沥青发泡机理及发泡效果评价指标研究*

黄维蓉，任海生

(1.重庆交通大学 材料科学与工程学院，重庆 400074；2.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

0 引 言

泡沫温拌沥青混合料技术作为一种新型的沥青混合料生产方式，因不产生化学反应、降低生产能耗、减少废气和粉尘排放，以及生产成本降低，延长施工工期，且不会造成沥青混合料性能降低等优点，如今越来越受到国内外公路界的推崇[1-2]。泡沫沥青是由高温沥青与冷水一定条件下混合制备形成的一种特殊状态的沥青结合料[3-4]。在此过程中，主要发生的是物理转化，相比普通沥青，泡沫沥青黏度低，但和易性增加，可以在较低的温度下充分裹覆集料，降低了沥青混合料的拌和温度，实现泡沫沥青温拌混合料生产、摊铺及碾压等一系列道路施工操作[5]。

沥青发泡技术最早在德国出现，历经多年的发展，目前在冷再生技术中得到了较为广泛的应用[6-7]。但在我国现行规范中对泡沫沥青及其混合料的各方面性质标准规范还很少，现行沥青发泡效果评价指标主要是膨胀率和半衰期，在JTG F 41—2008《公路沥青路面再生技术规范》中规定膨胀率不小于10倍，半衰期不小于8 s。而对于泡沫温拌技术还没有具体标准规范，实际施工中是直接套用冷再生技术规范。由于温拌技术与冷再生技术本身上的差异，对沥青及混合料的要求有很大不同，对于沥青发泡效果的评价要求也存在差异，在泡沫温拌技术中用这两大指标不可避免存在很多问题。

笔者从现有评价指标本身理论不足、试验受人为影响大、直接用在泡沫温拌技术，3个方面深入分析现有评价指标用于泡沫沥青温拌技术上的缺陷，并提出利用激光测距仪、数码相机等设备进行试验的优化方法，提出3个全新评价指标用于评价泡沫温拌沥青发泡效果，以便于室内和室外试验更加准确的进行，更好的找到泡沫温拌沥青的最佳发泡条件，更有利于现场施工质量的控制。

1 沥青发泡机理

1.1 发泡机理

泡沫沥青是高温沥青与冷水、压缩空气通过混合制备(见图1)而成，当冷水接触高温沥青变成蒸汽并使沥青体积发生巨大膨胀，最终产生大量沥青泡沫。

图1 沥青发泡机理Fig. 1 Mechanism of asphalt foaming

其发泡过程如下[8-10]：

1) 当冷水滴与高温沥青(140 ℃以上)接触发生热交换时(见图2)，水滴温度迅速升高，沥青温度迅速降低；当温度下降到100 ℃时，沥青面层的水蒸发，沥青温度继续下降。

2) 冷水在吸收了大量热量后汽化，在克服沥青膜表面张力，将沥青内的沥青分子推到沥青面，宏观表现为沥青形成沥青泡沫并且体积迅速增大，沥青膜面面积增大，形成大量的爆炸性沥青泡沫(见图3)。

图2 液体汽化体积变化Fig. 2 Liquid vaporization volume change

图3 冷水加入热沥青反应Fig. 3 Cold water added in hot asphalt reaction diagram

3) 泡沫体积膨胀到原来的数倍甚至数十倍，随着泡沫的膨胀，水蒸气温度降低，压力逐渐减小直至与沥青泡沫表面张力达到平衡。

1.2 消泡机理

根据Z.A.AREGA，H.I.OZTURK等[11-12]在其研究中提出沥青发泡过程中不稳定、短暂的泡沫和半稳定、长寿命的两种泡沫，可将泡沫的消散过程分为不稳定和半稳定两个阶段。见图4。

