郭寅川, 趙 賓, 李 鵬, 申愛琴, 步金鑫

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710064; 2. 中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司, 北京 100097)

近年來,泡沫瀝青作為溫拌泡沫技術(shù)[1]的主要研究對(duì)象,由于可暫時(shí)降低瀝青黏度,改善瀝青與礦料的和易性,有效降低拌合溫度和施工溫度、減少瀝青煙[2]等特點(diǎn),受到業(yè)界關(guān)注.文獻(xiàn)[3]為尋找最優(yōu)的瀝青發(fā)泡條件,選取瀝青種類、用水量、瀝青溫度和水溫作為影響因素進(jìn)行探究,最終給出相應(yīng)的最優(yōu)參數(shù)取值.文獻(xiàn)[4]指出發(fā)泡劑可改善泡沫瀝青的發(fā)泡效果,同時(shí)主要起穩(wěn)泡的作用.文獻(xiàn)[5]研究了表面活性劑、添加方式、用水量和水溫等不同因素對(duì)瀝青發(fā)泡效果的影響,以期優(yōu)化泡沫瀝青的發(fā)泡特性.文獻(xiàn)[6]研究發(fā)現(xiàn),瀝青種類不同,水分在泡沫瀝青中的消散速率也不同,PG等級(jí)越高,消散速率越慢,易引起水損壞.文獻(xiàn)[7]基于灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)泡沫瀝青的發(fā)泡效果進(jìn)行了敏感性分析,從而建立了最大膨脹率與半衰期的2階數(shù)學(xué)模型.

以往的研究多集中于單一因素或常規(guī)方法進(jìn)行瀝青發(fā)泡效果的分析,在研究多項(xiàng)影響因素時(shí)不能反映各項(xiàng)因素之間的綜合作用.為此,在考慮試驗(yàn)量和試驗(yàn)效率的情況下,采用三因素三水平的正交方法設(shè)計(jì)試驗(yàn),挑選影響泡沫瀝青發(fā)泡的主要因素,進(jìn)行瀝青發(fā)泡性能試驗(yàn)正交分析,以提出泡沫瀝青最佳發(fā)泡效果的制備工藝參數(shù),為泡沫瀝青的應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ).

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料

表1 3種常用瀝青技術(shù)指標(biāo)

注: 70#和90#延度采用15 ℃的值,SBS瀝青延度采用5 ℃的值；相對(duì)密度均采用25 ℃的值

1.2 設(shè)備及測(cè)試方法

采用自主研發(fā)的PL-2泡沫瀝青制取設(shè)備,發(fā)泡機(jī)的技術(shù)指標(biāo)如表2所示.

表2 瀝青發(fā)泡制取設(shè)備技術(shù)要求

試驗(yàn)過程如下:將PL-2型發(fā)泡機(jī)預(yù)熱,倒入提前脫水加熱的瀝青,打開循環(huán)泵,保證瀝青的試驗(yàn)溫度;然后進(jìn)行瀝青和水的標(biāo)定,假設(shè)噴射時(shí)間為ts,在反復(fù)幾次噴射試驗(yàn),得到瀝青流量后,按照式(1)計(jì)算水的流量Qw,進(jìn)而調(diào)節(jié)水柱的“高度”.即

Qw=3.6Qaw，

(1)

式中:水的流量為Qw(即水柱高度),L·h-1;Qa為瀝青流量,g·s-1;w為發(fā)泡用水量,%.

當(dāng)瀝青流量為100 g·s-1,想要得到用水量為2%時(shí)的泡沫瀝青的膨脹率和半衰期[8],則水的流量Qw應(yīng)為7.2 L·h-1.最后借助膨脹尺和秒表工具,根據(jù)泡沫瀝青正交設(shè)計(jì)表進(jìn)行瀝青發(fā)泡試驗(yàn).表3為正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)果.

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)果

1.3 試驗(yàn)方案

泡沫瀝青的制備需要嚴(yán)格控制好影響瀝青發(fā)泡性能的各個(gè)因素,如瀝青類型、瀝青溫度、發(fā)泡用水量、壓力、發(fā)泡劑、消泡劑(硅化物等)、水溫、發(fā)泡腔結(jié)構(gòu)[9]和噴嘴的口徑等.

