基質瀝青發泡性能影響因素分析

陳 波 席貴東

(重慶市智翔鋪道技術工程有限公司 國家山區公路工程技術研究中心特殊鋪裝技術研究所，重慶 400067)

1 概述

泡沫瀝青是通過在熱瀝青中噴入水，利用溫度差使水發生汽化反應導致瀝青體積增大，在不增加瀝青用量的情況下，有效地增大瀝青同礦料的裹覆面。在蒸汽膨脹過程中，瀝青膜產生的表面張力將抵抗蒸汽壓力直到達到一種平衡狀態，并且由于瀝青與水的低導熱性，這種平衡一般能夠維持數秒的時間。經過大量試驗研究，國內外普遍采用瀝青膨脹率和泡沫半衰期表征發泡效率和穩定性。影響瀝青發泡特性的主要因素包括瀝青溫度、用水量、噴射壓力、消泡劑。一般認為，泡沫瀝青的發泡效率隨瀝青溫度升高而提高，但過高的溫度會導致瀝青在發泡過程中老化。此外，提高發泡用水量和水壓能夠增大瀝青膨脹率，發泡用水過多對半衰期指標有不利影響。在選擇發泡用水時，應盡量使用純凈水，以減少其他化學物質對發泡效果的影響。

本文使用韓國SK70號、SK90號以及中海70號基質瀝青為研究對象，使用德國維特根公司生產的WLB10型瀝青發泡試驗機對瀝青進行發泡，記錄泡沫瀝青的膨脹比和半衰期。研究瀝青種類、發泡溫度、用水量對發泡效率的影響規律，提出瀝青最佳發泡條件。

2 原材料與試驗方案

2.1 實驗材料

以韓國SK70號、SK90號以及中海70號基質瀝青為研究對象，進行發泡實驗，三種基質瀝青的技術指標如表1所示。

表1 瀝青的技術指標

2.2 儀器

使用德國維特根公司生產的WLB10型瀝青發泡試驗機，如圖1所示。使用隨機附帶的量尺測試泡沫瀝青所達到的最大體積并記錄下來作為膨脹比，使用秒表測試泡沫瀝青從最大體積開始消散至最大體積的一半所經歷的時間并記錄下來作為泡沫瀝青的半衰期。

2.3 試驗方案

使用發泡機對瀝青進行發泡試驗，氣壓設置為0.5 MPa，水壓力為0.6 MPa；開啟加熱系統對瀝青進行加熱，在發泡前對瀝青進行保溫，時間不少于5 min；標定每次發泡瀝青噴射時間為5 s，噴射效率為100 g/s；標定發泡用水量，對瀝青進行發泡作業，并記錄瀝青膨脹率(ER)和半衰期(HL)指標。發泡過程中設置發泡溫度為150 ℃～180 ℃，間隔10 ℃；發泡用水量為瀝青質量的1.5%～3.5%，間隔0.5%。

3 實驗結果與分析

3.1 瀝青類型對發泡效率的影響

在170 ℃下分別對SK70號、SK90號、ZH70號三種瀝青進行發泡，用水量為1.5%，2.0%，2.5%，3.0%，3.5%，測試泡沫瀝青的膨脹率和半衰期，研究瀝青類型對發泡效率的影響，實驗結果如圖2所示。

由圖2可知，隨著用水量的上升，三種瀝青的膨脹率均呈上升趨勢，半衰期不斷減小，表明增加用水量能夠提高瀝青的泡沫化程度，對于泡沫瀝青的穩定性有不利影響。對比不同瀝青的泡沫化程度可知，在相同用水量條件下瀝青的膨脹率由大到小排序為ZH70號>SK70號>SK90號。瀝青的半衰期變化規律較為復雜，ZH70號基質瀝青具有較大的半衰期，SK70號瀝青的半衰期在用水量從1.5%增大到2%時降幅較大，之后趨于穩定；在用水量為1.5%時，SK90號基質瀝青的半衰期低于其他兩種瀝青，同時SK90號瀝青半衰期隨用水量增大的變化幅度較低，使用高標瀝青對于發泡效率沒有顯著的提升效果。

3.2 瀝青常規指標與發泡效率相關性分析

不同瀝青的發泡效率具有差異，對發泡條件的敏感程度也不同。一般而言，瀝青的物理化學特性與其發泡效率有直接關系。本文在170 ℃，2.5%發泡用水量下對瀝青進行發泡實驗，使用灰色關聯方法計算SK70，SK90，ZH70三種瀝青針入度、粘度、軟化點與發泡效率的關聯度，值越大，表明該項指標與發泡效率的相關性越顯著。瀝青性能指標與發泡效率的相關性計算結果如表2所示。

