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泡沫瀝青冷再生技術研究綜述
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泡沫瀝青冷再生技術研究綜述
2022年08月30日    閱讀量:57291    新聞來源:瀝青網 sinoasphalt.com  |  投稿

摘要:泡沫瀝青冷再生技術在瀝青路面維修改建工程中具有環境影響小、施工效率高及投入低等優點,具有廣泛的應用前景。本文主要梳理了泡沫瀝青冷再生技術發展的歷史進程,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生技術,并對泡沫瀝青冷再生混合料的工程性能現有研究進展和應用實例進行了分析與展示。最后對泡沫瀝青冷再生技術未來前景進行展望瀝青網sinoasphalt.com。


關鍵詞:泡沫瀝青;發泡原理;冷再生混合料;工程性質;發展前景


0 引言


隨著我國經濟的發展,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了各種的病害。目前我國許多公路以及城市道路的規劃建設期逐漸向建設和維修道路的養護期進一步過渡。對于破損嚴重的路面或者需要進行改建的道路,應用泡沫瀝青冷再生技術會是一個不錯的選擇[1]。


與傳統的道路維修養護技術相比較,泡沫瀝青冷再生技術不僅具有節能環保的優點而且還可以大大降低道路維修養護成本。該技術有利于保護水土資源減少環境污染。具體優點總結如下:


1、該技術可以節省集料和瀝青,從而減少道路維修養護花費;


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


3、該技術的施工過程效率高,可以快速地修復老舊道路,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、該技術應用后可以有效實現對廢棄石料的高效回收和再利用,節約資源和可再生能源,并且有效減少對環境的污染;


5、該技術可處理多種類型的路面材料,并且可以增強材料的穩定性與強度。


泡沫瀝青冷再生技術可以實現廢棄石料、舊路面的回收利用,從而在節約了材料的同時也減少了對環境的影響。此外泡沫瀝青冷再生技術在生產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產生,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可以節約加熱能源 50%以上,同時對二氧化碳的平均排放量將大幅減少 50%以上,因此也起到了節能減排方面做出突出貢獻[2]。


1 泡沫瀝青冷再生技術歷史進程


要掌握泡沫瀝青冷再生技術,首先應該對泡沫瀝青的發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50 年代后期提出并首次研發了相關的制備工藝與設備,這也是泡沫瀝青的起源。在 Csanyi教授的裝置中,他將蒸汽通過技術手段壓入基質瀝青中,經過一定時間的發泡過程后,瀝青體積膨脹能與集料產生優異的裹附作用,即使是使用質量較差的集料也會有較好的力學性能[3]。圖1 為泡沫瀝青的初始制備裝置。

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1968年,Mobil公司成功競爭到泡沫瀝青的相關專利權,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模應用的冷水,在發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用。


20 世紀 90 年代,Kendal 和 Ramanuajam等[4]首次提出用泡沫瀝青進行冷再生技術的研發,并修筑了多條試驗段,試驗結果顯示:泡沫瀝青冷再生技術可以增強路面結構抗疲勞性能。Jenkins 等[5]系統地研究了泡沫瀝青的發泡特性并針對冷再生混合料的設計提出了相應的設計方法,同時在當地修筑了多條實體工程路面取得了良好的效果。20世紀末,挪威、南非、德國等國家通過大量試驗對泡沫瀝青技術進行了多方位的探索[7],在各國內開始試驗段的建設,為泡沫瀝青冷再生技術奠定了深厚的發展基礎。


德國維特根公司制定了較為完善的制備規程與方案。2004年,維特根冷再生技術手冊在全球范圍內得到了廣泛的認可與借鑒[6]。在此基礎上,各國針對泡沫瀝青冷再生的施工技術制定了較為完善的規范,并通過大量實體工程進行優化,未來泡沫瀝青冷再生技術的發展也是不容小覷的。


我國高速公路自八十年代開始發展,故而國內對泡沫瀝青冷再生混合料的研究較晚,至上世紀九十年代初才開始進行相關的科研工作。山西省陽泉市于 1991 年率先開始進行嘗試性應用,發現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股份有限公司在無錫進行鋪筑,為泡沫瀝青的實際應用奠定了重要工程基礎。此后,交通運輸部于 2008 年制定再生技術規范,各省市也紛紛根據此規范制定相應的規程,為泡沫瀝青在國內的進一步發展提供了指導,泡沫瀝青冷再生技術體系開始逐漸完善。


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構,其整個變化過程未發生化學變化,僅僅只是產物的體積比原瀝青體積增大了數倍[1,8]。而泡沫瀝青冷再生技術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了對廢料再生利用的技術[9]。使用該技術既可以處理廢料,又能為道路建設提供原材料,能帶來巨大的經濟和環境收益。


