泡沫溫拌瀝青混合料技術(shù)的工程應(yīng)用研究

崔萌 耿君 李峰 黨正霞 于新

摘 要：泡沫溫拌瀝青作為溫拌技術(shù)的一種，能顯著降低瀝青混合料生產(chǎn)過程中的能源消耗和有害氣體排放，其溫拌原理是通過發(fā)泡來降低施工過程中的瀝青黏度。本文結(jié)合工程實際應(yīng)用，通過改進發(fā)泡設(shè)備來解決發(fā)泡管易堵塞和發(fā)泡率低等問題，同時根據(jù)試驗確定發(fā)泡參數(shù)，引進扭矩來評價瀝青混合料的和易性，通過線性擬合來確定泡沫溫拌瀝青混合料的生產(chǎn)和攤鋪溫度。

關(guān)鍵詞：泡沫溫拌;發(fā)泡設(shè)備;高壓霧化噴淋;和易性;方差分析

中圖分類號：U414文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）03-0080-04

Research on Engineering Application of Foamed Warm

Asphalt Mixture Technology

CUI Meng1 GENG Jun2 LI Feng2 DANG Zhengxia1YU Xin3

（1. Shandong Luyida Transportation Technology Co.， Ltd.，Linyi Shandong 276000;2. Linyi Municipal Group Co.， Ltd.，Linyi Shandong 276000;3. Hohai University，Nanjing Jiangsu 210098）

Abstract： As a kind of warm mix technology， foam warm mix asphalt can significantly reduce energy consumption and harmful gas emissions in the production process of asphalt mixture， its principle of warm mixing is to reduce the viscosity of asphalt during construction through foaming. In this paper， combined with practical engineering applications， the foaming equipment was improved to solve the problems of easy blockage of the foaming tube and low foaming rate， at the same time， the foaming parameters were determined according to the test， the torque was introduced to evaluate the workability of the asphalt mixture， and the production and paving temperature of the foamed warm-mix asphalt mixture was determined by linear fitting.

Keywords： foam warm mixing;foaming equipment;high-pressure atomization spray;workability;variance analysis

溫拌技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項新興綠色交通技術(shù)，溫拌瀝青路面性能與傳統(tǒng)熱拌瀝青路面相當(dāng)，卻可以降低施工溫度20～30 ℃，大幅度減少生產(chǎn)期間的能源消耗和有害氣體排放[1]。作為溫拌技術(shù)的一種，泡沫瀝青技術(shù)是指將一定比例的水與熱瀝青同步加入發(fā)泡裝置內(nèi)，冷水遇熱瀝青急劇汽化，體積迅速膨脹，生成泡沫瀝青。瀝青以泡沫形態(tài)噴入拌缸，與集料拌和成瀝青混合料，泡沫瀝青的黏度大大降低，和易性增強，使得泡沫瀝青混合料可以在比常規(guī)熱拌瀝青混合料少的情況下拌和與施工[2]。

本文結(jié)合泡沫溫拌瀝青混合料的前期研究，總結(jié)應(yīng)用經(jīng)驗，對泡沫溫拌瀝青的發(fā)泡生產(chǎn)設(shè)備進行改造，驗證其發(fā)泡生產(chǎn)參數(shù)，并對城市道路常用的AC-20泡沫溫拌瀝青混合料進行配合比設(shè)計。其間，實驗室通過檢測其扭矩與和易性來指導(dǎo)工程施工溫度設(shè)計，施工人員鋪筑了工程試驗段。

1 試驗材料與試驗檢測方法

1.1 材料

本研究采用青島日石吉通瀝青有限公司生產(chǎn)的70#道路石油瀝青，集料采用石灰?guī)r，規(guī)格分別為0～5、5～10、10～20 mm，其指標(biāo)均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）技術(shù)要求。

1.2 試驗方法

在檢測瀝青發(fā)泡效果時，本文采用最大膨脹率和半衰期作為評價指標(biāo)。最大膨脹率是指泡沫瀝青發(fā)泡狀態(tài)下的最大體積與未發(fā)泡時瀝青體積的比值，反映泡沫瀝青黏度變化的大小;半衰期是指泡沫瀝青從最大體積衰減到最大體積的50%所用的時間，以秒（s）計，反映泡沫瀝青的穩(wěn)定性[3]。工程實踐中，為使泡沫瀝青和集料在拌和過程中充分裹附，增加瀝青混合料的和易性、均勻性和穩(wěn)定性，人們需要確保泡沫瀝青具有較大的膨脹率和較長的半衰期。

