泡沫温拌沥青混合料不同施工阶段发泡水含量变化规律研究

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楼主 2021-10-09 15:54:21
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概述

 

泡沫沥青温拌技术是将一定比例的水与热沥青同步加入到发泡装置内,冷水遇热沥青急剧汽化,体积迅速膨胀,生成泡沫沥青。沥青以泡沫形态喷入拌缸与集料拌和成沥青混合料,泡沫沥青的粘度大大降低,和易性增强,使得泡沫沥青混合料可以在比常规热拌沥青混合料低20~30℃的情况下拌和与施工。泡沫温拌技术作为温拌家族的重要一员,除了具备节能、减排,提高混合料和易性,延长混合料寿命等特点外,还因为其不需要添加任何额外的化学添加剂,仅需沥青量的1%~3%水的特点,被称为“真正绿色的筑路技术”。根据2010年美国沥青路面协会NAPA对48个州及地区1027家沥青混合料供应商的调查,由2009年到2010年美国温拌沥青的用量增加了近150%,2010温拌沥青在美国的用量已经达到了近5000万t,而泡沫沥青的用量在温拌沥青混合料中的比例超过了90%。

 

泡沫温拌技术在国外得到了较广泛应用,而在中国则几乎没有应用,进口的泡沫温拌胶结料生产设备昂贵是一方面原因,另一原因主要是沥青发泡过程需要加入水给业内人士带来了较大困扰。那么,究竟发泡用水在泡沫温拌沥青混合料内以什么方式存在,在施工结束后发泡水的残留量有多少值得研究,以便于清晰认识泡沫沥青内水分存在的状态。

 

试验材料与设备

 

研究采用韩国双龙70#道路石油沥青和SBS改性沥青作为基质沥青,按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》及SHRP试验标准中的相关试验方法对70#道路石油沥青和SBS改性沥青相

关性能指标进行试验测定。

 

室内发泡试验采用德国维特根WLB10型发泡试验机。发泡参数为:道路石油沥青150℃,改性沥青温度165℃,发泡水温均为30℃,用水量均为3%。

 

由于泡沫温拌沥青胶结料的泡沫不稳定,为了保持住泡沫沥青在不同阶段的发泡状态及含水量,运用粒径较小的干冰对各阶段泡沫沥青胶结料进行速冷,以保持泡沫沥青在各个施工阶段完成后的气泡状态和含水量。

 

由于泡沫沥青材料的特殊性,传统的微观观测仪器和水分含量检测方法难以对其进行观察和精确测定,文中选择3D-X射线显微镜和蒸馏法对其进行微观观察和水分含量测定。

 

蒸馏法的测量范围大,千分之一以上的含水量都可以用这种方法来进行检测。该试验的操作简单、安全且成本低,是中国原油含水量测试的主要方法。

 

试验样品制备

 

微观电镜试验样品制备

 

研究要求泡沫沥青样品要迅速冷却并保持各施工阶段时的状态,且在试验时尽量不破坏样品。试验样品制备时,将特别准备的冷冻管放在试管架上,冷冻管要求能够耐低温和高温,直径小于10mm,并连上玻璃漏斗。将准备好的泡沫沥青从搅拌器中拿出立即倒入冷冻管中,倒沥青的过程中确保没有空气混入,倒满后立即将冷冻管放入干冰中冷却,样品冷却后拿出密封,准备微观电镜观察。

 

含水量试验样品准备

 

由于热沥青冷却过程比较长,为了较为准确地捕捉各施工阶段水分在泡沫沥青中的含量,研究同样运用干冰将试验样品进行瞬时冷却,使得沥青样品状态保持在特定的时刻,并在试验前低于100℃的条件下对沥青进行加热取样,充分保证泡沫沥青中的水分不挥发,以利于试验数据的准确性。

 

由于现场施工过程中的泡沫沥青很难在保持原有状态的条件下进行回收利用,所以研究中通过室内试验模拟施工过程中拌和、运输、摊铺和压实4个阶段,并以此制备相应的沥青样品。

