沥青路面泡沫沥青再生基层研究

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1、同济大学交通运输工程学院 博士学位论文 沥青路面泡沫沥青再生基层的研究 姓名：拾方治 申请学位级别：博士 专业：道路与铁道工程 指导教师：吕伟民 20060101 摘要 摘要 泡沫沥青的发泡过程是一个复杂的热力学过程，利用泡沫的膜弹性理论对 沥青泡沫的衰减进行了理论解释，以此发现泡沫沥青衰减过程的影响因素。通 过对国内6 种常用沥青进行了发泡性能试验，并按照一定的评价原则对六种沥 青的发泡特性进行了比较，确定了试验所用六种沥青的最佳发泡条件，即发泡 温度在1 5 0 “ ( 2 左右，用水量在1 5 左右，该条件的提出为拌制高质量的泡沫沥 青混合料奠定了基础。 采用膨胀率、半衰期和发泡指数等评

2、价指标，对沥青的发泡特性进行评价。 结果表明，不管是以膨胀率和半衰期还是以发泡指数为评价指标，沥青发泡特 性与发泡温度( 高于可发泡温度) 无必然联系，这与国际上普遍认为发泡温度 越高则发泡效果越好的结论不符。因此，仅根据发泡温度来判断发泡效果是不 合理的。 对6 种泡沫沥青材料的物理力学性能进行研究，内容包括混合料的密度、 空隙率、劈裂强度、水稳性、静态抗压强度和模量和动态抗压模量等。研究了 级配、沥青用量、水泥用量和试验温度等因素对这些物理力学指标的影响规律。 研究发现，泡沫沥青混合料强度水平低于热拌沥青混凝土典型的强度值，不适 合作为高等级道路面层，但是作为基层或下面层材料，该强度水平能

3、够满足我 国现行 2 0 0 c m 埃索 I 一7 0 J 中海 l7 0 I 中油 I - 9 0 半1 日q ( I ) ( a ) 韩国A l 一7 0 2 2 1 8 歇 i 2 l B 0 6 栅( 一) ( b ) 壳牌A I 一7 0 0 T 5 3 l 9 T * 耋 加 2 8 2 6 2 t 挖 2 0 爵1 8 堂1 6 邕l l 1 2 1 0 8 6 l 2 O 第2 章沥青发泡原理与发泡特性的试验研究 l3 5r9l l1 31 5I r1 9 2 l 2 3 半衰期G ) ( c ) 镇海A l I 一7 0 ( e ) 中海姐- 7 0 约 2 4 2 2 2

4、 0 静1 8 耋发 1 2 1 0 8 6 O2t6el O1 21 l 半衰期“) ( d ) 埃索A H - 7 0 OI23写6T8 9l OI 1 21 3l 半寰期 ( f ) 中油 l I 一9 0 图2 66 种沥青的发泡特性曲线 I 一1 4 0 “ 0 ：1 1 - 1 5 0 “ ( 3 ：m - 1 6 0 “ C ：一r o c 2 4 3 试验结果分析嘲 ( 1 ) 由于沥青发泡过程主要是沥青物理性质的变化过程，因此对于普通针 入度级的沥青均可进行发泡。但由试验结果可知，在相同温度、相同用水量条 件下，不同产地和油源的沥青，由于其组分不同，使得其发泡特性不尽相同。

5、由此说明沥青的发泡特性在某种程度上要受到组分的影响，尤其是要受到那些 由沥青组分决定的物理性质，如不同温度下的粘性和导热性的影响。依据上述 分析，较好的发泡效果应该使膨胀率和半衰期均较高，按照这一原则，考察6 l；jf；：；鹞盯药纷乱埔竹圬培n9T * 餐邀 玎绉为殂博盯垢n n 9 7 5 并警造 第2 章沥青发泡原理与发泡特性的试验研究 种沥青的膨胀率与半衰期在分别大于某一数值的条件下，其发泡曲线满足这一 条件的范围，如果满足条件范围较广，并且数值较大，可以认为该沥青发泡效 果较好。由此，若取膨胀率和半衰期均大于1 0 ，可以得出本文所研究4 种沥青 的发泡效果( 发泡特性) 由高到低依次

