溫拌瀝青發(fā)泡裝置的性能試驗及改進措施

胡 林，顧 洪，宋朝波

（中交西安筑路機械有限公司，陜西 西安 710200）

近年來，我國道路建設(shè)取得了顯著成效，但在道路施工和養(yǎng)護過程中，不僅消耗了過多的能源、排放了大量的有害氣體，還產(chǎn)生了大量的廢瀝青混合料，影響了公路建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。

泡沫瀝青溫拌技術(shù)被認為是節(jié)能、減排和提升經(jīng)濟效益的關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)可實現(xiàn)瀝青在相對較低的溫度下對物料進行良好的裹覆，并且瀝青混合料的性能不受影響。由于該技術(shù)實現(xiàn)過程只需加入少量的水，不需要添加其他材料，因此該技術(shù)的應(yīng)用成本較低。同時該技術(shù)還可以節(jié)省燃料，減少有害氣體排放。

泡沫瀝青發(fā)泡裝置是生產(chǎn)泡沫瀝青的機械裝備。該裝置的核心部件是瀝青發(fā)泡腔，其結(jié)構(gòu)直接影響瀝青發(fā)泡的性能參數(shù)[2，3]。本文針對不同結(jié)構(gòu)發(fā)泡腔進行試驗研究，提出瀝青發(fā)泡腔結(jié)構(gòu)的改進措施，為該技術(shù)應(yīng)用及設(shè)備制造提供參考。

1 泡沫瀝青的機理及性能評價指標

1.1 泡沫瀝青的形成及破滅機理

瀝青發(fā)泡過程是水和瀝青的混合，是1個復(fù)雜的物理過程，是常溫水和高溫瀝青在高溫高壓作用下混合后形成的1種表現(xiàn)狀態(tài)[4]。瀝青發(fā)泡過程可描述為以下3個步驟：

（1）因為發(fā)泡用水為常溫水，瀝青的發(fā)泡溫度在100℃以上，所以水與高溫瀝青混合時會產(chǎn)生能量傳遞，水吸收熱量后變成水蒸氣，水蒸氣體積迅速膨脹，此時瀝青的溫度降低[5]。圖1為瀝青發(fā)泡過程圖。

圖1 瀝青發(fā)泡過程圖

（2）汽化后的水蒸氣被液態(tài)瀝青裹覆，需要克服瀝青膜的表面張力以及瀝青分子團之間的黏聚力。水蒸氣這一克服張力過程使瀝青體積迅速增大，形成瀝青泡沫[5]，如圖2所示。

（3）泡沫瀝青對比原來瀝青體積膨脹了數(shù)倍甚至數(shù)十倍。隨著泡沫瀝青體積的膨脹，內(nèi)能得到釋放后的水蒸氣溫度逐漸降低，使瀝青泡沫的內(nèi)壓力逐漸減小，瀝青內(nèi)壓力與表面張力達到了短暫的平衡[5]。

（4）泡沫瀝青的穩(wěn)定性較低，表現(xiàn)為泡沫瀝青體積不斷增大，體積達到最大后迅速衰減，并且在幾十秒內(nèi)泡沫瀝青恢復(fù)至原來的體積[6]。

1.2 泡沫瀝青的性能評價指標

通過對JTG F5521-2019《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》中第5章節(jié)5.3.1條規(guī)定的解讀（第5章節(jié)5.3.1條規(guī)定冷再生用泡沫瀝青性能：膨脹率（倍）大于10，半衰期（s）大于8），泡沫瀝青的性能評價有2個指標：瀝青膨脹率和半衰期。

強制間歇式瀝青攪拌設(shè)備的整個拌和周期一般為45s左右，其中加入瀝青后的有效拌和時間一般為25s左右。為了泡沫瀝青體積衰減之前完成整個拌和過程，瀝青發(fā)泡裝置生產(chǎn)的泡沫瀝青應(yīng)保證半衰期為10s左右[7]。

1.3 泡沫瀝青發(fā)泡影響因素

在實際的工程應(yīng)用中，影響發(fā)泡效果的準備因素是瀝青發(fā)泡裝置，該裝置的核心部件為瀝青發(fā)泡腔，因此在其它條件不變的情況下，瀝青發(fā)泡腔結(jié)構(gòu)直接影響著瀝青發(fā)泡的膨脹率和半衰期2個性能指標[8]。

2 泡沫瀝青發(fā)泡試驗

研究表明：發(fā)泡腔（泡沫瀝青反應(yīng)室）的結(jié)構(gòu)直接影響瀝青發(fā)泡效果[9]。本文試驗采用圓形和橢圓形2種結(jié)構(gòu)的發(fā)泡腔，2種發(fā)泡腔的瀝青入口尺寸、泡沫瀝青噴口尺寸、水噴射入口尺寸以及發(fā)泡腔內(nèi)體積均相同。試驗過程保證瀝青的流量和水的壓力均相同，根據(jù)瀝青特性調(diào)節(jié)不同的瀝青溫度。在改變發(fā)泡用水量的條件下，試驗材料選用70#、90#和SBS改性瀝青，分別對瀝青進行發(fā)泡并測量泡沫瀝青的膨脹率和半衰期[10]，并將試驗數(shù)據(jù)填入表1-表6。2種不同結(jié)構(gòu)發(fā)泡腔的建模如圖3和圖4所示。

