基于非接触式方法的沥青发泡评价指标研究

黄维蓉，任海生

(1. 重庆交通大学 材料科学与工程学院，重庆400074； 2. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

0 引 言

沥青发泡技术最早在德国出现，历经多年发展，目前在泡沫沥青冷再生技术和泡沫沥青温拌技术中得到了较为广泛应用[1-4]。泡沫沥青温拌技术作为一种新型沥青混合料生产技术，因不会产生化学反应、能降低生产能耗和生产成本、可减少废气和粉尘排放、能延长施工工期、不会造成沥青混合料性能降低等优点，如今越来越受到国内外公路界的推崇[5-7]。2010年美国机械发泡技术己占到其整个温拌技术的90%以上；我国对温拌技术的研究起步较晚，相关学者在泡沫沥青冷再生技术上取得不少成果，但在泡沫温拌沥青技术上还有待于进一步研究[8-10]。

沥青发泡的核心技术即是如何评价沥青发泡效果，并以此寻求最佳的沥青发泡条件。目前还有一个问题亟待解决，即国内外主流的沥青发泡两大评价指标是膨胀率和半衰期。膨胀率(expansion ratio)是指沥青发泡膨胀达到最大体积与沥青原体积之比，该指标反映了泡沫沥青黏度大小；半衰期(half-life)是指泡沫沥青从膨胀至最大体积后到泡沫衰减至最大体积一半的时间，该指标反映了泡沫沥青的稳定性，但国际上并没有统一评价标准和相应规范[11-13]。栗关裔[14]指出两大评价指标主要用在冷再生技术上，因此直接套用于泡沫温拌沥青技术必然存在不足。且实际应用中两大指标本身也存在一系列问题，例如现有沥青发泡评价试验误差太大，测试膨胀率时是目测测试桶中泡沫达到最大体积，测试半衰期也是利用秒表读取时间，受人为主观因素影响较大[15-18]。此外这两大评价指标本身用于评价沥青发泡效果就存在理论缺陷，不能具体量化表达发泡效果好坏，没有具体的一个值说明沥青发泡效果，而是通过寻找两者交点确定最佳用水量和发泡温度[19-21]。

因此，针对泡沫温拌沥青发泡要求，笔者采用非接触式试验方法和泡沫直径、尺寸分布和消泡速率这3个指标来评价沥青发泡效果。即利用激光测距仪测定沥青发泡体积变化；根据测量数据并考虑沥青黏度条件下，计算出反映整个发泡过程中泡沫尺寸大小的泡沫直径指标[22]；利用相机记录整个沥青发泡过程；采用图像软件计算泡沫照片中泡沫尺寸分布；以及对泡沫高度变化进行曲线拟合得出消泡速率；以此找到泡沫沥青表面膜拉伸能力大，降黏效果好的最佳稳定状态[23-24]。最终，综合3个指标评价得出沥青温拌中最佳的发泡条件。

1 沥青发泡效果评价试验

1.1 试验仪器

试验主要仪器有：沥青发泡试验采用WLB10型发泡机；固定于三脚架上的深达威牌高精度S50红外线测距仪可记录及保存试验数据，并能导入计算机中，便于数据处理。试验时，将三脚架放于发泡机旁(测距仪距离地面1 m处)，发泡桶放置在三脚架下，当泡沫沥青喷入到发泡桶中，高精度红外测距仪就可直接对沥青泡沫膨胀体积进行测量。此外，在三脚架上装置数码相机，以便分析沥青发泡过程中泡沫表面的泡沫变化。

1.2 试验方案及步骤

试验采用70#道路石油沥青，根据乔卫华[25]在其研究中指出的最佳发泡条件，本次试验只考虑用水量和沥青发泡温度。试验用水量初定为2%，用水温度为20 ℃，不添加发泡剂，70 #道路石油沥青温度分别取130、140、150、160 ℃。为减小误差，每组温度条件下做3次试验，结果取平均值。根据试验数据，分析70 #道路石油沥青最佳发泡温度；然后在最佳发泡温度下分别取1%、2%、3%、4%的用水量，每组相同用水量条件下重复3次试验，结果取平均值。根据试验数据，分析70#道路石油沥青最佳发泡用水量，由于发泡过程时间很短，笔者研究时将沥青发泡后达到最大体积时的时间点设定为起始点，之后对试验数据进行数学计算和图像分析，可分别计算出3个指标。

1.2.1 数学计算

Ht=He+he-ht

(1)

式中：Ht为泡沫温拌沥青高度；He为泡沫温拌沥青体积不再变化后以直尺测量得到的桶内沥青高度；he为测距仪测得的最终高度；ht为测距仪测得的高度。

由斯托克斯定律可知：在液体中泡沫直径越大，其上升速度越快。将泡沫沥青高度Ht代入式(2)，得到泡沫体积变化平均速率；代入式(3)中得到泡沫平均直径[27]。

(2)

(3)

式中：D为泡沫平均直径；V为沥青泡沫上升速度；Vt为沥青泡沫高度变化平均速率；g为重力加速度(9.81 m/s2)；μ为动态黏度〔Pa·s=kg·(m·s)-1〕；ρb、ρf分别为沥青及沥青泡沫密度(kg/m3)，由于沥青泡沫密度远远小于沥青密度，故ρf=0；由于整个发泡过程小于4 min，忽略沥青黏度变化。

