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摘要：泡沫瀝青冷再生技術(shù)在瀝青路面維修改建工程中具有環(huán)境影響小、施工效率高及投入低等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景。本文主要梳理了泡沫瀝青冷再生技術(shù)發(fā)展的歷史進程，簡述了泡沫瀝青冷再生混合料的性能影響因素，又分別介紹了泡沫瀝青冷再生混合料壓實和養(yǎng)生技術(shù)，并對泡沫瀝青冷再生混合料的工程性能現(xiàn)有研究進展和應(yīng)用實例進行了分析與展示。最后對泡沫瀝青冷再生技術(shù)未來前景進行展望瀝青網(wǎng)sinoasphalt.com。

關(guān)鍵詞：泡沫瀝青；發(fā)泡原理；冷再生混合料；工程性質(zhì)；發(fā)展前景

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，公路以及城市道路的交通量日益增大，許多采用瀝青鋪筑的高速公路以及其他城市道路逐漸開始進入維修期并逐漸出現(xiàn)了各種的病害。目前我國許多公路以及城市道路的規(guī)劃建設(shè)期逐漸向建設(shè)和維修道路的養(yǎng)護期進一步過渡。對于破損嚴(yán)重的路面或者需要進行改建的道路，應(yīng)用泡沫瀝青冷再生技術(shù)會是一個不錯的選擇[1]。

與傳統(tǒng)的道路維修養(yǎng)護技術(shù)相比較，泡沫瀝青冷再生技術(shù)不僅具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點而且還可以大大降低道路維修養(yǎng)護成本。該技術(shù)有利于保護水土資源減少環(huán)境污染。具體優(yōu)點總結(jié)如下：

1、該技術(shù)可以節(jié)省集料和瀝青，從而減少道路維修養(yǎng)護花費；

2、該技術(shù)由于瀝青在拌和時不需要進行加熱集料，所以起到了環(huán)保和節(jié)約能源的重要作用，并且同時還可以大大提高了施工的效率；

3、該技術(shù)的施工過程效率高，可以快速地修復(fù)老舊道路，處理的路面具有早期強度高的道路特點，從而可以迅速地開放交通；

4、該技術(shù)應(yīng)用后可以有效實現(xiàn)對廢棄石料的高效回收和再利用，節(jié)約資源和可再生能源，并且有效減少對環(huán)境的污染；

5、該技術(shù)可處理多種類型的路面材料，并且可以增強材料的穩(wěn)定性與強度。

泡沫瀝青冷再生技術(shù)可以實現(xiàn)廢棄石料、舊路面的回收利用，從而在節(jié)約了材料的同時也減少了對環(huán)境的影響。此外泡沫瀝青冷再生技術(shù)在生產(chǎn)攤鋪過程中是在常溫條件下進行的，瀝青以及集料都不需要加熱，因此不會有瀝青煙等有害物質(zhì)產(chǎn)生，從而降低了有毒污染物的排放。相比熱拌瀝青混合料，采用泡沫瀝青冷再生技術(shù)可以節(jié)約加熱能源 50%以上，同時對二氧化碳的平均排放量將大幅減少 50%以上，因此也起到了節(jié)能減排方面做出突出貢獻[2]。

1 泡沫瀝青冷再生技術(shù)歷史進程

要掌握泡沫瀝青冷再生技術(shù)，首先應(yīng)該對泡沫瀝青的發(fā)展歷史有一定的了解。泡沫瀝青這一概念最早由美國教授 Csanyi 與 20 世紀(jì)50 年代后期提出并首次研發(fā)了相關(guān)的制備工藝與設(shè)備，這也是泡沫瀝青的起源。在 Csanyi教授的裝置中，他將蒸汽通過技術(shù)手段壓入基質(zhì)瀝青中，經(jīng)過一定時間的發(fā)泡過程后，瀝青體積膨脹能與集料產(chǎn)生優(yōu)異的裹附作用，即使是使用質(zhì)量較差的集料也會有較好的力學(xué)性能[3]。圖1 為泡沫瀝青的初始制備裝置。

