黃維蓉，任海生

(1. 重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400074； 2. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

瀝青發(fā)泡技術(shù)最早在德國(guó)出現(xiàn)，歷經(jīng)多年發(fā)展，目前在泡沫瀝青冷再生技術(shù)和泡沫瀝青溫拌技術(shù)中得到了較為廣泛應(yīng)用[1-4]。泡沫瀝青溫拌技術(shù)作為一種新型瀝青混合料生產(chǎn)技術(shù)，因不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)、能降低生產(chǎn)能耗和生產(chǎn)成本、可減少?gòu)U氣和粉塵排放、能延長(zhǎng)施工工期、不會(huì)造成瀝青混合料性能降低等優(yōu)點(diǎn)，如今越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外公路界的推崇[5-7]。2010年美國(guó)機(jī)械發(fā)泡技術(shù)己占到其整個(gè)溫拌技術(shù)的90%以上；我國(guó)對(duì)溫拌技術(shù)的研究起步較晚，相關(guān)學(xué)者在泡沫瀝青冷再生技術(shù)上取得不少成果，但在泡沫溫拌瀝青技術(shù)上還有待于進(jìn)一步研究[8-10]。

瀝青發(fā)泡的核心技術(shù)即是如何評(píng)價(jià)瀝青發(fā)泡效果，并以此尋求最佳的瀝青發(fā)泡條件。目前還有一個(gè)問(wèn)題亟待解決，即國(guó)內(nèi)外主流的瀝青發(fā)泡兩大評(píng)價(jià)指標(biāo)是膨脹率和半衰期。膨脹率(expansion ratio)是指瀝青發(fā)泡膨脹達(dá)到最大體積與瀝青原體積之比，該指標(biāo)反映了泡沫瀝青黏度大??；半衰期(half-life)是指泡沫瀝青從膨脹至最大體積后到泡沫衰減至最大體積一半的時(shí)間，該指標(biāo)反映了泡沫瀝青的穩(wěn)定性，但國(guó)際上并沒(méi)有統(tǒng)一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)規(guī)范[11-13]。栗關(guān)裔[14]指出兩大評(píng)價(jià)指標(biāo)主要用在冷再生技術(shù)上，因此直接套用于泡沫溫拌瀝青技術(shù)必然存在不足。且實(shí)際應(yīng)用中兩大指標(biāo)本身也存在一系列問(wèn)題，例如現(xiàn)有瀝青發(fā)泡評(píng)價(jià)試驗(yàn)誤差太大，測(cè)試膨脹率時(shí)是目測(cè)測(cè)試桶中泡沫達(dá)到最大體積，測(cè)試半衰期也是利用秒表讀取時(shí)間，受人為主觀因素影響較大[15-18]。此外這兩大評(píng)價(jià)指標(biāo)本身用于評(píng)價(jià)瀝青發(fā)泡效果就存在理論缺陷，不能具體量化表達(dá)發(fā)泡效果好壞，沒(méi)有具體的一個(gè)值說(shuō)明瀝青發(fā)泡效果，而是通過(guò)尋找兩者交點(diǎn)確定最佳用水量和發(fā)泡溫度[19-21]。

因此，針對(duì)泡沫溫拌瀝青發(fā)泡要求，筆者采用非接觸式試驗(yàn)方法和泡沫直徑、尺寸分布和消泡速率這3個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青發(fā)泡效果。即利用激光測(cè)距儀測(cè)定瀝青發(fā)泡體積變化；根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)并考慮瀝青黏度條件下，計(jì)算出反映整個(gè)發(fā)泡過(guò)程中泡沫尺寸大小的泡沫直徑指標(biāo)[22]；利用相機(jī)記錄整個(gè)瀝青發(fā)泡過(guò)程；采用圖像軟件計(jì)算泡沫照片中泡沫尺寸分布；以及對(duì)泡沫高度變化進(jìn)行曲線擬合得出消泡速率；以此找到泡沫瀝青表面膜拉伸能力大，降黏效果好的最佳穩(wěn)定狀態(tài)[23-24]。最終，綜合3個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)得出瀝青溫拌中最佳的發(fā)泡條件。

1 瀝青發(fā)泡效果評(píng)價(jià)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)主要儀器有：瀝青發(fā)泡試驗(yàn)采用WLB10型發(fā)泡機(jī)；固定于三腳架上的深達(dá)威牌高精度S50紅外線測(cè)距儀可記錄及保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并能導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中，便于數(shù)據(jù)處理。試驗(yàn)時(shí)，將三腳架放于發(fā)泡機(jī)旁(測(cè)距儀距離地面1 m處)，發(fā)泡桶放置在三腳架下，當(dāng)泡沫瀝青噴入到發(fā)泡桶中，高精度紅外測(cè)距儀就可直接對(duì)瀝青泡沫膨脹體積進(jìn)行測(cè)量。此外，在三腳架上裝置數(shù)碼相機(jī)，以便分析瀝青發(fā)泡過(guò)程中泡沫表面的泡沫變化。