表2 瀝青發泡效率灰色關聯度分析

由表2可知，三種瀝青的性能指標與發泡效率相關性由高到低為動力粘度>軟化點>針入度，表明粘度是影響瀝青發泡效果的主要因素，針入度、軟化點對瀝青的發泡效率影響較低，在選擇泡沫瀝青的原材料時，要重點考察瀝青的粘度指標。對比泡沫瀝青膨脹率與半衰期相對瀝青常規性能的關聯參數可知，瀝青的膨脹率與瀝青性能的關聯性更加顯著，三種瀝青在這一方面具有一致性。

3.3 瀝青發泡條件研究

根據上節研究，瀝青類型和用水量對發泡效率均有較大程度的影響，因此，研究不同瀝青的合理發泡條件對泡沫瀝青的運用有重要意義。本節調整瀝青的發泡用水量和發泡溫度，測試膨脹率和半衰期如圖3，圖4所示。

由圖3，圖4可知，三種瀝青的泡沫化指標變化規律具有一致性，在同一溫度下，隨著加水量的增加，膨脹比逐漸增大，而半衰期則逐漸減小。膨脹率對發泡溫度的改變較為敏感，半衰期隨溫度增大無明顯變化，以2.5%發泡用水量為例，當溫度從150 ℃增加到160 ℃，三種瀝青的膨脹率增大了13%，10.5%，23.5%，半衰期變化了-2.5%，6.8%，-2.6%，膨脹率隨溫度升高具有明顯的增長規律，半衰期隨溫度升高無明顯變化規律。發泡用水量對不同瀝青的影響程度有顯著差異，采用線性回歸方程擬合瀝青170 ℃條件下膨脹率和半衰期隨用水量的變化曲線如表3所示，線性回歸模型的一般公式如式(1)所示：

表3 瀝青泡效率回歸分析

y=ax+b

(1)

其中，y為瀝青的泡沫化指標(膨脹率或半衰期)；x為用水量；a，b均為擬合常數。

根據回歸方程，a表征瀝青泡沫化指標對用水量變化的敏感性，b表征瀝青初始泡沫化程度。對比瀝青膨脹率的回歸方程擬合參數可知，ZH70號瀝青的膨脹率對用水量的變化較為敏感，但膨脹率初值較小；SK瀝青的膨脹率曲線斜率較小，表明提高用水量對于瀝青的發泡效果影響較低。瀝青的半衰期隨用水量增大而降低，其中SK瀝青半衰期回歸方程斜率大于ZH瀝青，SK瀝青的半衰期變化較為穩定。

上述研究表明，在相同發泡條件下，不同瀝青的發泡效率存在顯著差異，因此本文根據三種瀝青的試驗結果確定其合理發泡條件。已有的研究證明，若膨脹比小于5、半衰期小于5 s，則瀝青的發泡性能非常差，不能與集料進行較好的混合。目前國內外對于泡沫瀝青的發泡性能還沒有統一的要求，Ruckel等人建議膨脹比在8～15，半衰期大于20 s時泡沫瀝青性能較好。德國維特根公司的泡沫瀝青冷再生試驗表明：為獲得高質量的泡沫瀝青混合料，膨脹比應大于15，半衰期在5 s～10 s內。我國JTG/T 5521—2019公路瀝青路面再生技術規范規定泡沫瀝青的膨脹率應大于10倍，半衰期大于8 s。根據我國《規范》對泡沫瀝青的性能要求，綜合考慮膨脹比、半衰期兩個指標后，確定三種瀝青的發泡條件，測試瀝青的泡沫化指標如表4所示。由表4可以看出，不同的瀝青，其發泡特性差異較大，建議試驗溫度取160 ℃～170 ℃，發泡加水量取2.0%～2.5%，推薦膨脹比大于15倍，半衰期大于8 s。

表4 三種瀝青合理發泡條件

4 結語

1)瀝青的類型對發泡效率有顯著影響，在相同條件下，ZH70號瀝青的膨脹率和半衰期均大于SK70號瀝青和SK90號瀝青。瀝青的動力粘度與發泡效率具有顯著的相關性，針入度、軟化點對瀝青泡沫化程度的影響程度較低。

2)不同瀝青的泡沫化指標隨發泡條件的變化規律具有一致性，適當提高用水量有利于增大瀝青的發泡效率，發泡溫度對膨脹比和半衰期指標無明顯影響規律。瀝青的膨脹率對發泡用水量變化的敏感性較高。

3)三種瀝青的最佳發泡條件具有顯著差異，建議基質瀝青的發泡溫度范圍為160 ℃～170 ℃，發泡用水量為2.0%～2.5%，推薦膨脹比大于15倍，半衰期大于8 s。