某温拌沥青发泡装置的应用试验

李 龙，宋朝波，孙雁涛，陈利军

(中交西安筑路机械有限公司，陕西 西安 710200)

0 引 言

截至2017年底，中国二级及以上道路通车总里程数已达到60万km，道路建设成绩显著，但因过多地消耗能源，也带来了资源紧缺等环境问题。因此，沥青混合料的生产过程需更加节能环保。在这样的背景下，出现了温拌沥青技术，它被认为是环保节能的关键技术。

泡沫沥青温拌技术的实质是：将极少量的常温水快速注入加热后的沥青即可使沥青发泡，形成泡沫沥青。整个生产过程不需要任何添加剂，而所需水的含量在沥青混合料中的比例可以忽略不计，因此生产成本较低，具备很好的推广价值。

沥青发泡装置是泡沫沥青温拌技术中极为关键的机械部件，将其安装在匹配产量的沥青搅拌设备中，可使泡沫沥青与拌锅中的物料充分拌合，实现温拌沥青混合料的批量生产[1-3]。目前，国内对沥青的发泡性能及参数的研究较多，对沥青发泡装置的应用研究相对较少[4-8]。为促进温拌沥青技术在道路建设中的广泛应用，推动道路建设向节能环保的方向发展，本文对沥青发泡装置进行了相应的工业试验研究。

1 泡沫沥青温拌混合料的生产工艺

图1 温拌沥青混合料的生产工艺

图1为泡沫沥青温拌混合料的生产工艺流程。在沥青混合料搅拌设备中配置沥青发泡装置，即可满足温拌沥青混合料的生产条件。相较于普通沥青而言，泡沫沥青的黏度降低，生产的温拌沥青混合料的温度也因此而降低[9-10]。

间歇式搅拌设备一个拌合周期的净搅拌时间一般为25 s，生产混合料的温度在160 ℃～180 ℃之间。根据对拌合时间的要求，在温拌沥青混合料的生产过程中，泡沫沥青的半衰期处于10～13 s之间最合适，而泡沫沥青膨胀率的大小则需要通过对温拌沥青混合料进行相关试验才可以作出评价[11-13]。

2 沥青发泡装置的组成及工作原理

如图2所示，某温拌沥青发泡装置主要包括水供给系统、沥青发泡系统以及控制系统，其中沥青发泡系统是整个装置的核心。

图2 温拌沥青发泡装置

2.1 水供给系统

如图3所示，水供给系统包括储水箱、水泵、流量计等部件。电动机驱动水泵将水箱中的水输送至发泡系统，与发泡系统中的高温沥青混合，形成泡沫沥青。

水箱材质为黑色工程塑料，可以防止水藻的形成。同时，为实现供水的自动控制，水箱内部设置高位机械浮球式液位阀和低液位开关。除此之外，水箱还配置电加热装置，防止室外温度较低时发泡用水结冰，保证沥青发泡装置水路系统的正常工作。

图3 水供给系统

水供给系统中采用的水泵是由电机驱动的柱塞泵，属于容积式水泵。当需要向沥青发泡装置中提供水的时候，水泵将自身的机械能转化为液体的压力能，并以流量、压力的形式输出。

水供给系统中采用的流量计为电磁流量计，可以实现高精度计量。其原理是利用导电流体通过外磁场时产生的感应电动势来测量导电流体的流量。

2.2 沥青发泡系统

图4为沥青发泡系统的结构。沥青发泡系统主要由沥青管道、水流喷阀、气路管、发泡腔、电磁阀及热油管道等部件组成；为观测沥青发泡系统的工作状态，该系统还配置了沥青压力表、水流压力表和水流指示器等组件。

图4 沥青发泡系统

沥青发泡系统中的发泡腔为重要组成部件，该系统主体采用导热油对沥青管路进行加热和保温，确保沥青发泡系统内沥青温度恒定；沥青压力表监测流入沥青发泡系统中的液态沥青的压力；水流压力表和水流指示器用来监测发泡过程中水的工作状态。

当沥青发泡系统工作时，液态热沥青通过沥青通道进入发泡腔。由电磁阀控制的水流喷阀打开，发泡水以恒定速度射入发泡腔；热沥青和水在发泡腔内充分混合，形成泡沫沥青，从发泡腔喷口喷出。

2.3 控制系统

发泡装置的控制系统可以与搅拌设备进行通讯，使主机控制系统和沥青发泡装置控制系统完全兼容，实现联动控制。在生产泡沫沥青温拌混合料时，为不同种类的沥青设置不同的发泡条件参数，通过调节发泡用水的流量和压力，实现生产过程的动态调整。

在泡沫沥青温拌混合料的生产过程中，当沥青计量完毕，同步启动搅拌设备中的沥青喷洒泵和沥青发泡装置。当高温沥青进入沥青发泡系统后，打开水路电磁阀，发泡用水进入发泡腔，与高温沥青混合，生产的泡沫沥青进入搅拌器，并与物料进行充分拌合，形成泡沫沥青温拌混合料。

