泡沫溫拌瀝青發(fā)泡參數(shù)確定方法研究

吳艷朋， 劉聶玚子， 姜睿， 周楹宇， 邊慶華

(1.中鐵七局集團 第三工程有限公司， 陜西 西安 710016；2.長安大學 運輸工程學院， 陜西 西安 710064；3.長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室， 陜西 西安 710064；4.公路建設與養(yǎng)護技術材料及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心(甘肅路橋建設集團有限公司)， 甘肅 蘭州 730030)

溫拌瀝青混合料能在保證路面路用性能的基礎上大大降低施工溫度，具有能源消耗少、污染小和瀝青不易老化等優(yōu)點，應用前景廣闊。目前溫拌瀝青技術主要有乳化瀝青溫拌技術、有機添加劑溫拌技術、Aspha-Min(瀝青-礦物)溫拌技術和泡沫瀝青溫拌技術。乳化瀝青溫拌技術存在過多的水，對攪拌設備有影響；有機添加劑溫拌技術和Aspha-Min溫拌技術價格較貴，難以推廣應用；泡沫瀝青溫拌技術不需任何添加劑，只需加入少量水(1.5%～3.0%)便可使瀝青發(fā)泡，施工溫度降低，并可降低生產(chǎn)成本和保護環(huán)境。目前，對泡沫瀝青溫拌技術的研究主要集中在泡沫瀝青混合料路用性能和應用方面，較少涉及混合料制備過程中最佳發(fā)泡參數(shù)確定。為得到泡沫瀝青最佳發(fā)泡條件，獲得理想的發(fā)泡效果，該文在分析瀝青發(fā)泡機理和影響因素的基礎上，進行基質瀝青和改性瀝青多參數(shù)發(fā)泡試驗，研究泡沫溫拌瀝青發(fā)泡參數(shù)確定方法，為泡沫瀝青溫拌技術的推廣應用提供參考。

1 瀝青發(fā)泡機理與影響因素

1.1 瀝青發(fā)泡機理

高溫瀝青(140 ℃以上)與常溫水接觸時發(fā)生熱能交換，瀝青降溫將水加熱到100 ℃，水汽化并膨脹，水蒸氣在一定壓力下進入瀝青連續(xù)相中，使瀝青形成薄膜并依靠表面張力將水蒸氣裹覆成為氣泡。在蒸氣膨脹過程中，瀝青膜的張力與蒸氣壓力處于動態(tài)平衡狀態(tài)，并維持一定時間。氣泡以一種壓穩(wěn)狀態(tài)存續(xù)，一旦平衡被打破氣泡則隨之破滅。

若發(fā)泡用水量較小或瀝青溫度較低，瀝青容易冷凝，當水蒸氣低于液化溫度時，氣泡中的蒸氣冷凝導致氣泡破滅。由于用水量少、瀝青膜較厚，少量發(fā)泡水會存留在瀝青中形成水飽和瀝青。若發(fā)泡用水量較大或瀝青溫度較高，泡沫具有蜂窩狀結構氣室，在多個氣泡匯聚之處液膜被過度彎曲并凹向氣室一方，形成普來特邊界。根據(jù)拉普拉斯方程，氣相與液相之間產(chǎn)生的壓力差隨液體表面張力增加而增大，隨氣泡曲率半徑的增加而減少。在普來特交界處有較大的曲率半徑，其壓差比附近曲率半徑小的地方小，從而使液體向交界處流動。當液膜達到臨界厚度(5～10 nm)時，氣泡破滅。

1.2 影響瀝青發(fā)泡的因素

瀝青發(fā)泡可暫時改變其物理性質，降低黏度，以便能與較低溫度的礦料拌合。瀝青的發(fā)泡特性直接影響混合料質量，而發(fā)泡特性又受到多種因素的影響。影響瀝青發(fā)泡特性的主要因素：1) 瀝青加熱溫度。通常溫度高瀝青的發(fā)泡效果比溫度低的好，溫度低于120 ℃時，瀝青很難發(fā)泡。但也不是瀝青溫度越高發(fā)泡效果越好，每種瀝青都有較佳的發(fā)泡溫度范圍。2) 發(fā)泡用水量。發(fā)泡用水量越大，發(fā)泡體積越大，泡沫破滅的時間越短。3) 壓力。包括瀝青壓力、水壓和氣壓，通常壓力越低，對瀝青與水混合發(fā)泡效果越不利。4) 瀝青組分。瀝青組分不同，發(fā)泡特性也不同，不同產(chǎn)地、不同油源、是否加入消泡劑和發(fā)泡劑等都會影響瀝青的發(fā)泡特性。

對于工程中使用的瀝青，主要通過改變加熱溫度和用水量確定滿足最佳發(fā)泡效果的拌制泡沫瀝青混合料的發(fā)泡條件。

2 泡沫溫拌瀝青最佳發(fā)泡溫度確定

泡沫瀝青溫拌技術是使用少量的水與高溫瀝青(140 ℃以上)接觸，水汽化使瀝青體積膨脹、黏度降低，從而實現(xiàn)混合料溫拌。評定泡沫質量的主要指標是膨脹比和半衰期，發(fā)泡效果除與瀝青自身特性有關外，還與發(fā)泡用水量和發(fā)泡溫度相關?？赏ㄟ^發(fā)泡試驗確定最佳發(fā)泡溫度與最佳發(fā)泡用水量。

