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泡沫沥青冷再生基层配合比设计我国公路建设经过十多年的高速发展，到2007年“五纵七横公路主干网贯通”，十年前通车的公路将陆续进行大修或改扩建，废旧路面材料的数量巨大，合理处置面临严峻的环境保护压力，借鉴国外成功经验，国内公路研究机构和各省市区从世纪之初就陆续开展了公路面层、基层废旧材料的再生利用研究工作，许多地方近年来先后进行了冷再生混合料试铺试验段工作，我们去年参加了陕西西～潼高速公路大修工程，工程中引进德国维特根公司泡沫冷再生技术，经西安公路研究院消化吸收，在陕西省高速公路大修工程中于2006年开始推广应用。
我标段大修路段单幅80km，主要工程量为沥青混合料面层、基层的功能修复，设计面层铣刨6cm或15cm，实际铣刨9cm～15cm不等，产生废旧沥青混合料超过4万方，实际利用 3.5万方，利用率达到80%。
修筑的泡沫沥青混合料基层具有良好的承载力和抗拉能力。
泡沫沥青冷再生技术提供了一条高效环保处理公路大修建设废料的途径。
本文结合高速公路大修工程论述泡沫沥青冷再生混合料配比设计和问题解决方法，供同行参考。
1原材料1．1泡沫沥青普通沥青可用于制备泡沫沥青，所用沥青的质量应符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2000）表中对应的技术要求，泡沫沥青的发泡效果要求：膨胀率>10倍，半衰期>8秒；达不到要求的沥青须更换。
本项目采用中海90#沥青，沥青进行了各项技术指标的检验，结果见表1，符合A级道路石油沥青的各项技术要求。
1.2泡沫沥青的发泡试验设计1.2.1沥青发泡温度通常选择160℃、170℃；发泡用加水量为4个，通常为沥青的1.5%、2%、2.5%、3%、4%。
1.2.2将试验机中泵送循环的沥青加热至需要的温度，并在开始试验前至少维持5分钟；设置计时器，控制沥青的喷射流量，使每次沥青的喷射量在500g；设定流量控制计，添加规定加水量。
1.2.3将泡沫沥青喷射至钢筒内（钢筒直径275mm），使用钢尺迅速测量筒内的最大沥青高度，计算发泡初始体积，并开始计时；测量泡沫沥青衰落到1/2高度时经过的时间，即为该泡沫沥青的半衰期。
BUILDING & TRAFFIC | 建筑交通摘要：以某市外环高速公路工程为背景，阐述泡沫沥青冷再生技术的基本特点，再详细围绕配比设计和施工工艺展开探讨，可作为类似工程的参考，从而提高泡沫沥青冷再生技术的应用水平。
关键词：泡沫沥青：冷再生•.配比设计I泡沬沥青冷再生的配比设计及施工工艺■文/王晓东泡沫沥青冷再生技术是现代公路工程中较为重要的技术 形式，以常温为基本施工条件，在旧沥青路面铣刨料内按照 特定的比例掺入沥青再生剂，通过该材料的作用激活老化沥 青，充分发挥出原有材料的作用，在保证施工效果的同时可 以减少资源投入量，彰显出显著的社会效益和经济效益。
1. 工程概况某市外环线为联通市区内外的重要通道，长度71.34k m,对接周边的多条普通公路和高速公路。
该公路路基宽度50c m、路面宽度36m,设计速度80k m/h。
在城市建设进程逐 步加快的背景下，外环线的重要性随之彰显，成为该市对外 沟通的重要“桥梁”，为城市经济的发展提供了重要的帮助。
该外环线迄今已运营20余年，伴随长时间行车荷载、雨水等 因素的作用，沥青混凝土路面性能大打折扣，伴有裂缝、松 散、车辙等质量问题，难以满足现阶段大流量的交通出行需 求，存在较多安全隐患。
为恢复路面的功能，决定对全线路 面采取大修处理措施。
