環保型瀝青混合料制備及性能評測研究

史彥偉 楊飛 劉方韜

摘 要：本文首先分析了發泡瀝青混合料的環保特性，并利用馬歇爾試驗確定出了基準配比。通過對礦物發泡和機械發泡生產控制參數的研究，確定了ZQ礦物發泡劑最優摻量為7%。同時，提出了基于瀝青模量參數的礦物發泡劑最優摻量的確定方法，以及基于灰關聯法確定機械發泡各因素影響程度。在進行混合料試驗時，本文模擬生產實際，混合料短期老化2 h后成型試件，并對泡沫瀝青混合料的降溫幅度和性能進行研究，結果顯示泡沫瀝青混合料較熱拌瀝青混合料可降低25℃左右，混合料的性能均能滿足現行規范要求。通過成本對比分析發現，采用機械發泡生產的瀝青混合料不僅可實現較高幅度的降溫，其成本也是各種溫拌方式中最低的。

關鍵詞：礦物發泡;發泡參數;路用性能

中圖分類號：U415.12 文獻標識碼：A

0 引言

從上世紀九十年代開始，國內外泡沫瀝青技術的工程應用呈現出持續增長的趨勢。泡沫瀝青技術的引進、開發與吸收，采用泡沫瀝青冷、熱再生及溫拌技術，不僅可以解決傳統道路維修造價高、浪費資源，而且極大的減少了碳排放及環境污染環境等問題。

由于應用發展的時間有限，瀝青發泡特性、材料設計、施工過程等許多技術環節的問題并沒有完全解決，遠未達成共識，缺乏系統性的研究成果。再加上各個國家和地區的材料性質、氣候條件、地質環境均存在客觀差異，學者們對發泡效果標準、材料設計方法等關鍵技術問題各有不同。

通過對擬定不同瀝青溫度、發泡用水量、發泡水溫及發泡劑用量，研究各要素對發泡效果的影響，進而確定礦物發泡和機械發泡最優實施方案。通過旋轉壓實試驗，對泡沫瀝青混合料配合比進行設計，對混合料壓實溫度進行研究。同時根據高溫、低溫、抗水損害及疲勞試驗對混合料的路用性能進行評價，從而為發泡瀝青混合料應用提供參考。

1 瀝青混合料基準配合比設計

1.1 原材料

本試驗采用SBS改性瀝青，其技術指標滿足規范中聚合物改性瀝青I-D的技術要求[1]，礦物發泡劑為ZQ添加劑。試驗所用集料均為山東某廠產石灰巖，原材料指標參照《公路工程集料試驗規程》JTG E42-2005進行測試[2]，試驗結果均滿足要求。

1.2 瀝青混合料基準配合比設計

本試驗混合料類型采用AC-20密級配，混合料配比按照《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）設計方法確定合適的級配。本課題考慮生產拌合的實際情況，采用擊實溫度下短期老化2 h，通過旋轉壓實等空隙率法來確定最佳成型溫度，最后選取合理的成型溫度通過室內試驗對溫拌混合料的常規路用性能及力學性能進行了對比評價，混合料性能均滿足要求。

2 不同發泡方式泡沫瀝青生產參數確定

2.1 礦物發泡瀝青生產參數確定

本文選用一種礦物發泡劑ZQ，添加劑廠家推薦值擬定四種不同摻量（0%，6%，7%，8%），研究ZQ添加劑對瀝青原材的影響，試驗結果如表1所示：

通過不同ZQ摻量SBS改性瀝青常規指標試驗，結果顯示ZQ摻量對瀝青常規指標影響較小。

試驗按照AASHTO T315進行膠泥的30℃、40℃、50℃、60℃高溫性能試驗，采集動態模量數據。試驗條件為：轉子直徑25 mm，轉子間隙1 mm，轉速10 rad/s，應力水平100 Pa。

從試驗結果看其模量存在一個極值，對應摻量為7%，此時瀝青的模量最大，高溫性能也最好。在各種溫度下的相位角基本穩定，并不隨著摻量的增加產生明顯的升高或降低，說明這種外加劑對瀝青的結構并沒有造成影響，使瀝青具有良好的結構穩定性。而這一點恰恰是實際工程中需要的使用特點。

2.2 機械發泡瀝青生產參數確定

試驗經驗表明SBS改性瀝青溫度低于140℃很容易造成發泡機的堵塞，瀝青很難發泡，發泡時改性瀝青試驗最低溫度為150℃，同時瀝青加熱溫度過高很容易造成瀝青的老化，綜合考慮試改性瀝青的試驗溫度為150℃～180℃。

綜合各因素選用4種不同的瀝青加熱溫度，7種不同的發泡用水量，7種不同的發泡水的溫度，研究不同發泡條件對瀝青發泡效果的影響，研究發現：

（1）改性瀝青溫度對發泡效果影響。在其他條件不變的情況下，改性瀝青在瀝青溫度達到170℃時最大膨脹率與半衰期都會出現一個極值。通過以上試驗可以看出增加瀝青的溫度有利于發泡，最大膨脹率會隨著溫度的上升而變大，但并不是瀝青的溫度越高發泡的效果越好。總體來看，瀝青溫度對發泡的影響較小，變化幅度不大。綜合最大膨脹率與半衰期兩大指標，改性瀝青溫度定為170℃。

（2）加水量對發泡效果影響。通過試驗發現含水率對發泡效果影響較大，發泡用水量可以增加泡沫的大小，使膨脹率增大，但泡沫瀝青所產生的熱力學系統的穩定性（半衰期越長系統穩定性越好）隨用水量的增加而變差。但當用水量增加到一定程度時，系統穩定性變化較為平緩，最大膨脹率與半衰期在加水量3%時都會出現一個極值。