考慮到瀝青是溫度敏感性材料,且泡沫瀝青的制備中瀝青和水的流動(dòng)均需要壓力驅(qū)動(dòng),在參考泡沫瀝青相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上,結(jié)合發(fā)泡機(jī)的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù),認(rèn)為瀝青種類、瀝青溫度、發(fā)泡用水量和壓力(氣壓和水壓)是影響瀝青發(fā)泡性能的4個(gè)重要因素.其中考慮到改性瀝青的黏度較未改性的瀝青大,如希望達(dá)到最佳發(fā)泡效果,一般基質(zhì)瀝青發(fā)泡用水量為1%～4%,改性瀝青發(fā)泡用水量為2%～5%.另外,由于受自主研發(fā)發(fā)泡機(jī)的設(shè)計(jì)影響,一般氣壓小于水壓,約為0.1 MPa,方可成功噴射泡沫瀝青.正交試驗(yàn)結(jié)果見表3.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

采用直觀分析和方差分析方法[10]評(píng)價(jià)泡沫瀝青的發(fā)泡性能.先將既定因素下相同水平的試驗(yàn)結(jié)果求得均值,以膨脹率和半衰期的均值作為泡沫瀝青性能直觀分析的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),從而得到泡沫瀝青膨脹率和半衰期隨不同因素水平的變化趨勢(shì);然后通過方差顯著性分析,最終得到各影響因素的顯著性程度排序,為制備高質(zhì)、高效的泡沫瀝青提供數(shù)據(jù)支持.

2.1 正交試驗(yàn)方案分析

根據(jù)表3結(jié)果,采用方差分析,尋找對(duì)膨脹率和半衰期最為敏感的影響因素.表4為泡沫瀝青方差分析結(jié)果.

服務(wù)員反映：“有人喝兩碗豆?jié){，只說喝一碗。”老板說，“從今天起，喝多少碗，只收一碗錢，環(huán)衛(wèi)工人不收錢?！?/p>

表4 泡沫瀝青方差分析

由表4可知:用水量和瀝青溫度對(duì)基質(zhì)瀝青的膨脹率影響較為顯著,瀝青溫度和壓力對(duì)改性瀝青的影響較為顯著.這主要是由于二者的黏度不同導(dǎo)致的,改性瀝青的黏度較高,需要較高的溫度改善其流動(dòng)性,而基質(zhì)瀝青由于黏度較小,發(fā)泡過程中,用水量卻成為一個(gè)較為關(guān)鍵的控制點(diǎn).對(duì)于70#和90#瀝青半衰期的結(jié)果顯示，用水量和瀝青溫度影響較小,主要原因在于用水量選擇范圍過窄和試驗(yàn)溫度選擇較少所致.

2.2 瀝青溫度對(duì)發(fā)泡性能的影響

圖1為瀝青溫度對(duì)發(fā)泡性能的影響.

圖1 瀝青溫度對(duì)發(fā)泡性能的影響

由圖1可知:隨著瀝青溫度增加,70#和90#瀝青的膨脹率均值先增大后減小,半衰期整體呈下降趨勢(shì).這是因?yàn)闇囟鹊脑黾邮沟脼r青黏度逐漸降低,當(dāng)水與瀝青接觸時(shí),會(huì)促進(jìn)瀝青膨脹,一旦瀝青溫度超過某一值后,膨脹率反而減小,這一方面是瀝青老化作用的結(jié)果,另一方面是過熱瀝青在一定壓力下向測(cè)試桶噴射過程中,溫度損失過快,使得剛形成的瀝青泡沫迅速破滅,導(dǎo)致膨脹率下降;在瀝青溫度增長(zhǎng)的同時(shí),水泡外部的瀝青薄膜及泡沫與泡沫之間的黏結(jié)作用降低,從而導(dǎo)致半衰期呈下降趨勢(shì).其中,在90#瀝青的半衰期試驗(yàn)中,溫度過高使得其指標(biāo)反而變大,造成該異?，F(xiàn)象的主因是在160 ℃溫度下測(cè)試的膨脹率均值較小(即3.2倍),測(cè)試有難度,使得肉眼難以判斷導(dǎo)致的.

與基質(zhì)瀝青(70#和90#)不同,SBS改性瀝青的膨脹率隨著溫度增加而逐漸增大.究其原因,認(rèn)為這是由于改性瀝青的黏度遠(yuǎn)大于基質(zhì)瀝青,選擇的試驗(yàn)溫度較低導(dǎo)致的.因此,SBS瀝青發(fā)泡試驗(yàn)的異常結(jié)果不影響以下結(jié)論的得出:合適的瀝青溫度和改善瀝青的流動(dòng)性,有利于提高泡沫瀝青的膨脹率.

2.3 用水量對(duì)發(fā)泡性能的影響

圖2為用水量對(duì)3種瀝青發(fā)泡性能的影響.

