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瀝青發(fā)泡機(jī)理及發(fā)泡效果評(píng)價(jià)指標(biāo)研究*

2018-07-03 00:59:56黃維蓉任海生
關(guān)鍵詞:評(píng)價(jià)

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

泡沫溫拌瀝青混合料技術(shù)作為一種新型的瀝青混合料生產(chǎn)方式,因不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)、降低生產(chǎn)能耗、減少?gòu)U氣和粉塵排放,以及生產(chǎn)成本降低,延長(zhǎng)施工工期,且不會(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[1-2]。泡沫瀝青是由高溫瀝青與冷水一定條件下混合制備形成的一種特殊狀態(tài)的瀝青結(jié)合料[3-4]。在此過(guò)程中,主要發(fā)生的是物理轉(zhuǎn)化,相比普通瀝青,泡沫瀝青黏度低,但和易性增加,可以在較低的溫度下充分裹覆集料,降低了瀝青混合料的拌和溫度,實(shí)現(xiàn)泡沫瀝青溫拌混合料生產(chǎn)、攤鋪及碾壓等一系列道路施工操作[5]。

瀝青發(fā)泡技術(shù)最早在德國(guó)出現(xiàn),歷經(jīng)多年的發(fā)展,目前在冷再生技術(shù)中得到了較為廣泛的應(yīng)用[6-7]。但在我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中對(duì)泡沫瀝青及其混合料的各方面性質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范還很少,現(xiàn)行瀝青發(fā)泡效果評(píng)價(jià)指標(biāo)主要是膨脹率和半衰期,在JTG F 41—2008《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定膨脹率不小于10倍,半衰期不小于8 s。而對(duì)于泡沫溫拌技術(shù)還沒(méi)有具體標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,實(shí)際施工中是直接套用冷再生技術(shù)規(guī)范。由于溫拌技術(shù)與冷再生技術(shù)本身上的差異,對(duì)瀝青及混合料的要求有很大不同,對(duì)于瀝青發(fā)泡效果的評(píng)價(jià)要求也存在差異,在泡沫溫拌技術(shù)中用這兩大指標(biāo)不可避免存在很多問(wèn)題。

筆者從現(xiàn)有評(píng)價(jià)指標(biāo)本身理論不足、試驗(yàn)受人為影響大、直接用在泡沫溫拌技術(shù),3個(gè)方面深入分析現(xiàn)有評(píng)價(jià)指標(biāo)用于泡沫瀝青溫拌技術(shù)上的缺陷,并提出利用激光測(cè)距儀、數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)的優(yōu)化方法,提出3個(gè)全新評(píng)價(jià)指標(biāo)用于評(píng)價(jià)泡沫溫拌瀝青發(fā)泡效果,以便于室內(nèi)和室外試驗(yàn)更加準(zhǔn)確的進(jìn)行,更好的找到泡沫溫拌瀝青的最佳發(fā)泡條件,更有利于現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量的控制。

1 瀝青發(fā)泡機(jī)理

1.1 發(fā)泡機(jī)理

泡沫瀝青是高溫瀝青與冷水、壓縮空氣通過(guò)混合制備(見(jiàn)圖1)而成,當(dāng)冷水接觸高溫瀝青變成蒸汽并使瀝青體積發(fā)生巨大膨脹,最終產(chǎn)生大量瀝青泡沫。

圖1 瀝青發(fā)泡機(jī)理Fig. 1 Mechanism of asphalt foaming

其發(fā)泡過(guò)程如下[8-10]:

1) 當(dāng)冷水滴與高溫瀝青(140 ℃以上)接觸發(fā)生熱交換時(shí)(見(jiàn)圖2),水滴溫度迅速升高,瀝青溫度迅速降低;當(dāng)溫度下降到100 ℃時(shí),瀝青面層的水蒸發(fā),瀝青溫度繼續(xù)下降。

2) 冷水在吸收了大量熱量后汽化,在克服瀝青膜表面張力,將瀝青內(nèi)的瀝青分子推到瀝青面,宏觀表現(xiàn)為瀝青形成瀝青泡沫并且體積迅速增大,瀝青膜面面積增大,形成大量的爆炸性瀝青泡沫(見(jiàn)圖3)。