图4 两种不同沥青泡沫Fig. 4 Two different asphalt foam

1.2.1 不稳定阶段

在冷水射入热沥青后，由于水蒸气在沥青内分布不均匀，沥青发泡形成不均匀分布的蜂窝状泡沫，沥青膜厚度也相差较大。随着沥青的膨胀，每一个沥青泡沫薄膜快速变薄，泡沫也极容易破裂(见图4中带有薄膜的多面体)。在宏观上表现为泡沫沥青达到最大膨胀体积后迅速衰减，以恢复原来的体积。由于这一阶段沥青是在几十秒内完成体积膨胀和衰变过程，泡沫体积变化剧烈，这一阶段称为不稳定阶段。

以下几个原因导致这一阶段泡沫容易破灭[13-16]：

1) 水蒸气压力过大。泡沫内蒸汽克服表面张力做功，蒸汽提供泡沫内部的压力。泡沫体积迅速变大，超过表面张力极限后破裂。

2) 水蒸气温度下降。当泡沫上升到泡沫温拌沥青表面与空气接触后，沥青膜温度和泡沫内部温度骤降。温度下降导致内压降低，表面张力增大，向内收缩发生崩裂。

3) 泡沫上升速度。泡沫直径大的泡沫会以更快的速度上升到表面(速度正比于泡沫直径的平方)，并最终破裂。发泡水越多，遇热后水蒸气体积越大，泡沫直径越大，上升速度快，破裂快。这也是用水多，膨胀率大的泡沫较用水少的泡沫沥青不稳定的原因之一。

4) 流动。在泡沫温拌沥青喷入容器后，由于浮力，下部的泡沫向表面运动，上部的液态沥青向容器底部运动。在运动过程中打破了多个泡沫聚集在一起形成的一种相对稳定的状态，发生排液作用，使得沥青膜变薄，导致泡沫在上下运动过程中容易发生破裂。

1.2.2 半稳定阶段

半稳定泡沫阶段持续时间较长，该阶段泡沫相对稳定，体积减小慢。因此对于泡沫的消散应该重点分析半稳定泡沫阶段(见图4带较厚膜的球体)。

同不稳定阶段一样，半稳定阶段沥青内部蒸汽压力促使泡沫膨胀，泡沫直径变大。然而，经过不稳定阶段发泡后，水量不足，沥青温度的降低导致热量不足，这两个因素使得泡沫难以不停膨胀直至破裂。表面张力与内部蒸汽压力达到平衡，泡沫直径也达到一个平衡值，泡沫能够在一定时间里保持稳定。同时，液态沥青量较不稳定阶段多，导致每个泡沫的油膜变厚，不易破裂。由拉普拉斯方程可计算平衡时沥青泡沫半径，如式(1)。

(1)

2 沥青泡沫评价指标

发泡不仅应用于食品、无机材料、聚合物等领域，沥青的发泡也有很长的历史[17]。泡沫沥青属于通用泡沫体系中的一种，因此，从研究泡沫沥青开始，就采用常规的泡沫体系评价指标对沥青发泡效果进行分析评价，即采用膨胀率和半衰期两大指标[18-19]。膨胀率(expansion ratio)是沥青发泡膨胀达到最大体积和沥青原体积之比，反映了泡沫沥青黏度的大小[20]。半衰期(half-life)是指泡沫沥青从膨胀到最大体积到泡沫衰减到最大体积一半的时间，反映了泡沫沥青的稳定性[21]。在实际应用中这两大指标多用于冷再生技术[22]，在经济、材料性能以及环保性等方面具有巨大的发展优势和前景。

2.1 现有评价指标用于泡沫沥青温拌技术的不足

不同泡沫由于用途、侧重点不同，其评价指标基本不同[23]。因此对于泡沫温拌沥青技术，与冷再生技术相比侧重点不同，用半衰期和膨胀率这两大指标评价温拌沥青发泡效果存在如下不足。

