基质沥青发泡性能影响因素分析

陈 波 席贵东

(重庆市智翔铺道技术工程有限公司 国家山区公路工程技术研究中心特殊铺装技术研究所，重庆 400067)

1 概述

泡沫沥青是通过在热沥青中喷入水，利用温度差使水发生汽化反应导致沥青体积增大，在不增加沥青用量的情况下，有效地增大沥青同矿料的裹覆面。在蒸汽膨胀过程中，沥青膜产生的表面张力将抵抗蒸汽压力直到达到一种平衡状态，并且由于沥青与水的低导热性，这种平衡一般能够维持数秒的时间。经过大量试验研究，国内外普遍采用沥青膨胀率和泡沫半衰期表征发泡效率和稳定性。影响沥青发泡特性的主要因素包括沥青温度、用水量、喷射压力、消泡剂。一般认为，泡沫沥青的发泡效率随沥青温度升高而提高，但过高的温度会导致沥青在发泡过程中老化。此外，提高发泡用水量和水压能够增大沥青膨胀率，发泡用水过多对半衰期指标有不利影响。在选择发泡用水时，应尽量使用纯净水，以减少其他化学物质对发泡效果的影响。

本文使用韩国SK70号、SK90号以及中海70号基质沥青为研究对象，使用德国维特根公司生产的WLB10型沥青发泡试验机对沥青进行发泡，记录泡沫沥青的膨胀比和半衰期。研究沥青种类、发泡温度、用水量对发泡效率的影响规律，提出沥青最佳发泡条件。

2 原材料与试验方案

2.1 实验材料

以韩国SK70号、SK90号以及中海70号基质沥青为研究对象，进行发泡实验，三种基质沥青的技术指标如表1所示。

表1 沥青的技术指标

2.2 仪器

使用德国维特根公司生产的WLB10型沥青发泡试验机，如图1所示。使用随机附带的量尺测试泡沫沥青所达到的最大体积并记录下来作为膨胀比，使用秒表测试泡沫沥青从最大体积开始消散至最大体积的一半所经历的时间并记录下来作为泡沫沥青的半衰期。

2.3 试验方案

使用发泡机对沥青进行发泡试验，气压设置为0.5 MPa，水压力为0.6 MPa；开启加热系统对沥青进行加热，在发泡前对沥青进行保温，时间不少于5 min；标定每次发泡沥青喷射时间为5 s，喷射效率为100 g/s；标定发泡用水量，对沥青进行发泡作业，并记录沥青膨胀率(ER)和半衰期(HL)指标。发泡过程中设置发泡温度为150 ℃～180 ℃，间隔10 ℃；发泡用水量为沥青质量的1.5%～3.5%，间隔0.5%。

3 实验结果与分析

3.1 沥青类型对发泡效率的影响

在170 ℃下分别对SK70号、SK90号、ZH70号三种沥青进行发泡，用水量为1.5%，2.0%，2.5%，3.0%，3.5%，测试泡沫沥青的膨胀率和半衰期，研究沥青类型对发泡效率的影响，实验结果如图2所示。

由图2可知，随着用水量的上升，三种沥青的膨胀率均呈上升趋势，半衰期不断减小，表明增加用水量能够提高沥青的泡沫化程度，对于泡沫沥青的稳定性有不利影响。对比不同沥青的泡沫化程度可知，在相同用水量条件下沥青的膨胀率由大到小排序为ZH70号>SK70号>SK90号。沥青的半衰期变化规律较为复杂，ZH70号基质沥青具有较大的半衰期，SK70号沥青的半衰期在用水量从1.5%增大到2%时降幅较大，之后趋于稳定；在用水量为1.5%时，SK90号基质沥青的半衰期低于其他两种沥青，同时SK90号沥青半衰期随用水量增大的变化幅度较低，使用高标沥青对于发泡效率没有显著的提升效果。

3.2 沥青常规指标与发泡效率相关性分析

不同沥青的发泡效率具有差异，对发泡条件的敏感程度也不同。一般而言，沥青的物理化学特性与其发泡效率有直接关系。本文在170 ℃，2.5%发泡用水量下对沥青进行发泡实验，使用灰色关联方法计算SK70，SK90，ZH70三种沥青针入度、粘度、软化点与发泡效率的关联度，值越大，表明该项指标与发泡效率的相关性越显著。沥青性能指标与发泡效率的相关性计算结果如表2所示。

