泡沫沥青发泡机理及其混合料性能的研究

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重庆交通大学硕士学位论文

泡沫沥青发泡机理及其混合料性能的研究

姓名：乔卫华申请学位级别：硕士专业：材料学指导教师：李力20081201

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摘要

摘要

本文通过资料调研、理论分析及室内试验，对泡沫沥青技术的沥青发泡机理和评价方法、原材料性质、各种混合料配合比设计及性能进行研究探讨，对该技

术进行总结完善，并力求形成完整的理论体系，以指导今后的室内相关材料设计

和工程应用。

通过室内沥青发泡试验，研究了沥青发泡特性及其影响因素，并探讨了泡沫沥青的衰落曲线和模型。认为沥青种类、沥青温度、发泡用水量和发泡水温、发泡剂的使用显著影响发泡效果。

对泡沫沥青混合料的配合比设计和性能进行了深入研究。通过配合比设计，得出了各种沥青混合料的具体设计参数。重点对泡沫沥青冷拌混合料的配合比设计、各项性能指标进行了研究，着重分析了影响混合料性能的因素，提出了改善混合料水稳定性的具体措施。对于其他类型的泡沫沥青混合料，从集料温度、混合料拌和及成型温度入手，深入研究了温度因素对泡沫沥青混合料的物理性能、力学性能、水稳定性能和高温稳定性能产生的影响。同时，将各种类型的泡沫沥青混合料与普通热拌沥青混合料进行性能比较，并分析其产生原因。

经试验研究及理论分析，认为泡沫沥青冷拌混合料可用于高等级道路的基层和低交通量道路的面层；泡沫沥青热拌和温拌混合料可以代替普通热拌沥青混合料用作高等级道路面层；而泡沫沥青半温混合料没有达到取代普通热拌混合料的预期目的。

关键词：泡沫沥青；发泡特性；热拌沥青混合料；冷拌混合料；温拌混合料；半温混合料；配合比设计；性能研究

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摘要

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ＷａｒｍＭｉｘＡｓｐｈａｌｔ；Ｈａｌｆ－Ｗａｒｍ

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重庆交通大学学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人

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学位论文作者签名：

蚕２峰

日期：伽莎年Ｉ≯月，牛日

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本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并进行信息服务（包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等），同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。

学位论文作者签名：

存Ｙ－碍

件日

指导教师签名：

套力

日期：加ｇ年ｆ２月

日期：硼年ｆ≯月ｆ中日

本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊（光盘版）电子杂志社ＣＮＫＩ系列

数据库中全文发布，并按《中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程》规定享受相关权益。

指导教师签名：李声

日期：？口Ｄ字年Ｉ２月ｆ牛日

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第一章绪论

第一章绪论

１．１研究背景

１．１．１何为泡沫沥青？

在高温的沥青中加入少量的水，水遇热迅速沸腾蒸发，沥青就会产生微细的泡沫，从而使沥青膨胀。这时沥青的物理性质就会暂时发生变化，表现为沥青的粘度显著降低，这种状态下的沥青称为泡沫沥青。泡沫沥青可以方便地与冷湿粒料拌和均匀，粒料不必同热拌料那样加热至高温而耗费许多资源，沥青也不必同乳化沥青那样经过额外的乳化加工，使用方便且效益较高。沈金安将泡沫沥青称之为改性沥青，这种改性技术属于工艺上的改性口１。泡沫沥青并不是一种新的沥青粘结料，而是一种新技术应用所带来的产物。

１．１．２泡沫沥青的优缺点

泡沫沥青冷拌混合料与其他类型冷拌混合料和热拌沥青混合料相比有一些优势，包括ｔ

①减少大气污染，泡沫沥青中有很少或根本没有碳氢化合物的排放。通常不

需要对集料预热，可以节省大量的资源。因此泡沫沥青混合料是一种经济、环保的道路材料，它可以在阴雨等不利天气下进行施工，而不会影响施工层的质量。

②在集料类型的适用性上，无论是边缘的还是循环再造材料都可被用于生产

不同质量的冷拌混合料，而且为降低运距和造价，可满足就地取材的原则。

⑧较低的最佳沥青用量，事实上，大粒径的集料只有部分被泡沫沥青裹覆，

而且泡沫沥青用量一般要普遍低于热拌沥青混合料，使用泡沫沥青拌制的热拌沥

青混合料，其沥青用量可减少５～１０％。

④早期强度高，一般交通量条件下，压实后的泡沫沥青混合料具有足够的强度立即开放交通，尤其在城市道路快速维修中，明显优于乳化沥青处治材料。

⑤泡沫沥青混合料的强度接近水泥、石灰等稳定材料，即半刚性材料，同时泡沫沥青混合料具有柔性性质和良好的抗疲劳特性，用其取代半刚性材料铺筑道

路的基层可以有效的减少反射裂缝。

⑥储存能力，泡沫沥青混合料可以成批生产，并且可以长期储存，而不用担

心发生离析现象，可以方便的应用于道路的日常维修。

不过，泡沫沥青混合料的使用也有缺点，应该认识Ｎ－

①泡沫沥青混合料的设计和生产过程需要一个先进水平的技术，从而保障产

品质量、丰富经验。

②冷拌混合料的配合比设计程序的制定和热拌混合料制定混合料程序已获得的经验相比，在混合料生产设备的规模和规格上都要简陋。

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③一些沥青中含有消泡剂，排除他们是否适合生产泡沫沥青，增加了成本。④成本效益难以证明，没有可靠的长期路面使用性能预测，寿命周期费用的

