泡沫溫拌瀝青混凝土的生產和使用特性研究

楊博超，胡錦錦

(鄭州財經學院 土木工程學院，河南 鄭州 450044)

1 泡沫溫拌石油瀝青的材料組成

瀝青是瀝青混合料的膠結材料，起到將各種不同粒徑的集料粘結在一起的作用。泡沫溫拌瀝青混凝土采用多次添加不同針入度瀝青的方法溫拌生產。泡沫溫拌瀝青混合料中的瀝青需要采用兩種不同硬度的瀝青，并在拌和的不同階段將兩種瀝青分階段加入到混合料中。其中兩種不同硬度的瀝青分別是軟質瀝青和硬質泡沫瀝青。軟瀝青是屬于石油和瀝青之間的過渡產物，一般是重質石油經過氧化形成，軟瀝青的顏色為棕黑色或黑色。軟瀝青在100 ℃左右時具有良好的流動性，能更好地滿足溫拌要求，更好地裹附集料，節省拌和時間，節約能源。泡沫溫拌瀝青混合料中所需的硬瀝青即為硬質泡沫瀝青，是因為在拌和的過程中瀝青是以泡沫的形態注入到集料中的。硬瀝青也稱“地瀝青”。是一種可燃性有機巖，系樹脂石油和石瀝青的混合物，質硬而粘；硬質瀝青的硬度要求是其在25 ℃時的針入度應在1～10 mm，并在拌和前將其加熱至熔融狀態，用特殊的發泡機加水發泡。

集料又稱作骨料，骨料又可細分為細骨料和粗骨料，是混凝土的主要組成材料之一，在混凝土發揮作用和承受荷載時主要起骨架支撐作用并減小水泥等膠凝材料在凝結以及硬化的過程中產生干縮濕脹現象引起的體積變化，同時還作為膠凝材料的廉價填充料。一般分為天然集料和人造集料。泡沫溫拌瀝青混凝土使用的集料和普通混凝土使用的集料相同。

發泡劑，一般采用碳酸鹽，屬于一種無機發泡劑，分解溫度約為100 ℃～140 ℃，溶于水，幫助瀝青更充分地發泡。瀝青抗剝落劑,用于提高瀝青與集料的粘聚性，從而增加泡沫溫拌瀝青混凝土的密實度，使得泡沫溫拌瀝青混凝土能具備更好的抗水損害性和抗熱老化性。

2 泡沫溫拌瀝青混合料的生產方法

本課題的研究，在生產溫拌泡沫瀝青混合料的過程中，硬瀝青是以泡沫型態的瀝青形式加入攪拌罐與混凝土集料拌和形成泡沫溫拌瀝青混凝土。將經過準確量取的發泡介質，一般是常溫水，注入到高溫液態瀝青中，常溫水滴與熱熔態瀝青接觸后，高溫熔態瀝青和小水團發生熱量交換，使得水分被加熱到100 ℃，與此同時常溫水也會使熱瀝青溫度降低，溫度下降至100 ℃左右，接著由于瀝青溫度過高其傳遞給小水滴的熱量超過了液態水汽的汽化溫度點，從而使得水滴氣化。又因為水和高溫瀝青是混合在一起，所以蒸汽泡會在壓力作用下進入瀝青內部形成膨脹腔孔，而膨脹腔孔空隙里的蒸汽泡則會在壓力作用下進一步高壓壓入到瀝青中和瀝青質結合；隨后伴隨著融合有蒸汽的熱瀝青從泡沫瀝青噴射系統噴嘴處受壓噴出，壓縮的蒸汽失去壓力制約，從而瀝青迅速膨脹變成薄膜狀，而薄膜狀的瀝青具有良好的表面張力，能很好地裹附住整個氣泡，達到水蒸氣和瀝青的充分結合，從而使得瀝青體積急劇膨脹。并且在瀝青膨脹的整個過程中，瀝青薄膜表面產生的張力會與蒸汽膨脹產生的壓力相互抵消直到達成一種動態平衡狀態，且由于瀝青與水均具有低導熱性能，所以這種平衡一般地僅能維持住很短的一段時間：所以瀝青在發生泡沫生產的進程中產生的大量的氣泡一般會以一種動態亞穩態的形態存在，隨后發泡產生的瀝青泡沫會因為亞穩態形態的消失而逐漸的破滅，泡沫瀝青也將恢復原來的黏度和原來的體積。通常發泡的過程中需要給發泡瀝青中加入一定的壓力，促進氣泡的生成和蒸汽與瀝青的結合，此過程需要運用專用的泡沫瀝青發生噴射系統完成[1](如圖1所示)。

