泡沫沥青混凝土技术及应用

泡沫沥青混凝土技术及应用

◇加拿大约翰爱默里(杰格)工程咨询公司 姚景云 王成功

	姚景云，毕业于天津大学材料工程系, 获学士学位. 1994至2002年在铁道部第三勘测设计院工作. 从事工程材料的试验检测及材料应用研究,以及高速公路施工监理工作. 在京沈高速 (河北省段), 汾灌高速公路 (江苏省), 任试验监理及计量计划监理工程师. 2002年至今在加拿大杰格(JEGEL) 工程咨询公司任材料工程师, 从事沥青路面, 混凝土材料的检测及研究工作, 包括沥青混合料配合比设计, 现场冷再生及泡沫沥青材料的应用.
	George Wang，Ph.D.，P.Eng. 王成功博士 毕业于上海同济大学和澳大利亚新南威尔士州伍伦贡大学分获硕士和博士 学位。1992年起在加拿大多伦多在约翰爱默里博士(John Emery)指导下作博士后研究。现任加拿大约翰爱默里(杰格)工程咨询公司主任工程师。研究领 域包括沥青路面，混凝土路面公路材料及固体废物在公路施工中的应用。

1 前言

泡沫沥青混凝土作为对旧有路面修复的一种技术，现在正越来越多地被使用。泡沫沥青混凝土是 全厚式再生技术之一，适用材料比较广泛，包括各种沥青路面和基层及含塑性指数的稳定土材料。对 旧有路面及基层材料，可掺入一定比例的新石料，利用发泡技术使沥青成泡沫状态与再生的骨料粘结 在一起，经过摊铺碾压成型，形成全厚式的沥青基层。泡沫沥青混凝土具有很好的抗疲劳和抗车辙性 能，对交通流量大的道路只需在上面加铺一层新的沥青面层，对低交通流量路面进行表面处理即可。 本文简要介绍泡沫沥青混凝土的发展，泡沫沥青产生的原理，以及这项技术在工程中与其它冷法再生 技术中的其它处理方法以及传统的沥青路面相比较其优越性的一面，本文也介绍了试验室配合比设计 方法及实例。由于在过去十几年间，国内的公路建设发展迅速，在今后若干年内，公路的修复必将成 为重点，如何进行修复，以及选用何种技术从环境，费用等方面达到最佳的效果，将成为公路行业必须 面临的问题。为此，介绍此一国外正在研究和利用的技术，结合国内的公路发展状况和技术，希望能 够对国内的公路同行有所裨益。

2 泡沫沥青混凝土技术应用的发展状况

泡沫沥青并不是一项新技术，早在四十多年前就已经被发现。但是直到最近这十年间才逐渐被人们重视而逐渐普及起来。其主要原因有以下几个方面:一是最初没有合适的设备有效而经济地提供这 项技术;二是这项技术最初时属于私有，限制了技术的发展;第三由于近些年来对资源及环境保 护的重视，人们更多地对旧有材料回收利用，从而促进了人们重新利用及开发这项技术，现在新的设 备及工艺使得泡沫沥青这项技术得以更容易地实现和运用，从而在工业发达国家越来越普遍地使用。

在1956年，Dr.Ladis H.Csanyi教授在爱荷华州立大学工程试验站发现了用泡沫沥青处治稳定土的 可能性，沥青发泡后很大程度上减小了沥青的粘度，同时却提高了与冷的潮湿的骨料结合后的粘附 性。在五六十年代，这项技术在现场得到应用，但是最初施工的主要步骤是注入高压蒸气，这就需要 在现场增加特殊的设备，控制压力及温度，给施工增加了许多困难而不切实际。1968年，美孚石油公 司(澳大利亚)改进了最初的工艺，用冷水代替蒸气，并在较低的压力系统下把冷水注入到热的沥青中， 从而使这项技术变的实际而适用。而后经过实践应用人们逐步解决了设备的问题，从而更好地对沥青 性能得以控制。现在，泡沫沥青可用于各种材料稳定处理，从新的碎石骨料，到旧有路面回收再利用 的材料或高塑性指数的材料均可。

泡沫沥青混凝土的施工工艺主要为对旧有路面进行铣刨破碎，也可加入其它碎石骨料和再利用的 原有沥青混合料。典型的泡沫沥青混凝土稳定层厚度在200~300mm之间，大约加入2.0~3.5% 泡沫沥青，摊铺成型后使用轮胎式压路机进行初压，钢轮压路机进行终压，最后可进行表面处理或用热拌沥青混合料加铺一层新的沥青表面层即可。

3 沥青混凝土作为沥青再生技术的一种施工工艺的特点

和传统的技术相比，泡沫沥青具有以下几方面优点:

