温拌沥青发泡装置的性能试验及改进措施

胡 林，顾 洪，宋朝波

（中交西安筑路机械有限公司，陕西 西安 710200）

近年来，我国道路建设取得了显著成效，但在道路施工和养护过程中，不仅消耗了过多的能源、排放了大量的有害气体，还产生了大量的废沥青混合料，影响了公路建设的可持续发展[1]。

泡沫沥青温拌技术被认为是节能、减排和提升经济效益的关键技术。该技术可实现沥青在相对较低的温度下对物料进行良好的裹覆，并且沥青混合料的性能不受影响。由于该技术实现过程只需加入少量的水，不需要添加其他材料，因此该技术的应用成本较低。同时该技术还可以节省燃料，减少有害气体排放。

泡沫沥青发泡装置是生产泡沫沥青的机械装备。该装置的核心部件是沥青发泡腔，其结构直接影响沥青发泡的性能参数[2，3]。本文针对不同结构发泡腔进行试验研究，提出沥青发泡腔结构的改进措施，为该技术应用及设备制造提供参考。

1 泡沫沥青的机理及性能评价指标

1.1 泡沫沥青的形成及破灭机理

沥青发泡过程是水和沥青的混合，是1个复杂的物理过程，是常温水和高温沥青在高温高压作用下混合后形成的1种表现状态[4]。沥青发泡过程可描述为以下3个步骤：

（1）因为发泡用水为常温水，沥青的发泡温度在100℃以上，所以水与高温沥青混合时会产生能量传递，水吸收热量后变成水蒸气，水蒸气体积迅速膨胀，此时沥青的温度降低[5]。图1为沥青发泡过程图。

图1 沥青发泡过程图

（2）汽化后的水蒸气被液态沥青裹覆，需要克服沥青膜的表面张力以及沥青分子团之间的黏聚力。水蒸气这一克服张力过程使沥青体积迅速增大，形成沥青泡沫[5]，如图2所示。

（3）泡沫沥青对比原来沥青体积膨胀了数倍甚至数十倍。随着泡沫沥青体积的膨胀，内能得到释放后的水蒸气温度逐渐降低，使沥青泡沫的内压力逐渐减小，沥青内压力与表面张力达到了短暂的平衡[5]。

（4）泡沫沥青的稳定性较低，表现为泡沫沥青体积不断增大，体积达到最大后迅速衰减，并且在几十秒内泡沫沥青恢复至原来的体积[6]。

1.2 泡沫沥青的性能评价指标

通过对JTG F5521-2019《公路沥青路面再生技术规范》中第5章节5.3.1条规定的解读（第5章节5.3.1条规定冷再生用泡沫沥青性能：膨胀率（倍）大于10，半衰期（s）大于8），泡沫沥青的性能评价有2个指标：沥青膨胀率和半衰期。

强制间歇式沥青搅拌设备的整个拌和周期一般为45s左右，其中加入沥青后的有效拌和时间一般为25s左右。为了泡沫沥青体积衰减之前完成整个拌和过程，沥青发泡装置生产的泡沫沥青应保证半衰期为10s左右[7]。

1.3 泡沫沥青发泡影响因素

在实际的工程应用中，影响发泡效果的准备因素是沥青发泡装置，该装置的核心部件为沥青发泡腔，因此在其它条件不变的情况下，沥青发泡腔结构直接影响着沥青发泡的膨胀率和半衰期2个性能指标[8]。

2 泡沫沥青发泡试验

研究表明：发泡腔（泡沫沥青反应室）的结构直接影响沥青发泡效果[9]。本文试验采用圆形和椭圆形2种结构的发泡腔，2种发泡腔的沥青入口尺寸、泡沫沥青喷口尺寸、水喷射入口尺寸以及发泡腔内体积均相同。试验过程保证沥青的流量和水的压力均相同，根据沥青特性调节不同的沥青温度。在改变发泡用水量的条件下，试验材料选用70#、90#和SBS改性沥青，分别对沥青进行发泡并测量泡沫沥青的膨胀率和半衰期[10]，并将试验数据填入表1-表6。2种不同结构发泡腔的建模如图3和图4所示。

图2 水和沥青混合的状态图

图3 椭圆形结构发泡腔

图4 圆柱形结构发泡腔

表1 70#沥青发泡试验数据表（圆柱形发泡腔）

表2 70#沥青发泡试验数据表（椭圆形发泡腔）

表4 90#沥青发泡试验数据表（椭圆形发泡腔）

表5 SBS改性沥青发泡试验数据表（圆柱形发泡腔）

表6 SBS改性沥青发泡试验数据表（椭圆形发泡腔）

3 沥青发泡试验数据分析

图5为2种不同发泡腔70#沥青试验图，图6为2种不同发泡腔90#沥青试验图，图7为2种不同发泡腔改性沥青（SBS）试验图。

通过图5-图7可以看出，沥青在不同发泡用水量的条件下，发泡效果也有明显的差异。在发泡用水量为2%时，泡沫沥青的半衰期参数与强制间歇式沥青搅拌设备的工艺要求相匹配[3]。

在发泡用水量为2%的条件下，对比不同结构发泡腔的发泡效果，分别对70#、90#和SBS改性沥青的膨胀率和半衰期数据进行对比分析，并绘制成图8和图9。

通过图8和图9可以看出，不同结构的2种发泡腔在发泡效果上有着明显的不同。

通过图8和图9的数据统计分析可以得出，在其他条件相同的情况下，泡沫沥青膨胀率；椭圆形结构发泡腔大于圆柱形结构发泡腔；泡沫沥青半衰期与之对应的是：椭圆形结构发泡腔小于圆柱形结构发泡腔。

图5 2种不同发泡腔70#沥青试验

图6 2种不同发泡腔90#沥青试验

图7 2种不同发泡腔SBS改性沥青试验

图8 2种不同发泡腔沥青发泡半衰期对比图

图9 2种不同发泡腔沥青发泡膨胀率对比图

研究表明：沥青的粘度受泡沫沥青膨胀率和温度的影响较大，泡沫沥青半衰期则对其稳定性影响显著[11]。在生产温拌沥青混合料时，骨料温度与沥青温度接近（骨料温度范围：120℃～180℃，沥青温度范围：160℃～170℃）。在沥青和物料拌合时，热量传递不会导致沥青的温度下降较多，沥青的粘度也就不会有较大的变化。因此在温拌泡沫沥青技术中，泡沫沥青不需要产生较大的膨胀率，但温拌沥青混合料的拌和周期一般为45s（净搅拌时间25s），泡沫沥青需要与之相对应时间内的稳定性，性能参数表现为半衰期相对较长[12，13]。

在生产冷拌泡沫沥青混合料时，沥青和骨料温差较大，热量传递导致泡沫沥青温度下降较大，促使沥青粘度增加，泡沫沥青需要产生更大的膨胀率来降低沥青的粘度以保证正常拌和[14]。与此同时，冷拌沥青混合料拌和时间相对较短，对泡沫沥青半衰期的时间要求也相对较短[15]。

4 结束语

本文针对不同结构形式的发泡腔，结合不同类型沥青进行沥青发泡试验，并对试验数据进行分析对比，提出了沥青发泡腔的改进措施：将沥青发泡装置的发泡腔改成圆柱形结构，该结构产生的泡沫沥青半衰期相对较长，膨胀率相对较小，符合强制间歇式搅拌设备的生产工艺。