2022-08-30
 
泡沫沥青冷再生技术研究综述
2022年08月30日   阅读量:49218

摘要:泡沫沥青冷再生技术在沥青路面维修改建工程中具有环境影响小、施工效率高及投入低等优点,具有广泛的应用前景。本文主要梳理了泡沫沥青冷再生技术发展的历史进程,简述了泡沫沥青冷再生混合料的性能影响因素,又分别介绍了泡沫沥青冷再生混合料压实和养生技术,并对泡沫沥青冷再生混合料的工程性能现有研究进展和应用实例进行了分析与展示。最后对泡沫沥青冷再生技术未来前景进行展望沥青网sinoasphalt.com


关键词:泡沫沥青;发泡原理;冷再生混合料;工程性质;发展前景


0 引言


随着我国经济的发展,公路以及城市道路的交通量日益增大,许多采用沥青铺筑的高速公路以及其他城市道路逐渐开始进入维修期并逐渐出现了各种的病害。目前我国许多公路以及城市道路的规划建设期逐渐向建设和维修道路的养护期进一步过渡。对于破损严重的路面或者需要进行改建的道路,应用泡沫沥青冷再生技术会是一个不错的选择[1]。


与传统的道路维修养护技术相比较,泡沫沥青冷再生技术不仅具有节能环保的优点而且还可以大大降低道路维修养护成本。该技术有利于保护水土资源减少环境污染。具体优点总结如下:


1、该技术可以节省集料和沥青,从而减少道路维修养护花费;


2、该技术由于沥青在拌和时不需要进行加热集料,所以起到了环保和节约能源的重要作用,并且同时还可以大大提高了施工的效率;


3、该技术的施工过程效率高,可以快速地修复老旧道路,处理的路面具有早期强度高的道路特点,从而可以迅速地开放交通;


4、该技术应用后可以有效实现对废弃石料的高效回收和再利用,节约资源和可再生能源,并且有效减少对环境的污染;


5、该技术可处理多种类型的路面材料,并且可以增强材料的稳定性与强度。


泡沫沥青冷再生技术可以实现废弃石料、旧路面的回收利用,从而在节约了材料的同时也减少了对环境的影响。此外泡沫沥青冷再生技术在生产摊铺过程中是在常温条件下进行的,沥青以及集料都不需要加热,因此不会有沥青烟等有害物质产生,从而降低了有毒污染物的排放。相比热拌沥青混合料,采用泡沫沥青冷再生技术可以节约加热能源 50%以上,同时对二氧化碳的平均排放量将大幅减少 50%以上,因此也起到了节能减排方面做出突出贡献[2]。


1 泡沫沥青冷再生技术历史进程


要掌握泡沫沥青冷再生技术,首先应该对泡沫沥青的发展历史有一定的了解。泡沫沥青这一概念最早由美国教授 Csanyi 与 20 世纪50 年代后期提出并首次研发了相关的制备工艺与设备,这也是泡沫沥青的起源。在 Csanyi教授的装置中,他将蒸汽通过技术手段压入基质沥青中,经过一定时间的发泡过程后,沥青体积膨胀能与集料产生优异的裹附作用,即使是使用质量较差的集料也会有较好的力学性能[3]。图1 为泡沫沥青的初始制备装置。

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1968年,Mobil公司成功竞争到泡沫沥青的相关专利权,并对此进行进一步的改良,才使得泡沫沥青逐渐在全球得以推广[2]。该公司将制备不便的蒸汽改为便于大规模应用的冷水,在发泡仓混合形成新型泡沫沥青,使得泡沫沥青具有更强的适用性,同时降低了生产成本以及制备工艺难度。至此之后,泡沫沥青在全球十几个国家得到了广泛的应用。