(a)泡沫瀝青實驗機

(b)泡沫瀝青發泡系統

本課題查閱資料顯示泡沫瀝青在生產地過程中不會改變原有地瀝青本身的物理性質與化學性質，是因為薄膜瀝青在發泡的過程中僅僅形態發生了改變，而其他并未發生改變。瀝青的表面積增大的原因是硬泡沫型瀝青利用了汽化原理，體積急劇膨脹增大，黏度有所降低的有利條件，使處于泡沫性狀態的硬質瀝青對高速攪拌狀態下的濕冷集料在第一階段軟瀝青的包裹下進一步地裹覆。泡沫溫拌瀝青混合料與傳統的瀝青混合料相比較，有很大不同之處：例如，普通的瀝青混凝土中的瀝青起到的更多是粘結作用，而非完全裹覆。這種粘結作用僅僅是連接了集料與集料，所以不僅能增加瀝青同瀝青集料的包裹面積，同時還能減少泡沫型瀝青混凝土中的自由瀝青的厚度，使瀝青的用量有所減少。泡沫瀝青混合料的生產方法分兩個階段，第一階段是將溫度為100 ℃～120 ℃的軟瀝青添加到裝有混凝土集料的攪拌罐中拌和，使其到達良好的裹附效果；第二階段，將硬質瀝青加水發泡，再將泡沫態的硬質瀝青添加到前面進行過初步裹附的集料之中，進行充分拌和，生成溫拌泡沫瀝青混合料。其中硬瀝青和軟瀝青的適宜混合比率是拌制混合料成功與否的關鍵(如圖2所示)。

圖2 泡沫瀝青制備原理

3 泡沫溫拌瀝青混凝土的特性

3.1 高溫穩定性

一般來說衡量溫拌泡沫瀝青混合料在使用過程中的高溫穩定性能的實驗方法有很多，但是在一般道路工程中，其主要的指標檢測是溫拌泡沫瀝青混凝土通過車轍試驗獲得的車轍動穩定度來決定的。實驗方法采用標準車轍實驗，并且經過實驗證明，一般情況下泡沫溫拌瀝青混合料的車轍動穩定度要小于熱拌瀝青混合料的車轍動穩定度。這表明了溫拌泡沫瀝青混凝土的高溫穩定性不如熱拌型瀝青混凝土，但卻能減小瀝青路面在高溫下的車轍深度，使得路面更加平緩。

有實驗數據分析得出，影響泡沫性瀝青混凝土的高溫穩定性的因素主要包括內在因素和外在因素。內在因素主要是指材料本身的一些情況，例如混合料拌和過程中軟瀝青和硬瀝青的用量，所需的各種瀝青的粘度，集料和礦料的及配比，集料的外形尺寸和外在形態等；外在因素主要包括氣候、交通等的條件。當內部因素和外部因素一起對泡沫瀝青混合料產生作用時，就會對瀝青路面產生綜合性影響。瀝青路面高溫穩定性不足引起的路面變形不僅會影響行車的速度，更會危害行車的安全性。所以要針對影響瀝青高溫穩定性的內外因素進行對應的改善措施：選用高品質的集料，適當減少瀝青用量，采用合理集料級配，拌和均勻，充分考慮外在環境因素注意路面養護。