1.2 試驗(yàn)方案及步驟

試驗(yàn)采用70#道路石油瀝青，根據(jù)喬衛(wèi)華[25]在其研究中指出的最佳發(fā)泡條件，本次試驗(yàn)只考慮用水量和瀝青發(fā)泡溫度。試驗(yàn)用水量初定為2%，用水溫度為20 ℃，不添加發(fā)泡劑，70 #道路石油瀝青溫度分別取130、140、150、160 ℃。為減小誤差，每組溫度條件下做3次試驗(yàn)，結(jié)果取平均值。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析70 #道路石油瀝青最佳發(fā)泡溫度；然后在最佳發(fā)泡溫度下分別取1%、2%、3%、4%的用水量，每組相同用水量條件下重復(fù)3次試驗(yàn)，結(jié)果取平均值。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析70#道路石油瀝青最佳發(fā)泡用水量，由于發(fā)泡過(guò)程時(shí)間很短，筆者研究時(shí)將瀝青發(fā)泡后達(dá)到最大體積時(shí)的時(shí)間點(diǎn)設(shè)定為起始點(diǎn)，之后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算和圖像分析，可分別計(jì)算出3個(gè)指標(biāo)。

1.2.1 數(shù)學(xué)計(jì)算

Ht=He+he-ht

(1)

式中：Ht為泡沫溫拌瀝青高度；He為泡沫溫拌瀝青體積不再變化后以直尺測(cè)量得到的桶內(nèi)瀝青高度；he為測(cè)距儀測(cè)得的最終高度；ht為測(cè)距儀測(cè)得的高度。

由斯托克斯定律可知：在液體中泡沫直徑越大，其上升速度越快。將泡沫瀝青高度Ht代入式(2)，得到泡沫體積變化平均速率；代入式(3)中得到泡沫平均直徑[27]。

(2)

(3)

式中：D為泡沫平均直徑；V為瀝青泡沫上升速度；Vt為瀝青泡沫高度變化平均速率；g為重力加速度(9.81 m/s2)；μ為動(dòng)態(tài)黏度〔Pa·s=kg·(m·s)-1〕；ρb、ρf分別為瀝青及瀝青泡沫密度(kg/m3)，由于瀝青泡沫密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于瀝青密度，故ρf=0；由于整個(gè)發(fā)泡過(guò)程小于4 min，忽略瀝青黏度變化。

1.2.2 圖像分析

由于初始階段瀝青發(fā)泡不穩(wěn)，截取30、60、90 s這3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的圖片。將截取的泡沫瀝青照片導(dǎo)入Image-Pro Plus 6.0軟件中，統(tǒng)計(jì)出所有泡沫直徑；并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表格中，按照直徑進(jìn)行排序，然后統(tǒng)計(jì)各尺寸范圍內(nèi)的泡沫數(shù)目。

1.2.3 數(shù)值分析

根據(jù)測(cè)距儀測(cè)得的泡沫高度變化，建立體積(膨脹比)和時(shí)間的變化曲線；并分析不同用水量對(duì)泡沫消散影響。根據(jù)M.E.KUTAY[28]等通過(guò)擬合曲線得到的ER隨時(shí)間變化關(guān)系式ER(t)=1+ce-kt，故文中擬合公式為：ER(t)=-klnt+ER。進(jìn)一步可得到消泡速率k值，k值越大，消泡速度越快。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 泡沫直徑分析

2.1.1 不同溫度條件下泡沫直徑

根據(jù)測(cè)得的高度變化，利用式(1)～(3)可換算出泡沫直徑，并建立70#道路石油瀝青泡沫直徑隨時(shí)間變化曲線，如圖1。

圖1 不同瀝青溫度下泡沫直徑Fig. 1 Foam diameter at different asphalt temperatures

由圖1可看出70 #瀝青泡沫直徑變化規(guī)律和泡沫直徑的最值，150 ℃時(shí)70 #石油瀝青整體泡沫直徑變化相對(duì)于其他溫度較為穩(wěn)定。因此筆者設(shè)定其溫度為150 ℃。

