基于不同發泡條件的泡沫瀝青混合料空隙率影響分析

摘要 泡沫瀝青混合料的空隙率是影響其路面性能的重要因素，因此優化泡沫瀝青混合料的空隙率是保證其質量的關鍵。文章以AC-20型泡沫瀝青混合料為研究對象，探討了不同的發泡條件對溫拌泡沫瀝青混合料空隙率的影響。結果表明，發泡用水量和發泡溫度是影響泡沫瀝青性能的主要因素，其最佳范圍分別為1.5%～2.0%和149～159℃；溫拌泡沫瀝青混合料的空隙率與其成形溫度和微觀結構有關，空隙率越低，混合料的強度和耐久性越好。

關鍵詞 公路項目；溫拌泡沫瀝青混合料；膨脹率；空隙率影響分析

中圖分類號 U414 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）02-0084-03

0 引言

泡沫瀝青是一種通過在瀝青中加入一定量的水、壓縮空氣，使瀝青迅速膨脹發泡制得的新型瀝青材料，具有黏度低、膨脹率高、半衰期高等特點，可在較低的溫度下與冷熱集料拌和，形成溫拌泡沫瀝青混合料[1]。溫拌泡沫瀝青混合料作為節能環保材料，可有效降低施工溫度，減少能耗，提高施工效率，在國內外得到廣泛應用。溫拌泡沫瀝青混合料空隙率是影響其路面性能的重要因素之一。因此，優化溫拌泡沫瀝青混合料的空隙率是保證其質量的關鍵，其受多種因素影響，其中發泡條件是最主要的影響因素之一。發泡條件包括發泡用水量、發泡溫度、發泡時間等，直接決定泡沫瀝青的膨脹率、半衰期，影響泡沫瀝青與集料的黏結，最終影響混合料的空隙率[2]。

1 試驗

1.1 原材料

（1）瀝青：采用AH-70型基質瀝青，來源于油庫，泡沫瀝青的制備采用自行設計的發泡機。

（2）集料：采用集料為石灰石，來源于石場，其性能符合《公路工程巖石試驗規程》（JTG 3431—2024）的要求。集料級配按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E 40—2011）的要求進行設計。

（3）填料：采用填料為石灰巖制礦粉，來源為石場，其性能符合《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》的要求。填料的用量按照5%的設計值進行控制[3]。

1.2 試驗方法

配合比設計：為分析不同的發泡條件對溫拌泡沫瀝青混合料空隙率的影響，采用以下試驗方法：

根據規范要求使用馬歇爾試驗法確定AC-20型泡沫瀝青混合料的配合比，確定不同發泡條件下的最佳油石比。礦料級配合成圖如圖1所示，符合中稠級配要求，成形溫度為135℃，最佳油石比為4.1%，空隙率為4.4%。

發泡瀝青混合料的制備：發泡機將加熱到一定溫度的基質瀝青、水、壓縮空氣同時噴入發泡瀝青噴嘴，使瀝青迅速膨脹和發泡，形成泡沫瀝青。試驗參照已有溫拌泡沫瀝青混合料的配合比、制備方法[4]。根據不同的發泡條件，按照表1～2所示的溫度控制標準，分別制備不同的泡沫瀝青，其制備過程如下：

（1）將基質瀝青、集料和填料分別加熱到發泡階段溫度、集料加熱溫度標準、與集料相同的溫度。

（2）將發泡用水加熱到與基質瀝青相同的溫度，用水量調節到所需的百分比，將壓縮空氣壓力調節到0.6 MPa。

（3）將基質瀝青、發泡用水和壓縮空氣同時噴入發泡瀝青噴嘴，形成泡沫瀝青，將泡沫瀝青收集到鋼桶中，用標準尺測量其膨脹率，用秒表記錄其半衰期。

（4）將泡沫瀝青與加熱好的集料和填料按照已有的最佳油石比進行拌和，拌和溫度要求為表1～2所示的溫度控制標準。

（5）將拌和完成的溫拌泡沫瀝青混合料按照要求成形，成形時的溫度如表1～2所示。

2 結果與討論

膨脹率是指發泡后瀝青的最大體積與發泡前的體積之比，膨脹率越高，泡沫瀝青與集料的拌和性能越好，設計要求的混合料膨脹率不低于10倍。

半衰期是泡沫瀝青的最大體積減小到一半所需的時間，半衰期與泡沫瀝青的泡沫穩定性成正比，要求混合料的半衰期至少為8 s，能夠維持較低的黏度，有利于提高泡沫瀝青混合料的拌和性能。

空隙率可以衡量混合料的壓實程度，直接影響其技術性能。空隙率越低，說明瀝青混合料的強度、耐久性和抗水損傷性等性能越好。該文用空隙率表征溫拌泡沫瀝青混合料的質量，越低越好。

