谈中温沥青混合料的性能

乔卫华 郭 福 吕安岭

(1.山东职业学院，山东 济南 250104;2.山东城市建设职业学院，山东济南 250103)

1 概述

自从泡沫沥青在1957年开始出现，就被广泛应用于冷拌沥青混合料。冷拌沥青混合料准备工作较少，使用温度较低，节约成本且易于操作，由于它存在一些缺点，目前还不宜用作公路面层，特别不适合用作高等级公路面层。对于较高级别的道路，渴望一种更稳定、更耐久、更耐疲劳的沥青混合料，这就要求使用温拌沥青混合料(WMA)。就目前的技术水平而言［1］，温拌沥青混合料的拌合温度一般保持在110℃～120℃，摊铺和压实温度为80℃～110℃，这种方法也可以使用高粘度的沥青。

介于冷拌混合料和温拌混合料之间，就出现了中温沥青混合料，各种集料进行加热以达到一定温度，此温度应高于周围环境温度而低于100℃，添加泡沫沥青，这个过程被称为“中温泡沫沥青处治(HWF)”［2］。在混合料的制备工艺上，与传统的热拌沥青混合料和温拌沥青混合料相比，它减少了能源消耗，但是混合料的品质并未受到大的损失。

2 中温沥青混合料的试验研究

Roberts等人(1984年)指出［3］，对使用泡沫沥青处治的再生材料加热，混合料的密度和工程特性都得到了很大提高。Buschkühl等人(1990年)利用60℃的矿渣拌和泡沫混合料以改善混合料的低安定性，结果显示，混合料的安定性可增加25%～158%［4］。Bowering，Martin(1976 年)和 Eggers等人(1990 年)也提出了相似的观点，他们选定的矿料温度是110℃和115℃［5］。

在Stellenbosch大学，南非conjunction Gvan Heesen Zonen对潮湿的非连续级配的材料进行了一些初步测试，这些矿料在被加热至约95℃的温度前加入泡沫沥青进行拌合，现已取得了显著的效果，因此联同Delft技术大学发起了一个试验项目来研究“中温泡沫沥青混合料”。

2.1 矿料

2.1.1 矿料温度

矿料温度应介于环境温度与100℃之间，矿料温度的升高直接导致了混合料拌合温度的升高。视觉观测表明，沥青裹覆矿料颗粒的面积随矿料温度的升高而增加即颗粒裹覆层得到改善。尤其是较大的矿料颗粒可以完全被沥青裹覆，而且局部裹覆情况也在一定程度上得到了改善。

1)矿料温度影响矿料颗粒裹覆。

由于矿料颗粒裹覆层对沥青混合料的性能有很大影响，一些道路机构规定了裹覆矿料沥青膜的最小厚度。对泡沫沥青混合料来讲［2］，颗粒裹覆层具有特别重要的意义，随着拌合温度的增加，该矿料颗粒有可能完全被沥青裹覆。利用现有的文献资料不可能预测具体的矿料温度对最佳泡沫沥青混合料性质造成的影响。拌合温度对水分、沥青粘度以及沥青结构的间接作用不能够简单的认定为“高温生产优质混合料”。一般来说，矿料温度介于30℃～100℃时较适宜。

2)矿料温度与混合料温度的关系。

传统的热拌沥青混合料(HMA)在拌合前耗用大量能源来烘干矿料中存在的水分，水转化为蒸汽需要克服水蒸气的潜热，因此耗费大量的能源。为使中温沥青混合料在保证能量优势的同时改善混合料的性能，建议矿料温度不超过100℃，原因如下:a.能源消耗;b.拌合过程中矿料水分的损失会降低混合料的可压实性能;c.在与沥青拌合过程中水分全部丧失会降低混合料的连续抗车辙优势。

矿料与泡沫沥青之间的温度梯度会影响沥青泡沫的衰退率。在泡沫状态下，沥青与矿料的热传导非常迅速，如矿料温度为30℃，泡沫沥青温度为100℃，混合料温度约为38℃;而如矿料温度为90℃，混合料温度将仅略低于100℃。