圖2 液體汽化體積變化Fig. 2 Liquid vaporization volume change

圖3 冷水加入熱瀝青反應(yīng)Fig. 3 Cold water added in hot asphalt reaction diagram

3) 泡沫體積膨脹到原來(lái)的數(shù)倍甚至數(shù)十倍,隨著泡沫的膨脹,水蒸氣溫度降低,壓力逐漸減小直至與瀝青泡沫表面張力達(dá)到平衡。

1.2 消泡機(jī)理

根據(jù)Z.A.AREGA,H.I.OZTURK等[11-12]在其研究中提出瀝青發(fā)泡過(guò)程中不穩(wěn)定、短暫的泡沫和半穩(wěn)定、長(zhǎng)壽命的兩種泡沫,可將泡沫的消散過(guò)程分為不穩(wěn)定和半穩(wěn)定兩個(gè)階段。見(jiàn)圖4。

圖4 兩種不同瀝青泡沫Fig. 4 Two different asphalt foam

1.2.1 不穩(wěn)定階段

在冷水射入熱瀝青后,由于水蒸氣在瀝青內(nèi)分布不均勻,瀝青發(fā)泡形成不均勻分布的蜂窩狀泡沫,瀝青膜厚度也相差較大。隨著瀝青的膨脹,每一個(gè)瀝青泡沫薄膜快速變薄,泡沫也極容易破裂(見(jiàn)圖4中帶有薄膜的多面體)。在宏觀上表現(xiàn)為泡沫瀝青達(dá)到最大膨脹體積后迅速衰減,以恢復(fù)原來(lái)的體積。由于這一階段瀝青是在幾十秒內(nèi)完成體積膨脹和衰變過(guò)程,泡沫體積變化劇烈,這一階段稱為不穩(wěn)定階段。

以下幾個(gè)原因?qū)е逻@一階段泡沫容易破滅[13-16]:

1) 水蒸氣壓力過(guò)大。泡沫內(nèi)蒸汽克服表面張力做功,蒸汽提供泡沫內(nèi)部的壓力。泡沫體積迅速變大,超過(guò)表面張力極限后破裂。

2) 水蒸氣溫度下降。當(dāng)泡沫上升到泡沫溫拌瀝青表面與空氣接觸后,瀝青膜溫度和泡沫內(nèi)部溫度驟降。溫度下降導(dǎo)致內(nèi)壓降低,表面張力增大,向內(nèi)收縮發(fā)生崩裂。

3) 泡沫上升速度。泡沫直徑大的泡沫會(huì)以更快的速度上升到表面(速度正比于泡沫直徑的平方),并最終破裂。發(fā)泡水越多,遇熱后水蒸氣體積越大,泡沫直徑越大,上升速度快,破裂快。這也是用水多,膨脹率大的泡沫較用水少的泡沫瀝青不穩(wěn)定的原因之一。

4) 流動(dòng)。在泡沫溫拌瀝青噴入容器后,由于浮力,下部的泡沫向表面運(yùn)動(dòng),上部的液態(tài)瀝青向容器底部運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中打破了多個(gè)泡沫聚集在一起形成的一種相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),發(fā)生排液作用,使得瀝青膜變薄,導(dǎo)致泡沫在上下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中容易發(fā)生破裂。

1.2.2 半穩(wěn)定階段

半穩(wěn)定泡沫階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),該階段泡沫相對(duì)穩(wěn)定,體積減小慢。因此對(duì)于泡沫的消散應(yīng)該重點(diǎn)分析半穩(wěn)定泡沫階段(見(jiàn)圖4帶較厚膜的球體)。

同不穩(wěn)定階段一樣,半穩(wěn)定階段瀝青內(nèi)部蒸汽壓力促使泡沫膨脹,泡沫直徑變大。然而,經(jīng)過(guò)不穩(wěn)定階段發(fā)泡后,水量不足,瀝青溫度的降低導(dǎo)致熱量不足,這兩個(gè)因素使得泡沫難以不停膨脹直至破裂。表面張力與內(nèi)部蒸汽壓力達(dá)到平衡,泡沫直徑也達(dá)到一個(gè)平衡值,泡沫能夠在一定時(shí)間里保持穩(wěn)定。同時(shí),液態(tài)瀝青量較不穩(wěn)定階段多,導(dǎo)致每個(gè)泡沫的油膜變厚,不易破裂。由拉普拉斯方程可計(jì)算平衡時(shí)瀝青泡沫半徑,如式(1)。

(1)

2 瀝青泡沫評(píng)價(jià)指標(biāo)

