溫拌瀝青發泡裝置的性能試驗及改進措施

胡 林，顧 洪，宋朝波

（中交西安筑路機械有限公司，陜西 西安 710200）

近年來，我國道路建設取得了顯著成效，但在道路施工和養護過程中，不僅消耗了過多的能源、排放了大量的有害氣體，還產生了大量的廢瀝青混合料，影響了公路建設的可持續發展[1]。

泡沫瀝青溫拌技術被認為是節能、減排和提升經濟效益的關鍵技術。該技術可實現瀝青在相對較低的溫度下對物料進行良好的裹覆，并且瀝青混合料的性能不受影響。由于該技術實現過程只需加入少量的水，不需要添加其他材料，因此該技術的應用成本較低。同時該技術還可以節省燃料，減少有害氣體排放。

泡沫瀝青發泡裝置是生產泡沫瀝青的機械裝備。該裝置的核心部件是瀝青發泡腔，其結構直接影響瀝青發泡的性能參數[2，3]。本文針對不同結構發泡腔進行試驗研究，提出瀝青發泡腔結構的改進措施，為該技術應用及設備制造提供參考。

1 泡沫瀝青的機理及性能評價指標

1.1 泡沫瀝青的形成及破滅機理

瀝青發泡過程是水和瀝青的混合，是1個復雜的物理過程，是常溫水和高溫瀝青在高溫高壓作用下混合后形成的1種表現狀態[4]。瀝青發泡過程可描述為以下3個步驟：

（1）因為發泡用水為常溫水，瀝青的發泡溫度在100℃以上，所以水與高溫瀝青混合時會產生能量傳遞，水吸收熱量后變成水蒸氣，水蒸氣體積迅速膨脹，此時瀝青的溫度降低[5]。圖1為瀝青發泡過程圖。

圖1 瀝青發泡過程圖

（2）汽化后的水蒸氣被液態瀝青裹覆，需要克服瀝青膜的表面張力以及瀝青分子團之間的黏聚力。水蒸氣這一克服張力過程使瀝青體積迅速增大，形成瀝青泡沫[5]，如圖2所示。

（3）泡沫瀝青對比原來瀝青體積膨脹了數倍甚至數十倍。隨著泡沫瀝青體積的膨脹，內能得到釋放后的水蒸氣溫度逐漸降低，使瀝青泡沫的內壓力逐漸減小，瀝青內壓力與表面張力達到了短暫的平衡[5]。

（4）泡沫瀝青的穩定性較低，表現為泡沫瀝青體積不斷增大，體積達到最大后迅速衰減，并且在幾十秒內泡沫瀝青恢復至原來的體積[6]。

1.2 泡沫瀝青的性能評價指標

通過對JTG F5521-2019《公路瀝青路面再生技術規范》中第5章節5.3.1條規定的解讀（第5章節5.3.1條規定冷再生用泡沫瀝青性能：膨脹率（倍）大于10，半衰期（s）大于8），泡沫瀝青的性能評價有2個指標：瀝青膨脹率和半衰期。

強制間歇式瀝青攪拌設備的整個拌和周期一般為45s左右，其中加入瀝青后的有效拌和時間一般為25s左右。為了泡沫瀝青體積衰減之前完成整個拌和過程，瀝青發泡裝置生產的泡沫瀝青應保證半衰期為10s左右[7]。

1.3 泡沫瀝青發泡影響因素

在實際的工程應用中，影響發泡效果的準備因素是瀝青發泡裝置，該裝置的核心部件為瀝青發泡腔，因此在其它條件不變的情況下，瀝青發泡腔結構直接影響著瀝青發泡的膨脹率和半衰期2個性能指標[8]。

