泡沫沥青路面基层冷再生施工法技术及其应用

包安华

摘要：泡沫沥青厂拌冷再生技术以其机械化程度高，施工质量易于控制以及显著的经济效益，已成为一项极具潜力的技术，在我国也得到了广泛的应用。泡沫沥青用于路面基层冷再生，节省资源、能源，有利于环境保护。本文主要介绍了泡沫沥青的形成机理、发泡装置工作原理，基层冷再生工艺、特点，冷再生施工机械现状以及泡沫沥青在路面基层冷再生工程中的应用。

关键词：泡沫沥青；发泡装置；施工机械

近几年，从全球的环境保护、节省能源和资源的要求出发，冷拌混合料越来越受到人们的关注，例如改性乳化沥青稀浆封层等冷拌混合料施工技术的开发应用。原来曾经采用过的泡沫沥青冷拌技术也得到不断改进，并被广泛应用于路面基层冷再生施工中。路面基层的冷再生方法有就地冷再生与厂拌冷再生两种。以就地冷再生为例，就是使用装有沥青发泡装置的再生/稳定土拌合机将旧路面破碎，喷入泡沫沥青并进行拌合，经整平、压实成形后作为新的路面基层，或作为低等级路面的面层使用。

一、泡沫沥青技术

泡沫沥青(foamed bitmnen)又叫膨胀沥青，通过将一定的水注人热沥青中，因水突然蒸发，引起爆炸性泡沫，然后沥青又逐渐恢复原状，这种膨胀成泡沫的沥青称为泡沫沥青。泡沫沥青的特性可以用膨胀率和半衰期加以描述，膨胀率指泡沫沥青达到的最大体积与未发泡沥青的原始体积之比；半衰期指泡沫沥青从最大体积到达最大体积的一半所需的时间(以s计)。这两项指标与用水量和发泡温度有很大系，膨胀率随掺．水量的增加而增大，但半衰期则相反，对于这两个参数，目前国际上还没有统一的规定，Bowering等人建议膨胀率在8～15，半衰期大于20 s时泡沫沥青性能较好。德国维特根公司的泡沫沥青冷再生试验表明，为获得高质量的泡沫沥青混合料，膨胀率应大于15，半衰期在5s～10s内。

二、泡沫沥青的形成机理与发泡装置

为了提高沥青与骨料拌合的和易性，使热沥青发泡的想法，早在四十多年前就被提出来了。泡沫沥青的形成机理就是把发泡介质（水、水蒸汽等）掺入高温液态沥青（l50 ～l800C）后发泡介质被迅速汽化，使粘性的沥青产生微细的泡沫而膨胀，降低了沥青的粘度。当汽化过程结束后，泡末逐渐消失，沥青又恢复到原来的体积和粘度。泡沫沥青并不改变沥青本身的物理性质。作为发泡介质，早先使用水蒸汽，现在多使用冷水。这样使发泡装置结构简化，不仅可用于厂拌设备，而且也适用于车载式，实现了与稳定土拌合机配套，满足路面基层就地冷再生施工的要求。泡沫沥青发泡装置原理参见图1。

泡沫沥青的主要性能指标有：

发泡倍数（膨胀率）———发泡状态下的沥青体积与原沥青体积之比；

持续时间（稳定性）———泡沫沥青达到最大体积后缩小到最大体积之半的持续时间。

使沥青发泡的用水量（水与沥青之比）就是根据发泡倍数与持续时间来决定的。水汽化时在标准状态下体积约膨胀l000 倍左右，也就是说当用水量为1%（重量比）时，发泡沥青的体积为原沥青体积的10 倍，当用水量为2%时，发泡沥青的体积为原沥青体积的20 倍。用水量越大，发泡倍数越大，但是持续时间却越短。泡沫沥青主要指标推荐值如表1所示。

早先使用的泡沫沥青发泡装置是沥青与发泡介质在发泡器内混合、发泡后由配管分配到各个喷嘴处喷出，这种方式喷嘴易堵塞且喷洒量不易调节。现在多采用发泡器与喷嘴一体式结构，即沥青与发泡介质在各喷嘴端头处混合、发泡后喷出。（参见图2）。

三、发泡试验与最佳发泡条件

3.1沥青发泡效果的评价指标

为了衡量沥青的发泡效果，目前主要用膨胀率（发泡体积倍数）和半衰期2个指标加以评价。

实际操作时主要通过改变发泡温度和用水量，来研究膨胀率与半衰期的变化关系，以期找到最佳的发泡效果，并在这种状态下拌制泡沫沥青混合料，而通常情况下膨胀率与半衰期两者不可能都达到最优。一般认为最好的 发泡性能 是出现在 膨胀率和半衰期都较好之时。目前对于发泡性能尚无明确的数值标准，无论取高膨胀率还是较长的半衰期，均不如二者都适当时的效果好。

3.2发泡试验

德国Wirtgen公司生产的WLB10发泡沥青实验机是专门用于泡沫沥青试验研究和配合比设计指导的设备，这台机器装备了在KMA200厂拌再生机的沥青喷射系统，只是按比例缩小了，它以每秒100克的速率喷洒沥青，当有泡沫沥青注入，搅拌机就将材料和泡沫沥青拌和，因此该机器能够逼真的模拟现场施工情形。

在室温20摄氏度左右对沥青进行发泡试验。选择150摄氏度和160摄氏度2种沥青发泡温度，每种温度下发泡用水量分别取2.0%、3.0%和4.0%，量测其膨胀率与半衰期。由于试验中的 各种条件都有可能影响试验结果，使试验的 重视性不好，故为了确保数据的可靠性，每种发泡状态反复试验2次，求其平均值，所得结果如表2所示。

