基于方差分析法的泡沫沥青发泡效果敏感性分析

黄七零

(广西交通技师学院,广西 南宁 530000)

1 前 言

为有效利用自然资源保证自然资源的可持续发展,再利用现有材料在世界范围内越来越受欢迎,因为再利用材料能保护和利用有限的自然资源。同时,由于道路建设、改造和维护的预算限制,需要创新且环保的解决方案,以保证道路使用者获得可接受的服务水平。再利用的材料既可以用于新的路面建设,也可以用于对严重恶化的路面结构进行修复。对于这类路面,表面干预措施对隐藏的结构问题处理效果并不理想,可能需要进行深度治理。在绿色、节能、可持续发展的大背景下,对纯新型高性能材料的需求是路面工程界关注的关键问题。因此,在过去的几十年里,道路材料的回收利用获得了很多关注,重点关注了结合层和非结合层的新机遇和施工挑战[1]。

在现有的路面材料回收技术中,就地冷回收(CIR)是大大缩短施工时长和确保成本效益的有效手段。该技术也是一种可持续的工程维修解决方案,可以显著降低存储成本、减少能源和燃料消耗,降低总体气体和噪音排放,因为不需要在工厂内生产或运输到铺装现场[2]。如果回收深度延伸到沥青层底部以下,CIR通常被称为全深度回收(FDR)。FDR技术旨在从结构上加强面临严重损坏的现有路面结构的基层/次基层。FDR可以通过多种方式实现,其中之一是使用泡沫沥青(FA)来稳定现有的路面材料。根据定义,FA是通过向热沥青(沥青重量的2%～3%)注水产生的,其体积膨胀,随后粘度降低,这对于FA在环境温度下充分涂覆骨料是理想的。

冷回收技术是HMA技术的一种替代方案。在冷回收技术中,沥青乳液和发泡沥青是常用的粘结剂。冷回收技术的使用可降低能耗,减少烟雾和温室气体的排放。冷回收的总体思路是最大限度地利用道路路面结构破损层获得的材料。大多数采用全深度冷回收技术的道路改造项目都是在具有柔性和半刚性结构的道路上进行的。必须注意当地的条件,如现有结构层的排列,决定了再生基层混合料中各个成分的含量。因此,再生基层的组成包括:基层层的有界混合物或水泥混凝土层,非有界混合物和沥青路面。这种方法可最大限度地利用建筑材料现有结构层在基层组成中形成全深度冷循环。

泡沫沥青是一种典型的粘结剂,用于冷拌沥青(CMA)回收[3],并越来越多地作为粘结剂用于在低温下制造和放置的沥青混合物[4]。它是一种由97%～98%的沥青组成的混合物,1%～3%的蒸汽和其他添加剂改善其起泡性[5]。在膨胀室中,沥青的热能被转移到水滴的表面,从而加热到100 ℃。同时,由于注入沥青相中水的快速蒸发,沥青被冷却。由于水和沥青的导热性较低,被沥青膜包围的蒸汽气泡的平衡保持一定时间,从而形成沥青泡沫[6]。

在发泡过程中,沥青的粘度急剧下降。大量文献试图分析含水率和沥青温度对发泡参数变化的影响。He和Wong[7]寻找用水量与发泡特性之间的相关性,重点研究了渗透率为60×0.1 mm和100×0.1 mm的发泡沥青的建模和优化。增加水的量可以提高最大膨胀。考虑到发泡工艺的特点,Hu等[8]对CRA粘结剂进行了发泡,发现发泡工艺对CRA粘结剂的性能没有显著影响;Yu等[9]发现发泡后的CRA粘结剂的高温性能比常规CRA粘结剂稍差,但其低温性能、温度稳定性和抗疲劳性能较好,且发泡用水量对其性能的影响较大。Iwanski等[10]发现泡沫沥青粘结剂中水分的存在可能是其老化的原因之一。Sanchezet等[11]发现发泡沥青粘结剂冷再生混合料的流变性能主要受沥青粘结剂流变性能的影响。虽然对发泡沥青粘结剂和CRA粘结剂的研究较多,但目前对于北方地区发泡沥青发泡温度、发泡用水量等方面的研究还有待进一步深入开展。综上所述,本研究的目的是研究北方地区发泡沥青发泡温度、发泡用水量对发泡CRA粘结剂的影响,另外采用方差分析的方法,分析沥青温度和发泡用水量以及交互作用对膨胀率和半衰期的影响,进行影响因素敏感性分析,确定发泡质量的最敏感因素。