好处难以确定。

１．２国内外研究与应用现状

１．２．１泡沫沥青起源与研究过程

使用泡沫沥青稳定道路工程材料的历史由来以久。１９２８年德国的ＡｕｇｕｓｔＪａｃｏｂｉ注册了第一个制造沥青泡沫的专利。１９５６年美国依阿华州立大学的ＬａｄｉＣｓａｎｙｉ博士首次将泡沫沥青用于道路基层的稳定。但由于泡沫沥青稳定施工对设备要求较高，而初期应用时一直采用热蒸汽工艺进行厂拌施工，再加上缺乏标准的设计方法，因此限制了这项技术的推广应用。

１９６８年澳大利亚Ｍｏｂｉｌ

Ｏｉ１公司以冷水替代热蒸汽直接将水注入热沥青，使

得泡沫沥青的广泛应用变得现实和经济口１。１９９１年Ｍｏｂｉｌ０ｉ１公司的专利权结束后，人们重新对泡沫沥青的研究产生了兴趣，许多公路部门引进该项技术进行试验和研究。

２０世纪７０年代Ｂｏｗｅｒｉｎｇ和Ｍａｒｔｉｎｅ等人研究了泡沫沥青稳定劣质路面材料口３。７０～８０年代美国的一些州（如爱荷华州、阿拉巴马州、印第安纳州）都开展了这方面的应用研究，铺筑了试验路段。进入９０年代后，泡沫沥青引起了研究者新的关注。１９９７年后澳大利亚ＭａｉｎＲｏａｄｓ的Ｍ．Ｋｅｎｄａｌ、Ｊ．Ｒａｍａｎｕａｊａｍ等人开始采用泡沫沥青技术对昆士兰地区的道路进行冷再生，以提供具有柔性又耐疲劳的路面结构，并且进行了一系列试验路研究，修筑了Ｇｌａｄｆｉｅｌｄ，Ｒａｉｎｂｏｗ

Ｉｎｇｌｅｗｏｏｄ，Ａ１ｌｏｒａ，Ｒｅｄｌａｎｄ

Ｂｅａｃｈ，

Ｓｈｏｒｅ等试验路Ｈ３。南非的Ｋ．Ｍ．Ｍｕｔｈｅｎ和Ｋ．Ｊ．Ｊｅｎｋｉｎｓ

等人对泡沫沥青再生混合料的设计、沥青的发泡性能进行了较系统的研究，并在比勒陀利亚ＫｗａＺｕｌｕ－Ｎａｔａｌ等地区先后修建了不少实体工程Ｈ１。这些研究为泡沫沥青技术的实践应用奠定了基础。

从２０世纪９０年代开始，美国、加拿大、澳大利亚、南非及欧洲各国都积极推广应用节能环保的泡沫沥青新技术，从公路到城市道路，从厂拌到就地再生，从几公里较短的试验路到十几公里以上的工程项目不断涌现。到２０世纪末，国外

一些地区的泡沫沥青应用技术已经比较成熟。例如：在欧洲的挪威和荷兰采用泡沫沥青进行路面现场冷再生非常普及，仅至１９９７年，挪威采用泡沫沥青技术处治的

道路达１８０万ｍ２［２］。

由于理论研究和工程实践相互促进、不断深入，南非于１９９８年提出了泡沫沥青再生混合料设计规程。澳大利亚也在２００２年制定了沥青稳定的就地再生规范，并于２００３年出版了厂拌再生规范。加拿大的安大略省也于２００３年颁布了泡沫沥

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青全厚度再生规范。美国一些州也都相继制定了再生手册，例如：爱荷华州于２００３

年出版了全厚度再生规范，并于２００６年连续出版了就地冷再生规范，内容涉及到乳化沥青和泡沫沥青的设计、施工的各个方面。与此相应，著名的筑路设备机械公司ｗｒｉｔｇｅｎ也出版了冷再生手册，用以指导具体的施工过程。国外各地区一系列规范的制定标志着泡沫沥青混合料技术理论和施工工艺的不断进步，也说明了这项技术具有发展前景和实用性。

国内的一些学者也对泡沫沥青进行了研究。１９９１年，山西省阳泉市市政工程养护管理处对泡沫沥青技术进行了尝试性研究，当时利用泡沫沥青技术是为了增加沥青与石料的裹覆性能，减少沥青用量。由于设备所限，发泡效果不好，即使在使用了发泡剂的情况下，发泡倍数也只有６～１２倍。

１９９２年，沈阳市政工程设计研究院进行了泡沫沥青的相关研究，自主开发了发泡设备，并对泡沫沥青混合料和普通热拌沥青混合料进行了比较，认为泡沫沥

青混合料的主要技术指标完全能达到普通热拌沥青混凝土的标准，可降低１０％的

沥青用量。当时虽然开发了发泡设备，但是设备过于简单，即使使用发泡剂所得的发泡效果也不理想。只是将泡沫沥青和普通沥青的性质进行了比较，而忽视了泡沫沥青其实只是瞬态的产物，只发生物理性质的变化，不是一种新的沥青粘结料，而是一种新技术应用带来的产物，而且也没有考虑将泡沫沥青用于冷再生。

