實驗室用泡沫瀝青試驗機(jī)及其發(fā)泡性能

王海峰，馬保國，嚴(yán)捍東

（1.華僑大學(xué)土木工程學(xué)院，福建廈門361021 2.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430072）

實驗室用泡沫瀝青試驗機(jī)及其發(fā)泡性能

王海峰1，馬保國2，嚴(yán)捍東1

（1.華僑大學(xué)土木工程學(xué)院，福建廈門361021 2.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430072）

利用自主研發(fā)的實驗室瀝青發(fā)泡裝置，在155，165，175℃溫度下，將中石油AH70和國創(chuàng)AH70兩種瀝青進(jìn)行發(fā)泡.研究表明：在可發(fā)泡溫度范圍內(nèi)，同一溫度下產(chǎn)生的泡沫瀝青，隨著發(fā)泡用水量的增加，膨脹率先出現(xiàn)增大，后降低現(xiàn)象.當(dāng)溫度超過175℃時，在適當(dāng)用水量范圍內(nèi)，用水量一定，膨脹率隨發(fā)泡溫度升高出現(xiàn)衰減.氣壓對半衰期的影響沒有用水量對半衰期的影響大，只有在1%加水量的條件下，氣壓對試驗結(jié)果有顯著的影響.本設(shè)備在溫度為175℃、用水量為2.75%時，達(dá)到最佳發(fā)泡效果，膨脹率和半衰期分別為14.3倍和10.8s.

瀝青；泡沫瀝青；半衰期；膨脹比

隨著道路建設(shè)的飛速發(fā)展，對瀝青的需求量不斷增加，道路建設(shè)中因大量使用瀝青而帶來的能耗和污染顯得日益嚴(yán)重.因此，在保證基本路用性能的前提下有效減少瀝青用量，對降低投資，減少能耗和污染顯得非常重要.研究泡沫瀝青并利用泡沫瀝青制備瀝青混凝土能夠?qū)U舊道路材料進(jìn)行有效的再生利用，同時節(jié)省能耗，降低瀝青使用量，有著重要的現(xiàn)實意義.在瀝青發(fā)泡過程中，熱瀝青與小水滴表面發(fā)生能量交換，是使水滴加熱至100℃，同時冷卻瀝青，瀝青依靠薄膜的表面張力將氣泡完全裹覆而保持一種平衡狀態(tài)，這種平衡狀態(tài)一般維持?jǐn)?shù)秒的時間，泡沫容易破滅［1］.同濟(jì)大學(xué)、武漢理工大學(xué)等也對泡沫瀝青的發(fā)泡性能進(jìn)行了相應(yīng)的研究工作，并取得了部分研究成果，但是國內(nèi)尚未形成一套完整的權(quán)威的評價體系.本文利用自主研發(fā)的實驗室瀝青發(fā)泡裝置，將中石油AH70和國創(chuàng)AH70兩種瀝青進(jìn)行發(fā)泡.

1 瀝青的發(fā)泡原理

瀝青由多種化學(xué)組分及其復(fù)雜的烴類組成，常溫下可為液態(tài)、半固態(tài)或固態(tài)，具有高度的非牛頓液體、復(fù)合粘－塑性或粘－彈性力學(xué)性質(zhì)，瀝青的粘度隨溫度的改變而變化.泡沫瀝青是脫水熱瀝青通過發(fā)泡介質(zhì)（水、水蒸氣或發(fā)泡劑）在發(fā)泡過程中，迅速形成充滿直徑大小不等的無數(shù)氣泡（空氣或水蒸氣）.所制成的瀝青－氣體系統(tǒng)，使瀝青表面積迅速增大，使瀝青體積漲大10～15倍，且相應(yīng)增加了瀝青表面的自由能.

向高溫瀝青中加入少量（瀝青質(zhì)量的1%～5%）的水，會產(chǎn)生細(xì)微泡沫，從而使瀝青膨脹.當(dāng)泡沫瀝青與礦料拌合時，瀝青在自由能的作用下，迅速均勻地擴(kuò)散到礦料表面上，形成薄膜，使瀝青與礦料結(jié)合得更緊密、更結(jié)實.因此，泡沫瀝青不需要像乳化瀝青那樣需要經(jīng)過額外的乳化加工，也不必像熱拌瀝青那樣耗費(fèi)大量能源.與普通瀝青混合料相比，泡沫瀝青混合料中瀝青用量可減少5%～10%；減少拌合時間15%～20%；提高生產(chǎn)效率以及降低生產(chǎn)過程中的能耗，減輕瀝青老化程度等優(yōu)勢［23］.