20 世纪 90 年代,Kendal 和 Ramanuajam等[4]首次提出用泡沫沥青进行冷再生技术的研发,并修筑了多条试验段,试验结果显示:泡沫沥青冷再生技术可以增强路面结构抗疲劳性能。Jenkins 等[5]系统地研究了泡沫沥青的发泡特性并针对冷再生混合料的设计提出了相应的设计方法,同时在当地修筑了多条实体工程路面取得了良好的效果。20世纪末,挪威、南非、德国等国家通过大量试验对泡沫沥青技术进行了多方位的探索[7],在各国内开始试验段的建设,为泡沫沥青冷再生技术奠定了深厚的发展基础。


德国维特根公司制定了较为完善的制备规程与方案。2004年,维特根冷再生技术手册在全球范围内得到了广泛的认可与借鉴[6]。在此基础上,各国针对泡沫沥青冷再生的施工技术制定了较为完善的规范,并通过大量实体工程进行优化,未来泡沫沥青冷再生技术的发展也是不容小觑的。


我国高速公路自八十年代开始发展,故而国内对泡沫沥青冷再生混合料的研究较晚,至上世纪九十年代初才开始进行相关的科研工作。山西省阳泉市于 1991 年率先开始进行尝试性应用,发现泡沫沥青可以改善集料与沥青间的粘附从而可以降低一定程度的沥青用量[7]。我国第一条泡沫沥青试验路由上海浦东路桥建设股份有限公司在无锡进行铺筑,为泡沫沥青的实际应用奠定了重要工程基础。此后,交通运输部于 2008 年制定再生技术规范,各省市也纷纷根据此规范制定相应的规程,为泡沫沥青在国内的进一步发展提供了指导,泡沫沥青冷再生技术体系开始逐渐完善。


2 泡沫沥青冷再生混合料性能影响因素的研究


泡沫沥青简单而言,就是在高压环境下向热沥青中注入少量的水和空气而形成的蜂窝状的沥青结构,其整个变化过程未发生化学变化,仅仅只是产物的体积比原沥青体积增大了数倍[1,8]。而泡沫沥青冷再生技术便是将泡沫沥青喷入一些破碎料和其他添加物组成的混合物中制成泡沫沥青混合料从而实现了对废料再生利用的技术[9]。使用该技术既可以处理废料,又能为道路建设提供原材料,能带来巨大的经济和环境收益。


2.1 泡沫沥青的研究


泡沫沥青与普通沥青不同,普通沥青在制成沥青混合料时无论是温拌技术还是热拌技术都需要对集料进行加热,而泡沫沥青可以直接与集料进行拌和,这与泡沫沥青的发泡特性有关。泡沫沥青的研究重点应该就是找到沥青合适的发泡条件,从而生产出符合要求的泡沫沥青。


2.1.1 发泡原理


在找到合适的发泡条件前,需掌握泡沫沥青的发泡原理。沥青的发泡就是先将沥青加热达到140℃左右,同时将沥青、高压的空气以及少量的高压水同时注入到膨胀腔内,当水接触热沥青后会迅速气化,沥青包裹水汽后形成沥青泡,而沥青泡和一些未包裹水汽的沥青混合在一起被喷出膨胀腔的产物就是宏观上的泡沫沥青,具体的生产流程如图 2 所示[1]。

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由泡沫沥青的发泡原理可以对后续发生的变化进行推导,沥青体积膨胀的过程实际上是在高压环境中实现的,沥青泡所包裹的水汽的压强远大于大气压强,因而在被喷出膨胀腔之后,沥青泡在内外气压差的作用下将继续膨胀。不过沥青泡也不是无限膨胀下去的,膨胀到一定的程度后就将破裂,这个也就是泡沫沥青从膨胀到衰减的全过程。由此可见,泡沫沥青实际上是处于一个不太稳定的状态,所以在实际工程中,泡沫沥青一般都是生产之后就在短时间内与集料和其他添加物质按一定的比例进行混合制成泡沫沥青混合料。


