吳艷朋， 劉聶玚子， 姜睿， 周楹宇， 邊慶華

(1.中鐵七局集團(tuán) 第三工程有限公司， 陜西 西安 710016；2.長安大學(xué) 運(yùn)輸工程學(xué)院， 陜西 西安 710064；3.長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710064；4.公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)材料及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心(甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)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(chǔ)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(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。目前溫拌瀝青技術(shù)主要有乳化瀝青溫拌技術(shù)、有機(jī)添加劑溫拌技術(shù)、Aspha-Min(瀝青-礦物)溫拌技術(shù)和泡沫瀝青溫拌技術(shù)。乳化瀝青溫拌技術(shù)存在過多的水，對(duì)攪拌設(shè)備有影響；有機(jī)添加劑溫拌技術(shù)和Aspha-Min溫拌技術(shù)價(jià)格較貴，難以推廣應(yīng)用；泡沫瀝青溫拌技術(shù)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(hù)環(huán)境。目前，對(duì)泡沫瀝青溫拌技術(shù)的研究主要集中在泡沫瀝青混合料路用性能和應(yīng)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(jī)理和影響因素的基礎(chǔ)上，進(jìn)行基質(zhì)瀝青和改性瀝青多參數(shù)發(fā)泡試驗(yàn)，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(shù)的推廣應(yīng)用提供參考。

1 瀝青發(fā)泡機(jī)理與影響因素

1.1 瀝青發(fā)泡機(jī)理

高溫瀝青(140 ℃以上)與常溫水接觸時(shí)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(jìn)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(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，并維持一定時(shí)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?yàn)r青溫度較低，瀝青容易冷凝，當(dāng)水蒸氣低于液化溫度時(shí)，氣泡中的蒸氣冷凝導(dǎo)致氣泡破滅。由于用水量少、瀝青膜較厚，少量發(fā)泡水會(huì)存留在瀝青中形成水飽和瀝青。若發(fā)泡用水量較大或?yàn)r青溫度較高，泡沫具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)氣室，在多個(gè)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(dòng)。當(dāng)液膜達(dá)到臨界厚度(5～10 nm)時(shí)，氣泡破滅。

1.2 影響瀝青發(fā)泡的因素

瀝青發(fā)泡可暫時(shí)改變其物理性質(zhì)，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(zhì)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(shí)，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(shí)間越短。3) 壓力。包括瀝青壓力、水壓和氣壓，通常壓力越低，對(duì)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(huì)影響瀝青的發(fā)泡特性。

對(duì)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(shù)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(shí)現(xiàn)混合料溫拌。評(píng)定泡沫質(zhì)量的主要指標(biāo)是膨脹比和半衰期，發(fā)泡效果除與瀝青自身特性有關(guān)外，還與發(fā)泡用水量和發(fā)泡溫度相關(guān)?？赏ㄟ^發(fā)泡試驗(yàn)確定最佳發(fā)泡溫度與最佳發(fā)泡用水量。

2.1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

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

以膨脹率和半衰期評(píng)價(jià)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(jìn)行試驗(yàn)，基質(zhì)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(yàn)材料

基質(zhì)瀝青采用重交石油瀝青，其技術(shù)指標(biāo)見表1。成品改性瀝青為SBS改性瀝青，SBS摻量4%，技術(shù)指標(biāo)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(shù)指標(biāo)

表2 SBS改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)

2.3 發(fā)泡特性試驗(yàn)

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

表3 重交瀝青發(fā)泡試驗(yàn)結(jié)果

表4 SBS改性瀝青發(fā)泡試驗(yàn)結(jié)果

圖1 重交瀝青發(fā)泡試驗(yàn)曲線

圖2 SBS改性瀝青發(fā)泡試驗(yàn)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(píng)價(jià)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(shí)所用時(shí)間。半衰期長短表明允許施工作業(yè)的時(shí)間長短，半衰期越長，泡沫越不易衰減，允許拌合作業(yè)的時(shí)間越長。膨脹率大小對(duì)拌合質(zhì)量有影響，不宜過小，以免在溫度較低時(shí)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(shí)間。對(duì)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(yàn)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(duì)應(yīng)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(guān)系(見圖3～4)。

圖3 重交泡沫瀝青膨脹率與半衰期的關(guān)系

由圖3可知：膨脹率5倍對(duì)應(yīng)的發(fā)泡用水量為1.2%，半衰期10 s對(duì)應(yīng)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(gè)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(duì)應(yīng)的發(fā)泡用水量為1.4%，半衰期20 s對(duì)應(yīng)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(gè)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(guān)系

4 結(jié)論

(1) 瀝青發(fā)泡特性的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)是膨脹率和半衰期。膨脹率主要影響拌合質(zhì)量，不宜過小，以免在溫度較低時(shí)影響拌合效果；半衰期主要影響允許施工作業(yè)時(shí)間，半衰期越短，泡沫越易衰減，對(duì)施工越不利。

(2) 發(fā)泡效果除與瀝青自身特性有關(guān)外，還與發(fā)泡用水量和發(fā)泡溫度有密切關(guān)系，可通過發(fā)泡試驗(yàn)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(yàn)得到膨脹率和半衰期回歸曲線，其最上方曲線對(duì)應(yīng)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(guān)系曲線中，只有半衰期對(duì)應(yīng)的發(fā)泡用水量在膨脹率對(duì)應(yīng)的發(fā)泡用水量的右側(cè)時(shí)，瀝青才能滿足溫拌泡沫特性的要求。在該條件下，半衰期對(duì)應(yīng)的發(fā)泡用水量和膨脹率對(duì)應(yīng)的發(fā)泡用水量之和的均值即為最佳發(fā)泡用水量。