（3）發泡水溫對發泡效果的影響研究。水溫的提高有利于瀝青的發泡（膨脹率會變大），但不代表溫度越高越好，瀝青的發泡還應綜合考慮其穩定性。在其他條件不變的前提下，改性瀝青水溫對瀝青的發泡效果影響較小，綜合考慮最大膨脹率與半衰期兩大指標，同時考慮試驗的經濟適用性，最終瀝青發泡水溫定為常溫，試驗常溫水在30℃左右。

綜合以上研究成果，試驗所選瀝青的最優制備參數為SBS改性瀝青發泡用水量為3.0%，瀝青溫度為165℃，水溫為30℃。

3 環保型瀝青混合料降溫幅度確定

3.1 礦物發泡瀝青混合料降溫幅度確定

ZQ摻量為瀝青質量的7%，擬定四種不同拌合溫度（120℃、130℃、140℃、150℃）進行壓實試驗，依據“體積等效原則”確定礦物發泡瀝青混合料的降溫幅度。礦物泡沫瀝青混合料的拌合順序與熱拌有一定的不同，本次采用拌和順序如下：集料→瀝青→添加劑→礦粉。

為確保礦物泡沫瀝青混合料的質量并易于控制試驗溫度，最終確定ZQ礦物泡沫瀝青混合料最佳成型溫度為145℃，可降溫約20℃。

3.2 機械發泡瀝青混合料最佳成型溫度的確定

采用不同溫度對泡沫瀝青混合料進行壓實成型，通過“體積等效法”得到泡沫瀝青混合料最佳壓實溫度。隨壓實溫度的降低泡沫瀝青混合料空隙率逐步提高，空隙率按4%左右控制當壓實溫度在140℃～130℃時，混合料空隙率可以滿足要求。因此，與熱拌瀝青混合料相比擊實溫度可以降低25℃左右。

4 不同發泡方式混合料路用性能及力學性能對比

4.1 礦物發泡和機械泡沫瀝青混合料路用性能對比

本節選用上述設計級配AC-20C，在等體積原則確定的成型溫度下，成型溫拌混合料試件，然后以熱拌混合料為參照，分別對礦物泡沫瀝青混合料的高溫穩定性能、低溫抗裂性能以及水穩定性能進行了對比研究，并利用漢堡試驗進一步評價其高溫性能及水穩定性。其中礦物發泡ZQ礦物發泡劑的摻量為瀝青質量的7%。

相對于熱拌混合料，泡沫瀝青混合料的車轍動穩定度降低約12%，低溫破壞應變降低了約5%，劈裂強度比降低了約8%，降低的幅度不大，且試驗結果均能滿足現行規范要去。因此泡沫瀝青混合料設計及生產時注重配合比控制，必要時可采取抗剝落措施。

4.2 礦物發泡和機械泡沫瀝青混合料動態力學特性對比

當前，溫拌瀝青混合料的設計及應用已得到比較廣泛的研究，但對其與力學相關的性能研究尚少。為對比研究溫拌瀝青混合料的動態特性，本文應用SHRP簡單性能試驗機SPT，測定了對熱拌瀝青混合料，及ZQ礦物泡沫瀝青混合料在不同溫度和加載頻率下的動態模量，并與SBS改性瀝青熱拌瀝青混合料的動態模量進行對比分析。同時借鑒SHRP計劃對于瀝青膠結料永久變形的分析，對通過SPT試驗得到的溫拌混合料的模量和相位角進行組合分析，分析溫拌混合料的永久變形和疲勞開裂。

5 結論

（1）采用體積指標等效的試驗方法，實現了泡沫瀝青混合料降溫幅度的有效確定。試驗結果表明，泡沫的引入有效改善了瀝青混合料的施工和易性，擊實溫度降低20℃時仍可達到目標空隙率的控制要求。試驗過程中進行體積設計和性能試驗時，規定試件需在壓實溫度下養生2 h。

（2）礦物發泡泡沫瀝青混合料在性能方面具有如下特點：

①相對于熱拌混合料，礦物發泡型瀝青混合料的車轍動穩定度分別降低了17.5%，低溫破壞應變降低了35%，劈裂強度較低注重抗水損害設計。

②通過漢堡輪轍試驗對于溫拌混合料的綜合路用性能再次進行了驗證，結果表明，礦物發泡型瀝青混合料的高溫性能能夠滿足要求，但其抗水損害能力有所降低。

③采用“熱拌溫鋪”技術原理對某工程的試驗結果表明，該類溫拌技術可以保證瀝青混合料在較低溫度時仍具有較好的和易性，對延長施工壓實的有效時間，保障壓實質量和路用性能有利，具有明顯的推廣價值及工程實踐意義。

（3）機械發泡泡沫瀝青混合料在性能方面具有如下特點：

①泡沫瀝青混合料的動穩定度低于熱拌瀝青混合料，主要原因是泡沫瀝青混合料，瀝青整體處于較低溫度情況下，瀝青短期老化效應較傳統瀝青混合料小，因此瀝青軟化點較低，混合料動穩定度有一定程度減小，抗車轍變形能力變差。

②拌瀝青混合料凍融前后的劈裂強度均大于泡沫瀝青混合料，表明泡沫瀝青混合料的抗水損害的能力較熱拌瀝青混合料有所降低。但降低的幅度小于15%，在系統誤差范圍內，因此不屬于明顯降低的范疇，可通過大樣本補充試驗獲取。

參考文獻：

[1]中華人民共和國行業標準.JTG F40-2004，公路瀝青路面施工技術規范[S].人民交通出版社，2004.

[2]中華人民共和國行業標準.JTG E20-2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程[S].人民交通出版社，2011.