泡沫溫拌瀝青混凝土的生產(chǎn)和使用特性研究

楊博超，胡錦錦

(鄭州財(cái)經(jīng)學(xué)院 土木工程學(xué)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(jié)材料，起到將各種不同粒徑的集料粘結(jié)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(chǎn)。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(zhì)瀝青和硬質(zhì)泡沫瀝青。軟瀝青是屬于石油和瀝青之間的過(guò)渡產(chǎn)物，一般是重質(zhì)石油經(jīng)過(guò)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(shí)具有良好的流動(dòng)性，能更好地滿(mǎn)足溫拌要求，更好地裹附集料，節(jié)省拌和時(shí)間，節(jié)約能源。泡沫溫拌瀝青混合料中所需的硬瀝青即為硬質(zhì)泡沫瀝青，是因?yàn)樵诎韬偷倪^(guò)程中瀝青是以泡沫的形態(tài)注入到集料中的。硬瀝青也稱(chēng)“地瀝青”。是一種可燃性有機(jī)巖，系樹(shù)脂石油和石瀝青的混合物，質(zhì)硬而粘；硬質(zhì)瀝青的硬度要求是其在25 ℃時(shí)的針入度應(yīng)在1～10 mm，并在拌和前將其加熱至熔融狀態(tài)，用特殊的發(fā)泡機(jī)加水發(fā)泡。

集料又稱(chēng)作骨料，骨料又可細(xì)分為細(xì)骨料和粗骨料，是混凝土的主要組成材料之一，在混凝土發(fā)揮作用和承受荷載時(shí)主要起骨架支撐作用并減小水泥等膠凝材料在凝結(jié)以及硬化的過(guò)程中產(chǎn)生干縮濕脹現(xiàn)象引起的體積變化，同時(shí)還作為膠凝材料的廉價(jià)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(fā)泡劑，一般采用碳酸鹽，屬于一種無(wú)機(jī)發(fā)泡劑，分解溫度約為100 ℃～140 ℃，溶于水，幫助瀝青更充分地發(fā)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(shí)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(chǎn)方法

本課題的研究，在生產(chǎn)溫拌泡沫瀝青混合料的過(guò)程中，硬瀝青是以泡沫型態(tài)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(jīng)過(guò)準(zhǔn)確量取的發(fā)泡介質(zhì)，一般是常溫水，注入到高溫液態(tài)瀝青中，常溫水滴與熱熔態(tài)瀝青接觸后，高溫熔態(tài)瀝青和小水團(tuán)發(fā)生熱量交換，使得水分被加熱到100 ℃，與此同時(shí)常溫水也會(huì)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(guò)高其傳遞給小水滴的熱量超過(guò)了液態(tài)水汽的汽化溫度點(diǎn)，從而使得水滴氣化。又因?yàn)樗透邷貫r青是混合在一起，所以蒸汽泡會(huì)在壓力作用下進(jìn)入瀝青內(nèi)部形成膨脹腔孔，而膨脹腔孔空隙里的蒸汽泡則會(huì)在壓力作用下進(jìn)一步高壓壓入到瀝青中和瀝青質(zhì)結(jié)合；隨后伴隨著融合有蒸汽的熱瀝青從泡沫瀝青噴射系統(tǒng)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(gè)氣泡，達(dá)到水蒸氣和瀝青的充分結(jié)合，從而使得瀝青體積急劇膨脹。并且在瀝青膨脹的整個(gè)過(guò)程中，瀝青薄膜表面產(chǎn)生的張力會(huì)與蒸汽膨脹產(chǎn)生的壓力相互抵消直到達(dá)成一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，且由于瀝青與水均具有低導(dǎo)熱性能，所以這種平衡一般地僅能維持住很短的一段時(shí)間：所以瀝青在發(fā)生泡沫生產(chǎn)的進(jìn)程中產(chǎn)生的大量的氣泡一般會(huì)以一種動(dòng)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)的形態(tài)存在，隨后發(fā)泡產(chǎn)生的瀝青泡沫會(huì)因?yàn)閬喎€(wěn)態(tài)形態(tài)的消失而逐漸的破滅，泡沫瀝青也將恢復(fù)原來(lái)的黏度和原來(lái)的體積。通常發(fā)泡的過(guò)程中需要給發(fā)泡瀝青中加入一定的壓力，促進(jìn)氣泡的生成和蒸汽與瀝青的結(jié)合，此過(guò)程需要運(yùn)用專(zhuān)用的泡沫瀝青發(fā)生噴射系統(tǒng)完成[1](如圖1所示)。

(a)泡沫瀝青實(shí)驗(yàn)機(jī)

(b)泡沫瀝青發(fā)泡系統(tǒng)

本課題查閱資料顯示泡沫瀝青在生產(chǎn)地過(guò)程中不會(huì)改變?cè)械貫r青本身的物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)，是因?yàn)楸∧r青在發(fā)泡的過(guò)程中僅僅形態(tài)發(fā)生了改變，而其他并未發(fā)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(tài)的硬質(zhì)瀝青對(duì)高速攪拌狀態(tài)下的濕冷集料在第一階段軟瀝青的包裹下進(jìn)一步地裹覆。泡沫溫拌瀝青混合料與傳統(tǒng)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(jié)作用，而非完全裹覆。這種粘結(jié)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(shí)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(chǎn)方法分兩個(gè)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(dá)良好的裹附效果；第二階段，將硬質(zhì)瀝青加水發(fā)泡，再將泡沫態(tài)的硬質(zhì)瀝青添加到前面進(jìn)行過(guò)初步裹附的集料之中，進(jìn)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(guān)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(wěn)定性