2 泡沫瀝青發泡試驗

研究表明：發泡腔（泡沫瀝青反應室）的結構直接影響瀝青發泡效果[9]。本文試驗采用圓形和橢圓形2種結構的發泡腔，2種發泡腔的瀝青入口尺寸、泡沫瀝青噴口尺寸、水噴射入口尺寸以及發泡腔內體積均相同。試驗過程保證瀝青的流量和水的壓力均相同，根據瀝青特性調節不同的瀝青溫度。在改變發泡用水量的條件下，試驗材料選用70#、90#和SBS改性瀝青，分別對瀝青進行發泡并測量泡沫瀝青的膨脹率和半衰期[10]，并將試驗數據填入表1-表6。2種不同結構發泡腔的建模如圖3和圖4所示。

圖2 水和瀝青混合的狀態圖

圖3 橢圓形結構發泡腔

圖4 圓柱形結構發泡腔

表1 70#瀝青發泡試驗數據表（圓柱形發泡腔）

表2 70#瀝青發泡試驗數據表（橢圓形發泡腔）

表4 90#瀝青發泡試驗數據表（橢圓形發泡腔）

表5 SBS改性瀝青發泡試驗數據表（圓柱形發泡腔）

表6 SBS改性瀝青發泡試驗數據表（橢圓形發泡腔）

3 瀝青發泡試驗數據分析

圖5為2種不同發泡腔70#瀝青試驗圖，圖6為2種不同發泡腔90#瀝青試驗圖，圖7為2種不同發泡腔改性瀝青（SBS）試驗圖。

通過圖5-圖7可以看出，瀝青在不同發泡用水量的條件下，發泡效果也有明顯的差異。在發泡用水量為2%時，泡沫瀝青的半衰期參數與強制間歇式瀝青攪拌設備的工藝要求相匹配[3]。

在發泡用水量為2%的條件下，對比不同結構發泡腔的發泡效果，分別對70#、90#和SBS改性瀝青的膨脹率和半衰期數據進行對比分析，并繪制成圖8和圖9。

通過圖8和圖9可以看出，不同結構的2種發泡腔在發泡效果上有著明顯的不同。

通過圖8和圖9的數據統計分析可以得出，在其他條件相同的情況下，泡沫瀝青膨脹率；橢圓形結構發泡腔大于圓柱形結構發泡腔；泡沫瀝青半衰期與之對應的是：橢圓形結構發泡腔小于圓柱形結構發泡腔。

圖5 2種不同發泡腔70#瀝青試驗

圖6 2種不同發泡腔90#瀝青試驗

圖7 2種不同發泡腔SBS改性瀝青試驗

圖8 2種不同發泡腔瀝青發泡半衰期對比圖

圖9 2種不同發泡腔瀝青發泡膨脹率對比圖

研究表明：瀝青的粘度受泡沫瀝青膨脹率和溫度的影響較大，泡沫瀝青半衰期則對其穩定性影響顯著[11]。在生產溫拌瀝青混合料時，骨料溫度與瀝青溫度接近（骨料溫度范圍：120℃～180℃，瀝青溫度范圍：160℃～170℃）。在瀝青和物料拌合時，熱量傳遞不會導致瀝青的溫度下降較多，瀝青的粘度也就不會有較大的變化。因此在溫拌泡沫瀝青技術中，泡沫瀝青不需要產生較大的膨脹率，但溫拌瀝青混合料的拌和周期一般為45s（凈攪拌時間25s），泡沫瀝青需要與之相對應時間內的穩定性，性能參數表現為半衰期相對較長[12，13]。

在生產冷拌泡沫瀝青混合料時，瀝青和骨料溫差較大，熱量傳遞導致泡沫瀝青溫度下降較大，促使瀝青粘度增加，泡沫瀝青需要產生更大的膨脹率來降低瀝青的粘度以保證正常拌和[14]。與此同時，冷拌瀝青混合料拌和時間相對較短，對泡沫瀝青半衰期的時間要求也相對較短[15]。

4 結束語

本文針對不同結構形式的發泡腔，結合不同類型瀝青進行瀝青發泡試驗，并對試驗數據進行分析對比，提出了瀝青發泡腔的改進措施：將瀝青發泡裝置的發泡腔改成圓柱形結構，該結構產生的泡沫瀝青半衰期相對較長，膨脹率相對較小，符合強制間歇式攪拌設備的生產工藝。