李 龍，宋朝波，孫雁濤，陳利軍

(中交西安筑路機械有限公司，陜西 西安 710200)

0 引 言

截至2017年底，中國二級及以上道路通車總里程數(shù)已達(dá)到60萬km，道路建設(shè)成績顯著，但因過多地消耗能源，也帶來了資源緊缺等環(huán)境問題。因此，瀝青混合料的生產(chǎn)過程需更加節(jié)能環(huán)保。在這樣的背景下，出現(xiàn)了溫拌瀝青技術(shù)，它被認(rèn)為是環(huán)保節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)。

泡沫瀝青溫拌技術(shù)的實質(zhì)是：將極少量的常溫水快速注入加熱后的瀝青即可使瀝青發(fā)泡，形成泡沫瀝青。整個生產(chǎn)過程不需要任何添加劑，而所需水的含量在瀝青混合料中的比例可以忽略不計，因此生產(chǎn)成本較低，具備很好的推廣價值。

瀝青發(fā)泡裝置是泡沫瀝青溫拌技術(shù)中極為關(guān)鍵的機械部件，將其安裝在匹配產(chǎn)量的瀝青攪拌設(shè)備中，可使泡沫瀝青與拌鍋中的物料充分拌合，實現(xiàn)溫拌瀝青混合料的批量生產(chǎn)[1-3]。目前，國內(nèi)對瀝青的發(fā)泡性能及參數(shù)的研究較多，對瀝青發(fā)泡裝置的應(yīng)用研究相對較少[4-8]。為促進(jìn)溫拌瀝青技術(shù)在道路建設(shè)中的廣泛應(yīng)用，推動道路建設(shè)向節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展，本文對瀝青發(fā)泡裝置進(jìn)行了相應(yīng)的工業(yè)試驗研究。

1 泡沫瀝青溫拌混合料的生產(chǎn)工藝

圖1 溫拌瀝青混合料的生產(chǎn)工藝

圖1為泡沫瀝青溫拌混合料的生產(chǎn)工藝流程。在瀝青混合料攪拌設(shè)備中配置瀝青發(fā)泡裝置，即可滿足溫拌瀝青混合料的生產(chǎn)條件。相較于普通瀝青而言，泡沫瀝青的黏度降低，生產(chǎn)的溫拌瀝青混合料的溫度也因此而降低[9-10]。

間歇式攪拌設(shè)備一個拌合周期的凈攪拌時間一般為25 s，生產(chǎn)混合料的溫度在160 ℃～180 ℃之間。根據(jù)對拌合時間的要求，在溫拌瀝青混合料的生產(chǎn)過程中，泡沫瀝青的半衰期處于10～13 s之間最合適，而泡沫瀝青膨脹率的大小則需要通過對溫拌瀝青混合料進(jìn)行相關(guān)試驗才可以作出評價[11-13]。

2 瀝青發(fā)泡裝置的組成及工作原理

如圖2所示，某溫拌瀝青發(fā)泡裝置主要包括水供給系統(tǒng)、瀝青發(fā)泡系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)，其中瀝青發(fā)泡系統(tǒng)是整個裝置的核心。

圖2 溫拌瀝青發(fā)泡裝置

2.1 水供給系統(tǒng)

如圖3所示，水供給系統(tǒng)包括儲水箱、水泵、流量計等部件。電動機驅(qū)動水泵將水箱中的水輸送至發(fā)泡系統(tǒng)，與發(fā)泡系統(tǒng)中的高溫瀝青混合，形成泡沫瀝青。

水箱材質(zhì)為黑色工程塑料，可以防止水藻的形成。同時，為實現(xiàn)供水的自動控制，水箱內(nèi)部設(shè)置高位機械浮球式液位閥和低液位開關(guān)。除此之外，水箱還配置電加熱裝置，防止室外溫度較低時發(fā)泡用水結(jié)冰，保證瀝青發(fā)泡裝置水路系統(tǒng)的正常工作。

圖3 水供給系統(tǒng)

水供給系統(tǒng)中采用的水泵是由電機驅(qū)動的柱塞泵，屬于容積式水泵。當(dāng)需要向瀝青發(fā)泡裝置中提供水的時候，水泵將自身的機械能轉(zhuǎn)化為液體的壓力能，并以流量、壓力的形式輸出。

水供給系統(tǒng)中采用的流量計為電磁流量計，可以實現(xiàn)高精度計量。其原理是利用導(dǎo)電流體通過外磁場時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢來測量導(dǎo)電流體的流量。

2.2 瀝青發(fā)泡系統(tǒng)

圖4為瀝青發(fā)泡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。瀝青發(fā)泡系統(tǒng)主要由瀝青管道、水流噴閥、氣路管、發(fā)泡腔、電磁閥及熱油管道等部件組成；為觀測瀝青發(fā)泡系統(tǒng)的工作狀態(tài)，該系統(tǒng)還配置了瀝青壓力表、水流壓力表和水流指示器等組件。

