瀝青發(fā)泡機理及發(fā)泡效果評價指標研究*

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

泡沫溫拌瀝青混合料技術(shù)作為一種新型的瀝青混合料生產(chǎn)方式，因不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)、降低生產(chǎn)能耗、減少廢氣和粉塵排放，以及生產(chǎn)成本降低，延長施工工期，且不會造成瀝青混合料性能降低等優(yōu)點，如今越來越受到國內(nèi)外公路界的推崇[1-2]。泡沫瀝青是由高溫瀝青與冷水一定條件下混合制備形成的一種特殊狀態(tài)的瀝青結(jié)合料[3-4]。在此過程中，主要發(fā)生的是物理轉(zhuǎn)化，相比普通瀝青，泡沫瀝青黏度低，但和易性增加，可以在較低的溫度下充分裹覆集料，降低了瀝青混合料的拌和溫度，實現(xiàn)泡沫瀝青溫拌混合料生產(chǎn)、攤鋪及碾壓等一系列道路施工操作[5]。

瀝青發(fā)泡技術(shù)最早在德國出現(xiàn)，歷經(jīng)多年的發(fā)展，目前在冷再生技術(shù)中得到了較為廣泛的應(yīng)用[6-7]。但在我國現(xiàn)行規(guī)范中對泡沫瀝青及其混合料的各方面性質(zhì)標準規(guī)范還很少，現(xiàn)行瀝青發(fā)泡效果評價指標主要是膨脹率和半衰期，在JTG F 41—2008《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定膨脹率不小于10倍，半衰期不小于8 s。而對于泡沫溫拌技術(shù)還沒有具體標準規(guī)范，實際施工中是直接套用冷再生技術(shù)規(guī)范。由于溫拌技術(shù)與冷再生技術(shù)本身上的差異，對瀝青及混合料的要求有很大不同，對于瀝青發(fā)泡效果的評價要求也存在差異，在泡沫溫拌技術(shù)中用這兩大指標不可避免存在很多問題。

筆者從現(xiàn)有評價指標本身理論不足、試驗受人為影響大、直接用在泡沫溫拌技術(shù)，3個方面深入分析現(xiàn)有評價指標用于泡沫瀝青溫拌技術(shù)上的缺陷，并提出利用激光測距儀、數(shù)碼相機等設(shè)備進行試驗的優(yōu)化方法，提出3個全新評價指標用于評價泡沫溫拌瀝青發(fā)泡效果，以便于室內(nèi)和室外試驗更加準確的進行，更好的找到泡沫溫拌瀝青的最佳發(fā)泡條件，更有利于現(xiàn)場施工質(zhì)量的控制。

1 瀝青發(fā)泡機理

1.1 發(fā)泡機理

泡沫瀝青是高溫瀝青與冷水、壓縮空氣通過混合制備(見圖1)而成，當冷水接觸高溫瀝青變成蒸汽并使瀝青體積發(fā)生巨大膨脹，最終產(chǎn)生大量瀝青泡沫。

圖1 瀝青發(fā)泡機理Fig. 1 Mechanism of asphalt foaming

其發(fā)泡過程如下[8-10]：

1) 當冷水滴與高溫瀝青(140 ℃以上)接觸發(fā)生熱交換時(見圖2)，水滴溫度迅速升高，瀝青溫度迅速降低；當溫度下降到100 ℃時，瀝青面層的水蒸發(fā)，瀝青溫度繼續(xù)下降。

2) 冷水在吸收了大量熱量后汽化，在克服瀝青膜表面張力，將瀝青內(nèi)的瀝青分子推到瀝青面，宏觀表現(xiàn)為瀝青形成瀝青泡沫并且體積迅速增大，瀝青膜面面積增大，形成大量的爆炸性瀝青泡沫(見圖3)。

