环保型沥青混合料制备及性能评测研究

史彦伟 杨飞 刘方韬

摘 要：本文首先分析了发泡沥青混合料的环保特性，并利用马歇尔试验确定出了基准配比。通过对矿物发泡和机械发泡生产控制参数的研究，确定了ZQ矿物发泡剂最优掺量为7%。同时，提出了基于沥青模量参数的矿物发泡剂最优掺量的确定方法，以及基于灰关联法确定机械发泡各因素影响程度。在进行混合料试验时，本文模拟生产实际，混合料短期老化2 h后成型试件，并对泡沫沥青混合料的降温幅度和性能进行研究，结果显示泡沫沥青混合料较热拌沥青混合料可降低25℃左右，混合料的性能均能满足现行规范要求。通过成本对比分析发现，采用机械发泡生产的沥青混合料不仅可实现较高幅度的降温，其成本也是各种温拌方式中最低的。

关键词：矿物发泡;发泡参数;路用性能

中图分类号：U415.12 文献标识码：A

0 引言

从上世纪九十年代开始，国内外泡沫沥青技术的工程应用呈现出持续增长的趋势。泡沫沥青技术的引进、开发与吸收，采用泡沫沥青冷、热再生及温拌技术，不仅可以解决传统道路维修造价高、浪费资源，而且极大的减少了碳排放及环境污染环境等问题。

由于应用发展的时间有限，沥青发泡特性、材料设计、施工过程等许多技术环节的问题并没有完全解决，远未达成共识，缺乏系统性的研究成果。再加上各个国家和地区的材料性质、气候条件、地质环境均存在客观差异，学者们对发泡效果标准、材料设计方法等关键技术问题各有不同。

通过对拟定不同沥青温度、发泡用水量、发泡水温及发泡剂用量，研究各要素对发泡效果的影响，进而确定矿物发泡和机械发泡最优实施方案。通过旋转压实试验，对泡沫沥青混合料配合比进行设计，对混合料压实温度进行研究。同时根据高温、低温、抗水损害及疲劳试验对混合料的路用性能进行评价，从而为发泡沥青混合料应用提供参考。

1 沥青混合料基准配合比设计

1.1 原材料

本试验采用SBS改性沥青，其技术指标满足规范中聚合物改性沥青I-D的技术要求[1]，矿物发泡剂为ZQ添加剂。试验所用集料均为山东某厂产石灰岩，原材料指标参照《公路工程集料试验规程》JTG E42-2005进行测试[2]，试验结果均满足要求。

1.2 沥青混合料基准配合比设计

本试验混合料类型采用AC-20密级配，混合料配比按照《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）设计方法确定合适的级配。本课题考虑生产拌合的实际情况，采用击实温度下短期老化2 h，通过旋转压实等空隙率法来确定最佳成型温度，最后选取合理的成型温度通过室内试验对温拌混合料的常规路用性能及力学性能进行了对比评价，混合料性能均满足要求。

2 不同发泡方式泡沫沥青生产参数确定

2.1 矿物发泡沥青生产参数确定

本文选用一种矿物发泡剂ZQ，添加剂厂家推荐值拟定四种不同掺量（0%，6%，7%，8%），研究ZQ添加剂对沥青原材的影响，试验结果如表1所示：

通过不同ZQ掺量SBS改性沥青常规指标试验，结果显示ZQ掺量对沥青常规指标影响较小。

试验按照AASHTO T315进行胶泥的30℃、40℃、50℃、60℃高温性能试验，采集动態模量数据。试验条件为：转子直径25 mm，转子间隙1 mm，转速10 rad/s，应力水平100 Pa。

从试验结果看其模量存在一个极值，对应掺量为7%，此时沥青的模量最大，高温性能也最好。在各种温度下的相位角基本稳定，并不随着掺量的增加产生明显的升高或降低，说明这种外加剂对沥青的结构并没有造成影响，使沥青具有良好的结构稳定性。而这一点恰恰是实际工程中需要的使用特点。

2.2 机械发泡沥青生产参数确定

试验经验表明SBS改性沥青温度低于140℃很容易造成发泡机的堵塞，沥青很难发泡，发泡时改性沥青试验最低温度为150℃，同时沥青加热温度过高很容易造成沥青的老化，综合考虑试改性沥青的试验温度为150℃～180℃。

综合各因素选用4种不同的沥青加热温度，7种不同的发泡用水量，7种不同的发泡水的温度，研究不同发泡条件对沥青发泡效果的影响，研究发现：

（1）改性沥青温度对发泡效果影响。在其他条件不变的情况下，改性沥青在沥青温度达到170℃时最大膨胀率与半衰期都会出现一个极值。通过以上试验可以看出增加沥青的温度有利于发泡，最大膨胀率会随着温度的上升而变大，但并不是沥青的温度越高发泡的效果越好。总体来看，沥青温度对发泡的影响较小，变化幅度不大。综合最大膨胀率与半衰期两大指标，改性沥青温度定为170℃。

（2）加水量对发泡效果影响。通过试验发现含水率对发泡效果影响较大，发泡用水量可以增加泡沫的大小，使膨胀率增大，但泡沫沥青所产生的热力学系统的稳定性（半衰期越长系统稳定性越好）随用水量的增加而变差。但当用水量增加到一定程度时，系统稳定性变化较为平缓，最大膨胀率与半衰期在加水量3%时都会出现一个极值。

