基于非接觸式方法的瀝青發(fā)泡評價指標(biāo)研究

黃維蓉，任海生

(1. 重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400074； 2. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

瀝青發(fā)泡技術(shù)最早在德國出現(xiàn)，歷經(jīng)多年發(fā)展，目前在泡沫瀝青冷再生技術(shù)和泡沫瀝青溫拌技術(shù)中得到了較為廣泛應(yīng)用[1-4]。泡沫瀝青溫拌技術(shù)作為一種新型瀝青混合料生產(chǎn)技術(shù)，因不會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)、能降低生產(chǎn)能耗和生產(chǎn)成本、可減少廢氣和粉塵排放、能延長施工工期、不會造成瀝青混合料性能降低等優(yōu)點(diǎn)，如今越來越受到國內(nèi)外公路界的推崇[5-7]。2010年美國機(jī)械發(fā)泡技術(shù)己占到其整個溫拌技術(shù)的90%以上；我國對溫拌技術(shù)的研究起步較晚，相關(guān)學(xué)者在泡沫瀝青冷再生技術(shù)上取得不少成果，但在泡沫溫拌瀝青技術(shù)上還有待于進(jìn)一步研究[8-10]。

瀝青發(fā)泡的核心技術(shù)即是如何評價瀝青發(fā)泡效果，并以此尋求最佳的瀝青發(fā)泡條件。目前還有一個問題亟待解決，即國內(nèi)外主流的瀝青發(fā)泡兩大評價指標(biāo)是膨脹率和半衰期。膨脹率(expansion ratio)是指瀝青發(fā)泡膨脹達(dá)到最大體積與瀝青原體積之比，該指標(biāo)反映了泡沫瀝青黏度大??；半衰期(half-life)是指泡沫瀝青從膨脹至最大體積后到泡沫衰減至最大體積一半的時間，該指標(biāo)反映了泡沫瀝青的穩(wěn)定性，但國際上并沒有統(tǒng)一評價標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)規(guī)范[11-13]。栗關(guān)裔[14]指出兩大評價指標(biāo)主要用在冷再生技術(shù)上，因此直接套用于泡沫溫拌瀝青技術(shù)必然存在不足。且實(shí)際應(yīng)用中兩大指標(biāo)本身也存在一系列問題，例如現(xiàn)有瀝青發(fā)泡評價試驗(yàn)誤差太大，測試膨脹率時是目測測試桶中泡沫達(dá)到最大體積，測試半衰期也是利用秒表讀取時間，受人為主觀因素影響較大[15-18]。此外這兩大評價指標(biāo)本身用于評價瀝青發(fā)泡效果就存在理論缺陷，不能具體量化表達(dá)發(fā)泡效果好壞，沒有具體的一個值說明瀝青發(fā)泡效果，而是通過尋找兩者交點(diǎn)確定最佳用水量和發(fā)泡溫度[19-21]。

因此，針對泡沫溫拌瀝青發(fā)泡要求，筆者采用非接觸式試驗(yàn)方法和泡沫直徑、尺寸分布和消泡速率這3個指標(biāo)來評價瀝青發(fā)泡效果。即利用激光測距儀測定瀝青發(fā)泡體積變化；根據(jù)測量數(shù)據(jù)并考慮瀝青黏度條件下，計算出反映整個發(fā)泡過程中泡沫尺寸大小的泡沫直徑指標(biāo)[22]；利用相機(jī)記錄整個瀝青發(fā)泡過程；采用圖像軟件計算泡沫照片中泡沫尺寸分布；以及對泡沫高度變化進(jìn)行曲線擬合得出消泡速率；以此找到泡沫瀝青表面膜拉伸能力大，降黏效果好的最佳穩(wěn)定狀態(tài)[23-24]。最終，綜合3個指標(biāo)評價得出瀝青溫拌中最佳的發(fā)泡條件。

1 瀝青發(fā)泡效果評價試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)主要儀器有：瀝青發(fā)泡試驗(yàn)采用WLB10型發(fā)泡機(jī)；固定于三腳架上的深達(dá)威牌高精度S50紅外線測距儀可記錄及保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并能導(dǎo)入計算機(jī)中，便于數(shù)據(jù)處理。試驗(yàn)時，將三腳架放于發(fā)泡機(jī)旁(測距儀距離地面1 m處)，發(fā)泡桶放置在三腳架下，當(dāng)泡沫瀝青噴入到發(fā)泡桶中，高精度紅外測距儀就可直接對瀝青泡沫膨脹體積進(jìn)行測量。此外，在三腳架上裝置數(shù)碼相機(jī)，以便分析瀝青發(fā)泡過程中泡沫表面的泡沫變化。