3.2 低溫穩定性

泡沫溫拌瀝青混合料的低溫穩定性是指泡沫溫拌瀝青混合料在低溫環境中不出現低溫脆化現象，不出現低溫縮裂現象，不出現溫度疲勞現象等會導致溫拌泡沫瀝青混凝土出現低溫裂縫的性能[4]。在寒冷情況下，低溫開裂病害是溫拌泡沫瀝青混凝土路面的主要道路病害類型之一。當溫度迅速降低時，溫拌泡沫瀝青混凝土內部會在很短的時間內積累大量的溫度應力,由于時間過短,積累的應力就會來不及松弛,從而使得溫拌泡沫瀝青混凝土出現裂縫。所以，在一定程度上,可以說瀝青材料的溫度敏感性、低溫穩定性和流變性決定了瀝青混合料的低溫性能，而這些性質又受到膠結料、集料級配類型及空隙率的影響。所以瀝青的選擇、級配的選擇和空隙率的控制是配制好泡沫型瀝青混合料的基礎材料，在攪拌泡沫瀝青混合料時一定要選定合適的材料和配比。

3.3 水穩定性

水穩定性是指瀝青混合料受到水的影響程度，也叫瀝青混凝土的防水性性能或抗水性性能。泡沫溫拌瀝青混凝土在鋪墊的過程中若鋪墊層中有水分存在，則在汽車動態荷載的作用下，進入到溫拌泡沫瀝青混凝土路面空隙中的水會不斷地產生動態水壓力和真空負壓抽吸吸力，且兩種作用還會反復循環發生作用，從而使得泡沫瀝青混合料中瀝青等膠凝材料的粘附性能降低并逐漸喪失粘結能力。繼而，溫拌泡沫瀝青薄膜將從集料的表面脫落下來，溫拌泡沫瀝青混凝土就會出現掉粒現象，整個溫拌泡沫瀝青混凝土路面也將會越來越松散，溫拌泡沫瀝青混凝路面會出現坑槽等損壞現象。

對于一般的瀝青作為硬質泡沫瀝青發泡瀝青時，會加入纖維料以改善瀝青混凝土的水穩性性能，這主要是因為加入的纖維料等可有效地吸附一部分的瀝青料，從而增大泡沫溫拌瀝青混合料中的瀝青用量，提高混凝土中瀝青的飽和度，使混合料抗水損害能力大大增強。如果使用改性瀝青作為硬質泡沫瀝青的發泡瀝青則不需要加入纖維，因為改性瀝青本身就具有較強的水穩定性。同時需要注意集料的級配，一般選用密集級配，這是由于集料級配越細，細礦料比表面積就越大，與溫拌泡沫瀝青及添加的纖維料的相互吸附作用就越強，溫拌泡沫瀝青混凝土的水穩定性性能的改善幅度就會越大。浸水車轍試驗和凍融劈裂試驗表明，泡沫溫拌瀝青膜厚度越厚，溫拌泡沫瀝青混凝土的水穩定性性能就越好；溫拌泡沫瀝青混凝土選用的集料空隙率越小，泡沫溫拌瀝青混合料水穩定性性能越好。所以拌制泡沫溫拌瀝青混合料是要注意瀝青的摻入量和顆粒級配，以保證混合料具有良好的性能。

4 結 語

通過實驗研究我們得知溫拌泡沫瀝青混凝土的制備需要的材料和普通混凝土類似，均需要骨料及瀝青，瀝青選用溫拌泡沫瀝青。通過發泡裝置將采用溫拌形式生產的瀝青發泡成泡沫瀝青，并和骨料充分拌和制成溫拌泡沫瀝青混合料。

溫拌泡沫瀝青混合料經過實驗檢驗擁有良好的高溫穩定性、低溫穩定性和水穩定性，具有良好的使用性能。與普通熱拌瀝青混凝土相比，溫拌泡沫瀝青混凝土制備的過程中所需要的溫度更低，耗能更少而性能并未下降；與普通冷拌瀝青混凝土相比，溫拌泡沫瀝青混凝土性能更優。作為一種優秀的新型綠色建筑混凝土材料，其擁有綠色、環保、資源利用率較高等特點，符合國家綠色可持續發展的經濟發展戰略。在不遠的將來，泡沫溫拌瀝青混凝土還有更加巨大的發展空間。

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