沥青发泡原理及发泡特性的试验研究

1、收稿日期 :2003 05 28; 修订日期 :2003 07 21基金项目 :上海市建设与管理委员会科技发展基金项目作者简介 :拾方治 (1977 , 男 , 江苏徐州人 , 同济大学博士生 .文章编号 :1007 9629(2004 02 0183 05沥青发泡原理及发泡特性的试验研究拾方治 1, 赫振华 2, 吕伟民 1, 徐 斌 2, 朱良镨 2(1. 同济大学 交通运输学院 , 上海 200092; 2. 上海浦东路桥建设有限公司 , 上海 200120摘要 :简述了泡沫沥青的发泡原理 , 提出了沥青发泡特性的评价指标和影响因素 . 采用德国 Wirtg en 公司生产的 WLB10

2、泡沫沥青实验机 , 对 4种常用沥青进行了发泡试验 . 试验结果表明 :沥青品种 、 发泡温度和发泡用水量是影响泡沫沥青发泡特性的主要因素 ; 每种沥青的发泡效果与发泡温度 (140 以上 没有必然的联系 , 在 150 左右 (国外一般认为在 180 左右 就能达到较好的发泡效果 . 按照一定的评价原则对 4种沥青的发泡特性进行了比较 , 并确定了它们的最佳发泡条件 , 即发泡温度在 150 左右 , 用水量在 1. 5%左右 . 该条件的得出为拌制高质量的泡沫沥青混合料提供了一定的理论依据 .关键词 :沥青 ; 发泡特性 ; 泡沫沥青 ; 试验研究中图分类号 :U416. 217 文献标识

3、码 :APrinciple and Study of Bitumen FoamingSH I Fang z hi 1, HE Zhen hua 2, L UWei min 1, X U Bin 2, ZH U L iang p u 2(1. School of Traffic &Transportation, Tongji University, Shanghai 200092, China;2. Shanghai Pudong Road &Bridge Construction Co. , Ltd, Shanghai 200120, China Abstract :The p

4、rinciple of bitumen foam ing, the evaluation parameters and the factors influencing foaming characteristics are introduced in this paper. The laboratory tests of four kinds of popular bitu men were carried out on the WLB10Wirtgen laboratory foaming machine. The test results indicate that the type of

5、 bitumen, foam ing temperature and quantity of foaming w ater are main factors that in fluence the foam ing characteristics of bitumen. Furthermore, the phenomenon that there is no certain relationship betw een foaming quality and bitumen temperature (above 140 is discovered, and at the foaming temp

6、erature of about 150 better foaming quality can be obtained. In terms of some e valuation criteria, the foam ing characteristics of four kinds of bitumen are compared, and finally foam ing temperature of about 150 and quantity of foam ing w ater of about 1. 5%are the best foam ing conditions for the

7、 four types of bitumen, which may provide certain theoretical basis for mixing foamed bitumen mixture with high quality.Key words:bitumen; foaming characteristics; foamed bitumen; laboratory study在高温沥青中加入少量水 , 沥青就会产生微细的泡沫 , 从而膨胀 . 此时沥青的物理性质会暂时 发生变化 , 其粘度显著降低 , 可以方便地与冷湿粒料拌合均匀 , 而不必像乳化沥青那样要经过额外 的乳化加工

8、, 也不必像热拌料那样需要加热至高温而耗费许多能源 , 这种状态下的沥青即称为泡沫第 7卷第 2期2004年 6月 建 筑 材 料 学 报 JOU RN AL O F BU I LDI NG M AT ERIA LS Vol. 7, No. 2Jun. , 2004沥青 . 泡沫沥青并不是一种新的沥青粘结料 , 而是一种新技术应用所带来的产物 1. 显然 , 沥青本 身的发泡性能将直接影响泡沫沥青混合料的质量 , 而沥青的发泡性能又受到较多因素的影响 . 本文 应用德国 Wirtgen 公司生产的 WLB10泡沫沥青实验机进行了有关试验 , 对沥青发泡特性进行了试 验研究 .图 1 沥青发泡原