1.2 試驗(yàn)方案及步驟

試驗(yàn)采用70#道路石油瀝青，根據(jù)喬衛(wèi)華[25]在其研究中指出的最佳發(fā)泡條件，本次試驗(yàn)只考慮用水量和瀝青發(fā)泡溫度。試驗(yàn)用水量初定為2%，用水溫度為20 ℃，不添加發(fā)泡劑，70 #道路石油瀝青溫度分別取130、140、150、160 ℃。為減小誤差，每組溫度條件下做3次試驗(yàn)，結(jié)果取平均值。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析70 #道路石油瀝青最佳發(fā)泡溫度；然后在最佳發(fā)泡溫度下分別取1%、2%、3%、4%的用水量，每組相同用水量條件下重復(fù)3次試驗(yàn)，結(jié)果取平均值。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析70#道路石油瀝青最佳發(fā)泡用水量，由于發(fā)泡過程時間很短，筆者研究時將瀝青發(fā)泡后達(dá)到最大體積時的時間點(diǎn)設(shè)定為起始點(diǎn)，之后對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)計算和圖像分析，可分別計算出3個指標(biāo)。

1.2.1 數(shù)學(xué)計算

Ht=He+he-ht

(1)

式中：Ht為泡沫溫拌瀝青高度；He為泡沫溫拌瀝青體積不再變化后以直尺測量得到的桶內(nèi)瀝青高度；he為測距儀測得的最終高度；ht為測距儀測得的高度。

由斯托克斯定律可知：在液體中泡沫直徑越大，其上升速度越快。將泡沫瀝青高度Ht代入式(2)，得到泡沫體積變化平均速率；代入式(3)中得到泡沫平均直徑[27]。

(2)

(3)

式中：D為泡沫平均直徑；V為瀝青泡沫上升速度；Vt為瀝青泡沫高度變化平均速率；g為重力加速度(9.81 m/s2)；μ為動態(tài)黏度〔Pa·s=kg·(m·s)-1〕；ρb、ρf分別為瀝青及瀝青泡沫密度(kg/m3)，由于瀝青泡沫密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于瀝青密度，故ρf=0；由于整個發(fā)泡過程小于4 min，忽略瀝青黏度變化。

1.2.2 圖像分析

由于初始階段瀝青發(fā)泡不穩(wěn)，截取30、60、90 s這3個時間點(diǎn)的圖片。將截取的泡沫瀝青照片導(dǎo)入Image-Pro Plus 6.0軟件中，統(tǒng)計出所有泡沫直徑；并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表格中，按照直徑進(jìn)行排序，然后統(tǒng)計各尺寸范圍內(nèi)的泡沫數(shù)目。

1.2.3 數(shù)值分析

根據(jù)測距儀測得的泡沫高度變化，建立體積(膨脹比)和時間的變化曲線；并分析不同用水量對泡沫消散影響。根據(jù)M.E.KUTAY[28]等通過擬合曲線得到的ER隨時間變化關(guān)系式ER(t)=1+ce-kt，故文中擬合公式為：ER(t)=-klnt+ER。進(jìn)一步可得到消泡速率k值，k值越大，消泡速度越快。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 泡沫直徑分析

2.1.1 不同溫度條件下泡沫直徑

根據(jù)測得的高度變化，利用式(1)～(3)可換算出泡沫直徑，并建立70#道路石油瀝青泡沫直徑隨時間變化曲線，如圖1。

圖1 不同瀝青溫度下泡沫直徑Fig. 1 Foam diameter at different asphalt temperatures

由圖1可看出70 #瀝青泡沫直徑變化規(guī)律和泡沫直徑的最值，150 ℃時70 #石油瀝青整體泡沫直徑變化相對于其他溫度較為穩(wěn)定。因此筆者設(shè)定其溫度為150 ℃。