圖2 水和瀝青混合的狀態(tài)圖

圖3 橢圓形結(jié)構(gòu)發(fā)泡腔

圖4 圓柱形結(jié)構(gòu)發(fā)泡腔

表1 70#瀝青發(fā)泡試驗數(shù)據(jù)表（圓柱形發(fā)泡腔）

表2 70#瀝青發(fā)泡試驗數(shù)據(jù)表（橢圓形發(fā)泡腔）

表4 90#瀝青發(fā)泡試驗數(shù)據(jù)表（橢圓形發(fā)泡腔）

表5 SBS改性瀝青發(fā)泡試驗數(shù)據(jù)表（圓柱形發(fā)泡腔）

表6 SBS改性瀝青發(fā)泡試驗數(shù)據(jù)表（橢圓形發(fā)泡腔）

3 瀝青發(fā)泡試驗數(shù)據(jù)分析

圖5為2種不同發(fā)泡腔70#瀝青試驗圖，圖6為2種不同發(fā)泡腔90#瀝青試驗圖，圖7為2種不同發(fā)泡腔改性瀝青（SBS）試驗圖。

通過圖5-圖7可以看出，瀝青在不同發(fā)泡用水量的條件下，發(fā)泡效果也有明顯的差異。在發(fā)泡用水量為2%時，泡沫瀝青的半衰期參數(shù)與強制間歇式瀝青攪拌設(shè)備的工藝要求相匹配[3]。

在發(fā)泡用水量為2%的條件下，對比不同結(jié)構(gòu)發(fā)泡腔的發(fā)泡效果，分別對70#、90#和SBS改性瀝青的膨脹率和半衰期數(shù)據(jù)進行對比分析，并繪制成圖8和圖9。

通過圖8和圖9可以看出，不同結(jié)構(gòu)的2種發(fā)泡腔在發(fā)泡效果上有著明顯的不同。

通過圖8和圖9的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可以得出，在其他條件相同的情況下，泡沫瀝青膨脹率；橢圓形結(jié)構(gòu)發(fā)泡腔大于圓柱形結(jié)構(gòu)發(fā)泡腔；泡沫瀝青半衰期與之對應(yīng)的是：橢圓形結(jié)構(gòu)發(fā)泡腔小于圓柱形結(jié)構(gòu)發(fā)泡腔。

圖5 2種不同發(fā)泡腔70#瀝青試驗

圖6 2種不同發(fā)泡腔90#瀝青試驗

圖7 2種不同發(fā)泡腔SBS改性瀝青試驗

圖8 2種不同發(fā)泡腔瀝青發(fā)泡半衰期對比圖

圖9 2種不同發(fā)泡腔瀝青發(fā)泡膨脹率對比圖

研究表明：瀝青的粘度受泡沫瀝青膨脹率和溫度的影響較大，泡沫瀝青半衰期則對其穩(wěn)定性影響顯著[11]。在生產(chǎn)溫拌瀝青混合料時，骨料溫度與瀝青溫度接近（骨料溫度范圍：120℃～180℃，瀝青溫度范圍：160℃～170℃）。在瀝青和物料拌合時，熱量傳遞不會導(dǎo)致瀝青的溫度下降較多，瀝青的粘度也就不會有較大的變化。因此在溫拌泡沫瀝青技術(shù)中，泡沫瀝青不需要產(chǎn)生較大的膨脹率，但溫拌瀝青混合料的拌和周期一般為45s（凈攪拌時間25s），泡沫瀝青需要與之相對應(yīng)時間內(nèi)的穩(wěn)定性，性能參數(shù)表現(xiàn)為半衰期相對較長[12，13]。

在生產(chǎn)冷拌泡沫瀝青混合料時，瀝青和骨料溫差較大，熱量傳遞導(dǎo)致泡沫瀝青溫度下降較大，促使瀝青粘度增加，泡沫瀝青需要產(chǎn)生更大的膨脹率來降低瀝青的粘度以保證正常拌和[14]。與此同時，冷拌瀝青混合料拌和時間相對較短，對泡沫瀝青半衰期的時間要求也相對較短[15]。

4 結(jié)束語

本文針對不同結(jié)構(gòu)形式的發(fā)泡腔，結(jié)合不同類型瀝青進行瀝青發(fā)泡試驗，并對試驗數(shù)據(jù)進行分析對比，提出了瀝青發(fā)泡腔的改進措施：將瀝青發(fā)泡裝置的發(fā)泡腔改成圓柱形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的泡沫瀝青半衰期相對較長，膨脹率相對較小，符合強制間歇式攪拌設(shè)備的生產(chǎn)工藝。