圖2 用水量對(duì)發(fā)泡性能的影響

由圖2可知:3種瀝青膨脹率均隨著發(fā)泡用水量的增加而變大,當(dāng)用水量繼續(xù)增大時(shí),其增長(zhǎng)速率放緩,甚至出現(xiàn)降低,這主要是由于單位體積的瀝青與水的接觸面積增大,形成泡沫更多,膨脹率變大;但后期增長(zhǎng)速率放緩,尤其是SBS膨脹率出現(xiàn)減小趨勢(shì),可能是過多的用水量在與瀝青發(fā)生熱交換中,未完全接觸,使得噴射中水分自動(dòng)“流淌”,破壞原本膨脹的瀝青泡沫,抑制其發(fā)展;半衰期則與之相反,隨用水量增加而減小,這主要是由于泡沫瀝青形成的數(shù)量隨著用水量的增加而增多,使泡沫瀝青自身黏度及其泡沫之間的黏度減小,在泡沫瀝青自重作用下,形成的泡沫衰減更快,半衰期更小.

至于SBS改性瀝青半衰期在后期有小幅度增加的現(xiàn)象,結(jié)合基質(zhì)瀝青發(fā)泡性能的變化規(guī)律，以及在實(shí)際操作過程中的觀察,可以判定4%用水量時(shí)測(cè)得的半衰期是一個(gè)異常值,造成的原因有很多,如計(jì)時(shí)誤差、人為因素等.因此,不宜單純?yōu)榱嗽龃笈蛎浡识岣哂盟?過多的用水量反而會(huì)抑制瀝青泡沫的生長(zhǎng),尤其是改性瀝青.

2.4 壓力對(duì)發(fā)泡性能的影響

圖3為壓力對(duì)發(fā)泡性能的影響.其中,氣壓比水壓小0.1 MPa,為簡(jiǎn)潔起見,壓力僅用氣壓表示.

圖3 壓力對(duì)發(fā)泡性能的影響

由圖3可知:壓力的增大,使70#和90#瀝青膨脹率減小,半衰期提升，這是由于泡沫瀝青在較大壓力噴出時(shí)產(chǎn)生濺射現(xiàn)象,使瀝青泡沫破滅,導(dǎo)致基質(zhì)瀝青膨脹率減小,同時(shí)瀝青和水分通過微小噴嘴噴出,霧化現(xiàn)象改善了泡沫瀝青的均勻性,提高了半衰期.

改性瀝青變化規(guī)律與之相反,即膨脹率增大,半衰期減小.造成這種現(xiàn)象的原因可能是改性瀝青的黏度遠(yuǎn)大于基質(zhì)瀝青,需在較大壓力下才能更好地促進(jìn)泡沫瀝青的膨脹,但因改性瀝青的密度較大,在自重和壓力的雙重作用下,加速改性瀝青泡沫的破滅,從而使半衰期下降.由此可見:壓力對(duì)基質(zhì)瀝青與改性瀝青發(fā)泡性能的影響規(guī)律剛好相反,究其原因就是黏度和密度的不同導(dǎo)致的.

2.5 瀝青種類對(duì)發(fā)泡性能的影響

瀝青的種類是影響發(fā)泡性能的重要因素之一.將表3中每種瀝青對(duì)應(yīng)的9組試驗(yàn)結(jié)果分別取平均值,作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),以此研究瀝青種類對(duì)發(fā)泡性能的影響.圖4為瀝青種類對(duì)發(fā)泡性能的影響.

圖4 瀝青種類對(duì)發(fā)泡性能的影響

由圖4可知,基質(zhì)瀝青的膨脹率和半衰期指標(biāo)均比改性瀝青大,相較于SBS改性瀝青,70#和90#的膨脹率分別提升了36.5%和28.6%,均值約32.6%,半衰期分別提高35.2%和61.1%,均值約48.2%.這是因?yàn)楦男詾r青的黏度和密度相對(duì)較大,需要更高的溫度使瀝青達(dá)到相應(yīng)的流動(dòng)性,且合適的壓力促使高溫瀝青與水分充分接觸;在瀝青泡沫衰減的過程中,由于改性瀝青溫度較高,熱量損失較快,而且密度比基質(zhì)瀝青大,自重作用加速了瀝青泡沫的破滅,最終導(dǎo)致膨脹率和半衰期均較小.因此,基質(zhì)瀝青和改性瀝青的發(fā)泡性能需分別對(duì)待,并建議采用遼寧盤錦牌瀝青時(shí),在改性瀝青的基礎(chǔ)上,將基質(zhì)瀝青的膨脹率增加25%,半衰期延長(zhǎng)30%.

3 基于發(fā)泡試驗(yàn)的制備參數(shù)建議值

綜上,參考泡沫瀝青相關(guān)規(guī)范,同時(shí)考慮到不同種類瀝青各因素對(duì)發(fā)泡性能的影響,提出了基于遼寧盤錦牌泡沫瀝青制備參數(shù)建議范圍.70#,90#和SBS制備泡沫瀝青相關(guān)參數(shù)建議值見表5.