2 實驗方法

圖1 實驗室用瀝青發(fā)泡設(shè)備結(jié)構(gòu)示意簡圖Fig.1 Laboratory asphalt foaming equipment

2.1 實驗設(shè)備

前期研發(fā)過程中自主研發(fā)的實驗室用瀝青發(fā)泡設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.該發(fā)泡裝置的核心部分是瀝青發(fā)泡腔體的設(shè)計以及與之連接的發(fā)泡用水噴頭的設(shè)計與布置.由于發(fā)泡腔體中高壓水霧與高溫瀝青相遇的時候會有部分水珠顆粒被高溫瀝青包裹瞬間發(fā)泡出現(xiàn)飛濺，對高壓水噴嘴造成一定的堵塞，影響發(fā)泡用水的霧化效果.另一方面，腔體中的部分高溫瀝青在水霧環(huán)境下被降溫，出現(xiàn)自由滴落現(xiàn)象，減少了與水霧的接觸機(jī)會，影響發(fā)泡效果.為此，通過特殊設(shè)計操作，以保證高溫瀝青與發(fā)泡用水能夠有效接觸，提高發(fā)泡效率.與維特根生產(chǎn)的WLB－10型實驗室用瀝青發(fā)泡機(jī)相比，該設(shè)備具有發(fā)泡腔體及通氣通水管道不易堵塞的優(yōu)點.

與維特根的WLB－10型實驗室用瀝青發(fā)泡機(jī)相比，該瀝青發(fā)泡設(shè)備的控制面板操作的方便程度和數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性還有一定的差距.這是由于該機(jī)器的設(shè)計和制備還處于研發(fā)階段，尚需修改和調(diào)整；所使用傳感器的靈敏度以及穩(wěn)定性都不如進(jìn)口器件質(zhì)量好.這些問題將在今后的研究設(shè)計過程中逐步予以改善.

2.2 研究方法

先將管道系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱，達(dá)到設(shè)定條件后，將可流動性瀝青加入瀝青至瀝青攪拌鍋中，同時檢查并調(diào)整氣壓，水泵，調(diào)整噴頭處發(fā)泡用水的霧化效果.發(fā)泡過程中，預(yù)先加入適量的瀝青并調(diào)整整個機(jī)器系統(tǒng).目測發(fā)泡效果達(dá)到最好狀態(tài)時，在T1時刻向已知容積（V1）且?guī)в锌潭鹊膹V口容器中注入泡沫瀝青，觀察裝滿泡沫瀝青的容器.表面下降到容器一半的時刻記為T2，此時泡沫瀝青體積記為V2.待瀝青冷卻并倒出容器中的水，觀測冷卻瀝青表面到達(dá)的刻度，記為V3.試驗中泡沫瀝青的半衰期記為τ，膨脹比記為r.

結(jié)合各參數(shù)之間的關(guān)系，繪制發(fā)泡用水量跟膨脹率和半衰期之間的曲線，根據(jù)最小膨脹比和最短半衰期在坐標(biāo)上對應(yīng)的發(fā)泡用水量確定常用發(fā)泡用水量的優(yōu)化區(qū)間.在進(jìn)行試驗時，考慮到系統(tǒng)熱損失的問題，將機(jī)器發(fā)泡溫度參數(shù)設(shè)定值高于實際設(shè)計發(fā)泡溫度5～10℃.

3 瀝青發(fā)泡效果分析

研究中，瀝青采用中石油AH70和國創(chuàng)AH70兩種瀝青作為發(fā)泡瀝青，利用自主研發(fā)設(shè)計的實驗室用瀝青發(fā)泡設(shè)備，將瀝青分別添加2%～4%發(fā)泡用水量（相對于瀝青的質(zhì)量濃度），在155，165，175℃溫度下研究瀝青發(fā)泡特性，測量產(chǎn)生泡沫瀝青的膨脹率及半衰期，結(jié)果如圖2，3，4所示.圖2，3，4中：r為膨脹比；θ為水量溫度；w為用水量；τ為半衰期.