针对既有道路的铣刨是基础工作，深 度56c m，再铺筑施工，其中泡沫冷再生混合料为重要施工材 料。
选取K64+000~K71+170，优先于该处组织施工作业，根 据所得结果调整泡沫沥青冷再生技术的工艺参数。
2. 泡沫沥青冷再生技术的特点本工程选用的是泡沫沥青冷再生混合料，不同于热拌沥 青混合料等传统材料的是，其对于材料的要求存在明显的差 别，其中集料以细料居多，较为关键的是〇.〇75m m以内的 粉料，此部分应占到总量的5%或更多，若出现粉料质量不 达标或是用量偏少的情况，将导致沥青泡沫发生破裂现象，并大量附着在细料上使其结团，最终细料与粗集料无法实现 有效的粘结，生产所得的混合料在强度方面的表现明显欠佳。
专家荐稿文章编号:１００９￣６８２５(２０２０)１６￣０００１￣０３基质沥青发泡性能影响因素分析收稿日期:２０２０￣０５￣１２㊀作者简介:陈㊀波(１９７８￣)ꎬ男ꎬ高级工程师陈㊀波㊀席贵东(重庆市智翔铺道技术工程有限公司㊀国家山区公路工程技术研究中心特殊铺装技术研究所ꎬ重庆㊀４０００６７)摘㊀要:通过对ＳＫ７０号㊁ＳＫ９０号㊁ＺＨ７０号三种沥青进行发泡试验ꎬ测试沥青膨胀率和半衰期指标ꎬ评价沥青常规指标㊁发泡温度㊁用水量对沥青发泡效率的影响ꎬ提出基质沥青合理发泡条件ꎮ研究结果显示ꎬ沥青类型对发泡效率有显著影响ꎬ在相同发泡条件下ꎬＺＨ７０号基质沥青发泡效率高于其他两种沥青ꎻ灰色关联分析结果表明ꎬ沥青的６０ħ动力粘度与发泡效率相关性显著ꎬ动力粘度较小的沥青具有更好的发泡效果ꎻ沥青的膨胀率随发泡温度和用水量的增加变化规律较为明显ꎬ提高温度能够增大膨胀率ꎬ对半衰期无明显影响ꎻ建议试验温度取１６０ħ~１７０ħꎬ发泡加水量取２.０％~２.５％ꎬ推荐膨胀比大于１５倍ꎬ半衰期大于８ｓꎮ关键词:泡沫沥青ꎬ动力粘度ꎬ发泡性能ꎬ灰色关联度中图分类号:Ｕ４１４文献标识码:Ａ１㊀概述泡沫沥青是通过在热沥青中喷入水ꎬ利用温度差使水发生汽化反应导致沥青体积增大ꎬ在不增加沥青用量的情况下ꎬ有效地增大沥青同矿料的裹覆面ꎮ在蒸汽膨胀过程中ꎬ沥青膜产生的表面张力将抵抗蒸汽压力直到达到一种平衡状态ꎬ并且由于沥青与水的低导热性ꎬ这种平衡一般能够维持数秒的时间ꎮ经过大量试验研究ꎬ国内外普遍采用沥青膨胀率和泡沫半衰期表征发泡效率和稳定性ꎮ影响沥青发泡特性的主要因素包括沥青温度㊁用水量㊁喷射压力㊁消泡剂ꎮ一般认为ꎬ泡沫沥青的发泡效率随沥青温度升高而提高ꎬ但过高的温度会导致沥青在发泡过程中老化ꎮ此外ꎬ提高发泡用水量和水压能够增大沥青膨胀率ꎬ发泡用水过多对半衰期指标有不利影响ꎮ在选择发泡用水时ꎬ应尽量使用纯净水ꎬ以减少其他化学物质对发泡效果的影响ꎮ本文使用韩国ＳＫ７０号㊁ＳＫ９０号以及中海７０号基质沥青为研究对象ꎬ使用德国维特根公司生产的ＷＬＢ１０型沥青发泡试验机对沥青进行发泡ꎬ记录泡沫沥青的膨胀比和半衰期ꎮ研究沥青种类㊁发泡温度㊁用水量对发泡效率的影响规律ꎬ提出沥青最佳发泡条件ꎮ２㊀原材料与试验方案２.１㊀实验材料以韩国ＳＫ７０号㊁ＳＫ９０号以及中海７０号基质沥青为研究对象ꎬ进行发泡实验ꎬ三种基质沥青的技术指标如表１所示ꎮ表１㊀沥青的技术指标指标ＳＫ７０ＳＫ９０ＺＨ７０针入度/０.１ｍｍ７３８２.３６３.８针入度指数ＰＩ－１.０３－１.１４－０.６１０ħ延度/ｃｍ８５１１０.２３４１５ħ延度/ｃｍ>１５０>１５０１３６软化点/ħ４７.４４５.１４９６０ħ动力粘度/Ｐａ ｓ２８４２７１.４２１０ＴＦＯＴꎬ１６３ħˑ５ｈ质量损失/％－０.０２－０.０８＋０.５针入度比/％７０.０６５.４６８１０ħ延度/ｃｍ８７９５１２２.