泡沫温拌沥青水分散失特性研究

2020-10-29廖维太任国斌

中国建材科技 2020年3期

廖维太任国斌

（1甘肃省交通工程质量安全监督管理局，甘肃兰州 730030；2甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃兰州 730030）

0 引言

WMA（温拌沥青混合料）是搅拌与压实温度均低于HMA（热拌沥青混合料）而高于冷拌沥青混合料的一种沥青混合料，WMA搅拌温度为105℃-125℃，较热拌沥青混合料（HMA）温度显著降低[1]。已证明WMA技术拥有一系列优点，如减少能源燃烧及有害气体、烟尘的排放，降低环境污染，同时施工温度的降低会延长施工季节，增加回收沥青路面材料的使用[2]，因此WMA的应用越来越广泛。常用形式为蜡基添加剂、发泡剂等为基础的表面活性剂[3]。

目前国内外对WMA进行了大量研究，但仍存在很多未解决的技术难题，其中最主要的是WMA的长期性能，这主要是因为WMA的水损害较严重[4]。在大多数WMA产品中，水（汽）被用于混合料中从而降低其低温时的粘度，而最近有研究表明，在WMA中水分的存在会影响其长期性能（如骨料剥离）[5]。目前对泡沫温拌沥青中水分的扩散及散失的测试方法研究较少，且方法有限。发泡过程可降低沥青的粘度，使得其施工和易性良好[6]。此外，随着混合料摊铺完成，泡沫沥青消泡及温度降低，沥青粘度迅速增加，其水分部分挥发，但也有一些会留在混合料空隙中，并随着水分的扩散及冻融循环，降低沥青混合料沥青与集料的粘附性[7]。因此，亟需研究泡沫沥青中水分的散失及扩散途径[8]。

本研究目的在于采用X射线显微技术(XRM)测定不同类型泡沫沥青混合料中水分散失情况。通过XRM测定不同时间段的泡沫沥青混合料内部三维结构，输出3D图像，采用图像处理技术计算混合料试件中水泡及其粒径分布情况，研究不同类型沥青及其试件中水泡体积及粒径的变化。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

研究选用的沥青胶结料见表1。

表1 沥青胶结料及其改性方式

选用橡胶粉的粒径及级配见表2。本研究橡胶沥青制备采用“湿法”工艺，其中胶粉掺量15%，制备参数包含温度190℃、搅拌速率2000±100rpm、搅拌时间60±5min。

表2 橡胶粉级配

图1 泡沫沥青制备过程

采用两种不同的发泡方式，即实验室发泡和采用Advera发泡剂（合成沸石添加剂），如图1所示。室内发泡过程中空气5%、水1.5%和沥青93.5%，并在160℃条件下制备。而Advera是一种白色粉末，在120℃条件下加进沥青，掺量4.5%，在此温度下，Advera粉末转变成水泡形成泡沫沥青。为观测集料对发泡过程的影响，本研究采用PG58-28基质沥青和集料（200目和100目之间）进行搅拌并发泡，搅拌温度150℃，其中集料掺量10%。

沥青发泡完成后，将不同时间段的泡沫沥青倒入直径为7mm的聚丙烯离心管中，并采用液氮进行冷却，如图1（c）所示，其目的是采用三维XRM图像观测不同时间的沥青微观结构变化，从观测可知，采用液氮冷却未损害试件的内部结构。

1.2 X射线显微技术（XRM）

XRM的组成包含X射线源及探测头，X射线源发射规定强度的X射线，经旋转的沥青试件，由探头记录下其强度，其中沥青样品置于射线源和探头之间，从而采用强度值计算X射线经试样分布的线性衰减系数，图像的灰度值从0（黑）至255（白），直接反应了试件在该点的强度，每张图片是试件在某一时间段的截面图像。

图2 沥青试样的X射线显微2D图像

图2（a）、（b）为PG58-28F在发泡后0min和10min时的2D截面图像，从图中可以明显看出，随着时间的增加，试样中的空气及水泡数量及粒径明显减小，此外，冷冻对试样并无明显的损坏。图2（c）为典型水泡的像素强度分布情况，水泡中央部位的像素强度明显高于周围像素强度，因为纯空气的像素强度应接近于零，从而证明泡沫中含有水汽，且本次试验过程中试样是快速冷冻，可以确信每个泡沫都含有空气和水。

测试沥青试样XRM的3D图像中，泡沫颜色的深度明显高于周围沥青的颜色，同时，泡沫均匀分散在沥青中。首先，将取得的图像采用阈值分割算法进行二值化，然后，采用连通分量算法对单个泡沫进行标记，当所用泡沫标记完毕，采用Matlab软件可计算出其体积及等效直径。

2 试验结果及分析

图3为两种不同沥青在0min（左）和10min（右）的3D图像，从图中可以看出，对于PG58-28F和PG70-22F，沥青在发泡10min后其内部泡沫粒径及分布数量显著降低，但是，PG70-22F的降低速率明显低于PG58-28F沥青，这主要是因为PG70-22沥青的扩散系数明显小于PG58-28沥青，且PG70-22硬度较高，从而阻止了沥青中泡沫的移动。

图3 PG58-28F和PG70-22F的3D图像

2.1 泡沫总体积随时间的变化

图4（a）为沥青在不同时间段泡沫体积变化，从图中可以看出，沥青类型不同，其泡沫的总体积不同，随时间衰减的速率也不同。取体积与时间的双对数，其结果如图4（b）所示，从图中可以看出，体积的对数与时间的对数具有良好的线性关系。为研究不同泡沫沥青的水分散失情况，引入水分散失指数（MDI），MDI可有效标定泡沫沥青自发泡完成至水分完全从沥青中散失出去的时间，其定义为泡沫体积与时间的双对数的拟合曲线的斜率值。

图5为不同泡沫沥青的MDI，从图中可以看出，相对与聚合物改性和橡胶改性沥青，未改性沥青的MDI明显较高，这主要是由改性沥青的扩散系数较小或刚度相对较大引起的。此外，橡胶沥青（PG70-22CRMF）中泡沫的体积随时间的增加有递增的趋势，这或是由于橡胶颗粒存在导致橡胶沥青在发泡过程中形成极小的泡沫，以致用XRM无法观测，而随着时间的增加，这些颗粒汇聚并形成可见的泡沫颗粒，致使泡沫颗粒的总体积逐渐增大，因此，橡胶沥青的消泡时间较长。

图4 不同沥青的泡沫体积随时间的变化

图5 不同泡沫沥青的MDI值

2.2 泡沫颗粒粒径分布随时间的变化

为准确测定泡沫的粒径分布，首先，对已标记的XRM图像中泡沫的等效粒径进行计算，本研究中，等效粒径的定义是具有相同体积的泡沫颗粒。然后，对相同等效粒径的颗粒含量进行累计计算，图6为试样在不同时间的泡沫粒径分布结果。随着时间的增加，测试沥青中泡沫的尺寸减小，且级配分布更加均匀。从图6得出，当时间为30min时，测试沥青的泡沫颗粒为数不多，且无法形成连续曲线，43min时泡沫的粒径要大于30min时的粒径，这主要是由橡胶沥青（PG70-22CRMF）中泡沫颗粒的聚集引起的。