圖2 泡沫瀝青效果圖Fig.2 Foam asphalt

圖3 泡沫瀝青膨脹率Fig.3 Expansion ratio of foam asphalt

研究結(jié)果表明，在可發(fā)泡溫度范圍內(nèi)，同一溫度下產(chǎn)生的泡沫瀝青，膨脹率隨發(fā)泡用水量的增加而增大.用水量超過某一界限時，膨脹率出現(xiàn)降低現(xiàn)象.可能是過多的發(fā)泡用水對瀝青的溫度有消弱作用造成，半衰期則隨用水量的增加而減小.當(dāng)溫度超過175℃時，在適當(dāng)用水量范圍內(nèi)，用水量一定，膨脹率隨發(fā)泡溫度增加沒有出現(xiàn)持續(xù)增大現(xiàn)象，反而減小.該現(xiàn)象可能說明過高的溫度不利于瀝青的成泡效果.發(fā)泡機(jī)在175℃下、用水量為2.75%時發(fā)泡效果最佳，膨脹率和半衰期分別為14.3倍和10.8s，其膨脹率略低于維特根的設(shè)備在該條件下的膨脹率.可能是由于本設(shè)備在高溫條件下仍有少量泡沫瀝青顆粒聚集在發(fā)泡用水噴頭周圍，影響了壓力水的霧化效果，導(dǎo)致膨脹率有所損失.

即便如此，實驗中該條件下產(chǎn)生的泡沫瀝青仍滿足JTG F41－2008《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》要求.通過對瀝青發(fā)泡效果的研究分析，得出半衰期、發(fā)泡用水量以及膨脹比3者的關(guān)系，如圖5所示.

圖4 用水量與膨脹比和半衰期關(guān)系Fig.4 Relationship among water content，expansion ratio and half－life

圖5 半衰期瀝青發(fā)泡時間與膨脹比關(guān)系Fig.5 Half－life and expansion ratio

4 泡沫破裂機(jī)理及發(fā)泡影響因素

4.1 泡沫破裂機(jī)理

泡沫破裂的主要原因有2種［4］：1）泡沫內(nèi)的溫度和壓力降低的速度超過了泡沫表面張力恢復(fù)的速度時，泡沫破裂；2）是泡沫內(nèi)的壓力超過了其表面張力的極限時，泡沫破裂.如果泡沫內(nèi)有水滴，破裂的泡沫會形成新的能量低的泡沫，這類泡沫再經(jīng)歷溫度降低導(dǎo)致破壞，但這一過程比高溫時的過程長.

對于高粘度的瀝青（60＃／70＃），泡沫能承受的極限表面張力大，出現(xiàn)第二種破壞的可能性小于第一種破壞可能性，宏觀上表現(xiàn)為在眾多未破裂泡沫的堆積下達(dá)到最大膨脹率，而且時間較長；而100＃瀝青因其粘度低，瀝青泡沫能承受的極限張力較小，出現(xiàn)第二種破壞的可能性更大，且時間短，宏觀上表現(xiàn)為在達(dá)到最大膨脹率之前，已經(jīng)有不少泡沫破裂；半衰期的情況剛好與之相反［5］.

導(dǎo)致發(fā)泡過程中泡沫破裂的因素有很多，一種解釋為隨著瀝青膠團(tuán)在常溫下冷卻，氣泡中的蒸汽冷凝而導(dǎo)致氣泡破滅，這時發(fā)泡水會存留在瀝青中形成所謂的水飽和瀝青（water saturated bitumen）.另外一種解釋為泡沫具有近乎穩(wěn)定的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的氣室，氣室兩邊的膜即為泡沫液膜.在3個或者多個氣泡聚集的地方，液膜被彎曲，并凹向氣室一方，形成普萊特邊界.由于交界處有較大的曲率半徑，在氣相與液相之間產(chǎn)生壓力差，它隨液體表面張力增加而增大，隨氣泡曲率半徑增大而減小.因此，普萊特交界處的液壓要比附近曲率小的地方小，使得液體由小曲率處向普萊特交界處流動，這種排液作用使液膜逐漸變薄，當(dāng)液膜達(dá)到臨界厚度（5～10nm）時，膜就會破裂［67］.