根據試驗分析不同發泡用水量、發泡溫度對泡沫瀝青三項指標的影響規律[5]。

2.1 不同發泡用水量下試驗結果分析

發泡溫度為150℃條件下，分別測定1.0%、1.5%、2.0%、2.5%四種發泡用水量下的混合料膨脹率、半衰期，其結果如圖2所示。根據圖2可知，發泡用水量與膨脹率成正比，與半衰期成反比，該指標數值為2.5%時，膨脹率最大，達到14.5倍；半衰期降至最低，為6.3s，可見高發泡用水量可提高泡沫瀝青的膨脹率，但會縮短泡沫瀝青的半衰期，影響其拌和性能。因此，需全面考慮泡沫瀝青的膨脹率、半衰期，確定發泡用水量的最佳取值范圍為1.5%～2.0%。

如圖3所示，溫拌泡沫瀝青的性能可以通過溫度一定的前提下測試成形后的空隙率進行表征。相較于熱拌瀝青混合料，發泡用水量為1.5%、2.0%、2.5%時，混合料的空隙率較低，且差距明顯。適當的發泡用水量可降低混合料的成形溫度，改善其拌和性，降低半衰期，且膨脹率與發泡用水量成正比。在膨脹率、半衰期的共同作用下，發泡用水量為1.5%、2.0%、2.5%時的混合料空隙率沒有明顯差距，表明該范圍內的水量對空隙率的影響不大。

2.2 不同發泡溫度下的試驗結果及分析

發泡用水量取值范圍為1.5%～2.0%時，分別測定135℃、149℃和159℃三種發泡溫度下混合料的膨脹率、半衰期，結果見圖4所示。據圖4可知，發泡溫度與膨脹率成正比，呈現上升趨勢，而半衰期則呈現下降趨勢。發泡溫度為159℃時，膨脹率達到最大值，為15.2倍，而半衰期降到最小值，為5.8 s。這說明高發泡溫度雖然可以提高泡沫瀝青的膨脹率，但也會縮短泡沫瀝青的半衰期，影響其拌和性能。因此，綜合考慮泡沫瀝青的膨脹率和半衰期，認為該條件下的適宜發泡溫度范圍為149℃～159℃。

圖5為不同發泡溫度與混合料膨脹率、半衰期的關系曲線，根據圖5可以總結出以下幾點：（1）溫拌泡沫瀝青的空隙率隨著發泡溫度的增加而減小，這是因為高溫下瀝青的黏度降低，瀝青與集料的裹覆效果提高，瀝青膜變薄，集料之間的嵌擠程度增強，混合料的結構變得更緊密。（2）發泡溫度對空隙率的影響比發泡用水量的影響更大，這是因為發泡用水量只決定了瀝青的發泡強度，而發泡溫度還決定了瀝青的流動性和混合料的成形溫度。（3）當發泡溫度為159℃時，溫拌泡沫瀝青的空隙率只有3.4%，遠遠低于熱拌瀝青的空隙率，這是因為此時的成形溫度高達146℃，而熱拌瀝青的成形溫度只有135℃。（4）當發泡溫度為149℃時，溫拌泡沫瀝青的空隙率也低于熱拌瀝青的空隙率，這是因為此時的成形溫度與熱拌瀝青的成形溫度相同，為135℃。由此可見，溫拌泡沫瀝青在相同的空隙率下，其成形溫度低于熱拌瀝青，表明溫拌泡沫瀝青更加節能環保。

3 結語

綜上所述，該文以AC-20型泡沫瀝青混合料為研究對象，探討了不同的發泡條件對溫拌泡沫瀝青混合料空隙率的影響，主要得出以下結論：

（1）發泡用水量、發泡溫度可顯著影響泡沫瀝青混合料的膨脹率、半衰期，而膨脹率和半衰期又影響泡沫瀝青與集料的黏結和拌和性能，進而影響混合料的空隙率。發泡用水量和發泡溫度的最佳范圍分別為1.5%～2.0%和149～159℃。

（2）溫拌泡沫瀝青混合料的空隙率與其力學性能和耐久性能密切相關，空隙率越低，混合料的強度、抗水損傷性、抗車轍性、抗疲勞性等性能越好。空隙率與混合料的微觀結構也有關系，空隙率越低，微空隙越多，大空隙越少，混合料的結構越緊密。

（3）在空隙率不變的情況下，溫拌泡沫瀝青混合料的成形溫度低于熱拌瀝青混合料，表明溫拌泡沫瀝青混合料具有節能環保的優勢，是一種值得推廣的新型路面材料。

參考文獻

[1]王杰，鄭鯤鵬，徐劍，等.發泡用水量對泡沫溫拌瀝青混合料力學性能的影響[J].公路交通科技， 2023（8）：1-8.

[2]李海敏.泡沫溫拌瀝青混合料水穩定性影響因素分析[J].福建交通科技， 2022（7）：33-37.

[3]張小榮，荊華龍.基于水基發泡的溫拌瀝青混合料壓實性能試驗研究[J].公路， 2021（9）：79-87.

[4]余暉，鄭炳鋒，黃毅，等.泡沫溫拌再生瀝青混合料力學性能研究[J].中外公路， 2021（4）：277-281.

[5]張攀，于濤.溫拌泡沫瀝青混合料室內試驗研究[J].交通世界， 2020（36）：15-16.