机械发泡温拌沥青技术在贵州兴义环城高速公路的应用

道路施工阶段沥青混合料的拌制过程是交通运输行业的能源消耗大户[1]。传统沥青混合料拌和站拌制全过程温度要求在160°C以上，在拌制过程中需要将集料从环境温度持续加热到170°C左右，期间消耗的能源相当巨大；同时，沥青混合料拌和及摊铺过程中产生的沥青烟气及温室气体对施工人员和环境的危害十分严重，尤其沥青烟气中含有强致癌物质苯并芘[2，3]。根据相关资料的调研发现，在生产沥青混合料的施工过程中，施工温度每升高10°C，每生产1t热拌沥青混合料需多排放0.9kg的CO2；1t沥青混合料的生产需消耗燃料8L[4]。

温拌沥青混合料通过降低拌和生产温度以及摊铺辗压温度，从而降低能耗，同时减少致癌物质笨并芘及温室气体的排放。机械发泡技术[5-7]是温拌沥青技术的一种，该技术是将沥青和微量水通过机械发泡装备形成泡沫沥青，增大了沥青的比表面积[8]， 降低了沥青结合料的黏度，从而能够在拌和楼中与粗细集料、矿粉等在较低温度下[9-11]进行拌和，同时也提高了沥青混合料的施工和易性。温拌沥青混合料因其较低的摊铺和辗压温度可延长施工季节，保证了其在沥青路面施工中的灵活性、便利性。

本文依托贵州兴义环城高速公路建设项目开展了机械发泡温拌技术的应用研究。黔西南州兴义环城高速公路起于义龙新区西边的磨盘山与汕昆高速公路(K74+260)T形枢纽复合衔接，全长62.232km。为设计速度80km/h的双向四车道高速公路，整体式路基宽度为24.5m。机械发泡温拌沥青技术在上中下面层总计实施806064㎡。

1.1原材料及集料级配设计

(1)沥青及添加剂

依托工程路段下面层采用70#道路石油沥青，中、上面层采用SBS聚合物改性沥青，按《 公路工程沥青及沥青混合料试验规程 》 (JTGE20-2011) 进行试验，检测结果分别见表1、2。为了提高 SBS改性沥青 的发泡效果和沥青混合料的抗水性能，选择了一种与沥青相容性良好的添加剂。添加剂中的活性成分可以提高沥青与集料的黏附性能，能提升泡沫温拌沥青的抗水损能力，添加量为沥青质量的0.1%。

(2)配合比设计方案

依托工程路段上、中、下面层分别采用 Sup-13、Sup-20、Sup-25型混合料，集料级配如表3所示，沥青用量分别为5.1%、4.4%、3.9%。

1.2试验方案

(1)沥青发泡试验

室内进行沥青发泡试验，根据测得的不同沥青温度、不同加水量的膨胀率与半期，确定沥青发泡温度与最佳用水量。

试验室采用专用沥青 发泡设备 ，为了与实际施工拌和设备发泡装置的工况相符合，在不加气的情况下进行沥青发泡试验。根据经验，70#道路石油沥青发泡温度采用145、10、10℃，用水量为1%、2%、3%；SBS性沥青发泡温度采用150、160、170℃，用水量为2%、3%、4%。加人添加剂的 SBS 改性青发泡温度采用150、160、170℃，加水量为 1.5%、2.0%、2.5%。

(2)混合料路用性能试验

分别对用于上、中、下面层的泡沐温拌沥青混合料的高、低温以及水稳性能开展试验，并与热拌沥青混合料进行对比，评价泡沫温拌沥青混合料的路用性能。

沥青混合料室内采用旋转压实成型，分别测试热拌及温拌混合料的马歇尔稳定度、流值、浸水马歇尔、冻融劈裂、 动稳定度 、低温弯曲等性能。

2.1室内试验分析

通过上述三种沥青的发泡结果可以看出(1)随着沥青温度以及用水量的提高，沥青的膨胀率逐渐增大，半衰期逐渐降低。

(2)在同一温度下随着用水量的增加，基质沥青的膨胀率呈现规律性的增加，半衰期并没有一致的变化规律。

(3)在同一用水量下随着温度的升高，基质沥青的半衰期逐渐降低，膨胀率并没有一致的变化规律；SBS改性青的胀率逐增大。

(4)当SBS改性沥青加入添加剂后，气泡小且密，半衰期明显变长。膨胀率较普通SBS改性沥青相比有所增加，发泡效果得到显著提升。

结合3种沥青发泡的试验结果最终确定:70#道路石油沥青发泡温度为145℃、佳用水量为1.5%，膨胀率14倍，半衰期12s；SBS改性沥青发泡温度为 160℃、最佳用水量为30%膨胀率6倍，半衰期>180s；加入添加剂的SBS改性沥青发泡温度为 160℃，最佳用水量为2.0%，膨胀率8倍，半衰期 >180s。所有沥青的发泡效果满足基质沥青膨胀率26倍、半衰期≥10s和改性沥青膨胀率≥4倍、半衰期10s的要求。

2.2青合料性能试验根据

对上、中、下面层的沥青混合料在现场进行出料抽样检查。现场出料温度较热拌沥青混合料降低20℃左右，混合料裹附性良好，未出现花白料情况。

现场压实工艺与普通热拌沥青混合料无异摊铺温度较热拌沥青混合料降低20℃左右。施工过程中， 沥青烟 等刺激性气体排放明显减少如图7所示。

(1)渗水系数检测

对各个面层进行渗水系数检测，见表7，满足规范要求。

(2)压实度检测

对各个面层路面进行钻芯取样，测试其压实度。机械发泡法温拌沥青混合料压实度的检测频次和质量要求参照《公路沥青路面施工技术规范》的相关规定。采用最大理论密度计算压实度时，压实度92%即满足要求。

各面层压实度分布如图8所示。可以看出，压实度数据变异性较低，大部分分布在93.5%左右。经计算，下面层压实度代表值为93.1%，中面层压实度代表值为93.4%,上面层压实度代表值为94.0%。因此，采用机械发泡温拌沥青混合料技术进行路面施工，在降低施工温度20℃左右的情况下各面层压实效果情况良好。

(1)项目使用的基质及改性青发泡效果良好。70#道路石油沥青发泡温度为145℃、最佳用水量为15%，膨胀率14倍，半衰期12s；SBS改性青发泡温度为160℃、最佳用水量为3.0%，膨胀率6倍，半衰期 >180s；加人添加剂的SBS改性沥青发泡温度为160℃，最佳用水量为2.0%，膨胀率8倍，半衰期 >180 。所有沥青的发泡效果满足基质沥青膨胀率≥6倍、半衰期≥10s和改性沥青膨胀率≥4倍、半衰期10s的要求。

(2)泡沫温拌沥青混合料各项性能均满足规范要求，具有良好的低温性能及抗水损性能。

(3)现场施工情况良好，摊铺压实温度较热拌沥青路面降低20℃左右。施工和易性有所提升，压实效果良好；沥青烟等有毒气体及温室气体排放显著减少。

(4)机械发泡温拌技术可有效节约天然气的消耗，平均每降低10℃，生产1t机械发泡温拌沥青混合料节约1m3天然气，具有良好的经济效益及社会效益。