泡沫溫拌瀝青水分散失特性研究

廖維太 任國斌

（1甘肅省交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督管理局，甘肅 蘭州 730030；2甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

WMA（溫拌瀝青混合料）是攪拌與壓實溫度均低于HMA（熱拌瀝青混合料）而高于冷拌瀝青混合料的一種瀝青混合料，WMA攪拌溫度為105℃-125℃，較熱拌瀝青混合料（HMA）溫度顯著降低[1]。已證明WMA技術(shù)擁有一系列優(yōu)點(diǎn)，如減少能源燃燒及有害氣體、煙塵的排放，降低環(huán)境污染，同時施工溫度的降低會延長施工季節(jié)，增加回收瀝青路面材料的使用[2]，因此WMA的應(yīng)用越來越廣泛。常用形式為蠟基添加劑、發(fā)泡劑等為基礎(chǔ)的表面活性劑[3]。

目前國內(nèi)外對WMA進(jìn)行了大量研究，但仍存在很多未解決的技術(shù)難題，其中最主要的是WMA的長期性能，這主要是因為WMA的水損害較嚴(yán)重[4]。在大多數(shù)WMA產(chǎn)品中，水（汽）被用于混合料中從而降低其低溫時的粘度，而最近有研究表明，在WMA中水分的存在會影響其長期性能（如骨料剝離）[5]。目前對泡沫溫拌瀝青中水分的擴(kuò)散及散失的測試方法研究較少，且方法有限。發(fā)泡過程可降低瀝青的粘度，使得其施工和易性良好[6]。此外，隨著混合料攤鋪完成，泡沫瀝青消泡及溫度降低，瀝青粘度迅速增加，其水分部分揮發(fā)，但也有一些會留在混合料空隙中，并隨著水分的擴(kuò)散及凍融循環(huán)，降低瀝青混合料瀝青與集料的粘附性[7]。因此，亟需研究泡沫瀝青中水分的散失及擴(kuò)散途徑[8]。

本研究目的在于采用X射線顯微技術(shù)(XRM)測定不同類型泡沫瀝青混合料中水分散失情況。通過XRM測定不同時間段的泡沫瀝青混合料內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)，輸出3D圖像，采用圖像處理技術(shù)計算混合料試件中水泡及其粒徑分布情況，研究不同類型瀝青及其試件中水泡體積及粒徑的變化。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

研究選用的瀝青膠結(jié)料見表1。

表1 瀝青膠結(jié)料及其改性方式

選用橡膠粉的粒徑及級配見表2。本研究橡膠瀝青制備采用“濕法”工藝，其中膠粉摻量15%，制備參數(shù)包含溫度190℃、攪拌速率2000±100rpm、攪拌時間60±5min。

表2 橡膠粉級配

圖1 泡沫瀝青制備過程

采用兩種不同的發(fā)泡方式，即實驗室發(fā)泡和采用Advera發(fā)泡劑（合成沸石添加劑），如圖1所示。室內(nèi)發(fā)泡過程中空氣5%、水1.5%和瀝青93.5%，并在160℃條件下制備。而Advera是一種白色粉末，在120℃條件下加進(jìn)瀝青，摻量4.5%，在此溫度下，Advera粉末轉(zhuǎn)變成水泡形成泡沫瀝青。為觀測集料對發(fā)泡過程的影響，本研究采用PG58-28基質(zhì)瀝青和集料（200目和100目之間）進(jìn)行攪拌并發(fā)泡，攪拌溫度150℃，其中集料摻量10%。

瀝青發(fā)泡完成后，將不同時間段的泡沫瀝青倒入直徑為7mm的聚丙烯離心管中，并采用液氮進(jìn)行冷卻，如圖1（c）所示，其目的是采用三維XRM圖像觀測不同時間的瀝青微觀結(jié)構(gòu)變化，從觀測可知，采用液氮冷卻未損害試件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

1.2 X射線顯微技術(shù)（XRM）

XRM的組成包含X射線源及探測頭，X射線源發(fā)射規(guī)定強(qiáng)度的X射線，經(jīng)旋轉(zhuǎn)的瀝青試件，由探頭記錄下其強(qiáng)度，其中瀝青樣品置于射線源和探頭之間，從而采用強(qiáng)度值計算X射線經(jīng)試樣分布的線性衰減系數(shù)，圖像的灰度值從0（黑）至255（白），直接反應(yīng)了試件在該點(diǎn)的強(qiáng)度，每張圖片是試件在某一時間段的截面圖像。