1968年，Mobil公司成功競爭到泡沫瀝青的相關(guān)專利權(quán)，并對此進行進一步的改良，才使得泡沫瀝青逐漸在全球得以推廣[2]。該公司將制備不便的蒸汽改為便于大規(guī)模應(yīng)用的冷水，在發(fā)泡倉混合形成新型泡沫瀝青，使得泡沫瀝青具有更強的適用性，同時降低了生產(chǎn)成本以及制備工藝難度。至此之后，泡沫瀝青在全球十幾個國家得到了廣泛的應(yīng)用。

20 世紀(jì) 90 年代，Kendal 和 Ramanuajam等[4]首次提出用泡沫瀝青進行冷再生技術(shù)的研發(fā)，并修筑了多條試驗段，試驗結(jié)果顯示：泡沫瀝青冷再生技術(shù)可以增強路面結(jié)構(gòu)抗疲勞性能。Jenkins 等[5]系統(tǒng)地研究了泡沫瀝青的發(fā)泡特性并針對冷再生混合料的設(shè)計提出了相應(yīng)的設(shè)計方法，同時在當(dāng)?shù)匦拗硕鄺l實體工程路面取得了良好的效果。20世紀(jì)末，挪威、南非、德國等國家通過大量試驗對泡沫瀝青技術(shù)進行了多方位的探索[7]，在各國內(nèi)開始試驗段的建設(shè)，為泡沫瀝青冷再生技術(shù)奠定了深厚的發(fā)展基礎(chǔ)。

德國維特根公司制定了較為完善的制備規(guī)程與方案。2004年，維特根冷再生技術(shù)手冊在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的認(rèn)可與借鑒[6]。在此基礎(chǔ)上，各國針對泡沫瀝青冷再生的施工技術(shù)制定了較為完善的規(guī)范，并通過大量實體工程進行優(yōu)化，未來泡沫瀝青冷再生技術(shù)的發(fā)展也是不容小覷的。

我國高速公路自八十年代開始發(fā)展，故而國內(nèi)對泡沫瀝青冷再生混合料的研究較晚，至上世紀(jì)九十年代初才開始進行相關(guān)的科研工作。山西省陽泉市于 1991 年率先開始進行嘗試性應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)泡沫瀝青可以改善集料與瀝青間的粘附從而可以降低一定程度的瀝青用量[7]。我國第一條泡沫瀝青試驗路由上海浦東路橋建設(shè)股份有限公司在無錫進行鋪筑，為泡沫瀝青的實際應(yīng)用奠定了重要工程基礎(chǔ)。此后，交通運輸部于 2008 年制定再生技術(shù)規(guī)范，各省市也紛紛根據(jù)此規(guī)范制定相應(yīng)的規(guī)程，為泡沫瀝青在國內(nèi)的進一步發(fā)展提供了指導(dǎo)，泡沫瀝青冷再生技術(shù)體系開始逐漸完善。

2 泡沫瀝青冷再生混合料性能影響因素的研究

泡沫瀝青簡單而言，就是在高壓環(huán)境下向熱瀝青中注入少量的水和空氣而形成的蜂窩狀的瀝青結(jié)構(gòu)，其整個變化過程未發(fā)生化學(xué)變化，僅僅只是產(chǎn)物的體積比原瀝青體積增大了數(shù)倍[1，8]。而泡沫瀝青冷再生技術(shù)便是將泡沫瀝青噴入一些破碎料和其他添加物組成的混合物中制成泡沫瀝青混合料從而實現(xiàn)了對廢料再生利用的技術(shù)[9]。使用該技術(shù)既可以處理廢料，又能為道路建設(shè)提供原材料，能帶來巨大的經(jīng)濟和環(huán)境收益。

2.1 泡沫瀝青的研究

泡沫瀝青與普通瀝青不同，普通瀝青在制成瀝青混合料時無論是溫拌技術(shù)還是熱拌技術(shù)都需要對集料進行加熱，而泡沫瀝青可以直接與集料進行拌和，這與泡沫瀝青的發(fā)泡特性有關(guān)。泡沫瀝青的研究重點應(yīng)該就是找到瀝青合適的發(fā)泡條件，從而生產(chǎn)出符合要求的泡沫瀝青。