圖2 液體汽化體積變化Fig. 2 Liquid vaporization volume change

圖3 冷水加入熱瀝青反應(yīng)Fig. 3 Cold water added in hot asphalt reaction diagram

3) 泡沫體積膨脹到原來的數(shù)倍甚至數(shù)十倍，隨著泡沫的膨脹，水蒸氣溫度降低，壓力逐漸減小直至與瀝青泡沫表面張力達到平衡。

1.2 消泡機理

根據(jù)Z.A.AREGA，H.I.OZTURK等[11-12]在其研究中提出瀝青發(fā)泡過程中不穩(wěn)定、短暫的泡沫和半穩(wěn)定、長壽命的兩種泡沫，可將泡沫的消散過程分為不穩(wěn)定和半穩(wěn)定兩個階段。見圖4。

圖4 兩種不同瀝青泡沫Fig. 4 Two different asphalt foam

1.2.1 不穩(wěn)定階段

在冷水射入熱瀝青后，由于水蒸氣在瀝青內(nèi)分布不均勻，瀝青發(fā)泡形成不均勻分布的蜂窩狀泡沫，瀝青膜厚度也相差較大。隨著瀝青的膨脹，每一個瀝青泡沫薄膜快速變薄，泡沫也極容易破裂(見圖4中帶有薄膜的多面體)。在宏觀上表現(xiàn)為泡沫瀝青達到最大膨脹體積后迅速衰減，以恢復(fù)原來的體積。由于這一階段瀝青是在幾十秒內(nèi)完成體積膨脹和衰變過程，泡沫體積變化劇烈，這一階段稱為不穩(wěn)定階段。

以下幾個原因?qū)е逻@一階段泡沫容易破滅[13-16]：

1) 水蒸氣壓力過大。泡沫內(nèi)蒸汽克服表面張力做功，蒸汽提供泡沫內(nèi)部的壓力。泡沫體積迅速變大，超過表面張力極限后破裂。

2) 水蒸氣溫度下降。當泡沫上升到泡沫溫拌瀝青表面與空氣接觸后，瀝青膜溫度和泡沫內(nèi)部溫度驟降。溫度下降導(dǎo)致內(nèi)壓降低，表面張力增大，向內(nèi)收縮發(fā)生崩裂。

3) 泡沫上升速度。泡沫直徑大的泡沫會以更快的速度上升到表面(速度正比于泡沫直徑的平方)，并最終破裂。發(fā)泡水越多，遇熱后水蒸氣體積越大，泡沫直徑越大，上升速度快，破裂快。這也是用水多，膨脹率大的泡沫較用水少的泡沫瀝青不穩(wěn)定的原因之一。

4) 流動。在泡沫溫拌瀝青噴入容器后，由于浮力，下部的泡沫向表面運動，上部的液態(tài)瀝青向容器底部運動。在運動過程中打破了多個泡沫聚集在一起形成的一種相對穩(wěn)定的狀態(tài)，發(fā)生排液作用，使得瀝青膜變薄，導(dǎo)致泡沫在上下運動過程中容易發(fā)生破裂。

1.2.2 半穩(wěn)定階段

半穩(wěn)定泡沫階段持續(xù)時間較長，該階段泡沫相對穩(wěn)定，體積減小慢。因此對于泡沫的消散應(yīng)該重點分析半穩(wěn)定泡沫階段(見圖4帶較厚膜的球體)。

同不穩(wěn)定階段一樣，半穩(wěn)定階段瀝青內(nèi)部蒸汽壓力促使泡沫膨脹，泡沫直徑變大。然而，經(jīng)過不穩(wěn)定階段發(fā)泡后，水量不足，瀝青溫度的降低導(dǎo)致熱量不足，這兩個因素使得泡沫難以不停膨脹直至破裂。表面張力與內(nèi)部蒸汽壓力達到平衡，泡沫直徑也達到一個平衡值，泡沫能夠在一定時間里保持穩(wěn)定。同時，液態(tài)瀝青量較不穩(wěn)定階段多，導(dǎo)致每個泡沫的油膜變厚，不易破裂。由拉普拉斯方程可計算平衡時瀝青泡沫半徑，如式(1)。

