泡沫温拌沥青发泡参数确定方法研究

吴艳朋， 刘聂玚子， 姜睿， 周楹宇， 边庆华

(1.中铁七局集团 第三工程有限公司， 陕西 西安 710016；2.长安大学 运输工程学院， 陕西 西安 710064；3.长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室， 陕西 西安 710064；4.公路建设与养护技术材料及装备交通运输行业研发中心(甘肃路桥建设集团有限公司)， 甘肃 兰州 730030)

温拌沥青混合料能在保证路面路用性能的基础上大大降低施工温度，具有能源消耗少、污染小和沥青不易老化等优点，应用前景广阔。目前温拌沥青技术主要有乳化沥青温拌技术、有机添加剂温拌技术、Aspha-Min(沥青-矿物)温拌技术和泡沫沥青温拌技术。乳化沥青温拌技术存在过多的水，对搅拌设备有影响；有机添加剂温拌技术和Aspha-Min温拌技术价格较贵，难以推广应用；泡沫沥青温拌技术不需任何添加剂，只需加入少量水(1.5%～3.0%)便可使沥青发泡，施工温度降低，并可降低生产成本和保护环境。目前，对泡沫沥青温拌技术的研究主要集中在泡沫沥青混合料路用性能和应用方面，较少涉及混合料制备过程中最佳发泡参数确定。为得到泡沫沥青最佳发泡条件，获得理想的发泡效果，该文在分析沥青发泡机理和影响因素的基础上，进行基质沥青和改性沥青多参数发泡试验，研究泡沫温拌沥青发泡参数确定方法，为泡沫沥青温拌技术的推广应用提供参考。

1 沥青发泡机理与影响因素

1.1 沥青发泡机理

高温沥青(140 ℃以上)与常温水接触时发生热能交换，沥青降温将水加热到100 ℃，水汽化并膨胀，水蒸气在一定压力下进入沥青连续相中，使沥青形成薄膜并依靠表面张力将水蒸气裹覆成为气泡。在蒸气膨胀过程中，沥青膜的张力与蒸气压力处于动态平衡状态，并维持一定时间。气泡以一种压稳状态存续，一旦平衡被打破气泡则随之破灭。

若发泡用水量较小或沥青温度较低，沥青容易冷凝，当水蒸气低于液化温度时，气泡中的蒸气冷凝导致气泡破灭。由于用水量少、沥青膜较厚，少量发泡水会存留在沥青中形成水饱和沥青。若发泡用水量较大或沥青温度较高，泡沫具有蜂窝状结构气室，在多个气泡汇聚之处液膜被过度弯曲并凹向气室一方，形成普来特边界。根据拉普拉斯方程，气相与液相之间产生的压力差随液体表面张力增加而增大，随气泡曲率半径的增加而减少。在普来特交界处有较大的曲率半径，其压差比附近曲率半径小的地方小，从而使液体向交界处流动。当液膜达到临界厚度(5～10 nm)时，气泡破灭。

1.2 影响沥青发泡的因素

沥青发泡可暂时改变其物理性质，降低黏度，以便能与较低温度的矿料拌合。沥青的发泡特性直接影响混合料质量，而发泡特性又受到多种因素的影响。影响沥青发泡特性的主要因素：1) 沥青加热温度。通常温度高沥青的发泡效果比温度低的好，温度低于120 ℃时，沥青很难发泡。但也不是沥青温度越高发泡效果越好，每种沥青都有较佳的发泡温度范围。2) 发泡用水量。发泡用水量越大，发泡体积越大，泡沫破灭的时间越短。3) 压力。包括沥青压力、水压和气压，通常压力越低，对沥青与水混合发泡效果越不利。4) 沥青组分。沥青组分不同，发泡特性也不同，不同产地、不同油源、是否加入消泡剂和发泡剂等都会影响沥青的发泡特性。

对于工程中使用的沥青，主要通过改变加热温度和用水量确定满足最佳发泡效果的拌制泡沫沥青混合料的发泡条件。

2 泡沫温拌沥青最佳发泡温度确定

泡沫沥青温拌技术是使用少量的水与高温沥青(140 ℃以上)接触，水汽化使沥青体积膨胀、黏度降低，从而实现混合料温拌。评定泡沫质量的主要指标是膨胀比和半衰期，发泡效果除与沥青自身特性有关外，还与发泡用水量和发泡温度相关。可通过发泡试验确定最佳发泡温度与最佳发泡用水量。