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還是熱拌技術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,這與泡沫瀝青的發泡特性有關。泡沫瀝青的研究重點應該就是找到瀝青合適的發泡條件,從而生產出符合要求的泡沫瀝青。


2.1.1 發泡原理


在找到合適的發泡條件前,需掌握泡沫瀝青的發泡原理。瀝青的發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,當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物就是宏觀上的泡沫瀝青,具體的生產流程如圖 2 所示[1]。

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由泡沫瀝青的發泡原理可以對后續發生的變化進行推導,瀝青體積膨脹的過程實際上是在高壓環境中實現的,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,瀝青泡在內外氣壓差的作用下將繼續膨脹。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定的狀態,所以在實際工程中,泡沫瀝青一般都是生產之后就在短時間內與集料和其他添加物質按一定的比例進行混合制成泡沫瀝青混合料。


2.1.2 發泡的評價指標及影響因素


關于泡沫瀝青,最為重要的就是其發泡的效果如何,而評價其發泡效果的技術指標便是膨脹比和半衰期。膨脹比是指瀝青發泡時達到的最大體積與瀝青發泡前原體積的比值,半衰期是指瀝青發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,大家都期望能生產出膨脹比大、半衰期長的泡沫瀝青,有的學者也認為發泡效果好的瀝青應該要滿足膨脹比超過8、半衰期大于20s 這兩個條件[11]。根據已有的研究來看,瀝青的發泡效果主要受到以下因素的共同影響。

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首先,原瀝青的種類會影響到瀝青的發泡效果,不同的瀝青,其他條件相同的情況下其發泡效果也有所差異,有的瀝青甚至還不能發泡。栗關裔[1]發現常規技術指標相同的不同油源的瀝青發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)在同樣條件下的發泡效果,得出結論殼牌AH-70號瀝青的發泡效果優于其他幾個品種。由此可見瀝青種類確實會影響發泡效果,但以上研究者沒有深入分析瀝青種類是怎么樣影響發泡效果的。Mark[13]發現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,因此目前關于瀝青種類具體是如何影響瀝青的發泡效果還有待深究。


此外,用水量也是影響瀝青發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]。


基質瀝青的溫度也會影響到瀝青的發泡效果。若瀝青被噴入膨脹腔的溫度過低,則瀝青的膨脹比非常小,因此其發泡效果也就差。何桂平等人[3]研究發現,不同加水量下,溫度所能影響的指標有所區別,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,溫度對發泡效果的影響應與用水量綜合起來考慮。


根據上述各項因素對發泡效果的影響,可以得出以下結論,用水量是泡沫瀝青發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,要生產出符合預期要求的發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,發現在該種泡沫瀝青摻量為 2.5%的時候對應的混合料馬歇爾穩定度到達最大值,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計階段,應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,不至于出現結團現象,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,瀝青發生結團,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,也會出現類似結團現象,泡沫瀝青的分布不均使混合料整體性能出現下降。中外學者和機構對冷再生泡沫瀝青混合料拌合用水量作了相關研究,取得了一定進展,國內外關于拌合用水量的計算方法有所區別。陳卓在研究中通過室內擊實試驗,采用無機結合料的擊實試驗方法,取擊實試驗所得結果的 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鍵,因此在施工時必須嚴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


前文已經提過溫度首先就是會影響到泡沫瀝青的發泡效果,具體又可以表現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。栗關裔[1]基于半衰期及膨脹量指標對瀝青發泡特性進行研究,明確了溫度對瀝青發泡特性的影響,不同溫度對不同類型瀝青發泡特性的變化規律如圖 3 所示,李俊曉[19]對華騰瀝青進行了發泡試驗,發現水溫從 20℃到60℃溫度逐漸升高時瀝青發泡指標膨脹量及半衰期均有所增加。除溫度對瀝青發泡特性產生影響外,集料、礦料的溫度還會對混合料性能特性產生影響。集料溫度升高能使泡沫瀝青更充分地裹覆細集料[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律,結果發現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,但為了生產出性能更好的冷再生混合料,對集料進行適當的加熱也是可行的。

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3 前景展望


當前,節約能源利用和保護環境已經發展成為新的時代對各個相關行業的新技術要求。由于交通的建設能源利用領域在世界和我國的能源消耗中總量占比較大,因此也將其視為節能環保與減排的一個重點研究和實施的領域。而泡沫瀝青冷回收再生綜合利用技術實現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,減少了對環境的影響,實現了節約能源保護環境的目的。利用該技術積極響應了黨和國家的政策號召,符合當前市場經濟時代對于交通節能環保的技術要求,因此該技術發展與推廣應用的前景十分廣闊。


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

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