２㊀仪器使用德国维特根公司生产的ＷＬＢ１０型沥青发泡试验机ꎬ如图１所示ꎮ使用随机附带的量尺测试泡沫沥青所达到的最大体积并记录下来作为膨胀比ꎬ使用秒表测试泡沫沥青从最大体积开始消散至最大体积的一半所经历的时间并记录下来作为泡沫沥青的半衰期ꎮ图1Wirtgen生产的沥青发泡室内试验机WLB10膨胀室量测膨胀量的容器沥青加热槽连接空压机水槽及空气槽水量控制表２.３㊀试验方案使用发泡机对沥青进行发泡试验ꎬ气压设置为０.５ＭＰａꎬ水压力为０.６ＭＰａꎻ开启加热系统对沥青进行加热ꎬ在发泡前对沥青进行保温ꎬ时间不少于５ｍｉｎꎻ标定每次发泡沥青喷射时间为５ｓꎬ喷射效率为１００ｇ/ｓꎻ标定发泡用水量ꎬ对沥青进行发泡作业ꎬ并记录沥青膨胀率(ＥＲ)和半衰期(ＨＬ)指标ꎮ发泡过程中设置发泡温度为１５０ħ~１８０ħꎬ间隔１０ħꎻ发泡用水量为沥青质量的１.５％~３.５％ꎬ间隔０.５％ꎮ３㊀实验结果与分析３.１㊀沥青类型对发泡效率的影响在１７０ħ下分别对ＳＫ７０号㊁ＳＫ９０号㊁ＺＨ７０号三种沥青进行发泡ꎬ用水量为１.５％ꎬ２.０％ꎬ２.５％ꎬ３.０％ꎬ３.５％ꎬ测试泡沫沥青的膨胀率和半衰期ꎬ研究沥青类型对发泡效率的影响ꎬ实验结果如图２所示ꎮ由图２可知ꎬ随着用水量的上升ꎬ三种沥青的膨胀率均呈上升趋势ꎬ半衰期不断减小ꎬ表明增加用水量能够提高沥１㊀㊀㊀㊀第４６卷第１６期２０２０年８月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀山西建筑ＳＨＡＮＸＩ㊀ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ.４６Ｎｏ.１６Ａｕｇ.㊀２０２０青的泡沫化程度ꎬ对于泡沫沥青的稳定性有不利影响ꎮ对比不同沥青的泡沫化程度可知ꎬ在相同用水量条件下沥青的膨胀率由大到小排序为ＺＨ７０号>ＳＫ７０号>ＳＫ９０号ꎮ沥青的半衰期变化规律较为复杂ꎬＺＨ７０号基质沥青具有较大的半衰期ꎬＳＫ７０号沥青的半衰期在用水量从１.５％增大到２％时降幅较大ꎬ之后趋于稳定ꎻ在用水量为１.５％时ꎬＳＫ９０号基质沥青的半衰期低于其他两种沥青ꎬ同时ＳＫ９０号沥青半衰期随用水量增大的变化幅度较低ꎬ使用高标沥青对于发泡效率没有显著的提升效果ꎮ图2沥青类型对发泡效率的影响SK70SK90ZH703025201510膨胀率/倍1.52 2.53 3.5用水量/%1.522.533.5用水量/%20151050半衰期/s３.２㊀沥青常规指标与发泡效率相关性分析不同沥青的发泡效率具有差异ꎬ对发泡条件的敏感程度也不同ꎮ一般而言ꎬ沥青的物理化学特性与其发泡效率有直接关系ꎮ本文在１７０ħꎬ２.５％发泡用水量下对沥青进行发泡实验ꎬ使用灰色关联方法计算ＳＫ７０ꎬＳＫ９０ꎬＺＨ７０三种沥青针入度㊁粘度㊁软化点与发泡效率的关联度ꎬ值越大ꎬ表明该项指标与发泡效率的相关性越显著ꎮ沥青性能指标与发泡效率的相关性计算结果如表２所示ꎮ表２㊀沥青发泡效率灰色关联度分析沥青性能指标关联度膨胀率半衰期ＳＫ７０针入度０.６１００.５９１软化点０.６７８０.６５８动力粘度０.８６８０.８３７ＳＫ９０针入度０.６０５０.５９３软化点０.６８６０.６７２动力粘度０.８６９０.８５１ＺＨ７０针入度０.６１４０.６０８软化点０.６７８０.６６２动力粘度０.８５７０.８３７㊀㊀由表２可知ꎬ三种沥青的性能指标与发泡效率相关性由高到低为动力粘度>软化点>针入度ꎬ表明粘度是影响沥青发泡效果的主要因素ꎬ针入度㊁软化点对沥青的发泡效率影响较低ꎬ在选择泡沫沥青的原材料时ꎬ要重点考察沥青的粘度指标ꎮ对比泡沫沥青膨胀率与半衰期相对沥青常规性能的关联参数可知ꎬ沥青的膨胀率与沥青性能的关联性更加显著ꎬ三种沥青在这一方面具有一致性ꎮ３.