9、理 F ig. 1 Pr inciple of bitumen foaming1 沥青发泡原理沥青发泡的基本过程如图 1所示 . 当冷水滴 (环境温度 与高温沥青 (140 以上 接触时 , 将发生以下连锁反应 :热沥青与小水滴表面发生热量 (能量 交换 , 将水滴加热至 100 , 同时沥青冷却 ; 沥青传递的热量超过了蒸汽潜热 , 导致水滴体积膨胀 , 产生蒸汽 . 膨胀腔里的蒸汽泡在一定压力下压入沥青的连续相 ; 随着融有大量蒸汽泡的沥青从喷嘴喷出 , 蒸汽膨胀 , 从而使略微变凉的沥青形成薄膜状 , 并依靠薄膜的表面张力将气泡完全裹覆 . 另外 , 在蒸汽膨胀过程中 , 沥青膜产生的表

10、面张力将抵抗蒸汽压力直到达到一种平 衡状态 , 并且由于沥青与水的低导热性 , 这种平衡一般能够维持数秒的时间 ; 发泡过程中产生的大量气泡以一种亚稳态的形式存在 , 泡沫 容易破灭 .图 2 3个以上气泡相遇时产生的 Plateau 交界 F ig. 2 Plateau boundary produced by more than three bubbles meeting 发泡过程中导致泡沫破灭的因素很多 , 一种解释为随着沥青胶团在常温下冷却 , 气泡中的蒸汽冷凝而导致气泡破灭 , 这时发泡水会存留在沥青中形成所谓的水饱和沥青 (w ater saturated bitum en ;另一

11、种解释为泡沫具有近乎稳定的蜂窝状结构的气室 , 气室两边的膜即为泡沫液膜 . 在 3个或多个气泡聚集的地方 , 液膜被弯曲 , 并凹向 气 室的 一方 , 形成普 来特 (Plateau 边界 , 如 图 2所 示 . 由于 在Plateau 交界处有较大的曲率半径 , 根据拉普拉斯 (Laplace 方程 , 在气相与液相之间就会产生压力差 , 它随液体表面张力的增加 而增大 , 随气泡曲率半径的增大而减小 , 因此在 Plateau 交界处的液压要 比附近曲率小的地方小 , 从而使得液体由小曲率处向 Plateau 交界处流动 . 这种排液作用会使液膜逐渐变薄 , 当液膜达到临界厚度时(5

12、10nm , 膜就会破裂 2. 前一种解释更适合发泡温度较低或发泡用水量较少的情况 , 因为发泡温度低 , 沥青胶团容易冷凝 , 泡沫中 的水蒸气也易低于液化温度 , 同时用水量较少 , 沥青薄膜也相对较厚 , 不会产生明显的 Plateau 交 界 . 而若是情况相反 , 则依据实际试验观察 , 发泡时产生的大量体积较大的气泡以及大量蒸汽外溢 与第 2种解释更为贴近 .2 沥青发泡特性的评价指标对于沥青的发泡效果 , 目前主要用膨胀率 (发泡体积倍数 和半衰期 2个指标加以评价 .膨胀率是指沥青在发泡状态下测量的最大体积与未发泡状态下的体积之比 . 由于在喷射过程 中先期喷出的泡沫沥青体积已

13、经开始衰减 , 因此所测量的最大发泡体积要小于实际的最大值 . 为了 使泡沫沥青与翻腾的集料充分接触 , 形成良好的裹覆作用 , 膨胀率要大 . 膨胀率越大 , 拌制的泡沫沥 青混合料质量越好 .半衰期是指泡沫沥青从最大体积缩小至该体积一半所用的时间 . 该指标实际上描述了沥青泡 沫的稳定性 . 半衰期长 , 说明泡沫不容易衰减 , 可以与集料有较长时间的接触与拌合 , 从而提高泡沫 184 建 筑 材 料 学 报 第 7卷 图 3 一定温度下的沥青发泡特性曲线 Fig. 3 Characteristic curve for bitumen foaming at certain tempera