(1)

2 瀝青泡沫評價指標

發(fā)泡不僅應(yīng)用于食品、無機材料、聚合物等領(lǐng)域，瀝青的發(fā)泡也有很長的歷史[17]。泡沫瀝青屬于通用泡沫體系中的一種，因此，從研究泡沫瀝青開始，就采用常規(guī)的泡沫體系評價指標對瀝青發(fā)泡效果進行分析評價，即采用膨脹率和半衰期兩大指標[18-19]。膨脹率(expansion ratio)是瀝青發(fā)泡膨脹達到最大體積和瀝青原體積之比，反映了泡沫瀝青黏度的大小[20]。半衰期(half-life)是指泡沫瀝青從膨脹到最大體積到泡沫衰減到最大體積一半的時間，反映了泡沫瀝青的穩(wěn)定性[21]。在實際應(yīng)用中這兩大指標多用于冷再生技術(shù)[22]，在經(jīng)濟、材料性能以及環(huán)保性等方面具有巨大的發(fā)展優(yōu)勢和前景。

2.1 現(xiàn)有評價指標用于泡沫瀝青溫拌技術(shù)的不足

不同泡沫由于用途、側(cè)重點不同，其評價指標基本不同[23]。因此對于泡沫溫拌瀝青技術(shù)，與冷再生技術(shù)相比側(cè)重點不同，用半衰期和膨脹率這兩大指標評價溫拌瀝青發(fā)泡效果存在如下不足。

2.1.1 兩大評價指標本身理論的不足

徐金枝[24]指出以半衰期、膨脹率指標作為評價指標確定最佳發(fā)泡用水量時沒有足夠的理論依據(jù)，而李強等[25]指出國內(nèi)現(xiàn)在主要的瀝青泡沫評價指標，及半衰期和膨脹率在理論上就存在缺陷，這樣不僅會導(dǎo)致一些更好的發(fā)泡條件被排除掉，在具體的施工過程中也沒有可靠的操作性。實際應(yīng)用中一般通過試驗作出兩個指標的變化曲線，以膨脹率、半衰期的下限確定曲線上發(fā)泡參數(shù)的范圍，取該范圍中點作為最佳發(fā)泡條件(見圖5)。但試驗證明對于不同瀝青兩條趨勢線可能不會相交，即使達到了較好的發(fā)泡效果，也可能不能達到最優(yōu)化設(shè)計，有些更優(yōu)的發(fā)泡條件被排除掉。因此，國內(nèi)外與之相關(guān)的研究大多是用于實際試驗段，而在理論方面還很少有說明[26]。

圖5 確定某溫度下最佳發(fā)泡條件的方法Fig. 5 Method for determining optimum foaming conditions at certain temperature

使用膨脹率、半衰期評價發(fā)泡效果，確定最優(yōu)發(fā)泡條件時，人為的分離了兩者的關(guān)系[27]，如圖6。圖6中曲線A的發(fā)泡效果顯然優(yōu)于曲線B，但是如果按照我國路面再生的規(guī)范中半衰期不低于8 s的標準，曲線A的半衰期可能不符合要求，因此按照路面再生規(guī)范中的評價指標標準來評價泡沫溫拌瀝青發(fā)泡效果是不合適的[28]。

圖6 按照半衰期、膨脹率規(guī)范標準評價發(fā)泡效果Fig. 6 Evaluation of foaming effect according to standard of half-life and expansion rate