自２００２年开始，上海浦东路桥建设股份有限公司和同济大学合作开展了泡沫

沥青稳定基层的课题研究。通过近两年的研究，在沥青发泡原理与特性、泡沫沥

青混合料设计方法、泡沫沥青混合料物理力学特性及耐久性等方面取得一定成果，

并在无锡新区锡宅路修筑了６００米的试验路，在工程应用方面取得一定经验。

１．２．２泡沫沥青应用技术的研究

虽然泡沫沥青技术的研究历史可以追溯到１９世纪，但国外广泛关注该项技术

是从２０世纪７０年代发泡设备改良之后开始的。其研究内容大多集中在沥青发泡试

验、泡沫沥青混合料的目标级配范围、配合比设计、性能评价及其施工工艺上。现在，我国对于该技术的研究还处于起步阶段，仅仅对发泡试验、材料性质和施工过程有一些应用性的探索。

①室内发泡试验

泡沫沥青技术的首要环节是要求沥青具备良好的发泡效果，只有这样，才有

可能得到性能优良的泡沫沥青混合料。泡沫沥青发泡效果的评价指标一般用膨胀率和半衰期共同表征。沥青发泡虽然是一个的物理变化过程，但发泡效果影响因

素较多，整体变化复杂且不容易控制，国内外学者都曾对发泡试验的影响因素及１９８３年，Ｍ．Ｂｒｅｎｎｅｎ等人对３种沥青在１４９。Ｃ、１６３℃和１７７℃进行了发泡试验口】，

评价标准进行过研究。

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４

第一章绪论

每一种温度选择了３个用水量即１．５％、２％和２．５％，使用膨胀率和半衰期作为评价指标。最终发现这些评价指标受产生泡沫的数量、发泡用水量和发泡温度的影

响，认为较高的发泡温度和用水量的增加都可使得膨胀率增大，但同时半衰期降低。并根据不同沥青的发泡试验结果，认为１６３℃的发泡温度和２％的用水量可以

得出较好的发泡效果。

１９８３年，Ｒｕｃｋｅｌ等人提出了沥青发泡特性的试验方法，包括使用两个发泡温度（１６３℃和１７７℃）和３个用水量（１．５％、２％和２．５％）来确定沥青理想的发泡条件。他还发现，在试验室里，发泡容器的容积大小对发泡倍数和半衰期也会产生影响阳１。

２００３年新西兰的ＭｏｆｒｅｈＦ．Ｓａｌｅｈ发现软质沥青（针入度１８０／２００）比硬质沥青（针入度８０／１００）具有较好的发泡效果盯１。

虽然我国科研起步较晚，但是相关学者仍然在沥青发泡试验研究中取得了一些成果。

杨虎荣等人通过两种沥青的发泡试验，探讨了两种沥青发泡性能的差异并提

出了计算公式阳３。何桂平等人通过对Ｓｈｅｌｌ６０／７０号沥青的发泡试验，认为温度、气压和加水量三个因素对沥青发泡性能均有着显著的影响旧１。曹翠星等人通过对发泡

数据的非线性拟合，提出了两种沥青发泡性能的衰退方程，并以此分析和验证发泡机理ｎ训。拾方治采用四种常用沥青进行发泡试验，认为沥青品种、发泡温度和发泡用水量是影响泡沫沥青发泡特性的主要因素，并发现各种沥青的最佳发泡条件均在沥青温度１５０℃、用水量１．５％左右取得，没有明显差异ｎ¨。

对于评价指标和发泡剂研究，各国学者也做了相应的探索。

Ｊｅｋｅｎｓ教授引入发泡指数的概念，并根据泡沫沥青、衰落曲线模型得出了发

泡指数ＦＩ的计算公式。Ｍａｃｃａｒｒｏｎｅ等研究发现向沥青中加入一些添加剂或发泡剂可以延长泡沫沥青的半衰期。向沥青中加入０．５％和０．７５％的发泡剂可以使膨胀率

维持在８倍和１５倍，半衰期可以延长至４０秒ｎ列。

发泡剂的研究和寻找在国内还未见相关研究，在国际上也非常少见。

②泡沫沥青混合料的性能

矿料处于高速拌和状态中，同时喷入泡沫沥青，此时沥青会经历短暂的膨胀

并粘附集料，形成泡沫沥青混合料，最后经历碾压、养生过程形成泡沫沥青结构

层。由于组成材料的复杂性和施工工艺的特殊性，泡沫沥青混合料表现出特有的物理力学性能，国内外学者对此开展了相应的研究。

１）物理性能

泡沫沥青混合料具有较大的空隙率。南非对ＫｗａＺｕｌｕ—Ｎａｔａｌ试验路的观测结果表明：常温下泡沫沥青再生混合料的劲度模量较乳化沥青混合料的劲度模量高出１～２倍，而空隙率在１０％－－－２３．６％之间晗３。

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第一章绪论

２）路用性能

国内外的学者分别尝试过采用不同试验方法，对泡沫沥青混合料的路用性能进行评价。

由于泡沫沥青混合料特殊的物理性能，水稳定性成为研究者们关注的焦点。Ｋ

Ｍ

Ｍｕｔｈｅｎ认为泡沫沥青混合料含有相对少的胶结料和较高的空隙率，因此其强度

特性与水分含量密切相关ｎ副。Ｃａｓｔｅｄｏ和Ｗｏｏｄ的研究也表明泡沫沥青混合料对水的浸入比较敏感，饱水强度有时会远小于养护后的强度ｎ钔。以至于在配合比设计时，获得最佳水稳定性成为了判定泡沫沥青用量的公认标准，在试验方法上，几乎中外所有的研究人员均选择了干、湿劈裂强度。

ＣａｓｔｅｄｏＦｒａｎｃｏ等人（１９８４）发现了石灰等添加剂可以降低泡沫沥青混合料的水敏感性ｎ副。Ｌｅｗｉｓ（１９９８）发现水泥也具有同样的效果，同时价格更低ｎ引。Ｍａｃｃａｒｒｏｎｅ（１９９８）推荐，要获得好的性能，泡沫沥青试件最少还应该具有在浸水条件下ｌＯＯｋｐａ的间接抗拉强度和干燥状态下２００ｋｐａ的间接抗拉强度ｎ刖。