2.1.1 两大评价指标本身理论的不足

徐金枝[24]指出以半衰期、膨胀率指标作为评价指标确定最佳发泡用水量时没有足够的理论依据，而李强等[25]指出国内现在主要的沥青泡沫评价指标，及半衰期和膨胀率在理论上就存在缺陷，这样不仅会导致一些更好的发泡条件被排除掉，在具体的施工过程中也没有可靠的操作性。实际应用中一般通过试验作出两个指标的变化曲线，以膨胀率、半衰期的下限确定曲线上发泡参数的范围，取该范围中点作为最佳发泡条件(见图5)。但试验证明对于不同沥青两条趋势线可能不会相交，即使达到了较好的发泡效果，也可能不能达到最优化设计，有些更优的发泡条件被排除掉。因此，国内外与之相关的研究大多是用于实际试验段，而在理论方面还很少有说明[26]。

图5 确定某温度下最佳发泡条件的方法Fig. 5 Method for determining optimum foaming conditions at certain temperature

使用膨胀率、半衰期评价发泡效果，确定最优发泡条件时，人为的分离了两者的关系[27]，如图6。图6中曲线A的发泡效果显然优于曲线B，但是如果按照我国路面再生的规范中半衰期不低于8 s的标准，曲线A的半衰期可能不符合要求，因此按照路面再生规范中的评价指标标准来评价泡沫温拌沥青发泡效果是不合适的[28]。

图6 按照半衰期、膨胀率规范标准评价发泡效果Fig. 6 Evaluation of foaming effect according to standard of half-life and expansion rate

2.1.2 两大指标测试试验误差

栗关裔[29]指出泡沫沥青在确定最佳发泡条件时的试验误差缺陷，主要是由于实验室内的测试方法和试验设备都有缺陷，这样试验结果误差也较大。试验设备包括标尺和测试桶，测试膨胀率时是目测发泡达到最大体积，测试膨胀率也是利用秒表读取时间。在发泡过程中，由于沥青发泡时间很短，沥青泡沫由膨胀到衰减时间短暂，达到最大膨胀体积也难以评判，达到衰减到最大膨胀体积的一半体积也难以评判，试验的标尺也有误差。因此即使试验人员的读数时机把握很好，试验测得数据误差还是很大。

2.1.3 两大指标直接用在泡沫温拌技术上的不足

泡沫温拌沥青技术中，沥青泡沫主要是以小泡沫颗粒的形式存在，填充在骨料空隙中，主要起到润滑和降低黏度的作用，以便于沥青混合料的拌和、压实，降低拌和、压实的温度同时其各项性能达到要求。因此，泡沫温拌技术的核心是和易性，需要的是一个稳定的沥青发泡状态，对膨胀率和半衰期的要求并不高。泡沫沥青冷再生技术中沥青泡沫主要是起到黏结的作用，当沥青泡沫碰到集料表面破碎成沥青小颗粒裹覆沥青混合料表面，使得集料在常温下也能黏结起来。因此，需要沥青泡沫足够大，半衰期长。这样将半衰期和膨胀率评价温拌沥青发泡并不合适，因此需要研究新的泡沫温拌沥青发泡效果评价指标及其检测方法。

2.2 泡沫温拌沥青评价方法及指标

针对温拌沥青技术的要求特点，即以施工和易性为核心，为了更加准确、科学的评价泡沫温拌沥青的发泡效果，笔者在试验上提出非接触式的测量方法，在指标上提出更适合温拌沥青技术的指标。

2.2.1 非接触试验法

如图7，利用三脚架，在上面安装激光仪记录沥青发泡整个过程高度变化、数码相机抓拍沥青发泡变化情况，代替以前试验主要通过人肉眼读数确定的膨胀率、半衰期，这样试验更加准确。

图7 三脚架和测距仪Fig. 7 Tripod and range finder

2.2.2 评价指标

由于原有指标只是记录沥青泡沫膨胀到最大和衰减到一半两个时间点的情况，因此可提出能代表沥青泡沫膨胀的整个过程的指标，这样更能准确体现出沥青泡沫从膨胀到衰减整个过程的变化情况，也更有利于实际中泡沫温拌沥青技术的运用。具体如下：

1) 泡沫直径：将泡沫平均直径作为新的评价指标，在数据测量上是直接指标，计算过程中既考虑了沥青的黏度，又能准确的反映整个发泡过程沥青泡沫的尺寸大小。由斯托克斯定律可知，在液体中泡沫直径越大上升速度越快。因此可以通过式(2)、式(3)计算泡沫沥青中泡沫平均直径：