6、为镇海A H 一7 0 、壳牌A H 一7 0 、中海A H 一7 0 、 韩国A H 一7 0 、中油A H 一9 0 和埃索A H - 7 0 。由此可以看出对于7 0 号和9 0 号沥青来 讲，由于发泡因素影响较多，很难依据沥青标号来判断沥青的发泡效果。 ( 2 ) 试验结果表明，沥青发泡特性与发泡温度( 高于可发泡温度) 无必然 联系，这与有关发泡温度越高则发泡效果越好的结论不符。这进一步说明了沥 青的发泡过程是一个复杂的热力学过程。温度高虽然有利于沥青产生泡沫，但 产生的泡沫直径较大，这将使沥青表观粘度降低，从而使得沥青薄膜的弹性降 低，削弱了抵制普来特( P l a t e a u

7、 ) 边界使薄膜变薄的“自愈“ 能力，这对半衰 期非常不利，泡沫沥青趋于不稳定而衰落太快，从而导致半衰期减小。按照前 文所述，评价沥青发泡效果时，膨胀率和半衰期是两个密不可离的指标，最好 的发泡性能应该使得膨胀率值和半衰期值都比较大，而不能单独追寻某一个指 标。基于此，可以得出仅根据沥青发泡温度来判断发泡效果是不合理的。 ( 3 ) 对于同一种沥青，在同一温度下，膨胀率随发泡用水量的增加而增大， 半衰期则随用水量的增加而减小。从沥青发泡特性曲线图中可以看出，当用水 量从1 增加到2 时，半衰期递减较快；用水量进一步增加到3 时，大部分沥青 半衰期降低幅度已明显减小：当用水量由3 增加到5 时，

8、降低幅度则更小。由 此可见，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) 随用水量的增加而减小，但用水量增加到一定程度时，系统稳定性交化较 为平缓。此外，观察发泡用水量同膨胀率的变化关系可看出，沥青膨胀率随用 水量的增加而增大的幅度较为均匀，表明了在一定温度下发泡水在沥青中几乎 可以完全汽化，其汽化程度同用水量成正比关系。 ( 4 ) 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，选取膨胀率和半衰期都较大时的发泡温度和发泡用水量，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。具体方法为，首先将位于最上

9、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4 种 沥青的最佳发泡条件如表2 2 所示。 第2 章沥青发泡原理与发泡特性的试验研究 表2 26 种沥青最佳发泡特性 沥青发泡温度( )发泡用水量( )膨胀率半衰期( s ) 韩国A H - 7 0 1 5 01 51 11 2 壳牌 H 一7 0 1 5 01 5l l 1 2 镇海A H 一7 0 1 5 0 1 51 61 7 埃索A H 一7 0 1 4 02 01 21 2 中海A H 一7 0 1 5 0L5 1 3l l 中油A H - 9 01 6 01 51 61 1 从6 种

10、沥青的最佳发泡特性结果来看，最佳发泡温度在1 4 0 “ - - - 1 6 0 “ 1 2 ，发泡 用水量为1 5 “ - - 2 。并且最佳发泡条件下的膨胀率和半衰期也很接近，这说明不 同沥青之间的最佳发泡效果并无显著差异。 2 4 4 可接受的发泡特性 对所有要用于发泡的沥青都应该在实验室进行试验，以确定它们的发泡特 性。试验的目的是确定发泡用水量和发泡温度的组合条件，在该条件下可以获 得最好的发泡效果( 最高的膨胀率和半衰期) 。正如前面所述，每一种沥青甚至 同一沥青源的不同批的沥青发泡性能都可能不同。然而，通过简单试验，便可 确定每种沥青的发泡用水量和沥青温度，并将试验结果用于泡沫沥

11、青稳定工程。 虽然目前在拌制泡沫沥青混合料时，没有对泡沫沥青膨胀率和半衰期严格 地规定，发泡特性没有上限，目标通常是产生最好质量的泡沫用于稳定施工， 但唯一遇到的问题就是某种沥青不能产生“好“ 的泡沫，从而迫使设定较低的 下限。根据以往国外对泡沫沥青的研究成果发现，膨胀率大于l O 倍，同时半衰 期不低于1 2 s ，是普遍接受的条件。从试验结果来看，这6 种沥青满足这一条件 的发泡范围很有限，说明未掺加表面活性剂( 发泡剂) 的沥青一般很难找到较 为广泛的发泡范围。发泡范围较窄会使得实际操作变得困难，因为这对发泡条 件的要求更为严格。在实际工程应用中，并不是所有沥青都能制成高质量的泡 沫沥青

