GFAT1型瀝青發(fā)泡裝置的水路系統(tǒng)設(shè)計

宋朝波，王艷敏

(中交西安筑路機械有限公司，陜西 西安 710200)

0 引 言

GFAT1型瀝青發(fā)泡裝置是泡沫瀝青溫拌技術(shù)的關(guān)鍵裝備，可以安裝在連續(xù)式或間歇式攪拌設(shè)備上生產(chǎn)泡沫瀝青，使瀝青的黏度降低，實現(xiàn)瀝青混合料在較低的溫度下生產(chǎn)、攤鋪及碾壓，同時保證泡沫瀝青混合料的性能不低于熱拌瀝青混合料[1-2]。瀝青發(fā)泡裝置通過水路系統(tǒng)提供瀝青發(fā)泡所需的用水，而發(fā)泡用水量是影響瀝青發(fā)泡效果的主要因素之一[3]，因此水路系統(tǒng)的設(shè)計對瀝青發(fā)泡裝置的性能起著關(guān)鍵的作用[4-5]。

1 瀝青發(fā)泡裝置及其水路系統(tǒng)的組成

瀝青發(fā)泡裝置由瀝青管、水路管、氣路管、水流噴射器、氣控電磁閥及背部熱油管組成，配置3～6組圓柱形發(fā)泡腔，以提升泡沫瀝青的半衰期，如圖1所示。水路系統(tǒng)由水箱、水泵、控制系統(tǒng)及流量計組成，如圖2所示。

圖1 GFAT1瀝青發(fā)泡裝置結(jié)構(gòu)

圖2 水路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水路系統(tǒng)中的水泵采用柱塞泵，柱塞泵是一種典型的容積式水力機械，由原動機驅(qū)動，把輸入的機械能轉(zhuǎn)換成液體的壓力能，再以壓力、流量的形式輸入到系統(tǒng)中去。流量計采用電磁流量計，應(yīng)用電磁感應(yīng)原理，根據(jù)導(dǎo)電流體通過外加磁場時產(chǎn)生的電動勢來測量導(dǎo)電流體的流量。水箱采用工程塑料水箱，水箱的上部配置浮球閥，中部配置液位開關(guān)。當(dāng)水箱注滿水時，水箱的高位浮球閥會切斷水的補給；當(dāng)水箱缺水時，水箱的液位開關(guān)會發(fā)出信號，控制系統(tǒng)收到信號后出現(xiàn)報警提示，操作人員可打開進水閥對水箱進行補水[6-7]。另外，水箱還配置了電加熱器，防止在較低的溫度下發(fā)泡水結(jié)冰。

2 瀝青發(fā)泡裝置水路系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 水路系統(tǒng)的工作要求

根據(jù)強制間歇式攪拌設(shè)備的工作特點，水路系統(tǒng)在工作時需要滿足以下條件：水路系統(tǒng)要和瀝青噴灑泵聯(lián)動，同時水路供給要間歇性地啟停；水路系統(tǒng)運行過程中水的壓力要保持穩(wěn)定，并且要有一定的揚程；水路系統(tǒng)的計量精度在±0.5%范圍之內(nèi)；水路系統(tǒng)中要有一定的儲水量；水路系統(tǒng)要滿足安全生產(chǎn)的要求。

2.2 水路系統(tǒng)的工作原理

水路系統(tǒng)的工作原理為：水從水泵流出，經(jīng)過流量開關(guān)和溢流閥分為兩路，一路經(jīng)過流量開關(guān)為瀝青發(fā)泡器提供具有一定壓力的水，另一路經(jīng)過溢流閥進入水箱，2個水路不同時接通。當(dāng)瀝青發(fā)泡器工作時，流量開關(guān)可以與控制系統(tǒng)進行通訊，達(dá)到要求的流量和壓力后控制系統(tǒng)發(fā)出指令，使噴水器的電磁閥打開，溢流閥關(guān)閉，水經(jīng)過流量開關(guān)進入瀝青發(fā)泡器后與高溫瀝青混合，形成泡沫瀝青；當(dāng)瀝青發(fā)泡器停止工作時，噴水器的電磁閥關(guān)閉，水路系統(tǒng)壓力開始增大，達(dá)到一定的壓力值后溢流閥打開，水經(jīng)過溢流閥進入水箱，當(dāng)瀝青發(fā)泡器再次工作時，水路系統(tǒng)進入下一個工作循環(huán)。水泵的出水口安裝有電磁流量計，可以與控制系統(tǒng)進行通訊，及時控制和調(diào)節(jié)發(fā)泡用水量[8-9]。