4.2 影響瀝青發(fā)泡效果的主要因素

影響瀝青發(fā)泡特性的因素有很多，總結(jié)起來有以下4個主要方面［8－10］.1）加水量.增加注入瀝青的發(fā)泡用水量，可以有效的增加產(chǎn)生泡沫的體積，即膨脹率增大.然而，單個泡沫體積的增大減小了周圍瀝青薄膜的厚度，使泡沫不穩(wěn)定而導(dǎo)致半衰期減小.因此，發(fā)泡用水量與膨脹率成正比，與半衰期成反比.老化瀝青的最大膨脹率在低氣壓條件下變化不顯著［11－13］.2）瀝青來源.不同來源的瀝青，由于其組成不同，性質(zhì)存在差異，所以發(fā)泡效果也有所差異.3）瀝青溫度.瀝青的粘度與溫度成反比例關(guān)系.溫度增大，粘度減小.4）氣壓對半衰期的影響沒有加水量對半衰期的影響大，只有在1%加水量的條件下，氣壓對試驗結(jié)果有顯著的影響［］.

5 結(jié)論

1）通過對兩種70＃瀝青進(jìn)行發(fā)泡實驗表明，自主研發(fā)的試驗室用瀝青發(fā)泡設(shè)備能達(dá)到國外高昂發(fā)泡設(shè)備所具有的的效果，同時，與維特根生產(chǎn)的WLB－10型實驗室用瀝青發(fā)泡機(jī)相比，本設(shè)備具有發(fā)泡腔體及通氣通水管道不易堵塞的優(yōu)點.

2）對于所選用的兩種70＃瀝青，溫度低于120℃時，難以發(fā)泡.研究中，發(fā)泡前的溫度應(yīng)超過140℃，但并不是溫度越高，發(fā)泡效果越好.當(dāng)溫度超過185℃時，瀝青出現(xiàn)嚴(yán)重的飛濺現(xiàn)象，發(fā)泡性能明顯下降，該現(xiàn)象還有待于進(jìn)一步分析和研究.

3）增大水壓和氣壓有利于改善本設(shè)備對瀝青的發(fā)泡效果，但壓力過大會對高溫瀝青造成一定程度的降溫效果，影響其對水的汽化效應(yīng).因此，壓力的調(diào)整要根據(jù)實際發(fā)泡效果進(jìn)行動態(tài)調(diào)整.氣壓對半衰期的影響沒有加水量對半衰期的影響大，只有在1%加水量的條件下，氣壓對試驗結(jié)果有顯著的影響.

4）發(fā)泡效果在175℃，用水量為2.75%時最佳，膨脹率和半衰期分別為14.3倍和10.8s.由于不同標(biāo)號的瀝青性質(zhì)具有較大差異，因此，其他標(biāo)號瀝青的發(fā)泡性能還有待于進(jìn)一步研究.

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Foaming Properties and Laboratory Asphalt Foaming Device

WANG Hai－feng1，MA Bao－guo2，YAN Han－dong1
（1.College of Civil Engineering，Huaqiao University，Xiamen 361021，China；2.School of Materials Science and Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430072，China）

By means of self－developed laboratory asphalt foaming device，two kinds of AH70asphalt materials were studied under three temperatures 155℃，165℃and 175℃.It is showed that：under 150－175℃，the expansion ratio increases firstly and then decreases as the water content increases；under the temperature more than175℃and proper water content，the expansion ratio decreases as the temperature increases.The influence of pressure on half life is less than the influence of water content，only under 1%water content，the pressure influences the significantly on the test results.Under 175℃and 2.75%water content，the asphalt of AH70has the best foaming properties，meanwhile，the expansion ratio is 14.3and half life was 10.8s.

asphalt；foamed asphalt；half life；expansion ratio

TU 528.424

A

（責(zé)任編輯：陳志賢 英文審校：方德平）

1000－5013（2014）01－0097－05

10.11830／ISSN.1000－5013.2014.01.0097

2013－06－07

王海峰（1980－），男，講師，主要從事綠色建材、新型建材、建筑材料廢棄物資源化利用，以及路面材料再生

利用等方面的研究.E－mail：wanghaifengdoc＠hqu.edu.cn.

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資助項目，華僑大學(xué)高層次人才科研啟動項目（12BS110／Y00013）