泡沫沥青发泡原理及发泡特性研究

摘要：以膨胀率和半衰期作为评价指标，对两种不同的沥青、不同温度、不同含水量进行发泡对比试验，来确定所用沥青的最佳发泡温度和发泡用水量。

关键词：沥青发泡；膨胀率；半衰期

中图分类号：TF526文献标识码： A

1 沥青发泡原理

当冷水滴（环境温度）与高温沥青（140℃以上）接触时，将发生以下连锁反应：热沥青与小水滴表面发生热量（能量）交换，使水滴加热至100℃，同时沥青冷却；沥青传递的热量超过了蒸汽潜热，导致体积膨胀，产生蒸汽。膨胀腔里的蒸汽泡在一定压力下压入沥青的连续相；随着溶有大量蒸汽泡的沥青从喷嘴喷出，压缩蒸汽膨胀使略微变凉的沥青形成薄膜状，并依靠薄膜的表面张力将气泡完全裹附；在膨胀过程中，沥青膜产生的表面张力抵抗蒸汽压力直到一种平衡，由于沥青与水的低导热性，这种平衡一般能够维持数秒时间；发泡过程中产生的大量气泡以一种亚稳定态的形式存在，泡沫容易破灭。

发泡过程中导致泡沫破灭的因素很多，一种解释为随着沥青胶团在常温下冷却，气泡中的蒸汽冷凝而导致气泡破灭，这时发泡水会留在沥青中形成所谓的水饱和沥青（watet saturated bitumen）；另一种解释为泡沫具有近乎稳定的蜂窝状结构的气室，气室两边的膜即为泡沫液膜。在三个或多个气泡聚集的地方，液膜被弯曲，并凹向气室的一方，形成普来特边界。由于在普来特交界处有较大的曲率半径，根据拉普拉斯方程，在气相与液相之间就会产生压力差，它随液体表面张力增加而增大，随气泡曲率半径增大而减小，因此在普来特交界处的液压要比附近曲率小的地方小，就使得液体由小曲率处向普来特交界处流动，这种排液作用会使液膜逐渐变薄，当液膜达到临界厚度时（5～10nm），膜就会破灭。前一种解释更适合发泡温度较低或发泡用水量较小的情况，因此发泡温度低，沥青胶团容易冷凝，泡沫中的水蒸气也易低于液化温度，同时用水量较小沥青薄膜也相对较厚，不会产生明显的普来特交界。而若是情况相反，则依据实际试验观察，发泡时产生的大量体积较大的气泡以及大量蒸汽外溢与第二种解释更为贴近。

2沥青发泡特性的评价指标

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）和半衰期两个指标加以评价。

膨胀率是指在沥青发泡状态下的最大体积与未发泡时沥青体积的比值。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，因此测量的最大发泡体积要小于实际的最大值。为了使泡沫沥青与集料充分接触，形成良好的裹附作用，膨胀率越大，拌制的泡沫沥青冷再生混合料质量越好。

半衰期是泡沫沥青从最大体积衰减到最大体积的50%所用的时间。该指标实际上描述了沥青泡沫的稳定性，半衰期越长，说明泡沫越不容易衰减，可以与集料有较长时间的接触与拌和，以提高泡沫沥青冷再生混合料的质量。图2.1给出了膨胀率和半衰期含义的示意图。

图2.1 试验室测量膨胀率和半衰期的示意图

3沥青发泡特性的试验研究

本试验中采用了两种沥青进行发泡特性研究，分别是滨州A-70号和A-90号沥青，以膨胀率和半衰期作为评价指标，来确定所用沥青的发泡温度和发泡用水量。沥青发泡试验结果见表2.1，两种沥青膨胀率、半衰期与发泡用水量关系如图2.2-2.5所示，发泡每种沥青的最佳发泡条件见表2.2。

表2.1 沥青发泡试验结果

注：所用沥青均为滨州A级沥青；表中（1）和（2）代表沥青取样批次。

表2.2 沥青最佳发泡条件

图2.2 A-70（1）沥青发泡结果

图2.3 A-90（1）沥青发泡结果

图2.4 A-70（2）沥青发泡结果

图2.5 A-90（2）沥青发泡结果

由上表及图可得出以下结论：

1、根据国外的研究结果表明，膨胀率大于10倍，半衰期不低于8s，是普便可接受的条件，所选用的沥青均表现出良好的发泡特性。在评价沥青发泡效果时，膨胀率和半衰期是两个密不可分的指标，最好的发泡效果应使两个值均比较大，而不能单独采用一个指标来控制。建议发泡沥青的膨胀率不小于10倍，半衰期不小于8s。

2、沥青温度对发泡效果的影响：在同一用水量下，沥青温度越高，膨胀率越大，半衰期越小，这主要是由于沥青温度越高，越有利于沥青产生泡沫，但产生的泡沫直径较大，使沥青表观粘度降低，相应沥青薄膜的弹性降低，不利于泡沫本身的稳定，从而导致半衰期减小。由此表明沥青温度对发泡特性的影响比较显著。

3、用水量对沥青发泡特性的影响：对于同一种沥青而言，在同一温度下，膨胀率随着用水量的增加而增加，半衰期则随着用水量的增加而减小。

4、沥青标号对发泡特性的影响：对于同一品牌的70号和90号沥青，膨胀率和半衰期不存在必然联系，表明沥青标号与发泡特性无直接相关性。

5、沥青批次对发泡特性的影响：不同批次的沥青，膨胀率和半衰期存在较大差距，A-90（1）和A-90（2）膨胀率相差1倍左右，而半衰期相差近2倍，这表明，尽管沥青标号相同，产地相同，但其发泡特性也可能会相差较大，因此对于不同批次生产的沥青，在作为发泡沥青使用时，应严格进行发泡试验，并加大试验频率。

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