發(fā)泡不僅應(yīng)用于食品、無(wú)機(jī)材料、聚合物等領(lǐng)域,瀝青的發(fā)泡也有很長(zhǎng)的歷史[17]。泡沫瀝青屬于通用泡沫體系中的一種,因此,從研究泡沫瀝青開(kāi)始,就采用常規(guī)的泡沫體系評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)瀝青發(fā)泡效果進(jìn)行分析評(píng)價(jià),即采用膨脹率和半衰期兩大指標(biāo)[18-19]。膨脹率(expansion ratio)是瀝青發(fā)泡膨脹達(dá)到最大體積和瀝青原體積之比,反映了泡沫瀝青黏度的大小[20]。半衰期(half-life)是指泡沫瀝青從膨脹到最大體積到泡沫衰減到最大體積一半的時(shí)間,反映了泡沫瀝青的穩(wěn)定性[21]。在實(shí)際應(yīng)用中這兩大指標(biāo)多用于冷再生技術(shù)[22],在經(jīng)濟(jì)、材料性能以及環(huán)保性等方面具有巨大的發(fā)展優(yōu)勢(shì)和前景。

2.1 現(xiàn)有評(píng)價(jià)指標(biāo)用于泡沫瀝青溫拌技術(shù)的不足

不同泡沫由于用途、側(cè)重點(diǎn)不同,其評(píng)價(jià)指標(biāo)基本不同[23]。因此對(duì)于泡沫溫拌瀝青技術(shù),與冷再生技術(shù)相比側(cè)重點(diǎn)不同,用半衰期和膨脹率這兩大指標(biāo)評(píng)價(jià)溫拌瀝青發(fā)泡效果存在如下不足。

2.1.1 兩大評(píng)價(jià)指標(biāo)本身理論的不足

徐金枝[24]指出以半衰期、膨脹率指標(biāo)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)確定最佳發(fā)泡用水量時(shí)沒(méi)有足夠的理論依據(jù),而李強(qiáng)等[25]指出國(guó)內(nèi)現(xiàn)在主要的瀝青泡沫評(píng)價(jià)指標(biāo),及半衰期和膨脹率在理論上就存在缺陷,這樣不僅會(huì)導(dǎo)致一些更好的發(fā)泡條件被排除掉,在具體的施工過(guò)程中也沒(méi)有可靠的操作性。實(shí)際應(yīng)用中一般通過(guò)試驗(yàn)作出兩個(gè)指標(biāo)的變化曲線,以膨脹率、半衰期的下限確定曲線上發(fā)泡參數(shù)的范圍,取該范圍中點(diǎn)作為最佳發(fā)泡條件(見(jiàn)圖5)。但試驗(yàn)證明對(duì)于不同瀝青兩條趨勢(shì)線可能不會(huì)相交,即使達(dá)到了較好的發(fā)泡效果,也可能不能達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計(jì),有些更優(yōu)的發(fā)泡條件被排除掉。因此,國(guó)內(nèi)外與之相關(guān)的研究大多是用于實(shí)際試驗(yàn)段,而在理論方面還很少有說(shuō)明[26]。

圖5 確定某溫度下最佳發(fā)泡條件的方法Fig. 5 Method for determining optimum foaming conditions at certain temperature

使用膨脹率、半衰期評(píng)價(jià)發(fā)泡效果,確定最優(yōu)發(fā)泡條件時(shí),人為的分離了兩者的關(guān)系[27],如圖6。圖6中曲線A的發(fā)泡效果顯然優(yōu)于曲線B,但是如果按照我國(guó)路面再生的規(guī)范中半衰期不低于8 s的標(biāo)準(zhǔn),曲線A的半衰期可能不符合要求,因此按照路面再生規(guī)范中的評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)泡沫溫拌瀝青發(fā)泡效果是不合適的[28]。

圖6 按照半衰期、膨脹率規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)發(fā)泡效果Fig. 6 Evaluation of foaming effect according to standard of half-life and expansion rate

2.1.2 兩大指標(biāo)測(cè)試試驗(yàn)誤差

栗關(guān)裔[29]指出泡沫瀝青在確定最佳發(fā)泡條件時(shí)的試驗(yàn)誤差缺陷,主要是由于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的測(cè)試方法和試驗(yàn)設(shè)備都有缺陷,這樣試驗(yàn)結(jié)果誤差也較大。試驗(yàn)設(shè)備包括標(biāo)尺和測(cè)試桶,測(cè)試膨脹率時(shí)是目測(cè)發(fā)泡達(dá)到最大體積,測(cè)試膨脹率也是利用秒表讀取時(shí)間。在發(fā)泡過(guò)程中,由于瀝青發(fā)泡時(shí)間很短,瀝青泡沫由膨脹到衰減時(shí)間短暫,達(dá)到最大膨脹體積也難以評(píng)判,達(dá)到衰減到最大膨脹體積的一半體積也難以評(píng)判,試驗(yàn)的標(biāo)尺也有誤差。因此即使試驗(yàn)人員的讀數(shù)時(shí)機(jī)把握很好,試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)誤差還是很大。

