基于正交試驗的泡沫瀝青的發(fā)泡性能

郭寅川, 趙 賓, 李 鵬, 申愛琴, 步金鑫

(1. 長安大學 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室, 陜西 西安 710064; 2. 中國公路工程咨詢集團有限公司, 北京 100097)

近年來,泡沫瀝青作為溫拌泡沫技術[1]的主要研究對象,由于可暫時降低瀝青黏度,改善瀝青與礦料的和易性,有效降低拌合溫度和施工溫度、減少瀝青煙[2]等特點,受到業(yè)界關注.文獻[3]為尋找最優(yōu)的瀝青發(fā)泡條件,選取瀝青種類、用水量、瀝青溫度和水溫作為影響因素進行探究,最終給出相應的最優(yōu)參數取值.文獻[4]指出發(fā)泡劑可改善泡沫瀝青的發(fā)泡效果,同時主要起穩(wěn)泡的作用.文獻[5]研究了表面活性劑、添加方式、用水量和水溫等不同因素對瀝青發(fā)泡效果的影響,以期優(yōu)化泡沫瀝青的發(fā)泡特性.文獻[6]研究發(fā)現(xiàn),瀝青種類不同,水分在泡沫瀝青中的消散速率也不同,PG等級越高,消散速率越慢,易引起水損壞.文獻[7]基于灰色關聯(lián)法對泡沫瀝青的發(fā)泡效果進行了敏感性分析,從而建立了最大膨脹率與半衰期的2階數學模型.

以往的研究多集中于單一因素或常規(guī)方法進行瀝青發(fā)泡效果的分析,在研究多項影響因素時不能反映各項因素之間的綜合作用.為此,在考慮試驗量和試驗效率的情況下,采用三因素三水平的正交方法設計試驗,挑選影響泡沫瀝青發(fā)泡的主要因素,進行瀝青發(fā)泡性能試驗正交分析,以提出泡沫瀝青最佳發(fā)泡效果的制備工藝參數,為泡沫瀝青的應用提供一定的理論基礎.

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

表1 3種常用瀝青技術指標

注: 70#和90#延度采用15 ℃的值,SBS瀝青延度采用5 ℃的值；相對密度均采用25 ℃的值

1.2 設備及測試方法

采用自主研發(fā)的PL-2泡沫瀝青制取設備,發(fā)泡機的技術指標如表2所示.

表2 瀝青發(fā)泡制取設備技術要求

試驗過程如下:將PL-2型發(fā)泡機預熱,倒入提前脫水加熱的瀝青,打開循環(huán)泵,保證瀝青的試驗溫度;然后進行瀝青和水的標定,假設噴射時間為ts,在反復幾次噴射試驗,得到瀝青流量后,按照式(1)計算水的流量Qw,進而調節(jié)水柱的“高度”.即

Qw=3.6Qaw，

(1)

式中:水的流量為Qw(即水柱高度),L·h-1;Qa為瀝青流量,g·s-1;w為發(fā)泡用水量,%.

當瀝青流量為100 g·s-1,想要得到用水量為2%時的泡沫瀝青的膨脹率和半衰期[8],則水的流量Qw應為7.2 L·h-1.最后借助膨脹尺和秒表工具,根據泡沫瀝青正交設計表進行瀝青發(fā)泡試驗.表3為正交試驗設計和測試結果.

表3 正交試驗設計和測試結果

1.3 試驗方案

泡沫瀝青的制備需要嚴格控制好影響瀝青發(fā)泡性能的各個因素,如瀝青類型、瀝青溫度、發(fā)泡用水量、壓力、發(fā)泡劑、消泡劑(硅化物等)、水溫、發(fā)泡腔結構[9]和噴嘴的口徑等.

考慮到瀝青是溫度敏感性材料,且泡沫瀝青的制備中瀝青和水的流動均需要壓力驅動,在參考泡沫瀝青相關規(guī)范的基礎上,結合發(fā)泡機的相關設計參數,認為瀝青種類、瀝青溫度、發(fā)泡用水量和壓力(氣壓和水壓)是影響瀝青發(fā)泡性能的4個重要因素.其中考慮到改性瀝青的黏度較未改性的瀝青大,如希望達到最佳發(fā)泡效果,一般基質瀝青發(fā)泡用水量為1%～4%,改性瀝青發(fā)泡用水量為2%～5%.另外,由于受自主研發(fā)發(fā)泡機的設計影響,一般氣壓小于水壓,約為0.1 MPa,方可成功噴射泡沫瀝青.正交試驗結果見表3.