2.1.2 矿料含水量

研究表明，水分对泡沫沥青的分散、混合料的压实和混合料的性能起到了重要作用。为了实现矿料和沥青的可拌合性，沥青和矿料拌和期间含水量要维持在高水平上，水是通过含水的矿料提供的。在沥青和矿料粘结的地方，形成一层水膜，进一步促进了矿料和沥青的可拌合性。在碾压期间，水会被混合到沥青和矿料之间。KJ Jenkins［2］在实验室生产过程中的不同阶段都对中温泡沫沥青混合料的水分控制进行了监控。利用来自七种不同混合料的数据，取四种不同温度的平均值，建立起了中温泡沫沥青处治过程中水分丧失的关系。这一关系如式(1)所示:

其中，MCf为拌合后的最终含水量，%;MCI为拌合前的最初含水量，%;Ta为矿料温度，℃;BC为油石比，%。

为保证此方程有效，矿料温度应介于45℃～98℃之间，沥青低于190℃，混合料拌合时间控制在20 s(实验室)。

由于矿料在较高温度时会损失水分，需运用式(1)对最初含水量进行调整。拌合后的实际含水量也应进行监测，以便于调整出更准确的结果。如果对此不予考虑，水分不足可能会对颗粒裹覆层、拌合以及压实产生不利影响。

2.2 泡沫沥青

泡沫沥青也叫膨胀沥青，就是通过向热沥青中加入一定量的经过精确计量的水而制成的，水的质量通常为沥青质量的1%～2%。当注入的冷水遇到热的沥青时，沥青体积迅速发生膨胀，因而会产生大量的泡沫，表面活性进一步增强。对于粘度值较大或高等级的沥青，通常需要加入一定的压力，以促进泡沫的生成。

在发泡的过程中，沥青的粘度显著降低，使之能与高速搅拌状态下的冷湿矿料具有很好的裹覆性能。泡沫沥青中也可以含有添加剂，例如用来抑制消泡的添加剂。

2.3 混合料

2.3.1 混合料的拌和

矿料和泡沫沥青的拌和是按一个传统的数值比值进行的［6］，矿料和沥青的重量比可介于10∶1～25∶1之间，最小值与SMA较为接近，最大值则接近于开级配或孔隙率高的沥青混合料。

1)二次拌和［7］。

矿料与泡沫沥青的拌合通常是按两个步骤进行，把矿料分成粗、细两部分，两部分都含有小于0.5%的水分。泡沫沥青首先与粗集料接触，然后，把细料加入，细料的最大粒径可达2 mm。把矿料分成两个步骤操作，目的是为了阻止沥青先与细料拌合，从而导致与粗料的粘结力不足。

2)一次拌和［6］。

一次拌和，即将干燥的矿料与泡沫沥青进行一次性拌和。一次拌和过程中需要一个低的拌和用水量，泡沫沥青和矿料可获得足够的粘结，没有矿料粒径分布的任何限制。

2.3.2 混合料的压实

增加泡沫沥青混合料的密度会改善混合料的各项性能，尤其对稳定度和刚度有显著影响。

Eggers等人的发现也适用于中温泡沫沥青混合料。使用连续级配的页岩材料与泡沫沥青在90℃时拌合，结果表明［2］，拌合温度不变，随着压实温度从34℃上升到76℃，空隙率从7%下降到了4%。

除极少数例外，矿料的拌合温度对中温混合料的压实性能并没有产生重大影响。关于拌合温度和压实水平而言并无特定的显著趋势。含水率的微小变化较有可能导致连续级配的中温混合料孔隙率的变化。

在以往的技术中，热拌沥青混合料的碾压通常在160℃～170℃的温度下开始。现在已经发现中温泡沫沥青混合料的压实的优点是可以在更加低的温度下开始，因为在温度从50℃变化到70℃的这段时间，可以继续进行碾压，然而在以往的技术中，大约在70℃就已经终止了。因而，压实温度可以是一个上至95℃～110℃，下至50℃～70℃范围内的温度，这种低温下的碾压对于传统的热拌沥青混合料是不可能的［6］。很明显，这个温度可以更高，只不过中温沥青处治是在温度尽可能低的情况下进行的，以便于节省能源、减少排放和安全风险。

2.3.3 中温泡沫沥青混合料的性能

中温泡沫沥青混合料不同于温拌，它的优势是低于传统温拌的拌合温度，并且与传统温拌制备的沥青混合料相比，性能也得到了一定程度的改善(特别是抗疲劳和抗变形能力)。与传统的热拌沥青混合料相比，在组成和性能上没有什么不同。