表2发泡试验结果

2.3最佳发泡条件

根据试验所得到的各沥青发泡特性曲线，综合考虑膨胀率和半衰期2个因素，可得出各沥青的 最佳发泡温度和发泡用水量，并以此作为确定泡沫沥青混合料拌制条件的 参考依据。首先将位于最上方的 发泡曲线所对应的 温度作为最佳的 发泡温度，然后 在 此曲线上找出膨胀率和半衰期都较高的位置，可得出沥青的 最佳发泡条件如表2所示。

表3沥青最佳发泡条件

四、 泡沫沥青混合料冷拌和的机理

使液体发泡就是减小液体的表面张力，使之具有与其他物体良好的粘附性。由于泡沫沥青的体积增大，减小了沥青表面的张力，增大与骨料的粘附力，骨料不需加热就可以很好的拌和。泡沫沥青是以细骨料为核心，均匀地分布在骨料之间形成沥青砂浆（这时沥青不裹覆大粒径的骨料）。在这种状态下进行碾压作业，沥青砂浆被挤碎、颗粒溃散成为粘结剂，把骨料与骨料以“点焊”的方式粘结在

一起。泡沫沥青混合料冷拌和原理如图3 所示。

五、 基层冷再生施工工艺流程

在基层冷再生施工前要进行现场调查，确定使用材料的配合比设计。如泡沫沥青用水量，最佳含水量、最佳沥青量等。就地冷再生施工工艺流程如图4 所示。该工艺也适用于新建公路基层补强施

工。厂拌冷再生工艺如图5 所示。

六、 泡沫沥青冷再生施工机械的现状

泡沫沥青冷再生施工机械根据施工工艺分为就地再生拌和机械与厂拌设备。

6．1 就地再生拌和机械

建筑机械厂家根据用户对泡沫沥青的需求。从1996 年开始生产沥青发泡装置，作为配件供用户选择。

德国Wirtgen（维特根）公司在南非道路施工咨询公司的指导下，为其生产的WR25OO 型再生/稳定土拌合机安装了泡沫沥青系统，与该机的大功率相匹配，可大规模进行就地再生施工。在南非雨季泥土化、旱季砂尘严重的砂石道路，采用泡沫沥青稳定处治是最经济的施工方法。维特根公司的泡沫沥青系统开始在世界各国推广普及。中国邯郸地区已经引进了一台WR25OO 型再生/ 稳定土拌和机开始试验施工。

美国的CMI公司在其生产的RS650 型、RS500B 型再生/ 稳定土拌和机上配备了沥青发泡装置，于1996 年9 月在威斯康星州进行了试验施工，随后在北欧的挪威、南非的实际工程中应用。

日本小松公司也开发了安装在GS360 型再生/稳定土拌和机上的泡沫沥青系统。该系统既可喷洒泡沫沥青又可喷洒乳化沥青。1998 年10 月至1999年7 月进行了施工应用。

6. 2 厂拌再生设备

泡沫沥青厂拌再生设备，除专用的沥青发泡装置及沥青供给系统外，可以利用常规的稳定土厂拌设备。如SOTER 公司研制的PM - 400 型连续式双轴强制搅拌设备、Wirtgen 公司生产的KMA150型泡沫沥青混合料厂拌设备具有如下特点：

（1）料斗、皮带机、搅拌器装在移动式底盘上，机动性好，转移安装方便，沥青及硝石灰由罐车供给。

（2）生产能力150 ~ 400t/h；

（3）采用微机控制，根据骨料的供给量准确地控制泡沫沥青、硝石灰及水的用量。

七、应用前景

根据以上介绍，我们可以看到泡沫沥青用于道路基层冷再生施工，是符合节省资源和能源、环保等时代要求的施工方法，既可用于旧路改造，也可用于新建道路基层施工，尤其适应于没有铺装的县乡道路，对砂石路改造后可大大地控制沙尘的飞扬，起到改善环境的作用。

泡沫沥青在我国也有所研究，主要用于热拌沥青混合料，但还未推广应用。从发展趋势来看，我国有广阔的应用市场，首先要解决泡沫沥青冷再生施工工艺及施工技术，其次要开发适合国情的发泡沥青装置。以就地冷再生施工为例，主要施工机械为再生/ 稳定土拌合机。我国在开发300kW 以上的中置式路拌机的同时，应开发与之匹配的沥青发泡装置，要既可喷洒泡沫沥青又可喷洒乳化沥青，做为配件供用户选择，扩大设备的功能与用途。

八、 结束语

采用泡沫沥青进行路面基层冷再生的工艺特点归纳如下：

（1）无论是厂拌冷再生还是就地冷再生工艺，除沥青发泡装置外，均可使用常规的施工机械；

（2）冷拌和、骨料不需加热、无公害、节能；

（3）可利用旧路材料及低等级骨料；

（4）强度增长快，施工后可马上开放交通；

（5）泡沫沥青混合料施工后具有柔性，不易产生裂缝、耐久性好。

（6）可降低施工成本。泡沫沥青混合料和易性好，弹性模量大（具有与热拌沥青混合料同等或更大的弹性模量）可减少施工厚度。

（7）对于低等级公路，施工后可作为面层使用。

（8）贮存稳定性好，厂拌后的泡沫沥青混合料可贮存一个月左右。随着道路施工技术的发展，工程技术人员对冷再生混合料及设备的深入研究与开发，必将推动泡沫沥青在我国的应用与普及。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。