2.1 试验装置与试验方法

采用WLB 10发泡装置和圆柱形测量容器进行沥青发泡试验，测量容器直径300 mm、容积 20 L，直尺精度0.2%，时间精度0.1 s，温度精度1.0 ℃，质量精度0.1 g。

以膨胀率和半衰期评价沥青的发泡特性。采用3种发泡用水量和3种发泡温度进行试验，基质沥青发泡用水量分别为1.5%、2.0%、2.5%，发泡温度分别为145、155、165 ℃；SBS改性沥青发泡用水量分别为2.0%、2.5%、3.0%，温度分别为160、170、180 ℃。

2.2 试验材料

基质沥青采用重交石油沥青，其技术指标见表1。成品改性沥青为SBS改性沥青，SBS掺量4%，技术指标见表2。沥青发泡水为生活用水。

表1 重交石油沥青的技术指标

表2 SBS改性沥青的技术指标

2.3 发泡特性试验

在不同温度和含水量下对重交沥青和SBS改性沥青进行发泡试验，结果见表3～4和图1～2。

表3 重交沥青发泡试验结果

表4 SBS改性沥青发泡试验结果

图1 重交沥青发泡试验曲线

图2 SBS改性沥青发泡试验曲线

3 泡沫温拌沥青最佳发泡用水量确定

通常以膨胀率和半衰期评价沥青的发泡特性，膨胀率为在一定温度和用水量下发泡沥青最大体积与未发泡沥青体积之比，半衰期为在一定温度和用水量下发泡沥青最大体积减小到一半时所用时间。半衰期长短表明允许施工作业的时间长短，半衰期越长，泡沫越不易衰减，允许拌合作业的时间越长。膨胀率大小对拌合质量有影响，不宜过小，以免在温度较低时影响拌合效果；也不宜过大，以免过分缩短半衰期，影响充分拌合所需时间。对于温拌施工，通常膨胀率不宜小于5倍(重交通沥青)或3倍(改性沥青)，半衰期不宜小于10 s(重交通沥青)或20 s(SBS改性沥青)。根据不同用水量和不同温度，通过试验得到膨胀率和半衰期回归曲线(见图1～2)，图中最上方曲线对应的温度为最佳发泡温度，重交沥青的最佳发泡温度为150～155 ℃，SBS改性沥青的最佳发泡温度为165～170 ℃。由最佳发泡温度可得不同发泡用水量下泡沫沥青膨胀率与半衰期的关系(见图3～4)。

图3 重交泡沫沥青膨胀率与半衰期的关系

由图3可知：膨胀率5倍对应的发泡用水量为1.2%，半衰期10 s对应的发泡用水量为1.7%，满足要求的发泡用水量在这2个用水量之间，取中间值1.5%作为重交泡沫沥青的最佳发泡用水量。

由图4可知：膨胀率3倍对应的发泡用水量为1.4%，半衰期20 s对应的发泡用水量为1.7%，满足要求的发泡用水量在这2个用水量之间，取中间值1.6%作为SBS改性泡沫沥青的最佳发泡用水量。

图4 SBS改性泡沫沥青膨胀率与半衰期的关系

4 结论

(1) 沥青发泡特性的主要评价指标是膨胀率和半衰期。膨胀率主要影响拌合质量，不宜过小，以免在温度较低时影响拌合效果；半衰期主要影响允许施工作业时间，半衰期越短，泡沫越易衰减，对施工越不利。

(2) 发泡效果除与沥青自身特性有关外，还与发泡用水量和发泡温度有密切关系，可通过发泡试验确定最佳发泡温度和最佳发泡用水量。

(3) 在不同用水量和不同温度下，通过试验得到膨胀率和半衰期回归曲线，其最上方曲线对应的温度即为最佳发泡温度。在最佳发泡温度下，可确定符合膨胀率和半衰期要求的发泡用水量。

(4) 在膨胀率与半衰期关系曲线中，只有半衰期对应的发泡用水量在膨胀率对应的发泡用水量的右侧时，沥青才能满足温拌泡沫特性的要求。在该条件下，半衰期对应的发泡用水量和膨胀率对应的发泡用水量之和的均值即为最佳发泡用水量。