● 泡沫沥青混合料可以储存达一个月时间，不会影响其使用性能;

● 全厚式技术进行更深的稳定处理，可达30cm;

● 施工节约时间，道路碾压后几乎立即能够开放交通;

● 与热拌沥青相比，节约能源，石料不需加热;

● 泡沫沥青提高了剪切强度，同时减小了粒料对水的敏感性;

● 与热拌沥青混合料相比，具有更好的抗车辙和抗疲劳性能;

● 用泡沫处治可较其它的冷法混合工艺适用于更广泛的骨料种类;

● 与其它冷法拌和技术相比，对沥青及水的用量低，从而减少了费用;

● 从环境角度来看，避免了挥发物质的生成;

● 泡沫沥青混凝土可在各种天气条件下进行施工，如冷天和小雨，都不影响其使用性。

缺点:

● 与冷法再生技术相比，需要有加热源对沥青加热140°以上;

● 用于稳定的材料须有5-15%通过75μm筛。

4 泡沫沥青产生原理

泡沫沥青产生的过程中并没有化学反应的发生泡只是物理性能的暂时改变，当注入的冷水(通常 为沥青质量的1-2%)遇到热的沥青时，形成了无数微小的气泡组成蒸气状态，这种状态只是维持几分 钟后，沥青即又恢复到原来的性能。对于粘度值较大或高等级的沥青，通常需要加入一定压力，促进 泡沫的生成。体现泡沫沥青性能的参数用膨胀率和半衰减期来表示，膨胀率是用形成泡沫时达到的最 大体积与沥青最初时的体积比来表示，半衰减期是指泡沫沥青体积达到最大体积一半时所需的时间。 这两个参数都受到以下三个因素的影响:1.泡沫产生的数量;2.泡沫中水的用量;3.形成泡沫时沥青的温 度。

和传统的沥青混合料相比，其不同之处在于并不是沥青将石料充分裹覆起来，而只是将破碎后的材料粘结在一起，如同点焊的过程，雾状的泡沫沥 青由于比表面积大，易于和细骨料结合形成类似于水泥浆体，从而在压实后提高了混合料的强度和粘 聚性。泡沫沥青的生产其关键在于控制使用准确的用水量及获得最佳的膨胀率。

图1 泡沫沥青在现场施工中的生成示意图

5 泡沫沥青混合料总体设计方法

1.对需重新修复的路面进行工程评估;

2.对回收再利用的材料进行检测(沥青含量，含水量，混合料的级配);

3.确定泡沫沥青混凝土各种材料用量比例，对塑性指数大于12的材料需掺加1-2%的熟石灰，为 了增加沥青的粘附性，可加入1-2%的水泥，外掺用水量使其达到最佳含水量状态;

4.确定泡沫沥青的膨胀率及半衰减期;

5.制作泡沫沥青试件，检测混合料的水敏感性(间接抗拉强度比);

6.最佳沥青用量的确定(密度，空隙率，抗拉强度，稳定度，泡沫沥青对骨料表面的裹覆状况);

7.对泡沫沥青混凝土性能的评价:疲劳强度，回弹模量，抗车辙能力等;

8.施工过程中的质量控制与质量保证。

6 试验室制备泡沫沥青混凝土之工艺及所需仪器设备

6.1 主要的泡沫沥青混凝土制备及检测仪器

● 泡沫沥青制备仪及沥青混凝土搅拌机;

● 试件击实仪;

● Corelok密度测定仪;

● 马歇尔稳定度试验仪;

● 用于试件抽真空的设备。

6.2 试验室制备泡沫沥青混凝土工艺

(1)制作泡沫沥青最佳用水量的确定

在试验室中用泡沫沥青制备仪生产泡沫沥青首先要确定最佳用水量，方法如下:调整沥青释放量 在100克/秒左右，调整加水量在1-3%，每次间隔0.5%，共做五次，对每一个试样，释放5秒钟，使 产生的泡沫沥青释放到20升铁桶中，记录最大体积(在铁桶上标记出)，同时开动秒表记录，当泡沫 沥青的体积达到最大体积的一半时所需的时间，及为半衰减期，还需记录泡沫沥青完全消释后，通常 为1小时后，泡沫沥青的体积，其与最大体积的比值即为泡沫沥青膨胀率。最佳泡沫沥青状态应满足 膨胀率大于10，半衰减期为大于12秒。两曲线的交点对应的横坐标即为最佳用水量，试验用的沥青 应加热到180-200℃。