2.1 試驗裝置與試驗方法

采用WLB 10發(fā)泡裝置和圓柱形測量容器進行瀝青發(fā)泡試驗，測量容器直徑300 mm、容積 20 L，直尺精度0.2%，時間精度0.1 s，溫度精度1.0 ℃，質量精度0.1 g。

以膨脹率和半衰期評價瀝青的發(fā)泡特性。采用3種發(fā)泡用水量和3種發(fā)泡溫度進行試驗，基質瀝青發(fā)泡用水量分別為1.5%、2.0%、2.5%，發(fā)泡溫度分別為145、155、165 ℃；SBS改性瀝青發(fā)泡用水量分別為2.0%、2.5%、3.0%，溫度分別為160、170、180 ℃。

2.2 試驗材料

基質瀝青采用重交石油瀝青，其技術指標見表1。成品改性瀝青為SBS改性瀝青，SBS摻量4%，技術指標見表2。瀝青發(fā)泡水為生活用水。

表1 重交石油瀝青的技術指標

表2 SBS改性瀝青的技術指標

2.3 發(fā)泡特性試驗

在不同溫度和含水量下對重交瀝青和SBS改性瀝青進行發(fā)泡試驗，結果見表3～4和圖1～2。

表3 重交瀝青發(fā)泡試驗結果

表4 SBS改性瀝青發(fā)泡試驗結果

圖1 重交瀝青發(fā)泡試驗曲線

圖2 SBS改性瀝青發(fā)泡試驗曲線

3 泡沫溫拌瀝青最佳發(fā)泡用水量確定

通常以膨脹率和半衰期評價瀝青的發(fā)泡特性，膨脹率為在一定溫度和用水量下發(fā)泡瀝青最大體積與未發(fā)泡瀝青體積之比，半衰期為在一定溫度和用水量下發(fā)泡瀝青最大體積減小到一半時所用時間。半衰期長短表明允許施工作業(yè)的時間長短，半衰期越長，泡沫越不易衰減，允許拌合作業(yè)的時間越長。膨脹率大小對拌合質量有影響，不宜過小，以免在溫度較低時影響拌合效果；也不宜過大，以免過分縮短半衰期，影響充分拌合所需時間。對于溫拌施工，通常膨脹率不宜小于5倍(重交通瀝青)或3倍(改性瀝青)，半衰期不宜小于10 s(重交通瀝青)或20 s(SBS改性瀝青)。根據(jù)不同用水量和不同溫度，通過試驗得到膨脹率和半衰期回歸曲線(見圖1～2)，圖中最上方曲線對應的溫度為最佳發(fā)泡溫度，重交瀝青的最佳發(fā)泡溫度為150～155 ℃，SBS改性瀝青的最佳發(fā)泡溫度為165～170 ℃。由最佳發(fā)泡溫度可得不同發(fā)泡用水量下泡沫瀝青膨脹率與半衰期的關系(見圖3～4)。

圖3 重交泡沫瀝青膨脹率與半衰期的關系

由圖3可知：膨脹率5倍對應的發(fā)泡用水量為1.2%，半衰期10 s對應的發(fā)泡用水量為1.7%，滿足要求的發(fā)泡用水量在這2個用水量之間，取中間值1.5%作為重交泡沫瀝青的最佳發(fā)泡用水量。

由圖4可知：膨脹率3倍對應的發(fā)泡用水量為1.4%，半衰期20 s對應的發(fā)泡用水量為1.7%，滿足要求的發(fā)泡用水量在這2個用水量之間，取中間值1.6%作為SBS改性泡沫瀝青的最佳發(fā)泡用水量。

圖4 SBS改性泡沫瀝青膨脹率與半衰期的關系

4 結論

(1) 瀝青發(fā)泡特性的主要評價指標是膨脹率和半衰期。膨脹率主要影響拌合質量，不宜過小，以免在溫度較低時影響拌合效果；半衰期主要影響允許施工作業(yè)時間，半衰期越短，泡沫越易衰減，對施工越不利。

(2) 發(fā)泡效果除與瀝青自身特性有關外，還與發(fā)泡用水量和發(fā)泡溫度有密切關系，可通過發(fā)泡試驗確定最佳發(fā)泡溫度和最佳發(fā)泡用水量。

(3) 在不同用水量和不同溫度下，通過試驗得到膨脹率和半衰期回歸曲線，其最上方曲線對應的溫度即為最佳發(fā)泡溫度。在最佳發(fā)泡溫度下，可確定符合膨脹率和半衰期要求的發(fā)泡用水量。

(4) 在膨脹率與半衰期關系曲線中，只有半衰期對應的發(fā)泡用水量在膨脹率對應的發(fā)泡用水量的右側時，瀝青才能滿足溫拌泡沫特性的要求。在該條件下，半衰期對應的發(fā)泡用水量和膨脹率對應的發(fā)泡用水量之和的均值即為最佳發(fā)泡用水量。