泡沫沥青温拌技术研究进展综述_袁文龙.pdf

-23-袁文龙，冯化新，户桂灵，刘世鹏，孙 杰：泡沫沥青温拌技术研究进展综述泡沫沥青温拌技术研究进展综述袁文龙1，冯化新2，户桂灵3,4，刘世鹏1，孙 杰4（1.山东汇通建设集团有限公司，山东 济南 250031；2.山东汇达新型建筑材料有限公司，山东 济南251408；3.山东建筑大学交通工程学院，山东 济南 250102；4.济南城建集团，山东 济南 250031）摘要：为深入全面了解沥青温拌技术的发展，从技术原理、沥青发泡特性、路用性能评价、现场应用及节能减排的角度系统回顾了泡沫沥青温拌技术的研究进展及面临的问题，并讨论了下一步研究方向。关键词：道路工程；泡沫沥青；温拌技术；路用性能；节能减排中图分类号：U414 文献标识码：A A review of warm mix technology using foamed asphaltYUAN Wenlong1,FENG Huaxin 2,HU Guiling 3,4,LIU Shipeng1,SUN Jie4（1.Shandong Huitong Construction Group Co.,Ltd.,Shandong Jinan 250031 China;2.Shandong Huida New Building Materials Co.,Ltd.,Shandong Jinan 251408 China;3.School of Transportation Engineering Shandong Jianzhu University,Shandong Jinan 250102 China;4.Jinan Urban Construction Group Co.,Ltd.,Shandong Jinan 250031 China）Abstract:In order to understand the development of asphalt mixing technology in depth,this paper reviewed the research progress and problems of foam asphalt warm mix technology from the perspective of technical principle,asphalt foaming characteristics,road performance evaluation,field application and energy saving and emission reduction,and discussed the next research direction for reference in engineering field.Key words:road works;foamed asphalt;warm mixing technology;road performance;energy saving and emission reduction引言为保证沥青路面施工时的和易性，传统热拌沥青混合料在生产拌和时通常需加热至 145 165，当使用改性沥青时温度还需增加 10 20，会产生大量二氧化碳及其他有害气体1，对环境产生较多不良影响。针对此问题，通过研究提出多种解决途径，如使用乳化沥青冷拌混合料、泡沫沥青或乳化沥青温拌沥青混合料、添加温拌剂型温拌混合料、拌合站增加环保除尘排烟设备、清洁化施工等2，其中泡沫沥青温拌技术在降低排放、节约能源方面表现出极大优势1。泡沫沥青温拌技术主要通过沥青发泡的形式降低沥青黏度来实现相对低温情况下（120 135）与集料的拌和，同时保证摊铺碾压时的施工和易性，使路面达到要求的压实度以保证路面质量1。拌和及碾压温度的降低不仅很大程度上降低了生产施工过程中的二氧化碳及其他有害气体的排放，同时由于集料加热温度的降低也使得能源消耗的减少，从而节约了大量资源2。