2 試驗結果分析

采用直觀分析和方差分析方法[10]評價泡沫瀝青的發(fā)泡性能.先將既定因素下相同水平的試驗結果求得均值,以膨脹率和半衰期的均值作為泡沫瀝青性能直觀分析的評價標準,從而得到泡沫瀝青膨脹率和半衰期隨不同因素水平的變化趨勢;然后通過方差顯著性分析,最終得到各影響因素的顯著性程度排序,為制備高質、高效的泡沫瀝青提供數據支持.

2.1 正交試驗方案分析

根據表3結果,采用方差分析,尋找對膨脹率和半衰期最為敏感的影響因素.表4為泡沫瀝青方差分析結果.

服務員反映：“有人喝兩碗豆?jié){，只說喝一碗?！崩习逭f，“從今天起，喝多少碗，只收一碗錢，環(huán)衛(wèi)工人不收錢。”

表4 泡沫瀝青方差分析

由表4可知:用水量和瀝青溫度對基質瀝青的膨脹率影響較為顯著,瀝青溫度和壓力對改性瀝青的影響較為顯著.這主要是由于二者的黏度不同導致的,改性瀝青的黏度較高,需要較高的溫度改善其流動性,而基質瀝青由于黏度較小,發(fā)泡過程中,用水量卻成為一個較為關鍵的控制點.對于70#和90#瀝青半衰期的結果顯示，用水量和瀝青溫度影響較小,主要原因在于用水量選擇范圍過窄和試驗溫度選擇較少所致.

2.2 瀝青溫度對發(fā)泡性能的影響

圖1為瀝青溫度對發(fā)泡性能的影響.

圖1 瀝青溫度對發(fā)泡性能的影響

由圖1可知:隨著瀝青溫度增加,70#和90#瀝青的膨脹率均值先增大后減小,半衰期整體呈下降趨勢.這是因為溫度的增加使得瀝青黏度逐漸降低,當水與瀝青接觸時,會促進瀝青膨脹,一旦瀝青溫度超過某一值后,膨脹率反而減小,這一方面是瀝青老化作用的結果,另一方面是過熱瀝青在一定壓力下向測試桶噴射過程中,溫度損失過快,使得剛形成的瀝青泡沫迅速破滅,導致膨脹率下降;在瀝青溫度增長的同時,水泡外部的瀝青薄膜及泡沫與泡沫之間的黏結作用降低,從而導致半衰期呈下降趨勢.其中,在90#瀝青的半衰期試驗中,溫度過高使得其指標反而變大,造成該異常現(xiàn)象的主因是在160 ℃溫度下測試的膨脹率均值較小(即3.2倍),測試有難度,使得肉眼難以判斷導致的.

與基質瀝青(70#和90#)不同,SBS改性瀝青的膨脹率隨著溫度增加而逐漸增大.究其原因,認為這是由于改性瀝青的黏度遠大于基質瀝青,選擇的試驗溫度較低導致的.因此,SBS瀝青發(fā)泡試驗的異常結果不影響以下結論的得出:合適的瀝青溫度和改善瀝青的流動性,有利于提高泡沫瀝青的膨脹率.

2.3 用水量對發(fā)泡性能的影響

圖2為用水量對3種瀝青發(fā)泡性能的影響.

圖2 用水量對發(fā)泡性能的影響

由圖2可知:3種瀝青膨脹率均隨著發(fā)泡用水量的增加而變大,當用水量繼續(xù)增大時,其增長速率放緩,甚至出現(xiàn)降低,這主要是由于單位體積的瀝青與水的接觸面積增大,形成泡沫更多,膨脹率變大;但后期增長速率放緩,尤其是SBS膨脹率出現(xiàn)減小趨勢,可能是過多的用水量在與瀝青發(fā)生熱交換中,未完全接觸,使得噴射中水分自動“流淌”,破壞原本膨脹的瀝青泡沫,抑制其發(fā)展;半衰期則與之相反,隨用水量增加而減小,這主要是由于泡沫瀝青形成的數量隨著用水量的增加而增多,使泡沫瀝青自身黏度及其泡沫之間的黏度減小,在泡沫瀝青自重作用下,形成的泡沫衰減更快,半衰期更小.