与热拌沥青混合料相比，泡沫沥青混合料的温度敏感性并不很强。泡沫沥青混合料的稳定性，在很大的程度上是受集料的嵌锁情况的影响而不是胶结料的粘结性。在泡沫沥青里，大颗粒集料并未被胶结料很好地裹覆，因此集料在更高的温度下仍然保持了相互之间的内摩擦力。然而，沥青胶浆在高温下其稳定性和粘

结性都会下降，这可能导致混合料强度的降低。

泡沫沥青混合料的抗车辙性能研究比较少，有学者采用车辙试验评价泡沫沥

青混合料的高温性能。澳大利亚昆士兰交通部门曾采用ＩｍａｇｅＦｌａｔｓ的材料进行了两种方式的车辙试验：压实后立即试验和压实后２４ｈ试验。试验结果相差很大，

前者在不到２０００次轮碾时轮辙深度就超过１４ｍｍ，但后者经过１００００次轮碾试验，车辙深度仍小于ｌｍｍＨｌ。

一些学者尝试采用不同试验方法评价泡沫沥青混合料的疲劳性能。Ｌｉｔｔｌｅ等人（１９８３）认为泡沫沥青的疲劳特性与热拌沥青相似ｎ刀。Ｂｉｓｓａｄａ（１９８７）的研究表明泡沫沥青再生混合料的疲劳特性不如常规热拌沥青材料ｎ引。Ｍｕｔｈｅｎ指出：泡沫沥青

再生混合料的力学特性介于粒料类和水泥结构之间ｎ朝。

对于泡沫沥青混合料的抗压强度和回弹模量，国内外的研究相对较少。

Ｂｏｗｅｎｎｇ（１９７０）提出了作为基层处置材料时泡沫沥青再生混合料的养生方法及对

应的强度标准：０．５ＭＰａ（浸水４天），０．７ＭＰａ（６０。Ｃ下养生３天）ｎ９１。Ｂｏｗｅｒｉｎｇ和Ｍａｒｔｉｎ（１９７６）建议泡沫沥青材料实际的无侧限抗压强度通常应该在１．８Ｍｐａ～

５．４ＭＰａ范围内，抗拉强度在０．２ＭＰａ＇－－－Ｏ．５５ＭＰａ范围内口１。Ｂｉｓｓａｄａ（１９８７）发现，在

温度高于３０℃的养护条件下，泡沫沥青混合料比同样条件下在常温养护２１天的热拌沥青混合料具有更高的模量¨８１。

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６

第一章绪论

综上所述，可以看出：关于泡沫沥青混合料的研究很多，但不同学者所采用的试验方法、评价指标以及参照标准大多存在差异，一些关键技术问题尚未统一。

⑨各种类型的泡沫沥青混合料及其定义

沥青混合料是指由矿料与沥青结合料拌和而成的混合料的总称，其中矿料起骨架作用，沥青与填料起胶结和填充作用。热拌沥青混合料是指由矿料与粘稠沥

青在专门设备中加热拌和而成，用保温运输设备运送至施工现场，并在热态下进行摊铺和压实的混合料，以ＨＭＡ表示，拌和温度通常为１５０－－－１８０℃啪３。泡沫沥青混合料是指由矿料与泡沫沥青结合料拌和而成的混合料。论文重点对热拌沥青混合料、泡沫沥青冷拌混合料、泡沫沥青热拌混合料、泡沫沥青温拌混合料和泡沫沥青半温混合料进行了试验研究。

１）泡沫沥青冷拌混合料

是指由常温下的矿料（添加拌和用水）与泡沫沥青进行拌和而成的混合料，以ＣＭＡ表示。泡沫沥青冷拌混合料的拌和成型温度也均为常温。

２）泡沫沥青热拌混合料

是指由泡沫沥青代替粘稠沥青与矿料进行拌和而成的热拌混合料。３）泡沫沥青温拌混合料

温拌混合料是指通过一定的技术措施，降低生产过程中沥青的粘度，使混合料能在相对较低的温度下拌和、摊铺及压实（英文为Ｗａｒｍ

Ｍｉｘ

Ａｓｐｈａｌｔ，简写为

ＷＭＡ）。温拌沥青混合料的拌和温度通常为１１０－－－１４０℃心们，泡沫沥青温拌混合料属

于其中的一种。

４）泡沫沥青半温混合料

是指将矿料加热到环境温度与１００℃之间范周内（可添加或不添加压实水分），与泡沫沥青进行拌和而成的混合料（英文为Ｈａｌｆ—ｗａ瑚ＡｓｐｈａｌｔＭｉｘ，简写为ＨＷＡ）。

可见，以上几种混合料类型是按照集料加热温度或沥青混合料的拌和温度来

划分的。

１．２．３科研与应用中的问题

综上所述，虽然泡沫沥青技术诞生已过百年，但大规模开展室内研究和工程应用仅开始于上世纪九十年代。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持己见，许多试验方法、评价指标和技术要求并不一致。