圖2 瀝青試樣的X射線顯微2D圖像

圖2（a）、（b）為PG58-28F在發(fā)泡后0min和10min時 的2D截面圖像，從圖中可以明顯看出，隨著時間的增加，試樣中的空氣及水泡數(shù)量及粒徑明顯減小，此外，冷凍對試樣并無明顯的損壞。圖2（c）為典型水泡的像素強(qiáng)度分布情況，水泡中央部位的像素強(qiáng)度明顯高于周圍像素強(qiáng)度，因為純空氣的像素強(qiáng)度應(yīng)接近于零，從而證明泡沫中含有水汽，且本次試驗過程中試樣是快速冷凍，可以確信每個泡沫都含有空氣和水。

測試瀝青試樣XRM的3D圖像中，泡沫顏色的深度明顯高于周圍瀝青的顏色，同時，泡沫均勻分散在瀝青中。首先，將取得的圖像采用閾值分割算法進(jìn)行二值化，然后，采用連通分量算法對單個泡沫進(jìn)行標(biāo)記，當(dāng)所用泡沫標(biāo)記完畢，采用Matlab軟件可計算出其體積及等效直徑。

2 試驗結(jié)果及分析

圖3為兩種不同瀝青在0min（左）和10min（右）的3D圖像，從圖中可以看出，對于PG58-28F和PG70-22F，瀝青在發(fā)泡10min后其內(nèi)部泡沫粒徑及分布數(shù)量顯著降低，但是，PG70-22F的降低速率明顯低于PG58-28F瀝青，這主要是因為PG70-22瀝青的擴(kuò)散系數(shù)明顯小于PG58-28瀝青，且PG70-22硬度較高，從而阻止了瀝青中泡沫的移動。

圖3 PG58-28F和PG70-22F的3D圖像

2.1 泡沫總體積隨時間的變化

圖4（a）為瀝青在不同時間段泡沫體積變化，從圖中可以看出，瀝青類型不同，其泡沫的總體積不同，隨時間衰減的速率也不同。取體積與時間的雙對數(shù)，其結(jié)果如圖4（b）所示，從圖中可以看出，體積的對數(shù)與時間的對數(shù)具有良好的線性關(guān)系。為研究不同泡沫瀝青的水分散失情況，引入水分散失指數(shù)（MDI），MDI可有效標(biāo)定泡沫瀝青自發(fā)泡完成至水分完全從瀝青中散失出去的時間，其定義為泡沫體積與時間的雙對數(shù)的擬合曲線的斜率值。

圖5為不同泡沫瀝青的MDI，從圖中可以看出，相對與聚合物改性和橡膠改性瀝青，未改性瀝青的MDI明顯較高，這主要是由改性瀝青的擴(kuò)散系數(shù)較小或剛度相對較大引起的。此外，橡膠瀝青（PG70-22CRMF）中泡沫的體積隨時間的增加有遞增的趨勢，這或是由于橡膠顆粒存在導(dǎo)致橡膠瀝青在發(fā)泡過程中形成極小的泡沫，以致用XRM無法觀測，而隨著時間的增加，這些顆粒匯聚并形成可見的泡沫顆粒，致使泡沫顆粒的總體積逐漸增大，因此，橡膠瀝青的消泡時間較長。

圖4 不同瀝青的泡沫體積隨時間的變化

圖5 不同泡沫瀝青的MDI值

2.2 泡沫顆粒粒徑分布隨時間的變化

為準(zhǔn)確測定泡沫的粒徑分布，首先，對已標(biāo)記的XRM圖像中泡沫的等效粒徑進(jìn)行計算，本研究中，等效粒徑的定義是具有相同體積的泡沫顆粒。然后，對相同等效粒徑的顆粒含量進(jìn)行累計計算，圖6為試樣在不同時間的泡沫粒徑分布結(jié)果。隨著時間的增加，測試瀝青中泡沫的尺寸減小，且級配分布更加均勻。從圖6得出，當(dāng)時間為30min時，測試瀝青的泡沫顆粒為數(shù)不多，且無法形成連續(xù)曲線，43min時泡沫的粒徑要大于30min時的粒徑，這主要是由橡膠瀝青（PG70-22CRMF）中泡沫顆粒的聚集引起的。

圖6 泡沫顆粒隨時間的變化圖

3 結(jié)論

1）基質(zhì)瀝青粘度越高，其消泡速度和水分散失越慢，主要原因是基質(zhì)瀝青粘度高，擴(kuò)散系數(shù)較小，從而阻止了瀝青中泡沫的移動。

2）瀝青中泡沫總體積與消泡時間具有良好的線性關(guān)系，引入水分散失指數(shù)（MDI）來評價不同瀝青的水分散失情況，結(jié)果表明，基質(zhì)瀝青的MDI明顯高于聚合物改性瀝青，這主要是由改性瀝青的擴(kuò)散系數(shù)較小或剛度相對較大引起的。

3）通過對泡沫瀝青中泡沫尺寸的測試結(jié)果表明，隨著時間的增加，測試瀝青中泡沫的尺寸減小，且級配分布更加均勻，瀝青粘度越高，其泡沫平均尺寸越大。