表2 沥青发泡效率灰色关联度分析

由表2可知，三种沥青的性能指标与发泡效率相关性由高到低为动力粘度>软化点>针入度，表明粘度是影响沥青发泡效果的主要因素，针入度、软化点对沥青的发泡效率影响较低，在选择泡沫沥青的原材料时，要重点考察沥青的粘度指标。对比泡沫沥青膨胀率与半衰期相对沥青常规性能的关联参数可知，沥青的膨胀率与沥青性能的关联性更加显著，三种沥青在这一方面具有一致性。

3.3 沥青发泡条件研究

根据上节研究，沥青类型和用水量对发泡效率均有较大程度的影响，因此，研究不同沥青的合理发泡条件对泡沫沥青的运用有重要意义。本节调整沥青的发泡用水量和发泡温度，测试膨胀率和半衰期如图3，图4所示。

由图3，图4可知，三种沥青的泡沫化指标变化规律具有一致性，在同一温度下，随着加水量的增加，膨胀比逐渐增大，而半衰期则逐渐减小。膨胀率对发泡温度的改变较为敏感，半衰期随温度增大无明显变化，以2.5%发泡用水量为例，当温度从150 ℃增加到160 ℃，三种沥青的膨胀率增大了13%，10.5%，23.5%，半衰期变化了-2.5%，6.8%，-2.6%，膨胀率随温度升高具有明显的增长规律，半衰期随温度升高无明显变化规律。发泡用水量对不同沥青的影响程度有显著差异，采用线性回归方程拟合沥青170 ℃条件下膨胀率和半衰期随用水量的变化曲线如表3所示，线性回归模型的一般公式如式(1)所示：

表3 沥青泡效率回归分析

y=ax+b

(1)

其中，y为沥青的泡沫化指标(膨胀率或半衰期)；x为用水量；a，b均为拟合常数。

根据回归方程，a表征沥青泡沫化指标对用水量变化的敏感性，b表征沥青初始泡沫化程度。对比沥青膨胀率的回归方程拟合参数可知，ZH70号沥青的膨胀率对用水量的变化较为敏感，但膨胀率初值较小；SK沥青的膨胀率曲线斜率较小，表明提高用水量对于沥青的发泡效果影响较低。沥青的半衰期随用水量增大而降低，其中SK沥青半衰期回归方程斜率大于ZH沥青，SK沥青的半衰期变化较为稳定。

上述研究表明，在相同发泡条件下，不同沥青的发泡效率存在显著差异，因此本文根据三种沥青的试验结果确定其合理发泡条件。已有的研究证明，若膨胀比小于5、半衰期小于5 s，则沥青的发泡性能非常差，不能与集料进行较好的混合。目前国内外对于泡沫沥青的发泡性能还没有统一的要求，Ruckel等人建议膨胀比在8～15，半衰期大于20 s时泡沫沥青性能较好。德国维特根公司的泡沫沥青冷再生试验表明：为获得高质量的泡沫沥青混合料，膨胀比应大于15，半衰期在5 s～10 s内。我国JTG/T 5521—2019公路沥青路面再生技术规范规定泡沫沥青的膨胀率应大于10倍，半衰期大于8 s。根据我国《规范》对泡沫沥青的性能要求，综合考虑膨胀比、半衰期两个指标后，确定三种沥青的发泡条件，测试沥青的泡沫化指标如表4所示。由表4可以看出，不同的沥青，其发泡特性差异较大，建议试验温度取160 ℃～170 ℃，发泡加水量取2.0%～2.5%，推荐膨胀比大于15倍，半衰期大于8 s。

表4 三种沥青合理发泡条件

4 结语

1)沥青的类型对发泡效率有显著影响，在相同条件下，ZH70号沥青的膨胀率和半衰期均大于SK70号沥青和SK90号沥青。沥青的动力粘度与发泡效率具有显著的相关性，针入度、软化点对沥青泡沫化程度的影响程度较低。

2)不同沥青的泡沫化指标随发泡条件的变化规律具有一致性，适当提高用水量有利于增大沥青的发泡效率，发泡温度对膨胀比和半衰期指标无明显影响规律。沥青的膨胀率对发泡用水量变化的敏感性较高。

3)三种沥青的最佳发泡条件具有显著差异，建议基质沥青的发泡温度范围为160 ℃～170 ℃，发泡用水量为2.0%～2.5%，推荐膨胀比大于15倍，半衰期大于8 s。