2.1.2 兩大指標測試試驗誤差

栗關(guān)裔[29]指出泡沫瀝青在確定最佳發(fā)泡條件時的試驗誤差缺陷，主要是由于實驗室內(nèi)的測試方法和試驗設(shè)備都有缺陷，這樣試驗結(jié)果誤差也較大。試驗設(shè)備包括標尺和測試桶，測試膨脹率時是目測發(fā)泡達到最大體積，測試膨脹率也是利用秒表讀取時間。在發(fā)泡過程中，由于瀝青發(fā)泡時間很短，瀝青泡沫由膨脹到衰減時間短暫，達到最大膨脹體積也難以評判，達到衰減到最大膨脹體積的一半體積也難以評判，試驗的標尺也有誤差。因此即使試驗人員的讀數(shù)時機把握很好，試驗測得數(shù)據(jù)誤差還是很大。

2.1.3 兩大指標直接用在泡沫溫拌技術(shù)上的不足

泡沫溫拌瀝青技術(shù)中，瀝青泡沫主要是以小泡沫顆粒的形式存在，填充在骨料空隙中，主要起到潤滑和降低黏度的作用，以便于瀝青混合料的拌和、壓實，降低拌和、壓實的溫度同時其各項性能達到要求。因此，泡沫溫拌技術(shù)的核心是和易性，需要的是一個穩(wěn)定的瀝青發(fā)泡狀態(tài)，對膨脹率和半衰期的要求并不高。泡沫瀝青冷再生技術(shù)中瀝青泡沫主要是起到黏結(jié)的作用，當瀝青泡沫碰到集料表面破碎成瀝青小顆粒裹覆瀝青混合料表面，使得集料在常溫下也能黏結(jié)起來。因此，需要瀝青泡沫足夠大，半衰期長。這樣將半衰期和膨脹率評價溫拌瀝青發(fā)泡并不合適，因此需要研究新的泡沫溫拌瀝青發(fā)泡效果評價指標及其檢測方法。

2.2 泡沫溫拌瀝青評價方法及指標

針對溫拌瀝青技術(shù)的要求特點，即以施工和易性為核心，為了更加準確、科學(xué)的評價泡沫溫拌瀝青的發(fā)泡效果，筆者在試驗上提出非接觸式的測量方法，在指標上提出更適合溫拌瀝青技術(shù)的指標。

2.2.1 非接觸試驗法

如圖7，利用三腳架，在上面安裝激光儀記錄瀝青發(fā)泡整個過程高度變化、數(shù)碼相機抓拍瀝青發(fā)泡變化情況，代替以前試驗主要通過人肉眼讀數(shù)確定的膨脹率、半衰期，這樣試驗更加準確。

圖7 三腳架和測距儀Fig. 7 Tripod and range finder

2.2.2 評價指標

由于原有指標只是記錄瀝青泡沫膨脹到最大和衰減到一半兩個時間點的情況，因此可提出能代表瀝青泡沫膨脹的整個過程的指標，這樣更能準確體現(xiàn)出瀝青泡沫從膨脹到衰減整個過程的變化情況，也更有利于實際中泡沫溫拌瀝青技術(shù)的運用。具體如下：

1) 泡沫直徑：將泡沫平均直徑作為新的評價指標，在數(shù)據(jù)測量上是直接指標，計算過程中既考慮了瀝青的黏度，又能準確的反映整個發(fā)泡過程瀝青泡沫的尺寸大小。由斯托克斯定律可知，在液體中泡沫直徑越大上升速度越快。因此可以通過式(2)、式(3)計算泡沫瀝青中泡沫平均直徑：

(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的平均速率；g為重力加速度，9.8 m/s2；μ為流體的動態(tài)黏度，Pa/s；ρb、ρf分別為瀝青及瀝青泡沫的密度，kg/m3。