表5 基于遼寧盤錦牌泡沫瀝青制備參數(shù)建議值

4 結(jié) 論

1) 由泡沫瀝青正交試驗(yàn)的方差分析可知:用水量和瀝青溫度對(duì)基質(zhì)瀝青的影響較為顯著,而影響改性瀝青發(fā)泡性能較為顯著的是瀝青溫度和壓力.

2) 合適的瀝青溫度可改善瀝青的流動(dòng)性,有利于提高泡沫瀝青的膨脹率;不宜單純?yōu)榱嗽龃笈蛎浡识岣哂盟?過多的用水量反而會(huì)抑制瀝青泡沫的生長(zhǎng),尤其是改性瀝青;壓力對(duì)基質(zhì)瀝青與改性瀝青發(fā)泡性能的影響規(guī)律剛好相反,究其原因就是黏度和密度的不同導(dǎo)致的.

3) 基質(zhì)瀝青和改性瀝青的發(fā)泡性能需要分別對(duì)待,針對(duì)遼寧盤錦牌瀝青,提出基于發(fā)泡試驗(yàn)的泡沫瀝青制備參數(shù)建議范圍，即在改性瀝青的基礎(chǔ)上,將基質(zhì)瀝青膨脹率增加25%,半衰期延長(zhǎng)30%.

參考文獻(xiàn)(References)

[ 1 ] 徐世法, 李美玲,張麗賓,等. 基于泡沫瀝青的溫拌瀝青混合料技術(shù)[J]. 筑路機(jī)械與施工機(jī)械, 2009, 26(1): 14-17.

XU S F, LI M L, ZHANG L B, et al. Warm asphalt mixture technology based on foamed asphalt[J]. Road Machinery & Construction Mechanization, 2009, 26(1):14-17. (in Chinese).

[ 2 ] 拾方治,馬衛(wèi)民. 瀝青路面再生技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京:人民交通出版社, 2006.

[ 3 ] 喬衛(wèi)華. 泡沫瀝青發(fā)泡機(jī)理及其混合料性能的研究[D]. 重慶:重慶交通大學(xué), 2008.

[ 4 ] 何亮,王真,馬育,等.發(fā)泡劑對(duì)瀝青發(fā)泡和混合料水穩(wěn)定性的影響[J]. 建筑材料學(xué)報(bào),2010,13(2):198-202.

HE L, WANG Z, MA Y, et al. Effect of foaming agent on asphalt foaming and water stability of mixture [J]. Jouranl of Building Materials, 2010, 13(2):198-202. (in Chinese).

[ 5 ] 李峰,曾蔚,徐劍.瀝青發(fā)泡特性的優(yōu)化[J]. 建筑材料學(xué)報(bào), 2015, 18(1):162-167.

LI F, ZENG W, XU J. Optimization of asphalt foaming characteristics[J]. Journal of Building Materials, 2015, 18(1):162-167. (in Chinese).

[ 6 ] 馬士賓, 陳奕, 張彩利,等. 基于顯微成像技術(shù)的溫拌泡沫瀝青水分消散規(guī)律研究[J]. 中外公路, 2015, 35(1):237-243.

MA S B, CHEN Y, ZHANG C L, et al. Study on moisture dissipation rule of warm mix foamed asphalt based on microscopic imaging technology[J]. Journal of China & Foreign Highway, 2015, 35(1):237-243. (in Chinese).

[ 7 ] 何軍, 鄭炳鋒, 陳寧,等. 基于灰色關(guān)聯(lián)分析法的泡沫瀝青發(fā)泡效果敏感性分析[J]. 現(xiàn)代交通技術(shù),2017, 14(1):1-3.

HE J, ZHENG B F, CHEN N, et al. Sensitivity analysis of foamed asphalt foaming effect based on grey relational analysis method[J]. Modern Transportation Technology, 2017, 14(1):1-3. (in Chinese).

[ 8 ] 李峰,黃頌昌,徐劍. 泡沫瀝青衰變方程與發(fā)泡特性評(píng)價(jià)[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011, 39(7):1031-1039.

LI F, HUANG S C, XU J. Foamed bitumen decay equation and bitumen foaming characteristics evaluation[J]. Journal of Tongji University(Natural Science Edition), 2011,39(7):1031-1039. (in Chinese).

[ 9 ] 王啟超. 瀝青發(fā)泡工藝參數(shù)試驗(yàn)與仿真研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2012.

[10] 何為, 薛衛(wèi)東, 唐斌. 優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法及數(shù)據(jù)分析[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2012.