圖4 瀝青發(fā)泡系統(tǒng)

瀝青發(fā)泡系統(tǒng)中的發(fā)泡腔為重要組成部件，該系統(tǒng)主體采用導(dǎo)熱油對瀝青管路進(jìn)行加熱和保溫，確保瀝青發(fā)泡系統(tǒng)內(nèi)瀝青溫度恒定；瀝青壓力表監(jiān)測流入瀝青發(fā)泡系統(tǒng)中的液態(tài)瀝青的壓力；水流壓力表和水流指示器用來監(jiān)測發(fā)泡過程中水的工作狀態(tài)。

當(dāng)瀝青發(fā)泡系統(tǒng)工作時，液態(tài)熱瀝青通過瀝青通道進(jìn)入發(fā)泡腔。由電磁閥控制的水流噴閥打開，發(fā)泡水以恒定速度射入發(fā)泡腔；熱瀝青和水在發(fā)泡腔內(nèi)充分混合，形成泡沫瀝青，從發(fā)泡腔噴口噴出。

2.3 控制系統(tǒng)

發(fā)泡裝置的控制系統(tǒng)可以與攪拌設(shè)備進(jìn)行通訊，使主機控制系統(tǒng)和瀝青發(fā)泡裝置控制系統(tǒng)完全兼容，實現(xiàn)聯(lián)動控制。在生產(chǎn)泡沫瀝青溫拌混合料時，為不同種類的瀝青設(shè)置不同的發(fā)泡條件參數(shù)，通過調(diào)節(jié)發(fā)泡用水的流量和壓力，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的動態(tài)調(diào)整。

在泡沫瀝青溫拌混合料的生產(chǎn)過程中，當(dāng)瀝青計量完畢，同步啟動攪拌設(shè)備中的瀝青噴灑泵和瀝青發(fā)泡裝置。當(dāng)高溫瀝青進(jìn)入瀝青發(fā)泡系統(tǒng)后，打開水路電磁閥，發(fā)泡用水進(jìn)入發(fā)泡腔，與高溫瀝青混合，生產(chǎn)的泡沫瀝青進(jìn)入攪拌器，并與物料進(jìn)行充分拌合，形成泡沫瀝青溫拌混合料。

3 試驗材料與設(shè)備

本次工業(yè)試驗地點位于浙江省麗水市，試驗采用AC-20瀝青混合料，其級配如表1所示，瀝青含量為4.1%。試驗使用70#瀝青，25 ℃時針入度為55(0.1 mm)，軟化點為66.2 ℃，密度為1.050 3 g·cm-3。

表1 試驗用AC-20瀝青混合料級配

本次試驗主機是中交西筑生產(chǎn)的SG4000型瀝青攪拌設(shè)備，該設(shè)備將溫拌、智能及環(huán)保等技術(shù)融為一體。圖5為SG4000型瀝青攪拌設(shè)備，表2為其主要技術(shù)參數(shù)。

圖5 SG4000型瀝青攪拌設(shè)備

項目技術(shù)參數(shù)生產(chǎn)能力/(t·h-1)280～320標(biāo)準(zhǔn)裝機容量/kW665計量精度/%骨料±0.3、瀝青±0.2、粉料±0.1整機質(zhì)量/t400

SG4000型瀝青攪拌設(shè)備配置某瀝青發(fā)泡裝置，主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。該瀝青發(fā)泡裝置的安裝如圖6所示。

表3 某瀝青溫拌發(fā)泡裝置的主要技術(shù)參數(shù)

圖6 某瀝青發(fā)泡裝置的安裝

4 試驗過程

4.1 瀝青發(fā)泡試驗

本組試驗設(shè)定不同的發(fā)泡用水量和瀝青溫度，通過取樣閥在溫拌瀝青混合料生產(chǎn)之前進(jìn)行泡沫瀝青取樣。本組試驗中的瀝青溫度設(shè)定為150 ℃、160 ℃和170 ℃，發(fā)泡用水量設(shè)定為1%、2%和3%。每次試驗各取10 kg泡沫瀝青樣本，并測量泡沫瀝青的半衰期和膨脹率，將數(shù)據(jù)填入表4～6；瀝青發(fā)泡取樣見圖7。

圖7 瀝青發(fā)泡取樣

將表4～6的數(shù)據(jù)繪制成泡沫瀝青變化曲線(圖8、9)，這些曲線表明：70#瀝青的發(fā)泡效果受瀝青溫度的影響較為明顯；溫度為160 ℃時，線性平滑，發(fā)泡效果相對較好。

表4 70#瀝青發(fā)泡取樣數(shù)據(jù)(150 ℃)

表5 70#瀝青發(fā)泡取樣數(shù)據(jù)(160 ℃)