2.3 水路系統(tǒng)的工作參數(shù)計算

(1)瀝青發(fā)泡裝置水流量的計算。強制間歇式攪拌設(shè)備上瀝青發(fā)泡裝置發(fā)泡所需的瀝青流量

(1)

式中：C為瀝青發(fā)泡裝置的瀝青流量(L·min-1)；q0為攪拌設(shè)備每批次的產(chǎn)量(kg)；a為瀝青混合料中瀝青的含量(%)；ρ1為瀝青的密度(kg·m-3)；T為瀝青噴灑時間(s)。

以某廠家生產(chǎn)的5000型強制間歇式瀝青攪拌設(shè)備為例，瀝青混合料中瀝青含量為4%，則可根據(jù)式(1)計算得到瀝青發(fā)泡裝置所需的瀝青流量C=1 000 L·min-1。由于瀝青發(fā)泡所需水的流量C0為瀝青流量的2%，可得水的流量C0=20 L·min-1，水泵的參數(shù)可由C0確定[10]。

(2)驅(qū)動水泵的電機功率計算。驅(qū)動泵所需的功率

(2)

式中：N為驅(qū)動泵所需的功率(kW)；Q為水泵的理論流量(m3·s-1)；ρ2為水的密度(kg·m-3)；η為電機至水泵的傳動效率，η取值為0.8～0.85；Pp為瀝青發(fā)泡時水泵所產(chǎn)生的計算壓力(MPa)。

瀝青發(fā)泡時水泵所產(chǎn)生的壓力Pp可由式(3)計算得出。

Pp=K(Pq+∑Pm+PPD)

(3)

式中：K為儲備系數(shù)，取1.1；Pq為水在管中的壓力損失(MPa)；Pm為管路各處局部壓力損失(MPa)；PPD為瀝青發(fā)泡時水的壓力(MPa)。

(3)水路壓力損失。在計算水路壓力損失時，須確定水管的直徑，為此要給出水沿管路的運動速度v[11]。當(dāng)采用低壓(0.5 MPa)水泵時，水沿管路的運動速度應(yīng)取3～4 m·s-1；當(dāng)采用高壓(2.5 MPa)水泵時，水的運動速度為5～6 m·s-1。

瀝青管的內(nèi)徑

(4)

式中：d為管路的直徑(m)；Q1為水的單位時間消耗量(m2·s-1)。

水沿管路的運動阻力視水黏度和由雷諾數(shù)決定的流動狀態(tài)而定，水流動的雷諾數(shù)

R=vd/u

(5)

式中：u為瀝青的運動黏度，u=η/ρ，其中η為水的動力黏度(Pa·s)。

當(dāng)雷諾數(shù)R<2 320時，水流動為層流狀態(tài)；當(dāng)2 32013 000時，水流動為紊流狀態(tài)[12]。

對于層流狀態(tài)，在1 m長管路中的壓力損失

PTP=0.32vu/(gd2)

(6)

式中：g為重力加速度。

對于紊流狀態(tài)，在1 m長管路中的壓力損失

PTP=0.01λv2/(2dg)

(7)

式中：λ為管的沿程阻力系數(shù)，一般取0.03～0.05。

管中的壓力損失

Pq=LPTP

(8)

式中：L為管路的長度(m)。

彎管、閥和過濾器中的局部壓力損失

(9)

式中：ξ為局部阻力系數(shù)，一般取0.6～1。

通過計算，可得出水路的壓力損失，從而確定驅(qū)動泵所需的功率。根據(jù)水流量C0選擇匹配的水泵，根據(jù)驅(qū)動泵所需的功率選擇電機。

3 GFAT1型瀝青發(fā)泡裝置的瀝青發(fā)泡試驗

GFAT1型瀝青發(fā)泡裝置水路系統(tǒng)設(shè)計制造完成后，需要進行瀝青發(fā)泡試驗和溫拌泡沫瀝青混合料試驗[13]，驗證水路系統(tǒng)的工作性能是否能夠滿足GFAT1型瀝青發(fā)泡裝置的生產(chǎn)要求。