1 泡沫沥青温拌技术1.1 泡沫沥青温拌技术泡沫沥青温拌技术最早由欧洲 SHELL 公司和KOLO-WEIDEKKE 公司为了降低前期乳化沥青温拌技术的成本而研发，随后在欧洲及北美地区得到广泛应用，国内方面 2003 年北京上海地区开始试验性应用。目前泡沫温拌技术主要有加水机械式发泡和添加剂类发泡两种类型3。加水机械式泡沫温拌技术原理：当冷水滴与高温沥青（140 以上）接触时，热沥青与小水滴表面发生热量交换，水滴温度达到 100 产生蒸汽，导致沥青体积膨胀的同时温度降低，融入大量蒸汽泡的沥青黏度降低，随后从喷嘴喷出与集料进行拌和（温度 110 左右），达到沥青混合料的温拌3。添加剂类泡沫温拌技术原理：将含有较多结晶水和吸附水的沸石温拌剂与热沥青和热集料混合，沸石中的水分转化为水蒸气，使沥青体积膨胀形成泡沫沥青，从而使沥青与基金项目：山东省工业信息化厅技术创新项目，项目编号：202160101777；山东建筑大学博士科研基金项目，项目编号：X18073Z。收稿日期：2022-04-20作者简介：袁文龙（1974），男，四川达州人，硕士研究生，研究方向为市政工程。袁文龙，冯化新，户桂灵，刘世鹏，孙 杰：泡沫沥青温拌技术研究进展综述-24-集料在较低的温度下拌和与压实。1.2 沥青发泡机理及发泡特性1.2.1 沥青发泡机理发泡过程中导致泡沫破裂的解释：（1）随着沥青胶团在常温下冷却，气泡中的蒸汽冷凝而导致气泡破灭，这时发泡水会存留在沥青中形成所谓的水饱和沥青；（2）泡沫具有近乎稳定的蜂窝状结构的气室，气室两边的膜即为泡沫液膜，在 3 个或多个气泡聚集的地方液膜被弯曲并凹向气室的一方形成普来特（Plateau）边界。由于在 Plateau 交界处有较大的曲率半径，根据拉普拉斯（Laplace）方程在气相与液相之间就会产生压力差，它随液体表面张力的增加而增大，随气泡曲率半径的增大而减小，因此在Plateau 交界处的液压要比附近曲率小的地方小，从而使得液体由小曲率处向 Plateau 交界处流动，这种排液作用会使液膜逐渐变薄，当液膜达到临界厚度时（5 10 nm）膜就会破裂。杨虎荣等4通过对两种标号沥青进行发泡特性研究后指出泡沫破裂的泡沫破裂的原因有两种：第一种是泡沫内的温度和压力降低的速度超过了泡沫表面张力恢复的速度时，泡沫破裂；第二种是泡沫内的压力超过了其表面张力的极限时，泡沫破裂。1.2.2 发泡特性方面研究主要集中在半衰期、膨胀率、泡沫指数、气泡尺寸分布等技术指标。HARVEY5的研究结果显示发泡特性不受沥青 PG 分级影响，同时加入抗剥落剂可以增强发泡能力。XIAO 等6进一步通过泡沫膨胀物理模型探讨了沥青性能对泡沫膨胀率和稳定性的影响，结果分析表明当初始发泡尺寸达到一定限度后（100 mm 以上）和膨胀率不再有明显关系，某些特定添加剂可以显著提高发泡膨胀率和稳定性。SALEH7通过膨胀率、半衰期、发泡指数对 7 种沥青的发泡特性进行了研究，由于发泡指数的计算方式为指数衰减形式，较难实现最佳含水率选择，且不适用于大部分沥青类型。温士俊8提出将泡沫沥青用于温拌时，由于拌和之前集料已经被加热到一定温度，因此发泡倍数无需过高，一般在35之间，生产出来的混合料质量基本相当于热拌沥青混合料质量。多数研究5-8表明沥青发泡特性受发泡温度、发泡用水量影响，通常发泡温度应保持在 140 左右可获得较好的发泡效果，发泡效果应优先满足膨胀率最大的要求，以确定发泡的最优工艺参数。2 泡沫沥青温拌混合料路用性能2.1 高温稳定性泡沫沥青温拌混合料高温稳定性方面的研究内容丰富多样，主要研究手段有车辙试验、动态蠕变试验、汉堡轮辙试验等。BAIRGI 等9对泡沫温拌沥青路面芯样及实验室短期老化试件进行改进的汉堡轮辙试验以研究其车辙性能，研究认为交通压密及温拌沥青层的厚度是高温稳定性的主要影响因素。HU 等10对橡胶泡沫沥青混合料进行了路用性能研究，结果显示与低温及抗疲劳性能相比，高温性能稍有降低。