14、tur e影响沥青发泡特性 的因素主要有 :(1 沥青的温度 .一般情况下 , 低于 120 时 , 沥青很难发泡 , 但这并不表明温度越高 , 发泡效果就越好 ; (2 发泡时的用水量 . 一般情况下 , 用水量越大 , 膨胀率越大 , 但半衰期 则越短 ; (3沥青的喷射压力 . 主要包括水压和气压的影响 , 压力较低会使沥青与水混合不够均匀 , 对膨胀率和半衰期都不利 ;(4当沥青反复加热而导致沥青老化后 , 发泡效果不好 ;(5 消泡剂 (例如硅化合物 的存在 , 会影响发泡效果 ; (6沥青中加入表面活性物质 (发泡剂 , 可以明显改善沥青 的发泡特性 . 实际操作时主要是通过改变发

15、泡温度和用水量 , 来 研究膨胀率与半衰期的变化关系 , 以期找到最佳的发泡效果 , 并在这种状态下拌制泡沫沥青混合料 3. 而通常情况下膨胀率与半衰期两者不可能都达到 最优 , 如图 3所示 . 一般认为最好的发泡性能是出现在膨胀率和稳定性都较好之时 . 目前对于发泡 性能尚无明确的数值标准 , 无论取高膨胀率还是较长的半衰期 , 均不如两者都适当时的效果好 . 3 沥青发泡特性试验研究3. 1 试验过程试验中使用了 WLB10型沥青发泡实验机 , 这台机器装备了曾用在 WR2500道路再生机上的 沥青喷射系统 , 只是按比例缩小了 . 该机器可以约 100g/s 的速率喷射沥青 . 接受泡

16、沫沥青的低碳 钢铁桶的直径与测量膨胀体积的量尺 , 与 500g 沥青的喷射量相对应 . 由于发泡温度的变化会导致 沥青粘度变化 , 从而对喷射泡沫沥青的流量产生影响 , 因此每次试验前均要调整沥青喷射时间 , 以 保证沥青喷射量为 500g. 用水量也与沥青流量相对应 , 因此标定完沥青喷射量就要根据沥青流量 标定用水量 . 而且值得注意的是 , 对于沥青与水的标定都是在一定的气压与水压下进行的 , 压力参 数的变化对沥青喷射流量和用水量影响明显 . 对 4种国内常用沥青 :韩国 AH 70、 壳牌 AH 70、 镇海 AH 70和埃索 AH 70进行了发泡试验 , 以考察其发泡性能 .3.

17、 2 试验结果试验在室温 20 左右进行 , 选择 140, 150, 160和 170 共 4种沥青发泡温度 , 每种温度下发 泡用水量分别取 1%, 2%, 3%, 4%和 5%(相对于沥青的质量分数 , 下同 , 量测其膨胀率与半衰期 . 由于试验中的各种条件都有可能影响试验结果 , 使试验的重现性不好 , 故为了确保数据的可靠性 , 每种发泡状态均反复试验 35次 , 求其平均值 . 所得结果以半衰期为 x 轴 , 膨胀率为 y 轴 , 按 y =a ln x +b (其中 a 和 b 为回归系数 的形式 , 将韩国 AH 70、 壳牌 AH 70、 镇海 AH 70和埃索 AH 70

18、的回归曲线 (相关系数 0. 810. 98 绘于图 4. 图中每条曲线代表 1种发泡温度 , 曲线上圈中数字表 示发泡用水量 (%.3. 3 试验结果分析1. 由于沥青发泡过程主要是沥青物理性质的变化过程 , 因此对于普通针入度级的沥青均可进 行发泡 . 但由试验结果可知 , 在相同温度、 相同用水量条件下 , 不同产地和油源的沥青 , 由于其组分 不同 , 使得其发泡特性不尽相同 . 由此说明沥青的发泡特性在某种程度上要受到组分的影响 , 尤其 是要受到那些由沥青组分决定的物理性质 , 如不同温度下的粘度和导热系数等的影响 . 依据上述分 析 , 较好的发泡效果应该使膨胀率和半衰期均较高