 

研究中将各泡沫沥青样品在特定的温度(参照实际施工过程中各个阶段的现场施工温度)下保温一定时间来模拟施工的不同阶段,同时在模拟拌和及摊铺时对泡沫沥青进行搅拌。

 

泡沫沥青中的水分在各施工阶段的相态观察

 

泡沫沥青(SBS)在倒入冷冻管的过程中,由于冷冻管口径很小,倒入过程慢,泡沫沥青(SBS)粘度增加较快,会在冷冻管内产生大范围的空隙,对试验结果产生影响。因此,此次试验只选取泡沫沥青(70#)在不同施工阶段的状态进行试验观察。泡沫沥青(70#)试验样品通过室内模拟方法以及样品准备方法进行制备。

 

较暗的条形部分为装有泡沫沥青的冷冻管,里面较暗的部分为沥青,其中存在一些白色的圆形图案,这就是泡沫沥青中“油泡”,但这其中沥青包裹的并不是真正意义上的液态水,而是由于泡沫沥青在高温条件下,水是以水蒸气的状态存在,从而形成的一种“油包气”的状态,它并不能代表泡沫沥青的真正含水量。

 

可知:泡沫沥青(70#)在拌和完成后还存在一定量的水分,该部分的水分在高温条件下呈气态并被沥青包裹。可知:经过较长时间的运输,泡沫沥青(70#)中的水分散失了一部分,图像中气泡的数量明显减小,气泡的体积也变小。同时经过摊铺过程以后,显示,气泡数量和体积继续减小,一部分气泡已经难观察到。最后经过碾压完成后,已经很难观察到水分的现在,但具体分析还需要进行水分含量测定试验。

 

由以上分析可知,泡沫沥青在施工过程中,由于存在高温、搅拌、碾压等施工条件,泡沫沥青中的水分以气态形式存在并被沥青包裹,同时形成的这种“油泡”在施工过程中不断地减少和变小,伴随着水分不断散失。

 

泡沫沥青中的水分在各施工阶段的散失情况分析

 

研究过程中选取70#道路石油沥青和SBS改性沥青在室内进行发泡,制成泡沫沥青(70#)和泡沫沥青(SBS),再通过模拟方法制备不同施工阶段的泡沫沥青样品,运用蒸馏法进行含水量测定,每种样品进行3次平行试验,并算出各个施工阶段的水分散失率。

 

可知:(1)每种样品进行3组平行试验,试验结果的变异系数CV都在1%~6%之间,试验数据较为稳定。(2)随着施工的不断进行,泡沫沥青中的水分不断散失,基本上呈线性下降趋势,且在同等水分掺量条件下,泡沫沥青(SBS)在各施工阶段的水分残余量要大于泡沫沥青(70#)的水分残余量。(3)泡沫沥青(70#)的水分散失率较大的是在拌和、摊铺阶段,而泡沫沥青(SBS)水分散失率较大的是在拌和及运输阶段。(4)经过施工过程,无论是对于道路石油沥青,还是对于SBS改性沥青,泡沫温拌沥青混合料中的水分残留量都极低,均在沥青质量的0.2%以下。

 

结论

 

通过室内试验分析了水分在泡沫沥青混合料拌和、运输、摊铺和压实阶段的存在状态和数量,所得结论主要包括:

 

(1)沥青发泡过程中,液态水气化,并被沥青裹附形成“油泡”,随着施工的进行,“油泡”不断变小直至消失。(2)泡沫沥青中的水分含量随着施工的不断进行基本呈线性下降趋势,在同等水分掺量条件下,泡沫沥青(70#)在各施工阶段的水分含量要小于泡沫沥青(SBS)的水分含量,泡沫沥青(70#)在拌和、摊铺阶段水分散失率较大,而泡沫沥青(SBS)在拌和、运输阶段水分散失率较大。(3)施工结束后,无论是对于道路石油沥青还是改性沥青,泡沫温拌沥青混合料中的水分含量均小于沥青质量的0.2%。

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