（3）发泡水温对发泡效果的影响研究。水温的提高有利于沥青的发泡（膨胀率会变大），但不代表温度越高越好，沥青的发泡还应综合考虑其稳定性。在其他条件不变的前提下，改性沥青水温对沥青的发泡效果影响较小，综合考虑最大膨胀率与半衰期两大指标，同时考虑试验的经济适用性，最终沥青发泡水温定为常温，试验常温水在30℃左右。

综合以上研究成果，试验所选沥青的最优制备参数为SBS改性沥青发泡用水量为3.0%，沥青温度为165℃，水温为30℃。

3 环保型沥青混合料降温幅度确定

3.1 矿物发泡沥青混合料降温幅度确定

ZQ掺量为沥青质量的7%，拟定四种不同拌合温度（120℃、130℃、140℃、150℃）进行压实试验，依据“体积等效原则”确定矿物发泡沥青混合料的降温幅度。矿物泡沫沥青混合料的拌合顺序与热拌有一定的不同，本次采用拌和顺序如下：集料→沥青→添加剂→矿粉。

为确保矿物泡沫沥青混合料的质量并易于控制试验温度，最终确定ZQ矿物泡沫沥青混合料最佳成型温度为145℃，可降温约20℃。

3.2 机械发泡沥青混合料最佳成型温度的确定

采用不同温度对泡沫沥青混合料进行压实成型，通过“体积等效法”得到泡沫沥青混合料最佳压实温度。随压实温度的降低泡沫沥青混合料空隙率逐步提高，空隙率按4%左右控制当压实温度在140℃～130℃时，混合料空隙率可以满足要求。因此，与热拌沥青混合料相比击实温度可以降低25℃左右。

4 不同发泡方式混合料路用性能及力学性能对比

4.1 矿物发泡和机械泡沫沥青混合料路用性能对比

本节选用上述设计级配AC-20C，在等体积原则确定的成型温度下，成型温拌混合料试件，然后以热拌混合料为参照，分别对矿物泡沫沥青混合料的高温稳定性能、低温抗裂性能以及水稳定性能进行了对比研究，并利用汉堡试验进一步评价其高温性能及水稳定性。其中矿物发泡ZQ矿物发泡剂的掺量为沥青质量的7%。

相对于热拌混合料，泡沫沥青混合料的车辙动稳定度降低约12%，低温破坏应变降低了约5%，劈裂强度比降低了约8%，降低的幅度不大，且试验结果均能满足现行规范要去。因此泡沫沥青混合料设计及生产时注重配合比控制，必要时可采取抗剥落措施。

4.2 礦物发泡和机械泡沫沥青混合料动态力学特性对比

当前，温拌沥青混合料的设计及应用已得到比较广泛的研究，但对其与力学相关的性能研究尚少。为对比研究温拌沥青混合料的动态特性，本文应用SHRP简单性能试验机SPT，测定了对热拌沥青混合料，及ZQ矿物泡沫沥青混合料在不同温度和加载频率下的动态模量，并与SBS改性沥青热拌沥青混合料的动态模量进行对比分析。同时借鉴SHRP计划对于沥青胶结料永久变形的分析，对通过SPT试验得到的温拌混合料的模量和相位角进行组合分析，分析温拌混合料的永久变形和疲劳开裂。

5 结论

（1）采用体积指标等效的试验方法，实现了泡沫沥青混合料降温幅度的有效确定。试验结果表明，泡沫的引入有效改善了沥青混合料的施工和易性，击实温度降低20℃时仍可达到目标空隙率的控制要求。试验过程中进行体积设计和性能试验时，规定试件需在压实温度下养生2 h。

（2）矿物发泡泡沫沥青混合料在性能方面具有如下特点：

①相对于热拌混合料，矿物发泡型沥青混合料的车辙动稳定度分别降低了17.5%，低温破坏应变降低了35%，劈裂强度较低注重抗水损害设计。

②通过汉堡轮辙试验对于温拌混合料的综合路用性能再次进行了验证，结果表明，矿物发泡型沥青混合料的高温性能能够满足要求，但其抗水损害能力有所降低。

③采用“热拌温铺”技术原理对某工程的试验结果表明，该类温拌技术可以保证沥青混合料在较低温度时仍具有较好的和易性，对延长施工压实的有效时间，保障压实质量和路用性能有利，具有明显的推广价值及工程实践意义。

（3）机械发泡泡沫沥青混合料在性能方面具有如下特点：

①泡沫沥青混合料的动稳定度低于热拌沥青混合料，主要原因是泡沫沥青混合料，沥青整体处于较低温度情况下，沥青短期老化效应较传统沥青混合料小，因此沥青软化点较低，混合料动稳定度有一定程度减小，抗车辙变形能力变差。

②拌沥青混合料冻融前后的劈裂强度均大于泡沫沥青混合料，表明泡沫沥青混合料的抗水损害的能力较热拌沥青混合料有所降低。但降低的幅度小于15%，在系统误差范围内，因此不属于明显降低的范畴，可通过大样本补充试验获取。

参考文献：

[1]中华人民共和国行业标准.JTG F40-2004，公路沥青路面施工技术规范[S].人民交通出版社，2004.

[2]中华人民共和国行业标准.JTG E20-2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].人民交通出版社，2011.