李宁等11对四条泡沫温拌沥青路面进行了车辙深度、动态蠕变性能等进行了评价分析，结果表明与同期热拌路段相比，泡沫温拌路段沥青混合料的拌和温度降低 20 左右时，沥青混合料的空隙率更小，具有更优的高温稳定性；拌合温度和孔隙率是影响泡沫温拌沥青混合料抗高温变形性能的重要因素。李包等12通过选取不同服役年限的泡沫温拌沥青路面利用芯样进行汉堡车辙试验以评价高温性能，结果显示泡沫温拌沥青路面较常规热拌沥青混合料路面高温性能更好，其解释为这是由于前者施工和易性较好，且拌合温度降低幅度较小导致的。温彦凯等13对泡沫温拌沥青胶浆的流变特性进行了研究，其动态剪切试验结果显示时温等效原理适用于泡沫沥青胶浆，在宽温度域和频率域内泡沫沥青胶浆具有更好高温性能。张小康14对人工合成沸石类橡胶沥青温拌混合料开展性能研究，不同沸石掺量下泡沫橡胶沥青的动态剪切试验结果表明高温性能保持在良好水平，混合料高温性能则稍有降低。2.2 低温性能泡沫温拌沥青混合料由于在沥青发泡过程中水的添加导致了长期以来对其低温性能的担忧，这主要是因为水在其拌和及摊铺碾压过程中有可能没有完全散发出去而残留在压实后的路面中，使路面在交付使用低温性能下降。张小康14对橡胶泡沫沥青混合料进行了低温弯曲破坏试验，结果发现橡胶泡沫沥青混合料的弯曲应变可以达到公路沥青路面施工技术规范（JTGF402004）15中 2 000 的要求，且较对比常规热拌沥青混合料低温性能有9.8%的提高，说明沥青发泡对低温性能有所助益。刘圣洁16对发泡沥青的玻璃态转变温度及低温性能进行了研究，动态热力学分析仪和低温弯曲流变梁确定的玻璃态转变温度虽然有所区别，但是随发泡水量的变化趋势是一致的，发泡水的加入在一定程度上降低了沥青的低温抗裂性能，并提示制备泡沫温拌沥青混合料时，最佳发泡用水量选择应重点考虑其低温抗裂性。对泡沫温拌沥青胶浆的流变性能分析则显示当粉胶比增大时，其低温性能会产生降低，2022 年第 6 期山东交通科技-25-电镜扫描结果发现泡沫沥青中矿粉分散更加均匀，从微观角度解释了泡沫温拌沥青混合料具有更好低温抗裂性的潜力。人工合成沸石作为发泡温拌剂的橡胶沥青混合料研究结果则显示低温性能有所降低。2.3 水稳定性在生产拌和及摊铺碾压过程中由于发泡添加的水没有完全溢出，残留水分造成沥青膜和集料之间的剥离，形成路面水损害。KUTAY 和 OZTURK 17 利用高分辨率同步辐射 X 射线显微层析成像系统对发泡沥青进行了无损检测，重点关注其水分消散过程，结果显示与机械式发泡装置制备的发泡沥青相比，使用沸石添加剂制造的泡沫沥青具有更高的速率消散水分，因此后者生产的泡沫沥青温拌混合料较不易产生水损害。XIANG 等18发现，再生沥青混合料含量高的泡沫温拌沥青路面可以具有足够的水稳定性。CUCALON 等19的研究表明，泡沫温拌沥青混合料在其早期寿命中比热拌沥青混合料更容易受潮，加入抗剥落剂可以显著提高其抗水损害能力。韦武举等20 通过室内发泡试验探讨了泡沫沥青水分挥发规律，借助视频光学触角测量仪从表面自由能的角度提出以粘附功和剥离功的比值作为泡沫温拌沥青混合料抗水损害性能的定量评价指标。华俊锋等21 对不同温度下的沥青发泡性能及混合料路用性能进行测试，以半衰期、膨胀率、冻融劈裂强度及残留强度比为指标评价其性能变化趋势，建议泡沫沥青混合料施工尽量在室外温度高于 10 以上完成，当外界温度低于 5 时不宜施工。2.4 疲劳性能关于泡沫沥青温拌混合料的疲劳性能也有较多研究，认为泡沫沥青温拌沥青混合料有较好的疲劳性能预期及潜力。GOH等22对含水量为1.0%、1.5%、2.0%的泡沫沥青温拌混合料进行了间接拉伸强度试验和四点弯曲梁疲劳试验以评价其疲劳性能和水温性能，结果表明较低拌和温度的泡沫沥青混合料显示出较好的疲劳性能潜力。SHU 等23对添加剂类泡沫沥青温拌混合料进行动态模量试验，结果显示 120 下压实的试件动态模量比 100 时高。吉增晖等24对泡沫沥青橡胶沥青混合料进行动态模量试