2.1.2 不同用水量條件下泡沫直徑

根據(jù)最佳發(fā)泡溫度值，在其他條件不變情況下，用水量分別取1%、2%、3%、4%，可得出瀝青泡沫直徑隨時(shí)間變化曲線，如圖2。

圖2 不同用水量下泡沫直徑Fig. 2 Foam diameter with different water consumption

由圖2可得：無(wú)論何種用水量或?yàn)r青溫度，在其發(fā)泡前30 s時(shí)間段內(nèi)，瀝青發(fā)泡比較強(qiáng)烈，泡沫尺寸變化較大；而30 s后的時(shí)間段，其泡沫直徑變化緩和很多。不同溫度下，最大泡沫直徑相差約1 mm；不同用水量下，最大直徑相差約3 mm。故用水量對(duì)瀝青泡沫直徑影響較瀝青溫度大。120 s時(shí)瀝青泡沫直徑仍在2 mm以上，這說(shuō)明120 s時(shí)瀝青中還存在著泡沫，而采用膨脹率指標(biāo)無(wú)法反映120 s時(shí)的泡沫狀態(tài)。

2.2 泡沫尺寸分布分析

在泡沫分布試驗(yàn)中，筆者只分析不同用水量下泡沫尺寸分布。試驗(yàn)用水量分別取1%、2%、3%、4%，瀝青發(fā)泡溫度為150 ℃。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，繪制尺寸范圍從0開(kāi)始，每2.0 mm為1個(gè)范圍區(qū)，對(duì)比兩種瀝青不同發(fā)泡條件下泡沫尺寸分布的差異，如圖3。

圖3 不同用水量下泡沫尺寸分布Fig. 3 Foam size distribution with different water consumption

從圖3可看出：發(fā)泡后時(shí)間越長(zhǎng)，泡沫直徑在6 mm以下范圍內(nèi)比例越高，泡沫尺寸分布越集中，在90 s時(shí)泡沫尺寸分布最集中，而30 s時(shí)泡沫尺寸分布最不集中。泡沫尺寸分布變化符合發(fā)泡及消泡機(jī)理，當(dāng)發(fā)泡時(shí)間越長(zhǎng)，泡沫上升至表面破裂越多，泡沫經(jīng)過(guò)破裂后重新形成泡沫更加穩(wěn)定，印證了時(shí)間越長(zhǎng)泡沫尺寸更加集中的機(jī)理。

2.3 泡沫消泡速率分析

同研究泡沫尺寸分布一樣，筆者在泡沫消泡速率分析中也著重考慮用水量影響，用水量分別取1%、2%、3%、4%。當(dāng)瀝青發(fā)泡后體積不再變化時(shí)的高度以1代表，每次發(fā)泡過(guò)程中膨脹比ER(t)等于該時(shí)刻泡沫體積高度與不再變化泡沫體積高度之比，建立膨脹比曲線，得到不同用水量下的k值，如圖4。

圖4 不同用水量下消泡速率Fig. 4 Defoaming rate with different water consumption

由圖4可得出：隨著用水量增大，k值也隨之增加，其消泡速率越快，這也與半衰期指標(biāo)隨用水量增加而減小的結(jié)論一致。

3 結(jié) 論

1)非接觸式試驗(yàn)方法與3個(gè)指標(biāo)結(jié)合可準(zhǔn)確表征瀝青泡沫膨脹和衰減過(guò)程，能更加準(zhǔn)確了解瀝青發(fā)泡過(guò)程及特性；

2)相對(duì)于膨脹率和半衰期指標(biāo)，這3個(gè)指標(biāo)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理更加合理。通過(guò)泡沫直徑可確定最佳發(fā)泡溫度為150 ℃，且泡沫直徑受用水量影響比瀝青溫度大，也印證了用水量比溫度對(duì)瀝青發(fā)泡效果影響大；

3)90 s時(shí)的泡沫尺寸分布最為集中，也符合發(fā)泡機(jī)理，其泡沫更為穩(wěn)定。消泡速率k值變化規(guī)律印證了隨用水量增加導(dǎo)致半衰期減小的結(jié)論；消泡速率到泡沫完全穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，可用于評(píng)價(jià)泡沫消散的整個(gè)過(guò)程；兩個(gè)指標(biāo)結(jié)合說(shuō)明發(fā)泡不僅在拌合階段，而且在運(yùn)輸、攤鋪碾壓階段還可提高瀝青混合料的和易性，這與實(shí)際情況相吻合；

4)可根據(jù)實(shí)際需求，利用泡沫直徑、泡沫尺寸分布、消泡速率這3個(gè)指標(biāo)準(zhǔn)確掌握泡沫溫拌瀝青需要的最佳拌合時(shí)間點(diǎn)、發(fā)泡溫度以及用水量等條件，便于施工。