2021-08-30
 
沥青降粘—泡沫沥青技术
2021年08月30日   阅读量:24864

沥青作为道路工程使用时,需与石料拌和形成沥青混合料,再经过摊铺、压实之后形成沥青路面。为了实现沥青与拌和材料拌和,需要降低沥青的粘度,使得沥青呈现良好的流动性,从而使得与石料充分接触、浸润,待温度降低后形成有一定强度和刚度的沥青混合料。


1、泡沫沥青研究进展


1956年,美国依阿华州立大学LadisCsanyi教授首次将泡沫沥青用于全尺寸回收冷拌沥青混合料沥青网sinoasphalt.com。Ladis Csanyi教授将蒸汽注入热沥青中,然后通过喷嘴喷出形成沥青泡沫,其技术原理是通过降低沥青粘度和表面能,使得沥青在常温下与石料实现良好的裹覆。1971年,澳大利亚的Mobile Oil(美孚石油公司)对工艺作了改进,第一个提出了用冷水代替蒸汽的泡沫沥青发生装置上世纪90年代新开发的泡沫沥青发生装置增加压缩空气的喷射,使水滴与沥青混合,有助于泡沫沥青的形成,开始应用就地冷再生和厂拌冷再生。2002年德国的设备制造商维特根(Writgen Group)在前人研究的基础上,改进了泡沫沥青的生产工艺,并应用于其泡沫沥青就地冷再生技术,目前已经全世界进行大规模推广应用,在我国混合料冷再生技术领域占据主导地位。

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泡沫沥青装置典型结构示意图


21世纪初泡沫沥青将其应用领域扩展到温拌沥青混合料领域。泡沫沥青温拌技术,是指在正常热拌沥青混合料生产过程中,在高温沥青中以喷嘴喷射的方式添加一定比例的水,从而使沥青急剧汽化,体积迅速膨胀,生成混合物叫泡沫沥青。再将泡沫沥青加入拌和仓中与集料拌和成沥青混合料,泡沫沥青物理性质发生短时变化,沥青的粘度显著降低,施工和易性提升,混合料在相对较低的温度下就可进行拌和、摊铺和碾压。


2、泡沫沥青的原理


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,可以方便地与冷湿集料拌合均匀,而不必像乳化沥青那样需要经过额外的乳化加工,也不必像热拌料那样需要加热至高温而耗费许多的能源,这种状态下的沥青即成为泡沫沥青。泡沫沥青并不是一种新型的沥青材料,而是相对于沥青来说的沥青搅拌技术,且泡沫沥青的技术的核心在于设备。

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 泡沫沥青现场样品展示

3、泡沫沥青的技术特点


为了衡量沥青的发泡效果,目前主要用膨胀率(发泡体积倍数)、半衰期2指标加以评价。


膨胀率是指在沥青发泡状态下最大体积与未发泡状态下体积之比。由于沥青在喷射过程中先前喷出的泡沫沥青体积已经开始衰减,因此所测得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动的集料充分接触,并形成良好的裹覆,则沥青的膨胀率越大,拌制的泡沫混合料质量越好。


半衰期是指泡沫沥青最大体积缩小到盖体积一半所维持的时间。该指标实际描述了沥青泡沫的稳定性。半衰期长,沥青泡沫破灭速度越慢,集料就能有较长时间与沥青泡沫接触与拌和,提高泡沫沥青混合料的质量。

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 一定温度下的沥青发泡特性曲线


通常,随着发泡温度和水量的增加,膨胀率会增加,半衰期会减少。而半衰期的降低会导致沥青膜的厚度变薄,从而使得沥青的粘度降低。随着粘度的降低,沥青膜的表面张力也会下降,当在气泡内的蒸气压超过沥青和水泡表面的张力,就会导致气泡的破裂,泡沫沥青的就会失效。

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沥青发泡效果评价流程图


3、泡沫沥青冷再生技术


上世纪90年代泡沫沥青开始用于厂拌冷再生技术和就地冷再生技术中。厂拌泡沫沥青冷再生混合料是一种半柔性的沥青稳定材料,与乳化沥青用冷再生、热拌沥青混合料在形成机理、材料要求、配合比的设计都有很大的差别。目前国内使用最多的是维特根的技术,自1998年,维特根将沥青路面冷再生技术引入中国,在过去的20多年中,维特根冷再生技术在全国所有省份皆有应用,应用面积超过3亿平方米。泡沫沥青冷再生技术,主要的原理是对原有的面层料先进行铣刨,再与冷再生机中的发泡装置产生的泡沫沥青进行拌和,摊铺之后,作为沥青路面的基层使用,最后在其上面摊铺新沥青混合料,实现路面材料的快速再生,在交通量较大的城市道路有着重要应用。其工作原理见下图,主要特点设备多,工艺复杂。

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4、泡沫沥青温拌技术


21世纪初泡沫沥青将它的应用领域扩展至温拌沥青技术中,用于提供沥青混合料的施工和易性。泡沫沥青温拌技术原理是利用发泡设备将高温沥青与水在发泡室内共混、发泡,发泡设备有多种形式和种类。机械发泡的典型代表工艺主要有Astec绿色双滚筒及MEEKER沥青发泡工艺等,泡沫沥青温拌的技术优势:


  • 适用性广泛,工程实践证明,泡沫沥青温拌技术具有广泛的适用性。普通沥青混合料、橡胶改性沥青混合料、SBS改性沥青混合料、SMA混合料、超薄沥青混合料以及再生沥青混合料,均可采用该工艺进行生产施工。

  • 降低沥青老化程度。研究表明,当温度高于100℃时,沥青加热温度每增加10℃,其老化的速率将提高1倍。泡沫温拌沥青混合料路用性能同热拌沥青混合料相近,但拌和及施工温度的降低,可有效减轻沥青的老化,使得混合料具有较强的抗疲劳性能,延长路面使用寿命。

  • 延长拌和设备使用寿命。由于生产温度的降低,混合料生产过程中对钢铁制生产设备的损耗也相应降低,可以延长设备使用周期和使用寿命,降低维修保养成本。


正是由于其先进的技术特点,其在温拌沥青技术市场一直占有重要的地位,下图为美国不同技术生产的温拌沥青混合料产品占比,从图上可以发现,近10年来泡沫温拌沥青混合料的占比一直在50%以上,其中在2011年更是高达95.4%,近几年随着化学添加剂类温拌技术的发展,泡沫温拌占比有所下滑,但其主导温拌沥青市场的地位并没有受到影响。


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美国温拌沥青混合料生产技术比例


在国内,由于温拌技术起步较晚,设备不够成熟,优先发展化学添加剂类的温拌沥青混合料技术,而泡沫温拌技发展较慢,但是由于泡沫沥青技术独特的优越性,近几年,越来越多的科研结构投入到泡沫温拌沥青研发。