◎吳正光 肖鵬 仲星全

泡沫溫拌再生瀝青路面材料研究現(xiàn)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(guān)注的熱點問題，同時節(jié)能環(huán)保也是衡量一種應(yīng)用技術(shù)成熟與否的關(guān)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(nèi)外泡沫瀝青及混合料的研究情況，其次對國內(nèi)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(jié)果來看，泡沫溫拌再生瀝青路面材料具有良好的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益，值大力推廣和實際應(yīng)用。

近年來，節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為公路事業(yè)研究的熱點，現(xiàn)階段公路瀝青路面最具應(yīng)用前景的主要有兩個技術(shù)：瀝青路面廠拌熱再生技術(shù)和泡沫溫拌技術(shù)。一方面瀝青路面再生料（即瀝青路面銑刨料）應(yīng)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(yīng)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(shù)可以解決傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料高污染、高能耗的問題。采用泡沫溫拌技術(shù)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(chǎn)和施工作業(yè)環(huán)境，降低生產(chǎn)過程中的能耗，污染問題。將廠拌熱再生技術(shù)和泡沫溫拌技術(shù)進行結(jié)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(jīng)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(nèi)外泡沫瀝青及混合料的研究情況，其次對國內(nèi)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(yīng)用具有借鑒意義。

發(fā)泡瀝青溫拌技術(shù)特點

發(fā)泡瀝青原理及特點。瀝青發(fā)泡技術(shù)作為主要的廢舊瀝青路面回收再生技術(shù)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(shù)倍至數(shù)十倍，然后在1 分鐘內(nèi)，瀝青又恢復(fù)原狀，此時瀝青的物理性質(zhì)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(jié)料，而是一種新技術(shù)應(yīng)用所帶來的產(chǎn)物。

瀝青發(fā)泡的基本過程當(dāng)冷水滴與高溫瀝青接觸時，將發(fā)生以下連鎖反應(yīng)：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(dǎo)致水滴體積膨脹，產(chǎn)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(chǎn)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(dǎo)熱性，這種平衡一般能夠維持?jǐn)?shù)秒的時間；發(fā)泡過程中產(chǎn)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(xiàn)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(biāo)，其中前兩個指標(biāo)是生產(chǎn)控制指標(biāo)，后兩個指標(biāo)是檢驗指標(biāo)。 膨脹率：發(fā)泡過程中泡沫達到最大體積與恢復(fù)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(biāo)，最好的發(fā)泡效果應(yīng)使兩個值均比較大，而不能單獨采用一個指標(biāo)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(dāng)瀝青反復(fù)加熱而導(dǎo)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(zhì)(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(shù)優(yōu)缺點。泡沫溫拌再生混合料材料作為瀝青面層表現(xiàn)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(chǎn)需要專用設(shè)備。（3）在再生混合料生產(chǎn)過程中需要考慮如何將最多的熱量傳遞給再生料。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外研究現(xiàn)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(shù)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(chǎn)工藝使得泡沫瀝青的廣泛應(yīng)用變得現(xiàn)實和經(jīng)濟，并于1971年注冊專利。

20世紀(jì)70年代，泡沫瀝青主要作為劣質(zhì)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(yīng)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(shù)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(jié)構(gòu)，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(shè)計、瀝青的發(fā)泡性能進行了較系統(tǒng)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(shù)的實踐應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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(nèi)容涉及到乳化瀝青和泡沫瀝青的設(shè)計、施工的各個方面。與此相應(yīng)，著名的筑路設(shè)備機械公司也出版了冷再生手冊，用以指導(dǎo)具體的施工過程。國外各地區(qū)一系列規(guī)范的制定標(biāo)志著泡沫瀝青混合料技術(shù)理論和施工工藝的不斷進步，也說明了這項技術(shù)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(jié)料的粘結(jié)性。在泡沫瀝青里，大顆粒集料并未被膠結(jié)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(nèi)摩擦力。然而，瀝青膠漿在高溫下其穩(wěn)定性和粘結(jié)性都會下降，這可能導(dǎo)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(xué)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(jié)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(jīng)過10000次輪碾試驗，車轍深度仍小于1mm。一些學(xué)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(xué)特性介于粒料類和水泥結(jié)構(gòu)之間。對于泡沫瀝青混合料的抗壓強度和回彈模量，國內(nèi)外的研究相對較少。

綜上所述，可以看出關(guān)于泡沫瀝青混合料的研究很多，但不同學(xué)者所采用的試驗方法、評價指標(biāo)以及參照標(biāo)準(zhǔn)大多存在差異，一些關(guān)鍵技術(shù)問題尚未統(tǒng)一。

國內(nèi)研究現(xiàn)狀。國內(nèi)的一些學(xué)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(guān)學(xué)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(shù)據(jù)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(shù)進行了嘗試性研究，當(dāng)時利用泡沫瀝青技術(shù)是為了增加瀝青與石料的裹覆性能，減少瀝青用量。由于設(shè)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(shù)也只有6～12倍。

1992年，沈陽市政工程設(shè)計研究院進行了泡沫瀝青的相關(guān)研究，自主開發(fā)了發(fā)泡設(shè)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(shù)指標(biāo)完全能達到普通熱拌瀝青混凝土的標(biāo)準(zhǔn)，可降低10%的瀝青用量。當(dāng)時雖然開發(fā)了發(fā)泡設(shè)備，但是設(shè)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(zhì)進行了比較，而忽視了泡沫瀝青其實只是瞬態(tài)的產(chǎn)物，只發(fā)生物理性質(zhì)的變化，不是一種新的瀝青粘結(jié)料，而是一種新技術(shù)應(yīng)用帶來的產(chǎn)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(xué)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(xiàn)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(guān)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(nèi)還未有報道。

綜上所述，當(dāng)前國內(nèi)外泡沫瀝青再生技術(shù)主要包括冷再生技術(shù)與溫拌再生技術(shù)，受我國現(xiàn)階段技術(shù)水平和工藝水平制約，冷再生技術(shù)在國內(nèi)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(yīng)用數(shù)量最多、消耗廢舊瀝青數(shù)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(yīng)用，這主要是因為拌合、攤鋪等機械設(shè)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(jié)構(gòu)形式和重載交通下，泡沫溫拌再生瀝青路面材料的室內(nèi)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

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(shù)，并進行優(yōu)化，制造出合適我國國情的高水準(zhǔn)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(dǎo)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(yù)測，壽命周期費用的好處難以確定。

泡沫瀝青溫拌技術(shù)是目前世界上領(lǐng)先的低碳環(huán)保瀝青材料生產(chǎn)技術(shù)，本文對溫拌再生瀝青混合料的主要技術(shù)要點進行介紹，總結(jié)了國外和國內(nèi)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(yīng)該研究解決的熱點問題；受我國現(xiàn)階段技術(shù)水平和工藝水平制約，瀝青路面熱再生技術(shù)在國內(nèi)推廣較慢，泡沫瀝青溫拌再生技術(shù)是一項節(jié)約資源、低碳、環(huán)保的綠色技術(shù)，必將發(fā)展成為瀝青路面的主流施工技術(shù)。

（作者單位：揚州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院)