至于SBS改性瀝青半衰期在后期有小幅度增加的現(xiàn)象,結合基質瀝青發(fā)泡性能的變化規(guī)律，以及在實際操作過程中的觀察,可以判定4%用水量時測得的半衰期是一個異常值,造成的原因有很多,如計時誤差、人為因素等.因此,不宜單純?yōu)榱嗽龃笈蛎浡识岣哂盟?過多的用水量反而會抑制瀝青泡沫的生長,尤其是改性瀝青.

2.4 壓力對發(fā)泡性能的影響

圖3為壓力對發(fā)泡性能的影響.其中,氣壓比水壓小0.1 MPa,為簡潔起見,壓力僅用氣壓表示.

圖3 壓力對發(fā)泡性能的影響

由圖3可知:壓力的增大,使70#和90#瀝青膨脹率減小,半衰期提升，這是由于泡沫瀝青在較大壓力噴出時產生濺射現(xiàn)象,使瀝青泡沫破滅,導致基質瀝青膨脹率減小,同時瀝青和水分通過微小噴嘴噴出,霧化現(xiàn)象改善了泡沫瀝青的均勻性,提高了半衰期.

改性瀝青變化規(guī)律與之相反,即膨脹率增大,半衰期減小.造成這種現(xiàn)象的原因可能是改性瀝青的黏度遠大于基質瀝青,需在較大壓力下才能更好地促進泡沫瀝青的膨脹,但因改性瀝青的密度較大,在自重和壓力的雙重作用下,加速改性瀝青泡沫的破滅,從而使半衰期下降.由此可見:壓力對基質瀝青與改性瀝青發(fā)泡性能的影響規(guī)律剛好相反,究其原因就是黏度和密度的不同導致的.

2.5 瀝青種類對發(fā)泡性能的影響

瀝青的種類是影響發(fā)泡性能的重要因素之一.將表3中每種瀝青對應的9組試驗結果分別取平均值,作為評判標準,以此研究瀝青種類對發(fā)泡性能的影響.圖4為瀝青種類對發(fā)泡性能的影響.

圖4 瀝青種類對發(fā)泡性能的影響

由圖4可知,基質瀝青的膨脹率和半衰期指標均比改性瀝青大,相較于SBS改性瀝青,70#和90#的膨脹率分別提升了36.5%和28.6%,均值約32.6%,半衰期分別提高35.2%和61.1%,均值約48.2%.這是因為改性瀝青的黏度和密度相對較大,需要更高的溫度使瀝青達到相應的流動性,且合適的壓力促使高溫瀝青與水分充分接觸;在瀝青泡沫衰減的過程中,由于改性瀝青溫度較高,熱量損失較快,而且密度比基質瀝青大,自重作用加速了瀝青泡沫的破滅,最終導致膨脹率和半衰期均較小.因此,基質瀝青和改性瀝青的發(fā)泡性能需分別對待,并建議采用遼寧盤錦牌瀝青時,在改性瀝青的基礎上,將基質瀝青的膨脹率增加25%,半衰期延長30%.

3 基于發(fā)泡試驗的制備參數建議值

綜上,參考泡沫瀝青相關規(guī)范,同時考慮到不同種類瀝青各因素對發(fā)泡性能的影響,提出了基于遼寧盤錦牌泡沫瀝青制備參數建議范圍.70#,90#和SBS制備泡沫瀝青相關參數建議值見表5.

表5 基于遼寧盤錦牌泡沫瀝青制備參數建議值

4 結 論

1) 由泡沫瀝青正交試驗的方差分析可知:用水量和瀝青溫度對基質瀝青的影響較為顯著,而影響改性瀝青發(fā)泡性能較為顯著的是瀝青溫度和壓力.

2) 合適的瀝青溫度可改善瀝青的流動性,有利于提高泡沫瀝青的膨脹率;不宜單純?yōu)榱嗽龃笈蛎浡识岣哂盟?過多的用水量反而會抑制瀝青泡沫的生長,尤其是改性瀝青;壓力對基質瀝青與改性瀝青發(fā)泡性能的影響規(guī)律剛好相反,究其原因就是黏度和密度的不同導致的.

3) 基質瀝青和改性瀝青的發(fā)泡性能需要分別對待,針對遼寧盤錦牌瀝青,提出基于發(fā)泡試驗的泡沫瀝青制備參數建議范圍，即在改性瀝青的基礎上,將基質瀝青膨脹率增加25%,半衰期延長30%.

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