一般來(lái)說(shuō)衡量溫拌泡沫瀝青混合料在使用過(guò)程中的高溫穩(wěn)定性能的實(shí)驗(yàn)方法有很多，但是在一般道路工程中，其主要的指標(biāo)檢測(cè)是溫拌泡沫瀝青混凝土通過(guò)車(chē)轍試驗(yàn)獲得的車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度來(lái)決定的。實(shí)驗(yàn)方法采用標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍實(shí)驗(yàn)，并且經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，一般情況下泡沫溫拌瀝青混合料的車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度要小于熱拌瀝青混合料的車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度。這表明了溫拌泡沫瀝青混凝土的高溫穩(wěn)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(chē)轍深度，使得路面更加平緩。

有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出，影響泡沫性瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性的因素主要包括內(nèi)在因素和外在因素。內(nèi)在因素主要是指材料本身的一些情況，例如混合料拌和過(guò)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(tài)等；外在因素主要包括氣候、交通等的條件。當(dāng)內(nèi)部因素和外部因素一起對(duì)泡沫瀝青混合料產(chǎn)生作用時(shí)，就會(huì)對(duì)瀝青路面產(chǎn)生綜合性影響。瀝青路面高溫穩(wěn)定性不足引起的路面變形不僅會(huì)影響行車(chē)的速度，更會(huì)危害行車(chē)的安全性。所以要針對(duì)影響瀝青高溫穩(wěn)定性的內(nèi)外因素進(jìn)行對(duì)應(yīng)的改善措施：選用高品質(zhì)的集料，適當(dāng)減少瀝青用量，采用合理集料級(jí)配，拌和均勻，充分考慮外在環(huán)境因素注意路面養(yǎng)護(hù)。

3.2 低溫穩(wěn)定性

泡沫溫拌瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性是指泡沫溫拌瀝青混合料在低溫環(huán)境中不出現(xiàn)低溫脆化現(xiàn)象，不出現(xiàn)低溫縮裂現(xiàn)象，不出現(xiàn)溫度疲勞現(xiàn)象等會(huì)導(dǎo)致溫拌泡沫瀝青混凝土出現(xiàn)低溫裂縫的性能[4]。在寒冷情況下，低溫開(kāi)裂病害是溫拌泡沫瀝青混凝土路面的主要道路病害類(lèi)型之一。當(dāng)溫度迅速降低時(shí)，溫拌泡沫瀝青混凝土內(nèi)部會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)積累大量的溫度應(yīng)力,由于時(shí)間過(guò)短,積累的應(yīng)力就會(huì)來(lái)不及松弛,從而使得溫拌泡沫瀝青混凝土出現(xiàn)裂縫。所以，在一定程度上,可以說(shuō)瀝青材料的溫度敏感性、低溫穩(wěn)定性和流變性決定了瀝青混合料的低溫性能，而這些性質(zhì)又受到膠結(jié)料、集料級(jí)配類(lèi)型及空隙率的影響。所以瀝青的選擇、級(jí)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(chǔ)材料，在攪拌泡沫瀝青混合料時(shí)一定要選定合適的材料和配比。

3.3 水穩(wěn)定性

水穩(wěn)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(guò)程中若鋪墊層中有水分存在，則在汽車(chē)動(dòng)態(tài)荷載的作用下，進(jìn)入到溫拌泡沫瀝青混凝土路面空隙中的水會(huì)不斷地產(chǎn)生動(dòng)態(tài)水壓力和真空負(fù)壓抽吸吸力，且兩種作用還會(huì)反復(fù)循環(huán)發(fā)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(jié)能力。繼而，溫拌泡沫瀝青薄膜將從集料的表面脫落下來(lái)，溫拌泡沫瀝青混凝土就會(huì)出現(xiàn)掉?，F(xiàn)象，整個(gè)溫拌泡沫瀝青混凝土路面也將會(huì)越來(lái)越松散，溫拌泡沫瀝青混凝路面會(huì)出現(xiàn)坑槽等損壞現(xiàn)象。

對(duì)于一般的瀝青作為硬質(zhì)泡沫瀝青發(fā)泡瀝青時(shí)，會(huì)加入纖維料以改善瀝青混凝土的水穩(wěn)性性能，這主要是因?yàn)榧尤氲睦w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(qiáng)。如果使用改性瀝青作為硬質(zhì)泡沫瀝青的發(fā)泡瀝青則不需要加入纖維，因?yàn)楦男詾r青本身就具有較強(qiáng)的水穩(wěn)定性。同時(shí)需要注意集料的級(jí)配，一般選用密集級(jí)配，這是由于集料級(jí)配越細(xì)，細(xì)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(qiáng)，溫拌泡沫瀝青混凝土的水穩(wěn)定性性能的改善幅度就會(huì)越大。浸水車(chē)轍試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)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(wěn)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(wěn)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(jí)配，以保證混合料具有良好的性能。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(lèi)似，均需要骨料及瀝青，瀝青選用溫拌泡沫瀝青。通過(guò)發(fā)泡裝置將采用溫拌形式生產(chǎn)的瀝青發(fā)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(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)擁有良好的高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)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(guò)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(yōu)。作為一種優(yōu)秀的新型綠色建筑混凝土材料，其擁有綠色、環(huán)保、資源利用率較高等特點(diǎn)，符合國(guó)家綠色可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，泡沫溫拌瀝青混凝土還有更加巨大的發(fā)展空間。

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