2.1.1 發(fā)泡原理

在找到合適的發(fā)泡條件前，需掌握泡沫瀝青的發(fā)泡原理。瀝青的發(fā)泡就是先將瀝青加熱達到140℃左右，同時將瀝青、高壓的空氣以及少量的高壓水同時注入到膨脹腔內(nèi)，當(dāng)水接觸熱瀝青后會迅速氣化，瀝青包裹水汽后形成瀝青泡，而瀝青泡和一些未包裹水汽的瀝青混合在一起被噴出膨脹腔的產(chǎn)物就是宏觀上的泡沫瀝青，具體的生產(chǎn)流程如圖 2 所示[1]。

由泡沫瀝青的發(fā)泡原理可以對后續(xù)發(fā)生的變化進行推導(dǎo)，瀝青體積膨脹的過程實際上是在高壓環(huán)境中實現(xiàn)的，瀝青泡所包裹的水汽的壓強遠大于大氣壓強，因而在被噴出膨脹腔之后，瀝青泡在內(nèi)外氣壓差的作用下將繼續(xù)膨脹。不過瀝青泡也不是無限膨脹下去的，膨脹到一定的程度后就將破裂，這個也就是泡沫瀝青從膨脹到衰減的全過程。由此可見，泡沫瀝青實際上是處于一個不太穩(wěn)定的狀態(tài)，所以在實際工程中，泡沫瀝青一般都是生產(chǎn)之后就在短時間內(nèi)與集料和其他添加物質(zhì)按一定的比例進行混合制成泡沫瀝青混合料。

2.1.2 發(fā)泡的評價指標(biāo)及影響因素

關(guān)于泡沫瀝青，最為重要的就是其發(fā)泡的效果如何，而評價其發(fā)泡效果的技術(shù)指標(biāo)便是膨脹比和半衰期。膨脹比是指瀝青發(fā)泡時達到的最大體積與瀝青發(fā)泡前原體積的比值，半衰期是指瀝青發(fā)泡達到最大體積的時刻至泡沫消散到最大體積一半時所需的時間[10]。一般來說，大家都期望能生產(chǎn)出膨脹比大、半衰期長的泡沫瀝青，有的學(xué)者也認(rèn)為發(fā)泡效果好的瀝青應(yīng)該要滿足膨脹比超過8、半衰期大于20s 這兩個條件[11]。根據(jù)已有的研究來看，瀝青的發(fā)泡效果主要受到以下因素的共同影響。

首先，原瀝青的種類會影響到瀝青的發(fā)泡效果，不同的瀝青，其他條件相同的情況下其發(fā)泡效果也有所差異，有的瀝青甚至還不能發(fā)泡。栗關(guān)裔[1]發(fā)現(xiàn)常規(guī)技術(shù)指標(biāo)相同的不同油源的瀝青發(fā)泡效果也會存在較大的差異。拾方治[12]對比了四款70 號瀝青（殼牌、中海、韓國、埃索）在同樣條件下的發(fā)泡效果，得出結(jié)論殼牌AH-70號瀝青的發(fā)泡效果優(yōu)于其他幾個品種。由此可見瀝青種類確實會影響發(fā)泡效果，但以上研究者沒有深入分析瀝青種類是怎么樣影響發(fā)泡效果的。Mark[13]發(fā)現(xiàn)原樣瀝青中蠟的存在能夠延長泡沫瀝青的半衰期。而蠟的存在對瀝青的工程性能會有不利的影響，因此目前關(guān)于瀝青種類具體是如何影響瀝青的發(fā)泡效果還有待深究。