(2)

(3)

式中：D为泡沫平均直径；V为沥青泡沫上升速度；Vt为沥青泡沫高度变化的平均速率；g为重力加速度，9.8 m/s2；μ为流体的动态黏度，Pa/s；ρb、ρf分别为沥青及沥青泡沫的密度，kg/m3。

其中由于沥青泡沫的密度远远小于沥青密度，可视ρf为0。由于整个发泡过程少于4 min，也可忽略沥青黏度的变化。

使用高精度激光测距仪对泡沫沥青的体积进行测量，计算出每一秒沥青体积变化的平均速率，结合沥青的动力黏度，代入式(2)得到发泡过程中泡沫平均直径。

2) 泡沫尺寸分布：沥青发泡过程中会产生许多大小不一的泡沫，泡沫尺寸越大，其降黏效果也越好，但由于泡沫越大，膨胀时沥青外膜也越薄，也越容易破裂。由于大泡沫破裂产生冲击波扰乱了整个发泡沥青，会加速泡沫的消散。反过来，当沥青发泡产生的泡沫越均匀，整个发泡沥青整体也越稳定，降黏效果也越好。

泡沫直径指标是一个平均指标，虽然能表征泡沫平均直径随时间的变化，是整个体积的变化情况，不能表征各个泡沫个体间的差异，不能反映泡沫的分布情况。在实际沥青发泡过程中，两个泡沫沥青泡沫直径指标相同的试样中，一个的泡沫尺寸相差较大，另一个泡沫尺寸则比较接近，这两者的消泡速率不同，发泡效果也不同。因此以泡沫尺寸分布表征沥青泡沫尺寸分布情况，泡沫均匀度越好，尺寸越小，消泡速率越慢，沥青混合料的施工和易性也就越好。通过使用相机记录沥青发泡、消泡过程中泡沫变化情况，通过运用软件Image-Pro Plus 6.0对截取的泡沫沥青表面照片进行科学分析和计算得出泡沫各尺寸和对应泡沫数量，将泡沫尺寸分布作为一个评价指标能够更加准确的评价沥青的发泡效果。

3) 泡沫消泡速率：沥青发泡产生泡沫保持不破裂越久，其沥青表面膜的拉伸能力越强，降黏效果也越好，混合料的施工和易性也越好。

半衰期指标只能表征沥青发泡从最大膨胀体积到缩小为一半时的时间，无法判断之后泡沫膨胀体积衰减的情况，不能准确判断沥青泡沫的稳定性。利用消泡速率评价泡沫消泡过程，考虑了整个消泡过程，且以非接触式试验方法测量沥青发泡后体积变化情况，使得试验结果更加准确，更加量化。具体的方法是利用测量结果，建立泡沫膨胀体积随时间的变化曲线。通过对不同发泡条件的曲线的比较，得出曲线斜率越大时，消泡速率越快。

3 结 论

1) 通过观察分析沥青发泡消泡的微观过程，明白沥青发泡过程其实是一个力的平衡过程，当水蒸气力大于沥青表面膜力，沥青膨胀形成泡沫；当水蒸气力小于沥青表面膜力，沥青泡沫消散；当水蒸气力等于沥青表面膜力，沥青泡沫维持稳定。

2) 通过总结分析可知膨胀率、半衰期两大评价指标本身理论不足、试验误差大且国内规范的两大指标主要用于冷再生技术，因此温拌技术直接套用两大指标存在明显缺陷。

3) 综合分析现有指标不足，笔者提出一些优化方法：试验方法上提出科学、准确的非接触式的测量方法，笔者提出表征沥青发泡的全过程的指标，如沥青泡沫的平均直径、泡沫尺寸分布、消泡速率等，反映沥青发泡整个过程，利用测出的准确数据，可以计算出各个新指标指数，有效的评价了沥青发泡效果，有利于泡沫沥青温拌技术在实际施工中充分运用。

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