1.2.2 图像分析

由于初始阶段沥青发泡不稳，截取30、60、90 s这3个时间点的图片。将截取的泡沫沥青照片导入Image-Pro Plus 6.0软件中，统计出所有泡沫直径；并将数据导入Excel表格中，按照直径进行排序，然后统计各尺寸范围内的泡沫数目。

1.2.3 数值分析

根据测距仪测得的泡沫高度变化，建立体积(膨胀比)和时间的变化曲线；并分析不同用水量对泡沫消散影响。根据M.E.KUTAY[28]等通过拟合曲线得到的ER随时间变化关系式ER(t)=1+ce-kt，故文中拟合公式为：ER(t)=-klnt+ER。进一步可得到消泡速率k值，k值越大，消泡速度越快。

2 试验结果

2.1 泡沫直径分析

2.1.1 不同温度条件下泡沫直径

根据测得的高度变化，利用式(1)～(3)可换算出泡沫直径，并建立70#道路石油沥青泡沫直径随时间变化曲线，如图1。

图1 不同沥青温度下泡沫直径Fig. 1 Foam diameter at different asphalt temperatures

由图1可看出70 #沥青泡沫直径变化规律和泡沫直径的最值，150 ℃时70 #石油沥青整体泡沫直径变化相对于其他温度较为稳定。因此笔者设定其温度为150 ℃。

2.1.2 不同用水量条件下泡沫直径

根据最佳发泡温度值，在其他条件不变情况下，用水量分别取1%、2%、3%、4%，可得出沥青泡沫直径随时间变化曲线，如图2。

图2 不同用水量下泡沫直径Fig. 2 Foam diameter with different water consumption

由图2可得：无论何种用水量或沥青温度，在其发泡前30 s时间段内，沥青发泡比较强烈，泡沫尺寸变化较大；而30 s后的时间段，其泡沫直径变化缓和很多。不同温度下，最大泡沫直径相差约1 mm；不同用水量下，最大直径相差约3 mm。故用水量对沥青泡沫直径影响较沥青温度大。120 s时沥青泡沫直径仍在2 mm以上，这说明120 s时沥青中还存在着泡沫，而采用膨胀率指标无法反映120 s时的泡沫状态。

2.2 泡沫尺寸分布分析

在泡沫分布试验中，笔者只分析不同用水量下泡沫尺寸分布。试验用水量分别取1%、2%、3%、4%，沥青发泡温度为150 ℃。根据统计数据，绘制尺寸范围从0开始，每2.0 mm为1个范围区，对比两种沥青不同发泡条件下泡沫尺寸分布的差异，如图3。

图3 不同用水量下泡沫尺寸分布Fig. 3 Foam size distribution with different water consumption

从图3可看出：发泡后时间越长，泡沫直径在6 mm以下范围内比例越高，泡沫尺寸分布越集中，在90 s时泡沫尺寸分布最集中，而30 s时泡沫尺寸分布最不集中。泡沫尺寸分布变化符合发泡及消泡机理，当发泡时间越长，泡沫上升至表面破裂越多，泡沫经过破裂后重新形成泡沫更加稳定，印证了时间越长泡沫尺寸更加集中的机理。

2.3 泡沫消泡速率分析

同研究泡沫尺寸分布一样，笔者在泡沫消泡速率分析中也着重考虑用水量影响，用水量分别取1%、2%、3%、4%。当沥青发泡后体积不再变化时的高度以1代表，每次发泡过程中膨胀比ER(t)等于该时刻泡沫体积高度与不再变化泡沫体积高度之比，建立膨胀比曲线，得到不同用水量下的k值，如图4。

图4 不同用水量下消泡速率Fig. 4 Defoaming rate with different water consumption

由图4可得出：随着用水量增大，k值也随之增加，其消泡速率越快，这也与半衰期指标随用水量增加而减小的结论一致。

3 结 论

1)非接触式试验方法与3个指标结合可准确表征沥青泡沫膨胀和衰减过程，能更加准确了解沥青发泡过程及特性；

2)相对于膨胀率和半衰期指标，这3个指标对试验数据处理更加合理。通过泡沫直径可确定最佳发泡温度为150 ℃，且泡沫直径受用水量影响比沥青温度大，也印证了用水量比温度对沥青发泡效果影响大；

3)90 s时的泡沫尺寸分布最为集中，也符合发泡机理，其泡沫更为稳定。消泡速率k值变化规律印证了随用水量增加导致半衰期减小的结论；消泡速率到泡沫完全稳定状态时，可用于评价泡沫消散的整个过程；两个指标结合说明发泡不仅在拌合阶段，而且在运输、摊铺碾压阶段还可提高沥青混合料的和易性，这与实际情况相吻合；

4)可根据实际需求，利用泡沫直径、泡沫尺寸分布、消泡速率这3个指标准确掌握泡沫温拌沥青需要的最佳拌合时间点、发泡温度以及用水量等条件，便于施工。