進行泡沫瀝青混合料和易性評價時，本文采用扭矩法檢測其和易性。本試驗采用的裝置是拌合筒，用以模擬瀝青混合料在拌鍋中的拌合過程，如圖1所示。其間將焊接三葉片的轉(zhuǎn)軸埋入拌合筒里的瀝青混合料中，轉(zhuǎn)軸上嵌入扭力扳手，研究人員在一定溫度下以恒定速率轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)軸，并在扭力扳手上讀出相應(yīng)的扭矩值，依據(jù)扭矩的大小來評價瀝青混合料的和易性[4-5]。

2 研究結(jié)果分析

2.1 發(fā)泡設(shè)備改進及效果評價

溫拌用泡沫瀝青生產(chǎn)設(shè)備是泡沫溫拌技術(shù)的核心，目前，國內(nèi)溫拌用泡沫瀝青生產(chǎn)裝置仍依靠進口，加上關(guān)稅等各項費用，泡沫瀝青生產(chǎn)設(shè)備的國內(nèi)銷售價格昂貴，同時進口設(shè)備后期服務(wù)困難，這在很大程度上限制了泡沫溫拌技術(shù)的發(fā)展。前期，本項目引進了多臺發(fā)泡設(shè)備，但其在應(yīng)用過程中存在很大的問題。例如，生產(chǎn)過程中，由于泡沫瀝青體積迅速膨脹，噴頭易粘接瀝青;生產(chǎn)結(jié)束后，在溫度冷卻過程中，瀝青易流淌到高壓噴頭孔內(nèi)，從而引起噴頭堵塞;發(fā)泡管存在瀝青冷卻后易堵塞、泡沫分布不均勻而影響泡沫瀝青的發(fā)泡率等問題。

目前，瀝青發(fā)泡設(shè)備的主要組成為：水添加系統(tǒng)、瀝青發(fā)泡系統(tǒng)和設(shè)備控制系統(tǒng)。根據(jù)前期應(yīng)用，需要改進的設(shè)備難題有：水的精確添加、溫拌設(shè)備與拌和樓的接口處理和發(fā)泡均勻性控制。為解決上述問題，本項目在實施過程中對發(fā)泡設(shè)備進行了如下改造。

一是發(fā)泡管進水噴頭的防堵塞裝置采用可拆卸的高壓霧化噴淋裝置、擋板和可伸縮推拉板。高壓霧化噴淋裝置一側(cè)設(shè)有擋板，擋板上設(shè)有旋轉(zhuǎn)扳手，人們可以通過旋轉(zhuǎn)扳手轉(zhuǎn)向，使得擋板擋住供水通道，生產(chǎn)結(jié)束后，高壓霧化噴頭通過推拉扳手退回供水通道，通過旋轉(zhuǎn)擋板轉(zhuǎn)向阻擋瀝青進入供水通道，有效防止發(fā)泡管進水噴頭堵塞。二是設(shè)置螺旋片導(dǎo)流裝置。發(fā)泡管內(nèi)熱瀝青遇水迅速發(fā)泡，形成泡沫瀝青，由于水噴入時有一定壓力，因此發(fā)泡管內(nèi)容易迅速形成漩渦流，帶動導(dǎo)流螺旋片自轉(zhuǎn)，對泡沫瀝青形成混合和攪拌作用，泡沫分布均勻，防止泡沫瀝青冷卻后堵塞發(fā)泡管。三是發(fā)泡管周圍設(shè)置循環(huán)導(dǎo)熱油。這樣不僅保證了發(fā)泡時瀝青的發(fā)泡溫度，而且使瀝青在發(fā)泡管內(nèi)處于熱流動狀態(tài)，避免瀝青殘留和冷卻而堵塞發(fā)泡管進料口。在生產(chǎn)過程中，改進后的發(fā)泡設(shè)備表現(xiàn)出良好的發(fā)泡效果，如圖2所示。

2.2 確定發(fā)泡參數(shù)

在生產(chǎn)過程中，影響瀝青發(fā)泡效果的主要因素有兩個，即瀝青發(fā)泡溫度和發(fā)泡用水量。

2.2.1 確定發(fā)泡溫度。下面分析不同發(fā)泡溫度（120、130、140、150、160 ℃）下泡沫瀝青的最大膨脹率和半衰期，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，泡沫瀝青的最大膨脹率隨發(fā)泡溫度的升高而持續(xù)增大，而當(dāng)發(fā)泡溫度高于150 ℃以后，最大膨脹率增加緩慢，溫度對最大膨脹率的影響減弱，當(dāng)發(fā)泡溫度由140 ℃升高到150 ℃時，最大膨脹率提高20.8%，而發(fā)泡溫度由150 ℃升高到160 ℃時，最大膨脹率僅提高1%。為驗證此分析，本研究對實驗室不同溫度下的最大膨脹率進行方差分析，試驗溫度分為120～150 ℃和150～160 ℃，結(jié)果如表1所示。由表1可知，在120～150 ℃范圍內(nèi)，溫度對最大膨脹率影響的顯著系數(shù)為0.036，小于0.05顯著水平，其為顯著影響因素[6]。而當(dāng)溫度升高至160 ℃時，溫度的顯著系數(shù)大于0.05，其為不顯著影響因素。