12、。有些沥青即使在多种发泡条件下，其发泡效果也不尽如人意，这说明 这些沥青不适合拌制泡沫沥青混合料，工程中可通过加入一定的发泡剂来改善 其发泡效果。 第2 章沥青发泡原理与发泡特性的试验研究 2 5 基于发泡指数的沥青发泡特性 2 5 1 发泡指数 南非J e n k i n s 教授在利用W i r t g e n W L B l O 沥青发泡机研究沥青发泡特性时， 发现沥青的衰落曲线与化学里同位素的衰落曲线十分相似，并给出了非改性沥 青泡沫沥青的衰落曲线，如下式( 2 1 ) 所示。 兰坚I g R ( t ) = E R 朋P T I l l ( 2 1 ) 式中：g R ( t ) 一泡

13、沫沥青喷出后最大膨胀率； E R _ 测量的最大膨胀率；f l 2 一半衰期( 秒) ； f 一所有泡沫沥青喷出后到测量时的时间。 他发现实验室发泡过程中忽略了这么一个重要事实，即在测量体积之前喷 射沥青的过程中，泡沫就已经衰落了。这是目前测量泡沫沥青发泡特性方法的 一个缺点，而且这个缺点对半衰期较短的泡沫沥青影响更为显著。多数情形下 在测量膨胀率之前沥青可以衰落至5 秒，这样导致测量的最大膨胀率不等于实 际的最大膨胀率，即E R 口E R _ 实际试验过程中不可能在喷射过程中测量泡沫 沥青的实际膨胀率，但是使用泡沫沥青的衰落曲线，可以反算出产生测量最大 膨胀率E R 。的实际最大膨胀率E R

14、 。表2 3 给出了不同喷射时间和半衰期情形下 E R 。和E R 。的敏感性分析。 表2 3 测量最大膨胀率和实际最大膨胀率之间的关系 E R 口 喷射时问( ，1 ) E R f 1 1 2 - + - 2f l ，2 - 5 I “ 1 1 2 ：1 6f 1 1 2 ：3 0t 1 1 2 ：6 0 l 5 ，6 0 25 3 95 1 35 0 65 0 3 1 51 8 0 5 1 6 1 71 5 3 81 5 1 91 5 1 0 2 53 0 0 5 2 6 9 52 5 6 32 5 3 2 2 5 1 5 5 5 1 1 5 07 2 0 5 6 65 3 0 5 2 0

15、 1 5 3 4 4 02 1 4 81 6 9 81 6 0 01 5 5 0 2 5 5 7 2 03 5 8 02 8 3 02 6 6 02 5 8 0 1 0 5 2 1 3 49 8 86 3 85 6 65 3 3 1 56 3 9 82 9 6 4 1 9 1 41 6 9 81 5 9 7 2 51 0 6 6 3 4 9 3 93 1 9 82 8 3 02 6 6 1 第2 章沥青发泡原理与发泡特性的试验研究 1 O 9 0 8 密O 7 、U J0 6 麦0 5 言o 4 o0 3 0 2 0 1 0 l _ ，。- - - 。 - -_- _ - r _ _ 一 ，一 - 一 - 一 一一一 一一 ，。 4一- ， ，_ 一 。 I 一 - 一 - r ， 喷射时问 ， 一 - 一 - o = 1c 凸 v v - ， t s = 2 s e c s 一， t s = 5 s e c s 一一二一t s = 1 0 s e c s 11010 0 半衰期I ；1 2 ( 秒) 图2 7 测量最大膨胀率和实际最大膨胀率之间的关系 根据表2 3 的计算结果，将歙m 和职。的关系绘制成图2 7 所示。给出喷射 时间( ，) 和半衰期( f I 2 ) 就可以根据该图得出歙。和职。的关系系数。 通常认为评价沥青发泡特性最为合适的参数，应