2.1.2 不同用水量條件下泡沫直徑

根據(jù)最佳發(fā)泡溫度值，在其他條件不變情況下，用水量分別取1%、2%、3%、4%，可得出瀝青泡沫直徑隨時間變化曲線，如圖2。

圖2 不同用水量下泡沫直徑Fig. 2 Foam diameter with different water consumption

由圖2可得：無論何種用水量或?yàn)r青溫度，在其發(fā)泡前30 s時間段內(nèi)，瀝青發(fā)泡比較強(qiáng)烈，泡沫尺寸變化較大；而30 s后的時間段，其泡沫直徑變化緩和很多。不同溫度下，最大泡沫直徑相差約1 mm；不同用水量下，最大直徑相差約3 mm。故用水量對瀝青泡沫直徑影響較瀝青溫度大。120 s時瀝青泡沫直徑仍在2 mm以上，這說明120 s時瀝青中還存在著泡沫，而采用膨脹率指標(biāo)無法反映120 s時的泡沫狀態(tài)。

2.2 泡沫尺寸分布分析

在泡沫分布試驗(yàn)中，筆者只分析不同用水量下泡沫尺寸分布。試驗(yàn)用水量分別取1%、2%、3%、4%，瀝青發(fā)泡溫度為150 ℃。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，繪制尺寸范圍從0開始，每2.0 mm為1個范圍區(qū)，對比兩種瀝青不同發(fā)泡條件下泡沫尺寸分布的差異，如圖3。

圖3 不同用水量下泡沫尺寸分布Fig. 3 Foam size distribution with different water consumption

從圖3可看出：發(fā)泡后時間越長，泡沫直徑在6 mm以下范圍內(nèi)比例越高，泡沫尺寸分布越集中，在90 s時泡沫尺寸分布最集中，而30 s時泡沫尺寸分布最不集中。泡沫尺寸分布變化符合發(fā)泡及消泡機(jī)理，當(dāng)發(fā)泡時間越長，泡沫上升至表面破裂越多，泡沫經(jīng)過破裂后重新形成泡沫更加穩(wěn)定，印證了時間越長泡沫尺寸更加集中的機(jī)理。

2.3 泡沫消泡速率分析

同研究泡沫尺寸分布一樣，筆者在泡沫消泡速率分析中也著重考慮用水量影響，用水量分別取1%、2%、3%、4%。當(dāng)瀝青發(fā)泡后體積不再變化時的高度以1代表，每次發(fā)泡過程中膨脹比ER(t)等于該時刻泡沫體積高度與不再變化泡沫體積高度之比，建立膨脹比曲線，得到不同用水量下的k值，如圖4。

圖4 不同用水量下消泡速率Fig. 4 Defoaming rate with different water consumption

由圖4可得出：隨著用水量增大，k值也隨之增加，其消泡速率越快，這也與半衰期指標(biāo)隨用水量增加而減小的結(jié)論一致。

3 結(jié) 論

1)非接觸式試驗(yàn)方法與3個指標(biāo)結(jié)合可準(zhǔn)確表征瀝青泡沫膨脹和衰減過程，能更加準(zhǔn)確了解瀝青發(fā)泡過程及特性；

2)相對于膨脹率和半衰期指標(biāo)，這3個指標(biāo)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理更加合理。通過泡沫直徑可確定最佳發(fā)泡溫度為150 ℃，且泡沫直徑受用水量影響比瀝青溫度大，也印證了用水量比溫度對瀝青發(fā)泡效果影響大；

3)90 s時的泡沫尺寸分布最為集中，也符合發(fā)泡機(jī)理，其泡沫更為穩(wěn)定。消泡速率k值變化規(guī)律印證了隨用水量增加導(dǎo)致半衰期減小的結(jié)論；消泡速率到泡沫完全穩(wěn)定狀態(tài)時，可用于評價泡沫消散的整個過程；兩個指標(biāo)結(jié)合說明發(fā)泡不僅在拌合階段，而且在運(yùn)輸、攤鋪碾壓階段還可提高瀝青混合料的和易性，這與實(shí)際情況相吻合；

4)可根據(jù)實(shí)際需求，利用泡沫直徑、泡沫尺寸分布、消泡速率這3個指標(biāo)準(zhǔn)確掌握泡沫溫拌瀝青需要的最佳拌合時間點(diǎn)、發(fā)泡溫度以及用水量等條件，便于施工。