图2 泡沫沥青性能与含水量的关系曲线图

(2)使用最佳用水量，确定泡沫沥青制作仪每秒钟泡沫沥青的流量

设定时间，每个试样释放5秒钟，计算出每秒钟流量，根据泡沫沥青混凝土配合比设计的实际沥 青用量(1.5~3.5%，间隔0.5%)，即可知对不同的泡沫沥青含量，仪器释放沥青的具体时间。

(3)泡沫沥青混凝土的制备

先将所需的骨料加入水，用水量为材料击实试验得到的最佳含水量，加水后以混合料处于潮湿松 散状态为宜，搅拌均匀后放在容器中以免水份散失，闷料一小时后，可进行下一步试验。把骨料倒 入搅拌器中搅拌1分钟后，根据预先设定的时间释放沥青，使产生的泡沫沥青直接释放到搅拌机中， 同时开动搅拌机对泡沫沥青混凝土搅拌0.5分钟。

(5)试件的制做

从搅拌器中倒出泡沫沥青混凝土，1.5kg左右用于最大密度的测定，其余用于制作试件，尺寸为 直径101.6±0.5mm，高63.6±1.5mm(1150g左右)，两面各击75下，放在室温下养护24小时后脱模，放 入60°的烘箱中养护72小时，取出冷却至室温后即可进行相关试验。

(6)湿度敏感性测试

每组六个试件，测定试件的毛体积密度和最大密度(使用Corelok仪器)，计算试件空隙率。因为泡 沫沥青混凝土空隙率较大，不适宜用水中重法测定密度。测定密度后，选取两个密度值最小者用于在室 温状态马歇尔稳定度试验，两个中间值试件用于在室温下测定间接抗拉强度试验，密度最大的两个试 件用于浸水间接抗拉强度试验，常规方法为在25℃水中浸泡4天，或在水中抽真空(50mm汞柱)一小时 后，在水中再浸泡1天后，进行间接抗拉强度试验，计算抗拉强度比。

(8)最佳泡沫沥青含量的确定

通过做图，沥青含量与密度，空隙率，间接抗拉强度比，稳定度，及流值的关系曲线图，间接抗 拉强度比是确定最佳泡沫沥青含量的关键指标，一般要求大于50%，间接抗拉强度应大于300Kpa，浸 水间接抗拉强度大于150Kpa。

(9)用最佳沥青含量制件，验证其各项指标满足规范要求。

7 泡沫沥青混凝土配合比设计实例

以JEGEL试验室对安大略省公路Muskoka区118号公路(桩号8+380 to 4+200)，进行的再生泡沫沥青混凝土配合比设计为例:

选用PG 58-28(McAsphalt)沥青，骨料使用回收旧沥青路面材料(RAP)，掺入一定比例的新基层碎 石材料混合料，进行级配筛分，确定沥青含量，最佳液体总含量。试验结果见表1,2和图3。

沥青总含量(残留＋新加入)＝7.15%

含水量(现场＋新加入)＝4.0%

最佳液体总含量(含水量＋新加入沥青含量)＝6.5%

*另加入2.0%矿粉使小于0.075mm的通过量满足规范级配要求，混合料级配和细集料部分因此 调整。

8 沥青混凝土道路的评价

表1 混合料的级配

表2 配合比设计数据

图3 沥青含量与各项指标关系曲线图

使用沥青路面分析仪(APA)及诺丁汉试验仪(NAT)检测泡沫沥青混合料的永久变形(车辙)性能及 抗疲劳性能浸水，不浸水，检测材料的回弹模量，疲劳应变等结构参数，可进行沥青混凝土结构设计及 道路性能的评价。

9 小结

泡沫沥青混凝土作为现场再生技术的一种，与其它再生技术一样，需对既有道路进行修复之前进 行路面的工程评估，对既有材料性能的检测。在选择是用乳化沥青冷法还是泡沫沥青技术时，比较两 者的各自优缺点，应视实际情况的需要而定，包括交通状况，工程费用等因素 ;一般当需要尽快恢复交通时，泡沫沥青再生技术是最好的选择。因泡沫沥青混合料用水量比乳化沥青混合料少，其养护时间短;当道路可以封闭一星期的情况下，可由工程费用 来决定选用哪种现场冷法再生技术-泡沫沥青或乳化沥青，两者的工程造价相差不大，但还需各地总 结积累经验。

参考文献

1.“Foamed Asphalt Mixes Design Procedure”Manual,developed by the Southern African Bitumen Association(SABITA)

2.Wirtgen“Cold Recycling Manual”

3.Ontario Provincial Standards Manuals

4.Michael Smisth,“Innovative Technology-Foamed Asphalt”

5.JEGEL Foamed Asphalt Mix Design and Stabilization Characterization Testing

工程建设机械2004.NO.11