现如今，我国众多道路面临大中修养护，是泡沫沥青技术难得的推广机遇，因此近两年该技术的工程应用稳步增加。但是我国对该技术研究时间较短，工程

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第一章绪论

７

应用也仅限于试验路铺筑阶段，对该技术的材料设计方法、发泡效果评价指标、

混合料技术要求乃至施工工艺尚未进行深入的研究，缺乏深入全面的研究成果，严重制约了该技术的推广应用。

１．２．４泡沫沥青技术的发展前景

随着国外科研的逐步推进，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（见图１．１）。

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图１．１全球泡沫沥青技术应用的增长态势

Ｆｉｇｕｒｅ１．１Ｔｈｅｇｒｏｗｔｈｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｇｌｏｂａｌｆｏａｍｅｄａｓｐｈａｌｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

泡沫沥青技术的引进、开发与吸收，无疑给公路建设带来了新的思路。采用泡沫沥青冷再生，不仅可以解决传统道路维修造价高、浪费资源和污染环境等问题；同时将高等级道路的铣刨料用泡沫沥青冷再生，并用于为数众多的县乡道路，

既可以节省大量投资，又可解决旧料的处理问题。同时随着道路废旧材料的大量产生，所带来的环境污染问题已经不容忽视，泡沫沥青技术以节能和废旧材料利

用率高等特点，必将在日后的道路建设中大显身手。

１．３研究内容及技术路线

根据上述分析，本文针对泡沫沥青技术中发泡机理、特性以及泡沫沥青混合料的配合比设计和性能等有待于解决的技术问题，通过室内试验进行研究，并结

合国外研究热点问题对泡沫沥青混合料进行优化调整，完善我国泡沫沥青技术，

为其进一步的推广应用创造条件。

１．３．１研究内容

本文主要研究内容包括以下四点：（１）沥青发泡机理和发泡特性

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８

第一章绪论

（２）泡沫沥青的衰落曲线和模型（３）泡沫沥青混合料性能研究

（４）泡沫沥青混合料性能影响因素分析

研究方法和技术路线

（１）沥青发泡机理和发泡特性

在沥青发泡机理和评价指标分析的基础上，通过不同发泡条件下的室内发泡试验，对沥青发泡效果的影响因素进行分析评价。

（２）泡沫沥青衰落曲线和模型

通过对泡沫沥青的衰落过程的分析，探讨泡沫沥青的衰落曲线和模型。（３）泡沫沥青混合料性能分析

首先通过泡沫沥青技术的原材料一集料温度和混合料拌和、成型温度入手，

对各种泡沫沥青混合料的性能进行研究并分析其差异。

（４）泡沫沥青混合料性能影响因素分析

通过各种泡沫沥青混合料的性能比较，分析影响其性能的主要因素，并且对于广泛关注的泡沫沥青冷拌混合料的水稳定性，探讨了技术改善措施。

１．３．２技术路线

本文研究的技术路线如图１．２示。

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第一章绪论

９

图１．２研究技术路线

Ｆｉｇ１．２Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｒｏｕｔｅ

1111111111

１０

第二章沥青发泡机理和发泡特性

第二章沥青发泡机理和发泡特性

本章通过不同种类和标号沥青的室内发泡试验，对沥青的发泡机理、衰变规

律、评价指标和发泡效果影响因素等方面进行研究分析。

２．１沥青发泡机理

２．１．１发泡机理

沥青的发泡过程实际上是在发泡腔内完成的（见图２．１所示）。在发泡腔上部，高温（通常在１４０℃以上）状态下的沥青在液压泵的推动下不断循环流动，而水压和

气压的喷入阀门分别在膨胀腔的左右两侧。当发泡指令下达后，热沥青和水压、

气压阀门同时开启，三种状态、温度相差悬殊的物质在发泡腔内发生如下物理变化：首先高压水流在高压蒸汽的冲击作用下均匀分散成众多细微水体颗粒（近似水雾状），这些细微水体颗粒在极短的时间内喷入高温沥青之中，由于温度相差悬殊，众多细微水体颗粒在极短时间内几乎同时汽化。它们被具备一定粘度的高温沥青裹附后，就形成了众多蜂巢状的膨胀空气室。此时，汽化水体外侧的沥青薄膜表