间接抗拉强度(ITS)试验的目的是衡量混合料的抗疲劳开裂能力，并用此指标来衡量矿料温度对混合料性能的影响。在南非，这项试验被广泛应用于实验室冷拌及热拌沥青混合料设计程序。间接抗拉强度不是一个可高度重复的参数，所以中温混合料的抗拉强度之间并不具备较高的相关系数。因此，结果只能是大致的趋势，而非确切关系。

试验证明，压实温度对混合料性能所起的作用是正面的。当然，抗拉强度试验不应该被视为评价中温混合料优点的唯一标准，抗永久变形能力和抗低温开裂能力也应作为评价标准的一部分。

3 中温沥青混合料在荷兰的应用

在荷兰，Heijmans及道路水利水电工程学院(DWW)合作承办了创新试验中心(ITC)，主要就是研究采用泡沫沥青所拌制的中温混合料性能，经过大量实验得出了和上面相同的结论。

4 结语

通过对中温混合材料的性能研究，得出以下结论:

1)矿料的加热温度应介于环境温度与100℃之间，沥青裹覆矿料颗粒的面积随矿料温度的升高而增加。

2)在泡沫沥青混合料生产过程中，可通过拌合前对矿料加热来改善沥青的分布，随着矿料温度的升高，沥青的分散性得到改善。

3)中温泡沫沥青混合料的压实性能受到混合料的压实温度和含水量的影响远大于拌合过程中矿料温度的影响。

4)泡沫沥青混合料的抗拉强度，是通过对矿料加热来增强的，压实温度对混合料性能所起的作用是正面的。

5 展望

经过上述分析可以看出，在混合料的制备工艺上，与传统的热拌沥青混合料和温拌沥青混合料相比，中温沥青混合料减少了与制备有关的能源消耗，但是在组成和性能上并没有什么不同，特别是在疲劳和永久变形的抵抗力上。

中温泡沫沥青混合料处治的潜力很大，目前还只是有限的室内试验，但改善中温泡沫沥青混合料工程性质的收获将会激发更多的研究。随着人们对沥青混合料的要求越来越高，在不久的将来，这种半温泡沫处治混合料有可能会替代热拌混合料，中温泡沫沥青混合料的应用前景将更为广阔。无论从沥青混合料的发展、工程技术进步，还是从经济效益提高和可持续发展战略实施的角度，开展耗能相对较低、技术性能良好的中温混合料的研究与工程应用都具有十分重大的意义和必要性。

［1］ 徐世法，颜 彬，季 节，等.高节能低排放型温拌沥青混合料的技术现状与应用前景［J］.公路，2005(7):195-198.

［2］ Jenkins K.J.，de Groot J.L.A.，vande Ven M.F.C.，etal.Half-warm Foamed Bitumen Treatment，A New Process［R］.7th Conference on Asphalt Pavements for Southern Africa，CAPSA ，Victoria Falls，Zimbabwe，1999.

［3］ Roberts F.L.，Engelbrecht J.C.，Kennedy T.W..Evaluation of Recycled Mixtures Using Foamed Asphalt［C］.Transportation Research Record 968.，1984:78-85.

［4］ Buschkühl G.，Gapski J.，Gründel R，.Bituminse Tragschichten aus Müllverbrennungssasche und Schaumbitumen［R］.Diplomarbeit， Fachbereich Bauingenieurswesen， Fachhochschule Hamburg.Germany，1990.

［5］ Bowering R.H.，Martin C.L..Foamed Bitumen Production and Application of Mixtures:Evaluation and Performance of Pavements［C］.Proceedings Association of Asphalt Paving Technologists.New Orleans，USA ，1976，453-477.

［6］ Van den Beemt，Cornelis Marinus Antonius 4817BB，Breda(NL).Improved preparation of an asphaltmix，and use thereof［P］.EP1767581A1.20070328.

［7］ Jenkins K.J..Mix Design Considerations for Cold and Half warm Bituminous Mixes with emphasis on Foamed Bitumen［R］.Unpublished PhD Thesis(to be submitted in late 1999).University of Stellenbosch，1999.