2.1.2 发泡的评价指标及影响因素


关于泡沫沥青,最为重要的就是其发泡的效果如何,而评价其发泡效果的技术指标便是膨胀比和半衰期。膨胀比是指沥青发泡时达到的最大体积与沥青发泡前原体积的比值,半衰期是指沥青发泡达到最大体积的时刻至泡沫消散到最大体积一半时所需的时间[10]。一般来说,大家都期望能生产出膨胀比大、半衰期长的泡沫沥青,有的学者也认为发泡效果好的沥青应该要满足膨胀比超过8、半衰期大于20s 这两个条件[11]。根据已有的研究来看,沥青的发泡效果主要受到以下因素的共同影响。

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首先,原沥青的种类会影响到沥青的发泡效果,不同的沥青,其他条件相同的情况下其发泡效果也有所差异,有的沥青甚至还不能发泡。栗关裔[1]发现常规技术指标相同的不同油源的沥青发泡效果也会存在较大的差异。拾方治[12]对比了四款70 号沥青(壳牌、中海、韩国、埃索)在同样条件下的发泡效果,得出结论壳牌AH-70号沥青的发泡效果优于其他几个品种。由此可见沥青种类确实会影响发泡效果,但以上研究者没有深入分析沥青种类是怎么样影响发泡效果的。Mark[13]发现原样沥青中蜡的存在能够延长泡沫沥青的半衰期。而蜡的存在对沥青的工程性能会有不利的影响,因此目前关于沥青种类具体是如何影响沥青的发泡效果还有待深究。


此外,用水量也是影响沥青发泡效果的一个重大因素。在用水量小于5%时,泡沫沥青的最大膨胀比是随着用水量的增加而增加的,半衰期则随着用水量的增加而减少[3]。因此,在综合考虑用水量对两者的影响后便能找到一个最能满足要求的用水量,对此我们称之为最佳用水量。对于最佳用水量的选择,一般是先在同一个图上画出膨胀比、半衰期各自随着用水量的变化曲线,然后分别找到要求的最小膨胀比、最小半衰期应的用水量值,最佳用水量值即为这两个用水量值的平均值[14]。


基质沥青的温度也会影响到沥青的发泡效果。若沥青被喷入膨胀腔的温度过低,则沥青的膨胀比非常小,因此其发泡效果也就差。何桂平等人[3]研究发现,不同加水量下,温度所能影响的指标有所区别,加水量1%时,温度主要影响半衰期,而加水量达到3%以上时,温度主要影响膨胀比,并在170℃的条件下能达到最大膨胀比。因此,温度对发泡效果的影响应与用水量综合起来考虑。


根据上述各项因素对发泡效果的影响,可以得出以下结论,用水量是泡沫沥青发泡效果的核心影响因素,沥青温度和气压都是相对次要的影响因素,要生产出符合预期要求的发泡沥青核心就是要控制其用水量。


2.1.3 泡沫沥青用量对再生混合料性能的影响


如同沥青用量会影响到普通沥青混合料性能一样,泡沫沥青的用量也会对冷再生混合料的性能造成极大的影响。拾方治等人[14]对比了不同泡沫沥青掺量对再生混合料疲劳强度的影响,结果表明随着泡沫沥青掺量的增加,冷再生混合料的疲劳寿命也相应的增加了,但泡沫沥青用量超过 3%以后再生混合料的抗疲劳次数增幅就明显减小了。李秀军[15]研究了两种沥青制作的泡沫沥青含量对冷再生混合料抗剪强度的影响,在泡沫沥青用量超过2.5%之后两种混合料的抗剪强度都会随着沥青用量的增加而下降。Marek Iwaski[16]等人研究某一特定泡沫沥青含量对混合料性能的影响,发现在该种泡沫沥青掺量为 2.5%的时候对应的混合料马歇尔稳定度到达最大值,随后便随着泡沫沥青用量的增加开始下降。虽然再生混合料中泡沫沥青用量远小于集料用量,但绝不能忽视泡沫沥青用量对其性能的影响,泡沫沥青既不能过多也不能过少。在再生混合料配合比设计阶段,应综合考虑沥青用量对其各种性能的影响,找到合适的泡沫沥青用量。