面张力与汽化水体、压缩空气共同形成的内部气压之间达到短暂的相对平衡状态。

体积不断膨胀的三相混合体从沥青喷嘴中喷射而出，即形成了宏观状态上的泡沫

沥青。

热沥青——◆

压力水

习

气

泡沫沥青

图２．１泡沫沥青产生示意图

Ｆｉｇｕｒｅ２．１Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｆｏａｍｅｄａｓｐｈａｌｔｉｎ

ａｒｌ

ｅｘｐａｎｓｉｏｎｃｈａｍｂｅｒ

由于热沥青内部所分散的水体微粒大小不一，分布不均，形成的蜂巢状膨胀

空气室体积、表面沥青膜厚度各异，且泡沫沥青喷出后沥青膜温度骤降而粘度增

加，因此该平衡状态极不稳定，很容易被打破。在宏观上表现为泡沫沥青在达到

1111111111

最大膨胀体积后会很快衰减，恢复原有体积。一般而言，泡沫沥青在几十秒内即

可完成体积的膨胀和衰减的过程。

发泡过程中导致泡沫破灭的因素很多。一种解释为随着沥青胶团在常温下冷

却，气泡中的蒸汽冷凝而导致气泡破灭。这时发泡水会存留在沥青中形成所谓的水饱和沥青（ｗａｔｅｒ

ｓａｔｕｒａｔｅｄ

ａｓｐｈａｌｔ）；另一种解释为泡沫具有近乎稳定的蜂窝

状结构的气室，气室两边的膜即为泡沫液膜。在三个或多个气泡聚集的地方，液

膜被弯曲，并凹向气室的一方，形成普来特（Ｐｌａｔｅａｕ）边界，如图２．２所示。由于

在Ｐｌａｔｅａｕ交界处有较大的曲率半径，根据拉普拉斯（Ｌａｐｌａｃｅ）方程，在气相与液

相之间就会产生压力差，它随液体表面张力的增加而增大，随气泡曲率半径的增大而减小。因此在Ｐｌａｔｅａｕ交界处的液压要比附近曲率小的地方小，从而使得液体由小曲率处向Ｐｌａｔｅａｕ交界处流动。这种排液作用会使液膜逐渐变薄，当液膜达到临界厚度时（５一－－ｌＯｎｍ），膜就会破裂口¨。前一种解释更适合发泡温度较低或发泡用水量较少的情况。因为发泡温度低。沥青胶团容易冷凝，泡沫中的水蒸汽易低于液化温度，同时用水量较少，沥青薄膜也相对较厚，不会产生明显的Ｐｌａｔｅａｕ交界。而若是情况相反，则发泡时产生的大量体积较大的气泡以及大量蒸汽外溢与第二种解释更为贴近。

撕ｄｐ’删

图２．２多个气泡相遇时产生的ＰＩａｔｅａｕ交界（Ｓｃｈｒａｍｍ，１９９４）

Ｆｉｇｕｒｅ２．２ｇｅｎｅｒａｌｉｓｅｄｆｏａｍｗｉｔｈｎｏｎ－ｓｐｈｅｒｉｃａｌ

ｂｕｂｂｌｅｓ（Ｓｃｈｒａｍｍ，１９９４）

２．１．２发泡效果评价指标与最佳发泡条件

发泡效果用于评价沥青发泡结果的优劣，具体是指沥青在发泡过程中所呈现的最大倍数和衰减速度。目前，评价沥青发泡效果的主要技术指标为膨胀率和半衰期。膨胀率是指沥青发泡时能够达到的最大体积与沥青原体积的比值（无量纲）。

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沥青的体积膨胀倍数越大，施工和易性越好，在最终成型的混合料中泡沫沥青的分散均匀性越高。半衰期是指沥青发泡状态达到最大体积的时刻至泡沫消散至最大体积一半时所需的时间（以ｓ计）。半衰期越长，沥青泡沫衰减越慢，施工中能提供的有效拌和时间越长。因此，需要选择膨胀率较大、半衰期较长的发泡条件

来制作泡沫沥青。这也是进行室内发泡试验的最终目的，即寻找某沥青得到最优良发泡效果时所采用的发泡条件，这个发泡条件一般称为最佳发泡条件。最佳发泡条件一般由沥青温度、发泡用水量和发泡腔内压力组成，最佳发泡条件下的发泡效果称作最佳发泡效果。通过国内外相关文献调研瞳２邶１，最佳发泡条件的确定

方法总结如图２．３所示。

发泡舟水量（％）

图２．３确定沥青在某温度下最佳发泡条件的方法

Ｆｉｇｕｒｅ２．３Ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅｂｅｓｔｍｅｔｈｏｄｏｆａｓｐｈａｌｔｆｏａｍｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｕｎｄｅｒｃｅｒｔａｉｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ

图２．３表示沥青在某温度下最佳发泡条件的确定方法，需要根据发泡试验的

数据，做出膨胀率和半衰期的变化曲线，根据最低可接受膨胀率和半衰期寻找上下限范围，并取范围中点作为该温度下的最佳发泡条件，最终对比各个温度下的

最佳发泡条件，选择最优的发泡效果综合确定该沥青的最佳发泡条件。

２．１．３发泡指标的测试方法

在发泡试验中，膨胀率和半衰期可以采用发泡测试桶和标尺测试同时得到。本试验采用的发泡测试桶是直径为２８ｃｍ，容积为２０Ｌ的洁净钢桶。在每次发泡试验之前通过标定，将发泡所用沥青质量调整至５００９。测试过程如图２．４所示，测试时，首先将标尺竖直插入发泡测试桶内至桶底面，沥青喷入测试桶并开始发泡；目测沥青达到最大膨胀体积时在测试标尺上的位置，读出膨胀率，同时开始计时；

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第二章沥青发泡机理和发泡特性

当沥青体积衰减至一半时计时中止，在秒表上读出半衰期。为了尽可能减少试验误差，需要进行平行的发泡试验，求取测试指标的平均值。

将泡沫沥青达到膨胀率之后的体积膨胀倍数随时间衰落过程用数学方程式的

形式描述出来，就得到了泡沫沥青的衰落曲线方程。把这个过程绘图表示就得到了沥青的衰落曲线。图２．４的上半部分就是发泡指标测试过程对应的衰落曲线。从图中可以看出：衰落曲线可以精确描述出发泡过程中每个时刻的体积变化，而膨胀率和半衰期则是这一过程之中变化规律特征的宏观数据表现。

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图２．４试验室测试膨胀率和半衰期的示意图

Ｆｉｇｕｒｅ２．４Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙｔｅｓｔｉｎｇｄｉａｇｒａｍｏｆｅｘｐａｎｓｉｏｎａｎｄｈａｌｆ－ｌｉｆｅ