19、, 按照这一原则 , 考察 4种沥青的膨胀率与半衰 期在分别大于某一数值的条件下 , 其发泡曲线满足这一条件的范围 . 如果该范围较广 , 并且数值较 大 , 就可以认为该沥青发泡效果较好 . 由此 , 若取膨胀率和半衰期均大于 10, 可以得出本文所研究 4 70.185第 2期 拾方治等 :沥青发泡原理与特性的试 验研究 图 4 4种沥青的发泡特性曲线F ig. 4 F oaming char acteristic curve of four ty pes of bitumen (number in circle denotes moisture content! 140 ; # 150

20、; 160 ; % 1702. 试验结果表明 , 沥青发泡特性与发泡温度 (高于可发泡温度 无必然联系 , 这与有关发泡温度 越高则发泡效果越好的结论不符 . 这进一步说明了沥青的发泡过程是一个复杂的热力学过程 . 温度 高虽然有利于沥青产生泡沫 , 但将使沥青表观粘度降低 , 从而使得沥青薄膜的 弹性降低 , 削弱了 Plateau 边界使薄膜变薄的 &自愈 能力 , 这对膨胀率和半衰期都不利 . 因此 , 仅根据发泡温度来判断 发泡效果是不合理的 .3. 对于同一种沥青 , 在同一温度下 , 膨胀率随发泡用水量的增加而增大 , 半衰期则随用水量的 增加而减小 . 从图 4可以看出

21、, 当用水量从 1%增加到 2%时 , 半衰期递减较快 ; 用水量进一步增加 到 3%时 , 大部分沥青半衰期降低幅度已明显减小 ; 当用水量由 3%增加到 5%时 , 降低幅度则更 小 . 由此可见 , 泡沫沥青所产生的热力学系统的稳定性 (半衰期越长 , 系统稳定性越好 随用水量的 增加而变差 , 但当用水量增加到一定程度时 , 系统稳定性变化较为平缓 . 此外 , 观察发泡用水量同膨 胀率的变化关系可看出 , 沥青膨胀率随用水量的增加而增大的幅度较为均匀 , 表明了在一定温度下 发泡水在沥青中几乎可以完全汽化 , 其汽化程度同用水量成正比 .4. 根据试验所得到的各沥青发泡特性曲线 (图

22、 4 , 综合考虑膨胀率和半衰期 2个因素 , 可得出 各沥青的最佳发泡温度和发泡用水量 , 并以此作为确定泡沫沥青混合料拌制条件的参考依据 . 具体 过程为 :首先将位于图中最上方的发泡曲线所对应的温度作为最佳的发泡温度 , 然后在此曲线上找 出膨胀率和半衰期都较高的位置 , 可得出 4种沥青的最佳发泡条件 , 如表 1所示 . 表 1结果表明 , 4种沥青的最佳发泡条件应是 :发泡温度在 150(C 左右 , 用水量在 1. 5%左右 .虽然目前在拌制泡沫沥青混合料时 , 没有严格规定泡沫沥青的膨胀率和半衰期 , 但根据国外对 泡沫沥青的研究成果发现 , 膨胀率大于 10, 同时半衰期不低

23、于 12s, 是被普遍接受的条件 . 从试验 结果来看 , 这 4种沥青能满足这一条件的发泡范围很有限 , 说明未掺加表面活性剂 (发泡剂 的沥青 一般很难找到较为广泛的发泡范围 . 发泡范围较窄会使得实际操作变得困难 , 因为这对发泡条件的 要求将更为严格 . 在实际工程应用中 , 并不是所有沥青都能制成高质量的泡沫沥青 . 有些沥青即使 在多种发泡条件下 , 其发泡效果也不能尽如人意 , 说明这些沥青不适合拌制泡沫沥青混合料 , 工程 .186 建 筑 材 料 学 报 第 7卷表 1 4种沥青最佳发泡特性Table 1 Best foaming characteristic of fou r types of bitumen in testType ofbitumenFoam i ng temperature/ M ois ture content/%Expansion ratio Half life/s Korea AH 701501. 51112Shell AH 701501. 51112Zhenhai AH 701501. 51617Esso AH 701402. 012124 结论泡沫沥青的发泡过程是一个复杂的热力学过程 , 在该过程中 , 沥青的物理性