2.1.3 兩大指標(biāo)直接用在泡沫溫拌技術(shù)上的不足

泡沫溫拌瀝青技術(shù)中,瀝青泡沫主要是以小泡沫顆粒的形式存在,填充在骨料空隙中,主要起到潤(rùn)滑和降低黏度的作用,以便于瀝青混合料的拌和、壓實(shí),降低拌和、壓實(shí)的溫度同時(shí)其各項(xiàng)性能達(dá)到要求。因此,泡沫溫拌技術(shù)的核心是和易性,需要的是一個(gè)穩(wěn)定的瀝青發(fā)泡狀態(tài),對(duì)膨脹率和半衰期的要求并不高。泡沫瀝青冷再生技術(shù)中瀝青泡沫主要是起到黏結(jié)的作用,當(dāng)瀝青泡沫碰到集料表面破碎成瀝青小顆粒裹覆瀝青混合料表面,使得集料在常溫下也能黏結(jié)起來(lái)。因此,需要瀝青泡沫足夠大,半衰期長(zhǎng)。這樣將半衰期和膨脹率評(píng)價(jià)溫拌瀝青發(fā)泡并不合適,因此需要研究新的泡沫溫拌瀝青發(fā)泡效果評(píng)價(jià)指標(biāo)及其檢測(cè)方法。

2.2 泡沫溫拌瀝青評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)

針對(duì)溫拌瀝青技術(shù)的要求特點(diǎn),即以施工和易性為核心,為了更加準(zhǔn)確、科學(xué)的評(píng)價(jià)泡沫溫拌瀝青的發(fā)泡效果,筆者在試驗(yàn)上提出非接觸式的測(cè)量方法,在指標(biāo)上提出更適合溫拌瀝青技術(shù)的指標(biāo)。

2.2.1 非接觸試驗(yàn)法

如圖7,利用三腳架,在上面安裝激光儀記錄瀝青發(fā)泡整個(gè)過(guò)程高度變化、數(shù)碼相機(jī)抓拍瀝青發(fā)泡變化情況,代替以前試驗(yàn)主要通過(guò)人肉眼讀數(shù)確定的膨脹率、半衰期,這樣試驗(yàn)更加準(zhǔn)確。

圖7 三腳架和測(cè)距儀Fig. 7 Tripod and range finder

2.2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

由于原有指標(biāo)只是記錄瀝青泡沫膨脹到最大和衰減到一半兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的情況,因此可提出能代表瀝青泡沫膨脹的整個(gè)過(guò)程的指標(biāo),這樣更能準(zhǔn)確體現(xiàn)出瀝青泡沫從膨脹到衰減整個(gè)過(guò)程的變化情況,也更有利于實(shí)際中泡沫溫拌瀝青技術(shù)的運(yùn)用。具體如下:

1) 泡沫直徑:將泡沫平均直徑作為新的評(píng)價(jià)指標(biāo),在數(shù)據(jù)測(cè)量上是直接指標(biāo),計(jì)算過(guò)程中既考慮了瀝青的黏度,又能準(zhǔn)確的反映整個(gè)發(fā)泡過(guò)程瀝青泡沫的尺寸大小。由斯托克斯定律可知,在液體中泡沫直徑越大上升速度越快。因此可以通過(guò)式(2)、式(3)計(jì)算泡沫瀝青中泡沫平均直徑:

(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的平均速率;g為重力加速度,9.8 m/s2;μ為流體的動(dòng)態(tài)黏度,Pa/s;ρb、ρf分別為瀝青及瀝青泡沫的密度,kg/m3。

其中由于瀝青泡沫的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于瀝青密度,可視ρf為0。由于整個(gè)發(fā)泡過(guò)程少于4 min,也可忽略瀝青黏度的變化。

使用高精度激光測(cè)距儀對(duì)泡沫瀝青的體積進(jìn)行測(cè)量,計(jì)算出每一秒瀝青體積變化的平均速率,結(jié)合瀝青的動(dòng)力黏度,代入式(2)得到發(fā)泡過(guò)程中泡沫平均直徑。