其中由于瀝青泡沫的密度遠遠小于瀝青密度，可視ρf為0。由于整個發(fā)泡過程少于4 min，也可忽略瀝青黏度的變化。

使用高精度激光測距儀對泡沫瀝青的體積進行測量，計算出每一秒瀝青體積變化的平均速率，結(jié)合瀝青的動力黏度，代入式(2)得到發(fā)泡過程中泡沫平均直徑。

2) 泡沫尺寸分布：瀝青發(fā)泡過程中會產(chǎn)生許多大小不一的泡沫，泡沫尺寸越大，其降黏效果也越好，但由于泡沫越大，膨脹時瀝青外膜也越薄，也越容易破裂。由于大泡沫破裂產(chǎn)生沖擊波擾亂了整個發(fā)泡瀝青，會加速泡沫的消散。反過來，當瀝青發(fā)泡產(chǎn)生的泡沫越均勻，整個發(fā)泡瀝青整體也越穩(wěn)定，降黏效果也越好。

泡沫直徑指標是一個平均指標，雖然能表征泡沫平均直徑隨時間的變化，是整個體積的變化情況，不能表征各個泡沫個體間的差異，不能反映泡沫的分布情況。在實際瀝青發(fā)泡過程中，兩個泡沫瀝青泡沫直徑指標相同的試樣中，一個的泡沫尺寸相差較大，另一個泡沫尺寸則比較接近，這兩者的消泡速率不同，發(fā)泡效果也不同。因此以泡沫尺寸分布表征瀝青泡沫尺寸分布情況，泡沫均勻度越好，尺寸越小，消泡速率越慢，瀝青混合料的施工和易性也就越好。通過使用相機記錄瀝青發(fā)泡、消泡過程中泡沫變化情況，通過運用軟件Image-Pro Plus 6.0對截取的泡沫瀝青表面照片進行科學(xué)分析和計算得出泡沫各尺寸和對應(yīng)泡沫數(shù)量，將泡沫尺寸分布作為一個評價指標能夠更加準確的評價瀝青的發(fā)泡效果。

3) 泡沫消泡速率：瀝青發(fā)泡產(chǎn)生泡沫保持不破裂越久，其瀝青表面膜的拉伸能力越強，降黏效果也越好，混合料的施工和易性也越好。

半衰期指標只能表征瀝青發(fā)泡從最大膨脹體積到縮小為一半時的時間，無法判斷之后泡沫膨脹體積衰減的情況，不能準確判斷瀝青泡沫的穩(wěn)定性。利用消泡速率評價泡沫消泡過程，考慮了整個消泡過程，且以非接觸式試驗方法測量瀝青發(fā)泡后體積變化情況，使得試驗結(jié)果更加準確，更加量化。具體的方法是利用測量結(jié)果，建立泡沫膨脹體積隨時間的變化曲線。通過對不同發(fā)泡條件的曲線的比較，得出曲線斜率越大時，消泡速率越快。

3 結(jié) 論

1) 通過觀察分析瀝青發(fā)泡消泡的微觀過程，明白瀝青發(fā)泡過程其實是一個力的平衡過程，當水蒸氣力大于瀝青表面膜力，瀝青膨脹形成泡沫；當水蒸氣力小于瀝青表面膜力，瀝青泡沫消散；當水蒸氣力等于瀝青表面膜力，瀝青泡沫維持穩(wěn)定。

2) 通過總結(jié)分析可知膨脹率、半衰期兩大評價指標本身理論不足、試驗誤差大且國內(nèi)規(guī)范的兩大指標主要用于冷再生技術(shù)，因此溫拌技術(shù)直接套用兩大指標存在明顯缺陷。

3) 綜合分析現(xiàn)有指標不足，筆者提出一些優(yōu)化方法：試驗方法上提出科學(xué)、準確的非接觸式的測量方法，筆者提出表征瀝青發(fā)泡的全過程的指標，如瀝青泡沫的平均直徑、泡沫尺寸分布、消泡速率等，反映瀝青發(fā)泡整個過程，利用測出的準確數(shù)據(jù)，可以計算出各個新指標指數(shù)，有效的評價了瀝青發(fā)泡效果，有利于泡沫瀝青溫拌技術(shù)在實際施工中充分運用。

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