2.2 水对再生混合料性能影响研究


与普通热拌沥青混合料不同,泡沫沥青混合料的拌合用水量对拌合效果及达到设计的压实度影响较大,需要加入合适比例的水,才能使泡沫沥青达到一个较好的分散效果,不至于出现结团现象,使混合料具备较好的和易性。作为一个重要组成部分,水的作用主要是将结团集料分散,水量过多或者过少都将对混合料的强度造成一定影响,研究表明用水量一般建议为最佳用水量的65%-85%[16]。


徐金枝[17]在研究中按照最佳用水量的100%和50%进行试验,结果表明拌合用水量较大时,水膜较厚,泡沫沥青难以裹附集料,沥青发生结团,且粒径较大,砂浆团粒黏附在大颗粒集料表面,使混合料的性能下降,阻碍泡沫沥青的分散。拌合用水量过小时,也会出现类似结团现象,泡沫沥青的分布不均使混合料整体性能出现下降。中外学者和机构对冷再生泡沫沥青混合料拌合用水量作了相关研究,取得了一定进展,国内外关于拌合用水量的计算方法有所区别。陈卓在研究中通过室内击实试验,采用无机结合料的击实试验方法,取击实试验所得结果的 80%作为最佳拌合用水量。由以上研究得知,泡沫沥青混合料拌和用水量大致在最佳含水量的80%左右。拌合用水量的确定对于泡沫沥青混合料性能的影响十分关键,因此在施工时必须严格控制拌合用水量的大小。


2.3 温度对再生混合料性能的影响


前文已经提过温度首先就是会影响到泡沫沥青的发泡效果,具体又可以表现为沥青温度和水温的影响。温度对再生混合料性能影响的研究对沥青混合料摊铺、碾压、后期使用同样具有重要意义。栗关裔[1]基于半衰期及膨胀量指标对沥青发泡特性进行研究,明确了温度对沥青发泡特性的影响,不同温度对不同类型沥青发泡特性的变化规律如图 3 所示,李俊晓[19]对华腾沥青进行了发泡试验,发现水温从 20℃到60℃温度逐渐升高时沥青发泡指标膨胀量及半衰期均有所增加。除温度对沥青发泡特性产生影响外,集料、矿料的温度还会对混合料性能特性产生影响。集料温度升高能使泡沫沥青更充分地裹覆细集料[23]。史艺红[20]研究了 RAP 温度变化与泡沫沥青冷再生混合料性能之间的变化规律,结果发现混合料干湿劈裂强度随温度增加而增大。赖石安等[21]研究了集料拌和温度对泡沫沥青劈裂强度的影响,结果表明其劈裂强度随拌和温度增加而增加。虽说泡沫沥青冷再生混合料与普通沥青混合料最大的区别之一在于泡沫沥青可以和冷集料直接混合,省去了集料加热的步骤,但为了生产出性能更好的冷再生混合料,对集料进行适当的加热也是可行的。

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3 前景展望


当前,节约能源利用和保护环境已经发展成为新的时代对各个相关行业的新技术要求。由于交通的建设能源利用领域在世界和我国的能源消耗中总量占比较大,因此也将其视为节能环保与减排的一个重点研究和实施的领域。而泡沫沥青冷回收再生综合利用技术实现了废旧路面回收再综合利用,变废为宝,避免了废弃物的大量堆放,减少了对环境的影响,实现了节约能源保护环境的目的。利用该技术积极响应了党和国家的政策号召,符合当前市场经济时代对于交通节能环保的技术要求,因此该技术发展与推广应用的前景十分广阔。


我国在公路以及城市道路泡沫沥青冷再生相关技术上的应用和研究已经取得了一定的成果和进展,并且已经成功地在试点的道路上进行了应用,在目前绿色公路理念的引领下,在我国高速公路需要定期进行大规模的维修以及养护的实际背景下,泡沫沥青冷再生的技术在未来一定的时间将会在我国得到更加广泛的研究和应用。

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