3.1 試驗條件

試驗選用70#瀝青和90#瀝青，70#瀝青的參數(shù)：密度為1.050 5 g·cm-3，25 ℃針入度為68(0.01 mm)，軟化點為46.6 ℃；90#瀝青的參數(shù)：密度為1.049 9 g·cm-3，25 ℃針入度為91(0.01 mm)，軟化點為47.2 ℃；試驗設(shè)備選用GFAT1型瀝青發(fā)泡裝置。

瀝青發(fā)泡用水量(相對瀝青的質(zhì)量百分?jǐn)?shù))選用1%、2%、3%三種，瀝青溫度為160 ℃，2種瀝青在不同發(fā)泡用水量條件下進行發(fā)泡試驗，測試泡沫瀝青的半衰期和膨脹率2個參數(shù)[14]。

3.2 瀝青發(fā)泡試驗數(shù)據(jù)

不同發(fā)泡用水量條件下，2種瀝青發(fā)泡的試驗結(jié)果見表1、2，將表1、2數(shù)據(jù)繪制成變化規(guī)律曲線，見圖3、4。

表1 70#瀝青發(fā)泡試驗結(jié)果

表2 90#瀝青發(fā)泡試驗結(jié)果

圖3 70#瀝青瀝青發(fā)泡變化曲線

圖4 90#瀝青瀝青發(fā)泡變化曲線

從圖3、4可以看出：70#和90#瀝青的發(fā)泡效果良好，性能穩(wěn)定；發(fā)泡用水量對70#和90#瀝青的膨脹率和半衰期有顯著影響，發(fā)泡用水量越多，泡沫瀝青的膨脹率越大，半衰期越短[15]。試驗結(jié)果證明設(shè)計制造的水路系統(tǒng)滿足GFAT1型瀝青發(fā)泡裝置的生產(chǎn)要求，但是否匹配攪拌設(shè)備的生產(chǎn)工藝要求，還需要通過溫拌泡沫瀝青混合料的生產(chǎn)進一步驗證[16-17]。

4 溫拌泡沫瀝青混合料試驗

4.1 溫拌泡沫瀝青混合料生產(chǎn)過程試驗

試驗設(shè)備選用中交西筑SG4000型攪拌設(shè)備，同時搭載GFAT1瀝青發(fā)泡裝置，生產(chǎn)的溫拌泡沫瀝青混合料級配為AC-13，瀝青為70#瀝青，其密度為1.0501 g·cm-3，25 ℃針入度為68(0.01 mm)，軟化點為46.5 ℃。

SG4000型瀝青攪拌設(shè)備生產(chǎn)的溫拌泡沫瀝青混合料溫度在115 ℃～140 ℃之間，與普通熱拌瀝青混合料形態(tài)無明顯區(qū)別，也無白花料現(xiàn)象出現(xiàn)，瀝青均勻地裹覆在熱骨料表面[18]。

4.2 溫拌泡沫瀝青混合料施工過程試驗

施工現(xiàn)場對泡沫瀝青溫拌混合料的攤鋪溫度進行檢測，攤鋪后混合料溫度為110℃～135℃，攤鋪和碾壓均正常進行[19]。

4.3 溫拌泡沫瀝青混合料實驗室試驗

對生產(chǎn)的泡沫瀝青混合料進行取樣，按要求擊實成型馬歇爾試件。通過實驗室馬歇爾試驗證明：溫拌泡沫瀝青混合料試件的性能指標(biāo)滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的要求。搭載GFAT1瀝青發(fā)泡裝置的SG4000型攪拌設(shè)備生產(chǎn)的溫拌泡沫瀝青混合料，其溫度比傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料降低20 ℃～ 40 ℃；GFAT1瀝青發(fā)泡裝置的水路系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中工作性能穩(wěn)定，與瀝青攪拌設(shè)備的匹配性良好。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了GFAT1型瀝青發(fā)泡裝置的水路系統(tǒng)，計算了瀝青發(fā)泡裝置在生產(chǎn)泡沫瀝青時的工作參數(shù)，進而確定了水路系統(tǒng)中水泵和驅(qū)動電機的型號。對設(shè)計的GFAT1型瀝青發(fā)泡裝置水路系統(tǒng)進行了工業(yè)試驗，結(jié)果表明：GFAT1型瀝青發(fā)泡裝置的水路系統(tǒng)滿足生產(chǎn)要求，具備了可靠的工作性能。