此外，用水量也是影響瀝青發(fā)泡效果的一個重大因素。在用水量小于5%時，泡沫瀝青的最大膨脹比是隨著用水量的增加而增加的，半衰期則隨著用水量的增加而減少[3]。因此，在綜合考慮用水量對兩者的影響后便能找到一個最能滿足要求的用水量，對此我們稱之為最佳用水量。對于最佳用水量的選擇，一般是先在同一個圖上畫出膨脹比、半衰期各自隨著用水量的變化曲線，然后分別找到要求的最小膨脹比、最小半衰期應(yīng)的用水量值，最佳用水量值即為這兩個用水量值的平均值[14]。

基質(zhì)瀝青的溫度也會影響到瀝青的發(fā)泡效果。若瀝青被噴入膨脹腔的溫度過低，則瀝青的膨脹比非常小，因此其發(fā)泡效果也就差。何桂平等人[3]研究發(fā)現(xiàn)，不同加水量下，溫度所能影響的指標(biāo)有所區(qū)別，加水量1%時，溫度主要影響半衰期，而加水量達到3%以上時，溫度主要影響膨脹比，并在170℃的條件下能達到最大膨脹比。因此，溫度對發(fā)泡效果的影響應(yīng)與用水量綜合起來考慮。

根據(jù)上述各項因素對發(fā)泡效果的影響，可以得出以下結(jié)論，用水量是泡沫瀝青發(fā)泡效果的核心影響因素，瀝青溫度和氣壓都是相對次要的影響因素，要生產(chǎn)出符合預(yù)期要求的發(fā)泡瀝青核心就是要控制其用水量。

2.1.3 泡沫瀝青用量對再生混合料性能的影響

如同瀝青用量會影響到普通瀝青混合料性能一樣，泡沫瀝青的用量也會對冷再生混合料的性能造成極大的影響。拾方治等人[14]對比了不同泡沫瀝青摻量對再生混合料疲勞強度的影響，結(jié)果表明隨著泡沫瀝青摻量的增加，冷再生混合料的疲勞壽命也相應(yīng)的增加了，但泡沫瀝青用量超過 3%以后再生混合料的抗疲勞次數(shù)增幅就明顯減小了。李秀軍[15]研究了兩種瀝青制作的泡沫瀝青含量對冷再生混合料抗剪強度的影響，在泡沫瀝青用量超過2.5%之后兩種混合料的抗剪強度都會隨著瀝青用量的增加而下降。Marek Iwaski[16]等人研究某一特定泡沫瀝青含量對混合料性能的影響，發(fā)現(xiàn)在該種泡沫瀝青摻量為 2.5%的時候?qū)?yīng)的混合料馬歇爾穩(wěn)定度到達最大值，隨后便隨著泡沫瀝青用量的增加開始下降。雖然再生混合料中泡沫瀝青用量遠小于集料用量，但絕不能忽視泡沫瀝青用量對其性能的影響，泡沫瀝青既不能過多也不能過少。在再生混合料配合比設(shè)計階段，應(yīng)綜合考慮瀝青用量對其各種性能的影響，找到合適的泡沫瀝青用量。

2.2 水對再生混合料性能影響研究

與普通熱拌瀝青混合料不同，泡沫瀝青混合料的拌合用水量對拌合效果及達到設(shè)計的壓實度影響較大，需要加入合適比例的水，才能使泡沫瀝青達到一個較好的分散效果，不至于出現(xiàn)結(jié)團現(xiàn)象，使混合料具備較好的和易性。作為一個重要組成部分，水的作用主要是將結(jié)團集料分散，水量過多或者過少都將對混合料的強度造成一定影響，研究表明用水量一般建議為最佳用水量的65%-85%[16]。

