沫性沥青混凝土的高温稳定性的因素主要包括内在因素和外在因素。内在因素主要是指材料本身的一些情况，例如混合料拌和过程中软沥青和硬沥青的用量，所需的各种沥青的粘度，集料和矿料的及配比，集料的外形尺寸和外在形态等；外在因素主要包括气候、交通等的条件。当内部因素和外部因素一起对泡沫沥青混合料产生作用时，就会对沥青路面产生综合性影响。沥青路面高温稳定性不足引起的路面变形不仅会影响行车的速度，更会危害行车的安全性。所以要针对影响沥青高温稳定性的内外因素进行对应的改善措施：选用高品质的集料，适当减少沥青用量，采用合理集料级配，拌和均匀，充分考虑外在环境因素注意路面养护。

3.2 低温稳定性

泡沫温拌沥青混合料的低温稳定性是指泡沫温拌沥青混合料在低温环境中不出现低温脆化现象，不出现低温缩裂现象，不出现温度疲劳现象等会导致温拌泡沫沥青混凝土出现低温裂缝的性能[4]。在寒冷情况下，低温开裂病害是温拌泡沫沥青混凝土路面的主要道路病害类型之一。当温度迅速降低时，温拌泡沫沥青混凝土内部会在很短的时间内积累大量的温度应力,由于时间过短,积累的应力就会来不及松弛,从而使得温拌泡沫沥青混凝土出现裂缝。所以，在一定程度上,可以说沥青材料的温度敏感性、低温稳定性和流变性决定了沥青混合料的低温性能，而这些性质又受到胶结料、集料级配类型及空隙率的影响。所以沥青的选择、级配的选择和空隙率的控制是配制好泡沫型沥青混合料的基础材料，在搅拌泡沫沥青混合料时一定要选定合适的材料和配比。

3.3 水稳定性

水稳定性是指沥青混合料受到水的影响程度，也叫沥青混凝土的防水性性能或抗水性性能。泡沫温拌沥青混凝土在铺垫的过程中若铺垫层中有水分存在，则在汽车动态荷载的作用下，进入到温拌泡沫沥青混凝土路面空隙中的水会不断地产生动态水压力和真空负压抽吸吸力，且两种作用还会反复循环发生作用，从而使得泡沫沥青混合料中沥青等胶凝材料的粘附性能降低并逐渐丧失粘结能力。继而，温拌泡沫沥青薄膜将从集料的表面脱落下来，温拌泡沫沥青混凝土就会出现掉粒现象，整个温拌泡沫沥青混凝土路面也将会越来越松散，温拌泡沫沥青混凝路面会出现坑槽等损坏现象。

对于一般的沥青作为硬质泡沫沥青发泡沥青时，会加入纤维料以改善沥青混凝土的水稳性性能，这主要是因为加入的纤维料等可有效地吸附一部分的沥青料，从而增大泡沫温拌沥青混合料中的沥青用量，提高混凝土中沥青的饱和度，使混合料抗水损害能力大大增强。如果使用改性沥青作为硬质泡沫沥青的发泡沥青则不需要加入纤维，因为改性沥青本身就具有较强的水稳定性。同时需要注意集料的级配，一般选用密集级配，这是由于集料级配越细，细矿料比表面积就越大，与温拌泡沫沥青及添加的纤维料的相互吸附作用就越强，温拌泡沫沥青混凝土的水稳定性性能的改善幅度就会越大。浸水车辙试验和冻融劈裂试验表明，泡沫温拌沥青膜厚度越厚，温拌泡沫沥青混凝土的水稳定性性能就越好；温拌泡沫沥青混凝土选用的集料空隙率越小，泡沫温拌沥青混合料水稳定性性能越好。所以拌制泡沫温拌沥青混合料是要注意沥青的掺入量和颗粒级配，以保证混合料具有良好的性能。

4 结 语

通过实验研究我们得知温拌泡沫沥青混凝土的制备需要的材料和普通混凝土类似，均需要骨料及沥青，沥青选用温拌泡沫沥青。通过发泡装置将采用温拌形式生产的沥青发泡成泡沫沥青，并和骨料充分拌和制成温拌泡沫沥青混合料。

温拌泡沫沥青混合料经过实验检验拥有良好的高温稳定性、低温稳定性和水稳定性，具有良好的使用性能。与普通热拌沥青混凝土相比，温拌泡沫沥青混凝土制备的过程中所需要的温度更低，耗能更少而性能并未下降；与普通冷拌沥青混凝土相比，温拌泡沫沥青混凝土性能更优。作为一种优秀的新型绿色建筑混凝土材料，其拥有绿色、环保、资源利用率较高等特点，符合国家绿色可持续发展的经济发展战略。在不远的将来，泡沫温拌沥青混凝土还有更加巨大的发展空间。

[ID:009393]