2) 泡沫尺寸分布:瀝青發(fā)泡過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生許多大小不一的泡沫,泡沫尺寸越大,其降黏效果也越好,但由于泡沫越大,膨脹時(shí)瀝青外膜也越薄,也越容易破裂。由于大泡沫破裂產(chǎn)生沖擊波擾亂了整個(gè)發(fā)泡瀝青,會(huì)加速泡沫的消散。反過(guò)來(lái),當(dāng)瀝青發(fā)泡產(chǎn)生的泡沫越均勻,整個(gè)發(fā)泡瀝青整體也越穩(wěn)定,降黏效果也越好。

泡沫直徑指標(biāo)是一個(gè)平均指標(biāo),雖然能表征泡沫平均直徑隨時(shí)間的變化,是整個(gè)體積的變化情況,不能表征各個(gè)泡沫個(gè)體間的差異,不能反映泡沫的分布情況。在實(shí)際瀝青發(fā)泡過(guò)程中,兩個(gè)泡沫瀝青泡沫直徑指標(biāo)相同的試樣中,一個(gè)的泡沫尺寸相差較大,另一個(gè)泡沫尺寸則比較接近,這兩者的消泡速率不同,發(fā)泡效果也不同。因此以泡沫尺寸分布表征瀝青泡沫尺寸分布情況,泡沫均勻度越好,尺寸越小,消泡速率越慢,瀝青混合料的施工和易性也就越好。通過(guò)使用相機(jī)記錄瀝青發(fā)泡、消泡過(guò)程中泡沫變化情況,通過(guò)運(yùn)用軟件Image-Pro Plus 6.0對(duì)截取的泡沫瀝青表面照片進(jìn)行科學(xué)分析和計(jì)算得出泡沫各尺寸和對(duì)應(yīng)泡沫數(shù)量,將泡沫尺寸分布作為一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠更加準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)瀝青的發(fā)泡效果。

3) 泡沫消泡速率:瀝青發(fā)泡產(chǎn)生泡沫保持不破裂越久,其瀝青表面膜的拉伸能力越強(qiáng),降黏效果也越好,混合料的施工和易性也越好。

半衰期指標(biāo)只能表征瀝青發(fā)泡從最大膨脹體積到縮小為一半時(shí)的時(shí)間,無(wú)法判斷之后泡沫膨脹體積衰減的情況,不能準(zhǔn)確判斷瀝青泡沫的穩(wěn)定性。利用消泡速率評(píng)價(jià)泡沫消泡過(guò)程,考慮了整個(gè)消泡過(guò)程,且以非接觸式試驗(yàn)方法測(cè)量瀝青發(fā)泡后體積變化情況,使得試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確,更加量化。具體的方法是利用測(cè)量結(jié)果,建立泡沫膨脹體積隨時(shí)間的變化曲線。通過(guò)對(duì)不同發(fā)泡條件的曲線的比較,得出曲線斜率越大時(shí),消泡速率越快。

3 結(jié) 論

1) 通過(guò)觀察分析瀝青發(fā)泡消泡的微觀過(guò)程,明白瀝青發(fā)泡過(guò)程其實(shí)是一個(gè)力的平衡過(guò)程,當(dāng)水蒸氣力大于瀝青表面膜力,瀝青膨脹形成泡沫;當(dāng)水蒸氣力小于瀝青表面膜力,瀝青泡沫消散;當(dāng)水蒸氣力等于瀝青表面膜力,瀝青泡沫維持穩(wěn)定。

2) 通過(guò)總結(jié)分析可知膨脹率、半衰期兩大評(píng)價(jià)指標(biāo)本身理論不足、試驗(yàn)誤差大且國(guó)內(nèi)規(guī)范的兩大指標(biāo)主要用于冷再生技術(shù),因此溫拌技術(shù)直接套用兩大指標(biāo)存在明顯缺陷。

3) 綜合分析現(xiàn)有指標(biāo)不足,筆者提出一些優(yōu)化方法:試驗(yàn)方法上提出科學(xué)、準(zhǔn)確的非接觸式的測(cè)量方法,筆者提出表征瀝青發(fā)泡的全過(guò)程的指標(biāo),如瀝青泡沫的平均直徑、泡沫尺寸分布、消泡速率等,反映瀝青發(fā)泡整個(gè)過(guò)程,利用測(cè)出的準(zhǔn)確數(shù)據(jù),可以計(jì)算出各個(gè)新指標(biāo)指數(shù),有效的評(píng)價(jià)了瀝青發(fā)泡效果,有利于泡沫瀝青溫拌技術(shù)在實(shí)際施工中充分運(yùn)用。

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