２．１．４发泡效果影响因素

从沥青的发泡机理可以推断：沥青发泡效果主要取决于气压和水压、沥青品种、沥青温度、发泡水温和发泡用水量等。

从图２．１所示的发泡过程可以看出：具备一定压力的冷水和空气在发泡腔内部与热沥青混和而形成泡沫沥青。基于沥青发泡原理，增加冷水和空气输送管道的

压力可以改变水汽的分散状态，从而改变发泡效果。由于发泡试验机的水压和气

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１４

第二章沥青发泡机理和发泡特性

压的参数已设定为０．５ＭＰａ，因此本试验并未考虑水压、气压两因素的影响，均选取设定数值。

沥青种类和来源对发泡效果影响较大，由于其化学组分的不同，导致有些沥青能够形成较大的膨胀率或稳定的半衰期，而有些沥青并不适合发泡。比如：来自

委内瑞拉的沥青发泡效果要好于其他沥青ｕ刭。

在沥青发泡过程中，提高沥青温度有两个作用：一是增加沥青的流动性；二是提供水相汽化所需要的热能。Ｂｒｅｎｎｅｎ认为：提高沥青温度有助于沥青发泡嵋１，一般情况下，低于１２０＂Ｃ时，沥青很难发泡，但这并不表明温度越高，发泡效果就越好。

发泡用水量是影响沥青发泡效果的重要因素，一般来说，随着发泡用水量变大，泡沫沥青体积膨胀倍数和衰减速度都会正比增加。发泡试验中发泡用水的温度也会影响沥青发泡效果。当冷水喷入热沥青中时，细微水滴瞬间汽化膨胀：如

果发泡用水的温度不同，必然导致汽化速度发生变化，从而最终影响发泡效果。

另外，当沥青反复加热而导致沥青老化后，发泡效果会受到影响；消泡剂（例

如硅化合物）的存在会影响发泡效果；沥青中加入表面活性物质（发泡剂），可以明

显改善沥青的发泡特性。

实际操作时主要是通过改变沥青温度和发泡用水量来研究膨胀率与半衰期的

变化关系，以期找到最佳的发泡效果，并在这种状态下拌制泡沫沥青混合料。而

通常情况下膨胀率与半衰期两者不可能都达到最优，一般认为最好的发泡性能是出现在膨胀率和稳定性都较好之时。目前对于发泡性能尚无明确的数值标准，无论取高膨胀率还是较长的半衰期，均不如两者都适当时的效果好。

２．２沥青发泡特性的试验研究

２．２．１试验材料

试验所用沥青分别为韩国７０号、中海油７０号和９０号沥青，３种沥青主要技术指标的测试结果见表２．１。另外，发泡用水直接采用洁净的自来水。

表２．１沥青三大指标测试结果

Ｔａｂｌｅ２．２Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅ

ｍａｊｏｒｉｎｄｉｃａｔｏｒｓｏｆａｓｐｈａｌｔ

测试项目２５℃针入度软化点１５℃延度

中海油７０号

６５．６４８．３＞１００

中海油９０号

８８．３４５．７＞１００

韩国７０号

６２．５４８．１＞１００

２．２．２试验方案

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第二章沥青发泡机理和发泡特性

①试验设备

沥青发泡试验采用本课题自主研发的沥青发泡试验机进行。该发泡试验机与Ｗｉｒｔｇｅｎ公司ＷＬＢＩＯ型发泡试验机相似，是专门为泡沫沥青的室内研究而研制的发

泡设备。该设备自备沥青混合料搅拌系统，根据泡沫沥青的生产量，一次拌和混合料的最佳质量在３．０＂－－６．Ｏｋｇ。采用发泡测试钢桶和标尺来测试泡沫沥青的膨胀率和半衰期指标。

②沥青发泡试验

从上述分析可知：沥青种类、沥青温度、发泡用水量（发泡水占沥青质量的百

分比）、发泡水温度等因素对发泡效果均存在影响，下面针对各个因素分别设计发泡试验。在试验中，选择沥青加热温度为１４０℃、１５０℃、１６０。Ｃ和１７０℃：发泡用

水量１％、２％、３％、４％和５％；发泡水温度为１０℃、４０℃和８０℃；使用发泡剂用量为发泡用水的ｌ％、２％、３％、４％和５％。发泡试验条件组合情况如下：

方案１：对比不同种类沥青发泡效果的差异。采用韩国７０号和中海油７０号两

种沥青，沥青温度分别为为１４０℃、１５０℃、１６０℃和１７０℃，发泡用水量变化范围

为：１％，－－－５％。

方案２：使用方差分析方法分析不同标号沥青发泡效果的差异。采用中海油７０

号和９０号两种沥青，沥青温度分别为１４０℃、１５０℃、１６０℃和１７０℃，发泡用水量变化范围为：１％－－５％。

方案３：分析沥青温度和发泡用水量对发泡效果的影响。采用韩国７０号和中海

油７０号两种沥青，沥青温度为１４０℃、１５０℃、１６０℃和１７０℃，发泡用水量变化范围为：ｌ％～５％（可与方案１共享数据）。

方案４：研究水温对发泡效果的影响。采用韩国７０号和中海油７０号两种沥青，发泡水温分别为１０℃、４０℃和８０℃；沥青温度为１４０℃、１５０℃、１６０℃和１７０℃；发泡用水量变化范围为：１％～５％。

方案５：在方案１－－３试验的基础上，采用韩国７０号和中海油７０号两种沥青的最佳发泡用水量和最佳发泡温度，在发泡水中添加发泡剂，发泡剂用量变化范围是发泡用水的１％－－５％。