徐金枝[17]在研究中按照最佳用水量的100%和50%進行試驗，結(jié)果表明拌合用水量較大時，水膜較厚，泡沫瀝青難以裹附集料，瀝青發(fā)生結(jié)團，且粒徑較大，砂漿團粒黏附在大顆粒集料表面，使混合料的性能下降，阻礙泡沫瀝青的分散。拌合用水量過小時，也會出現(xiàn)類似結(jié)團現(xiàn)象，泡沫瀝青的分布不均使混合料整體性能出現(xiàn)下降。中外學(xué)者和機構(gòu)對冷再生泡沫瀝青混合料拌合用水量作了相關(guān)研究，取得了一定進展，國內(nèi)外關(guān)于拌合用水量的計算方法有所區(qū)別。陳卓在研究中通過室內(nèi)擊實試驗，采用無機結(jié)合料的擊實試驗方法，取擊實試驗所得結(jié)果的 80%作為最佳拌合用水量。由以上研究得知，泡沫瀝青混合料拌和用水量大致在最佳含水量的80%左右。拌合用水量的確定對于泡沫瀝青混合料性能的影響十分關(guān)鍵，因此在施工時必須嚴(yán)格控制拌合用水量的大小。

2.3 溫度對再生混合料性能的影響

前文已經(jīng)提過溫度首先就是會影響到泡沫瀝青的發(fā)泡效果，具體又可以表現(xiàn)為瀝青溫度和水溫的影響。溫度對再生混合料性能影響的研究對瀝青混合料攤鋪、碾壓、后期使用同樣具有重要意義。栗關(guān)裔[1]基于半衰期及膨脹量指標(biāo)對瀝青發(fā)泡特性進行研究，明確了溫度對瀝青發(fā)泡特性的影響，不同溫度對不同類型瀝青發(fā)泡特性的變化規(guī)律如圖 3 所示，李俊曉[19]對華騰瀝青進行了發(fā)泡試驗，發(fā)現(xiàn)水溫從 20℃到60℃溫度逐漸升高時瀝青發(fā)泡指標(biāo)膨脹量及半衰期均有所增加。除溫度對瀝青發(fā)泡特性產(chǎn)生影響外，集料、礦料的溫度還會對混合料性能特性產(chǎn)生影響。集料溫度升高能使泡沫瀝青更充分地裹覆細(xì)集料[23]。史藝紅[20]研究了 RAP 溫度變化與泡沫瀝青冷再生混合料性能之間的變化規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)混合料干濕劈裂強度隨溫度增加而增大。賴石安等[21]研究了集料拌和溫度對泡沫瀝青劈裂強度的影響，結(jié)果表明其劈裂強度隨拌和溫度增加而增加。雖說泡沫瀝青冷再生混合料與普通瀝青混合料最大的區(qū)別之一在于泡沫瀝青可以和冷集料直接混合，省去了集料加熱的步驟，但為了生產(chǎn)出性能更好的冷再生混合料，對集料進行適當(dāng)?shù)募訜嵋彩强尚械摹?/p>

3 前景展望

當(dāng)前，節(jié)約能源利用和保護環(huán)境已經(jīng)發(fā)展成為新的時代對各個相關(guān)行業(yè)的新技術(shù)要求。由于交通的建設(shè)能源利用領(lǐng)域在世界和我國的能源消耗中總量占比較大，因此也將其視為節(jié)能環(huán)保與減排的一個重點研究和實施的領(lǐng)域。而泡沫瀝青冷回收再生綜合利用技術(shù)實現(xiàn)了廢舊路面回收再綜合利用，變廢為寶，避免了廢棄物的大量堆放，減少了對環(huán)境的影響，實現(xiàn)了節(jié)約能源保護環(huán)境的目的。利用該技術(shù)積極響應(yīng)了黨和國家的政策號召，符合當(dāng)前市場經(jīng)濟時代對于交通節(jié)能環(huán)保的技術(shù)要求，因此該技術(shù)發(fā)展與推廣應(yīng)用的前景十分廣闊。

我國在公路以及城市道路泡沫瀝青冷再生相關(guān)技術(shù)上的應(yīng)用和研究已經(jīng)取得了一定的成果和進展，并且已經(jīng)成功地在試點的道路上進行了應(yīng)用，在目前綠色公路理念的引領(lǐng)下，在我國高速公路需要定期進行大規(guī)模的維修以及養(yǎng)護的實際背景下，泡沫瀝青冷再生的技術(shù)在未來一定的時間將會在我國得到更加廣泛的研究和應(yīng)用。