表6 70#瀝青發(fā)泡取樣數(shù)據(jù)(170 ℃)

圖8 不同溫度下的泡沫瀝青變化曲線

圖9 不同用水量下的泡沫瀝青變化曲線

研究表明：泡沫瀝青的膨脹率與半衰期不能同時具備最佳值，通過圖8、9也可以看出，兩者有一定的關(guān)聯(lián)。因此，在選用發(fā)泡瀝青的用水量時，需匹配攪拌設(shè)備的生產(chǎn)工藝，以達(dá)到較好的拌合效果。根據(jù)攪拌設(shè)備的生產(chǎn)工藝，半衰期時間在10～13 s之間，泡沫瀝青的膨脹率越大，瀝青黏度越小，泡沫瀝青和熱骨料的拌合阻力越小，瀝青混合料的裹覆效果更好。但過大的膨脹率可能會對瀝青混合料的性能產(chǎn)生影響，因此需要通過瀝青混合料試驗進(jìn)行驗證，從而對瀝青發(fā)泡參數(shù)進(jìn)行評價和優(yōu)化。

4.2 瀝青混合料試驗

從表5可以看出，在溫度為160 ℃、發(fā)泡用水量為2%的條件下，70#瀝青的半衰期為12.3 s，膨脹率為5.6倍，其半衰期滿足攪拌設(shè)備的循環(huán)拌合周期。使用SG4000型瀝青攪拌設(shè)備在此條件生產(chǎn)泡沫瀝青溫拌混合料，并對其進(jìn)行試驗。

本組試驗分3個部分進(jìn)行：第一部分為生產(chǎn)現(xiàn)場試驗，在現(xiàn)場對溫拌瀝青混合料進(jìn)行溫度測量以及形態(tài)觀察；第二部分為施工現(xiàn)場試驗，需測量溫拌瀝青混合料的攤鋪、碾壓溫度以及碾壓后的密度，并在試驗段鉆芯取樣；第三部分為室內(nèi)試驗，分別對溫拌瀝青混合料進(jìn)行密度試驗、旋轉(zhuǎn)壓實試驗和馬歇爾試驗。

4.2.1 生產(chǎn)現(xiàn)場試驗

SG4000型瀝青攪拌設(shè)備生產(chǎn)的泡沫瀝青溫拌混合料，出料溫度在115 ℃～130 ℃之間，無花白料現(xiàn)象，骨料與瀝青裹覆均勻。圖10為泡沫瀝青溫拌混合料的出料現(xiàn)場。

圖10 泡沫瀝青溫拌混合料的出料現(xiàn)場

4.2.2 施工現(xiàn)場試驗

用SG4000型瀝青攪拌設(shè)備生產(chǎn)的泡沫瀝青溫拌混合料鋪筑試驗段，在施工過程中隨時觀測攤鋪和碾壓的情況。攤鋪壓實后，在現(xiàn)場用無損密度儀檢測瀝青路面的密度，同時對試驗段進(jìn)行鉆芯取樣。施工現(xiàn)場試驗結(jié)果表明：泡沫瀝青溫拌混合料的壓實度、空隙率、路表滲水系數(shù)等性能指標(biāo)滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的要求。

4.2.3 實驗室試驗

對泡沫瀝青溫拌混合料進(jìn)行了理論最大相對密度試驗、毛體積相對密度試驗、旋轉(zhuǎn)壓實試驗、馬歇爾試驗，結(jié)果表明：泡沫瀝青溫拌混合料的各項試驗參數(shù)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的要求。

5 結(jié) 語

本文通過對某瀝青發(fā)泡裝置的工作原理進(jìn)行深入研究，同時結(jié)合SG4000型瀝青攪拌設(shè)備的生產(chǎn)工藝，將二者裝配于一體，對其進(jìn)行生產(chǎn)現(xiàn)場、施工現(xiàn)場以及實驗室試驗。大量的試驗數(shù)據(jù)表明：在70#瀝青溫度為160 ℃、發(fā)泡用水量為2%的條件下，該瀝青發(fā)泡裝置生產(chǎn)的泡沫瀝青的性能參數(shù)與SG4000攪拌設(shè)備的生產(chǎn)工藝相匹配，生產(chǎn)的溫拌瀝青混合料路用性能滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的要求。

由于條件限制，只對常用的70#瀝青進(jìn)行了試驗，而不同牌號的瀝青存在差異，因此最佳發(fā)泡參數(shù)也存在差異，還需要試驗驗證。此外，影響瀝青發(fā)泡效果的因素還有瀝青的流量、發(fā)泡腔的結(jié)構(gòu)形式以及發(fā)泡用水的壓力等，其中發(fā)泡腔的結(jié)構(gòu)形式對瀝青發(fā)泡效果的影響程度還需進(jìn)一步研究。