半衰期隨發(fā)泡溫度的升高持續(xù)減小，在120～160 ℃的范圍內(nèi)，溫度對半衰期的影響顯著，分析結(jié)果如表2所示。通常，相關(guān)規(guī)范要求半衰期≥10 s，這樣便可滿足施工要求。因此，經(jīng)綜合考慮，70#基質(zhì)瀝青的最佳發(fā)泡溫度為150 ℃。

2.2.2 確定發(fā)泡用水量。由圖4可知，用水量對最大膨脹率和半衰期具有顯著影響，若滿足相關(guān)規(guī)范要求半衰期≥10 s，則用水量需要小于2.5%，但用水量由2.0%提高到2.5%時，半衰期衰減嚴(yán)重，因此為追求較高的最大膨脹率和較大的半衰期，本研究選取最佳用水量為2%。

2.3 配合比設(shè)計

泡沫瀝青溫拌混合料的目標(biāo)配合比設(shè)計按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中的熱拌瀝青混合料配合比設(shè)計方法，馬歇爾試驗的各項技術(shù)指標(biāo)均與常規(guī)熱拌瀝青混合料一致。集料采用石灰?guī)r，規(guī)格分別為0～5、5～10、10～20 mm，級配設(shè)計曲線如圖5所示，馬歇爾體積指標(biāo)如表3所示。

2.4 泡沫瀝青混合料和易性研究

通常，溫拌技術(shù)通過降低瀝青結(jié)合料黏度的原理來增加混合料的和易性，從而降低生產(chǎn)和施工溫度。實驗室檢測泡沫瀝青黏度時，由于泡沫的存在使得測定布氏旋轉(zhuǎn)黏度時誤差較大，因此人們在實際工程中采用扭矩法測量混合料的和易性，確定泡沫瀝青的溫拌效果。下面在實驗室狀態(tài)下拌和普通的瀝青混合料AC-20和泡沫溫拌瀝青混合料，在溫度為110、120、130、140、150、160 ℃的條件下分別測定混合料的扭矩，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，同一溫度下，泡沫瀝青混合料的和易性明顯優(yōu)于普通瀝青混合料。

一般認(rèn)為，瀝青混合料的扭矩和溫度之間存在如下關(guān)系：

[lny=α-βx]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[y]為因變量，即和易性試驗中的扭矩值，N·m;[α]、[β]為回歸系數(shù);[x]為獨立變量，即溫度，℃。

根據(jù)現(xiàn)場實踐經(jīng)驗，普通熱拌瀝青混合料的出場溫度為155 ℃，攤鋪溫度為145 ℃，經(jīng)測定，在和易性試驗中，不同溫度下（155 ℃和145 ℃）瀝青混合料的扭矩分別為24.53 N·m和28.53 N·m。下面以這兩個扭矩為普通瀝青混合料拌合和攤鋪的和易性標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)式（1）進行溫拌瀝青的線性擬合，結(jié)果如表4所示，然后分別計算不同泡沫溫拌瀝青混合料達到這兩個扭矩值時的溫度，以此指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

2.5 泡沫瀝青混合料試驗段鋪筑

根據(jù)以上研究，本項目進行了泡沫溫拌瀝青混合料試驗段的施工。本次試驗道路鋪筑所用的拌合樓為AMP-4000C改進型間歇式拌合樓，實際產(chǎn)量為280 t/h左右，拌和樓生產(chǎn)均由計算機全程自動控制，拌和樓計量較為準(zhǔn)確。在生產(chǎn)過程中，瀝青加熱溫度控制在150～155 ℃，礦料加熱溫度控制在150 ℃左右，水選用常溫水，濕拌時間為30 s（從瀝青添加完開始計時），每盤料生產(chǎn)周期約為60 s。瀝青混合料的出場溫度為130 ℃，攤鋪溫度為120 ℃。

試驗段采用的碾壓方案如表5所示?，F(xiàn)場施工及取芯情況如圖7所示，最終測定結(jié)果表明，其壓實度超過98%。

3 結(jié)論

本項目從實際出發(fā)，通過改進發(fā)泡設(shè)備的可拆卸的高壓霧化噴淋裝置和螺旋片導(dǎo)流，有效提高瀝青的發(fā)泡效果。通過實驗室內(nèi)測定其最大膨脹率和半衰期，本研究確定70#瀝青的發(fā)泡溫度為150 ℃，最佳用水量為2%。通過對瀝青混合料的和易性研究及線性擬合，本研究最終確定AC-20瀝青混合料的拌和溫度為130 ℃，攤鋪溫度為120 ℃。

參考文獻：

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