2 材 料

2.1 沥青

90#A级基质沥青应符合《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004。试验结果如表1所示。

表1 90#A级基质沥青技术要求

2.2 实验设计

本研究使用正交试验设计,沥青温度为152、160、168℃三个水平,发泡用水量为1%、2%、3%、4%四个水平,试验为3×4=12个水平组合。使用实验室规模的发泡装置WBL10S将温度设定为25±3 ℃的水注入热沥青中。水的迅速蒸发使沥青在有蒸汽的情况下产生泡沫。整个实验需要进行三次平行试验。

3 试验结果

泡沫沥青达到沥青泡沫最大膨胀率(ER)和沥青泡沫半衰期(HL),其膨胀率和半衰期如表2所示。

4 沥青发泡试验结果分析

4.1 沥青发泡温度对发泡特性的影响分析

不同用水量条件下沥青发泡膨胀率和半衰期如图1所示。

图1 发泡沥青温度对发泡指标的影响

由图1分析可得。

(1)在不同用水量下,160 ℃膨胀率最大,在用水量3%以下时,152 ℃膨胀率次之,168 ℃最小;用水量4%时,160 ℃和168 ℃膨胀率受用水量影响不明显,152 ℃膨胀率与其差异也不大。

(2)在用水量2%～4%时,170 ℃半衰期最大,160 ℃次之,152 ℃最小;用水量1%时,152 ℃与160 ℃半衰期差异不大,且高于170 ℃时的。

4.2 发泡用水量对发泡特性的影响

(1)随着用水量的增大,沥青膨胀率会增大,而半衰期会减小,可见膨胀率和半衰期与用水量的关系是相反的。

(2)不同发泡温度下,膨胀率的增大幅度逐渐变小并趋于平稳;在150 ℃时,用水量为1%～2%间,膨胀率增幅最大;在160 ℃时,用水量为3%～4%间,膨胀率增幅最小。

(3)不同发泡温度下,用水量1%～4%时,半衰期的减小幅度突然变小然后趋于平稳;在150 ℃时,用水量为1%～2%间,膨胀率增幅最大,用水量为3%～4%间,膨胀率增幅最小。

5 影响因素敏感性分析

采用方差分析的方法,分析沥青温度和发泡用水量以及交互作用对膨胀率和半衰期的影响。选取显著性水平为0.05,根据F值分析,F>Fr时,表明该因素对结果影响敏感,反之亦然,方差分析结果如表3所示。

表3 方差分析结果

表3结果分析如下。

(1)膨胀率和半衰期指标,用水量、温度及交互作用的F值均大于Fr,表明以上因素对膨胀率和半衰期均有显著影响,且影响由大到小依次为发泡用水量、发泡温度、交互作用。

(2)发泡用水量的F值远大于其他,说明发泡质量的最敏感因素是发泡用水量。

6 最佳沥青发泡条件的确定

通过沥青发泡温度和发泡用水量对发泡特性的影响分析,在沥青温度为160 ℃时,膨胀率和半衰期的数值相对较大,因此本沥青的最佳发泡温度是160 ℃,膨胀率和半衰期随用水量的变化规律如图2所示。

由图2可知,温度为160 ℃时,沥青的膨胀率和半衰期随用水量的变化,有较好的指数函数曲线拟合关系,相关系数较高。按《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41—2008)附录D中规定的确定最佳发泡用水量的方法,以膨胀率数值应大于10倍,半衰期大于8 s控制,由图3可知膨胀率为10时对应的用水量为0.7%,半衰期为8时对应的用水量为4.8%,取二者均值得最佳发泡用水量为2.75%,此时膨胀率为25.7%,半衰期为21.1 s。

7 结 论

在沥青温度采用三个水平、发泡用水量为四个水平下,研究90#沥青发泡效果,得出的结果可以总结如下。

(1)用水量、温度及交互作用的因素对膨胀率和半衰期均有显著影响,且影响由大到小依次为发泡用水量、发泡温度、交互作用。

(2)沥青最佳发泡用水量为2.75%,此时的膨胀率为25.7%,半衰期为21.1 s。