每种试验条件进行３次平行试验，测试膨胀率和半衰期两个参数。因人为误差会对半衰期结果造成非常大的影响，所以本试验同时采用了数码像机拍摄试验过

程，并通过录像带读数的方法得到膨胀率和半衰期的结果，这样就大大地消除了

人为误差的影响，提高了试验结果的精度。

２．２．３试验结果

本次试验结果如表２．２和２．３所示。

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１６

第二章沥青发泡机理和发泡特性

表２．２沥青发泡试验结果

Ｔａｂｌｅ２．２Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆａｓｐｈａｌｔｆｏａｍｔｅｓｔ

沥青品种

评价指标膨胀率

沥青温度

（℃）

１４０

发泡水温

（℃）

１８．２１７．０８．５

２

发泡用水量（％）

３１４．２１０．４１４．８９．５１５．５８．７１６．０７．８１４．９９．６１５．９８．７１６．８７．５１６．４６．８

４１６．５８．５１７．８６．８１８．４５．９１９．１４．９１６．０６．８１９．８５．６２０．７４．３１８．５４．１１４．１７．８１３．５７．４１３．２６．２１３．０５．８１６．７５．６２７．７１５．７３１．３２１．５１８．０

５１７．４７．３２０．Ｏ５．４２１．５５．２２２．３４．５１６．２６．１２２．０４．８２３．０４．０２０．７３．４１５．３７．４１３．３５．１１３．９４．７１３．６４．５１８．１５．０２９．５１２．５３２．５１６．５２０．１４．Ｏ２９．１１１．４３３．６１６．０

１１．Ｏ１３．９１２．２１３．３１２．５１２．７１３．０１０．５１１．８１３．０１２．５１２．２１３．７１２．０１３．２９．９１１．２１４．２１０．５１４．０１０．１１３．４９．４１１．０１２．０１２．５１６．５２８．５２４．５３６．９１２．２１１．２２０．４２７．８２６．５３５．５

半衰期（ｓ）膨胀率

韩国７０号

半衰期（ｓ）膨胀率

１６０１５０

常温（约２０）

１６．６９．４１５．０９．８

半衰期（ｓ）膨胀率

１７０

半衰期（Ｓ）膨胀率

１４０

１３．９７．９１７．４７．Ｏ

１５０

半衰期（Ｓ）膨胀率

中海油７０号

半衰期（ｓ）膨胀率半衰期（ｓ）膨胀率

１７０１６０

常温（约２０）

１６．６８．４１６．０７．８１４．９７．０

半衰期（Ｓ）膨胀率半衰期（ｓ）

中海油９０号

膨胀率

１５０１４０

１２．７

９．９１２．５

１８．５６．７

半衰期（Ｓ）膨胀率

１６０

常温（约２０）

１８．１６．２１７．４６．０

１０．１

１２．０８．７１１．３８．５１４．６８．０２２．４２０．８２８．３２９．Ｏ１５．１７．１

半衰期（Ｓ）膨胀率半衰期（Ｓ）膨胀率

１０

１７０

１６．０６．２１５．０１０．２

１６０

４０

３３．５１４．５

８０

３９．０７．０

１０

１４．５９．０

１６０

４０

３２．４１５．３

８０

３８．５

半衰期（Ｓ）

韩国７０号

膨胀率半衰期（Ｓ）膨胀率半衰期（Ｓ）膨胀率

中海油７０号

半衰期（Ｓ）膨胀率半衰期（Ｓ）膨胀率半衰期（Ｓ）

４．２

２６．８１４．３３２．５２０．Ｏ

２３．５

１７．１２９．２２７．８

1111111111

第二章沥青发泡机理和发泡特性

表２．３发泡剂对沥青发泡的影响

Ｔａｂｌｅ２．３Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｆｏａｍｉｎｇａｇｅｎｔ

０１１

ｆｏａｍｅｄａｓｐｈａｌｔ

沥青评价沥青温发泡水发泡用水发泡剂用量（％）

品种指标度（℃）

温（℃）

量（％）

０１２３４５韩国膨胀率１２．５

１６．１

１４．５

１３．２

１２．０

１１．１

７０号

半衰期

１２．７２０．１２２．Ｏ２５．４２７．１２９．３（Ｓ）

中海油膨胀率１３．７

１６．５

１４．９

１３．５

１２．７

１１．６

１６０

常温７０号

半衰期

２．０

（约２０）

１２．０

１８．３

２０．２

２３．５

２５．Ｏ

２７．４

（ｓ）

中海油膨胀率１０．１１３．５１２．９１２．０１０．２

９．３９０号

半衰期

９．４１５．４１７．８２０．１２２．４

２５．７

（ｓ）

注：发泡剂用量是指发泡剂占发泡用水的质量百分比（％）

２．２．４试验结果分析

①沥青品种对发泡效果的影响

将表２．２中韩国７０号和中海油７０号沥青的膨胀率、半衰期与发泡用水量的关系绘制成图２．５、２．６、２．７、２．８。从图２．７可以看出：在沥青温度１６０℃下，比较韩国和中海油沥青，前者膨胀率稍低于后者，前者半衰期则明显高于后者。由图２．６、２．７可见，在温度１５０℃和１６０℃下，两种沥青的膨胀率和半衰期均较好。

根据国外对泡沫沥青的研究成果，将膨胀率大于１０，半衰期不低于１２秒作为接受条件，按照图２．３确定沥青在某温度下最佳发泡条件的方法，由图２．５至２．８

分析可知，在发泡用水量ｌ％＂－－５％的范围内，韩国沥青的最佳发泡效果为：膨胀率１２．５倍、半衰期１２．７秒，相应的最佳发泡条件为：沥青温度１６０℃、发泡用水量２％；中海油沥青的最佳发泡效果为：膨胀率１３．２倍、半衰期１２．３秒，相应的最佳发泡条件为：沥青温度１６０℃、发泡用水量１．８％。上述分析结果表明，两种沥青的发泡条件和发泡效果不存在显著差异。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/rns1.html