3 试验材料与设备

本次工业试验地点位于浙江省丽水市，试验采用AC-20沥青混合料，其级配如表1所示，沥青含量为4.1%。试验使用70#沥青，25 ℃时针入度为55(0.1 mm)，软化点为66.2 ℃，密度为1.050 3 g·cm-3。

表1 试验用AC-20沥青混合料级配

本次试验主机是中交西筑生产的SG4000型沥青搅拌设备，该设备将温拌、智能及环保等技术融为一体。图5为SG4000型沥青搅拌设备，表2为其主要技术参数。

图5 SG4000型沥青搅拌设备

项目技术参数生产能力/(t·h-1)280～320标准装机容量/kW665计量精度/%骨料±0.3、沥青±0.2、粉料±0.1整机质量/t400

SG4000型沥青搅拌设备配置某沥青发泡装置，主要技术参数如表3所示。该沥青发泡装置的安装如图6所示。

表3 某沥青温拌发泡装置的主要技术参数

图6 某沥青发泡装置的安装

4 试验过程

4.1 沥青发泡试验

本组试验设定不同的发泡用水量和沥青温度，通过取样阀在温拌沥青混合料生产之前进行泡沫沥青取样。本组试验中的沥青温度设定为150 ℃、160 ℃和170 ℃，发泡用水量设定为1%、2%和3%。每次试验各取10 kg泡沫沥青样本，并测量泡沫沥青的半衰期和膨胀率，将数据填入表4～6；沥青发泡取样见图7。

图7 沥青发泡取样

将表4～6的数据绘制成泡沫沥青变化曲线(图8、9)，这些曲线表明：70#沥青的发泡效果受沥青温度的影响较为明显；温度为160 ℃时，线性平滑，发泡效果相对较好。

表4 70#沥青发泡取样数据(150 ℃)

表5 70#沥青发泡取样数据(160 ℃)

表6 70#沥青发泡取样数据(170 ℃)

图8 不同温度下的泡沫沥青变化曲线

图9 不同用水量下的泡沫沥青变化曲线

研究表明：泡沫沥青的膨胀率与半衰期不能同时具备最佳值，通过图8、9也可以看出，两者有一定的关联。因此，在选用发泡沥青的用水量时，需匹配搅拌设备的生产工艺，以达到较好的拌合效果。根据搅拌设备的生产工艺，半衰期时间在10～13 s之间，泡沫沥青的膨胀率越大，沥青黏度越小，泡沫沥青和热骨料的拌合阻力越小，沥青混合料的裹覆效果更好。但过大的膨胀率可能会对沥青混合料的性能产生影响，因此需要通过沥青混合料试验进行验证，从而对沥青发泡参数进行评价和优化。

4.2 沥青混合料试验

从表5可以看出，在温度为160 ℃、发泡用水量为2%的条件下，70#沥青的半衰期为12.3 s，膨胀率为5.6倍，其半衰期满足搅拌设备的循环拌合周期。使用SG4000型沥青搅拌设备在此条件生产泡沫沥青温拌混合料，并对其进行试验。

本组试验分3个部分进行：第一部分为生产现场试验，在现场对温拌沥青混合料进行温度测量以及形态观察；第二部分为施工现场试验，需测量温拌沥青混合料的摊铺、碾压温度以及碾压后的密度，并在试验段钻芯取样；第三部分为室内试验，分别对温拌沥青混合料进行密度试验、旋转压实试验和马歇尔试验。

4.2.1 生产现场试验

SG4000型沥青搅拌设备生产的泡沫沥青温拌混合料，出料温度在115 ℃～130 ℃之间，无花白料现象，骨料与沥青裹覆均匀。图10为泡沫沥青温拌混合料的出料现场。

图10 泡沫沥青温拌混合料的出料现场

4.2.2 施工现场试验

用SG4000型沥青搅拌设备生产的泡沫沥青温拌混合料铺筑试验段，在施工过程中随时观测摊铺和碾压的情况。摊铺压实后，在现场用无损密度仪检测沥青路面的密度，同时对试验段进行钻芯取样。施工现场试验结果表明：泡沫沥青温拌混合料的压实度、空隙率、路表渗水系数等性能指标满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的要求。

4.2.3 实验室试验

对泡沫沥青温拌混合料进行了理论最大相对密度试验、毛体积相对密度试验、旋转压实试验、马歇尔试验，结果表明：泡沫沥青温拌混合料的各项试验参数均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的要求。

5 结 语

本文通过对某沥青发泡装置的工作原理进行深入研究，同时结合SG4000型沥青搅拌设备的生产工艺，将二者装配于一体，对其进行生产现场、施工现场以及实验室试验。大量的试验数据表明：在70#沥青温度为160 ℃、发泡用水量为2%的条件下，该沥青发泡装置生产的泡沫沥青的性能参数与SG4000搅拌设备的生产工艺相匹配，生产的温拌沥青混合料路用性能满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的要求。

由于条件限制，只对常用的70#沥青进行了试验，而不同牌号的沥青存在差异，因此最佳发泡参数也存在差异，还需要试验验证。此外，影响沥青发泡效果的因素还有沥青的流量、发泡腔的结构形式以及发泡用水的压力等，其中发泡腔的结构形式对沥青发泡效果的影响程度还需进一步研究。