３㊀沥青发泡条件研究根据上节研究ꎬ沥青类型和用水量对发泡效率均有较大程度的影响ꎬ因此ꎬ研究不同沥青的合理发泡条件对泡沫沥青的运用有重要意义ꎮ本节调整沥青的发泡用水量和发泡温度ꎬ测试膨胀率和半衰期如图３ꎬ图４所示ꎮ由图３ꎬ图４可知ꎬ三种沥青的泡沫化指标变化规律具有一致性ꎬ在同一温度下ꎬ随着加水量的增加ꎬ膨胀比逐渐增大ꎬ而半衰期则逐渐减小ꎮ膨胀率对发泡温度的改变较为敏感ꎬ半衰期随温度增大无明显变化ꎬ以２.５％发泡用水量为例ꎬ当温度从１５０ħ增加到１６０ħꎬ三种沥青的膨胀率增大了１３％ꎬ１０.５％ꎬ２３.５％ꎬ半衰期变化了－２.５％ꎬ６.８％ꎬ－２.６％ꎬ膨胀率随温度升高具有明显的增长规律ꎬ半衰期随温度升高无明显变化规律ꎮ发泡用水量对不同沥青的影响程度有显著差异ꎬ采用线性回归方程拟合沥青１７０ħ条件下膨胀率和半衰期随用水量的变化曲线如表３所示ꎬ线性回归模型的一般公式如式(１)所示:ｙ＝ａｘ＋ｂ(１)其中ꎬｙ为沥青的泡沫化指标(膨胀率或半衰期)ꎻｘ为用水量ꎻａꎬｂ均为拟合常数ꎮ150℃160℃170℃180℃25201510膨胀率/倍 1.522.533.5用水量/%a ）SK70号201510膨胀率/倍1.522.533.5用水量/%b ）SK90号c ）ZH70号图3沥青膨胀率试验结果353025201510膨胀率/倍 1.52 2.53 3.5用水量/%图4沥青半衰期试验结果a ）SK70号b ）SK90号c ）ZH70号半衰期/s1.522.533.5用水量/%18161412108641.522.533.5用水量/%半衰期/s141210864 1.522.533.5用水量/%半衰期/s141210864150℃160℃170℃180℃表３㊀沥青泡效率回归分析回归参数膨胀率半衰期ＳＫ７０ＳＫ９０ＺＨ７０ＳＫ７０ＳＫ９０ＺＨ７０ａ５.８３.４２６.６－３.４８－３.０４－３.５８ｂ２.５６.５７４.８４１６.６４１５.９１９.９１㊀㊀根据回归方程ꎬａ表征沥青泡沫化指标对用水量变化的敏感性ꎬｂ表征沥青初始泡沫化程度ꎮ对比沥青膨胀率的回归方程拟合参数可知ꎬＺＨ７０号沥青的膨胀率对用水量的变化较为敏感ꎬ但膨胀率初值较小ꎻＳＫ沥青的膨胀率曲线斜率较小ꎬ表明提高用水量对于沥青的发泡效果影响较２ 第４６卷第１６期２０２０年８月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀山西建筑㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀低ꎮ沥青的半衰期随用水量增大而降低ꎬ其中ＳＫ沥青半衰期回归方程斜率大于ＺＨ沥青ꎬＳＫ沥青的半衰期变化较为稳定ꎮ上述研究表明ꎬ在相同发泡条件下ꎬ不同沥青的发泡效率存在显著差异ꎬ因此本文根据三种沥青的试验结果确定其合理发泡条件ꎮ已有的研究证明ꎬ若膨胀比小于５㊁半衰期小于５ｓꎬ则沥青的发泡性能非常差ꎬ不能与集料进行较好的混合ꎮ目前国内外对于泡沫沥青的发泡性能还没有统一的要求ꎬＲｕｃｋｅｌ等人建议膨胀比在８~１５ꎬ半衰期大于２０ｓ时泡沫沥青性能较好ꎮ德国维特根公司的泡沫沥青冷再生试验表明:为获得高质量的泡沫沥青混合料ꎬ膨胀比应大于１５ꎬ半衰期在５ｓ~１０ｓ内ꎮ我国ＪＴＧ/Ｔ５５２１ ２０１９公路沥青路面再生技术规范规定泡沫沥青的膨胀率应大于１０倍ꎬ半衰期大于８ｓꎮ根据我国«规范»对泡沫沥青的性能要求ꎬ综合考虑膨胀比㊁半衰期两个指标后ꎬ确定三种沥青的发泡条件ꎬ测试沥青的泡沫化指标如表４所示ꎮ由表４可以看出ꎬ不同的沥青ꎬ其发泡特性差异较大ꎬ建议试验温度取１６０ħ~１７０ħꎬ发泡加水量取２.０％~２.５％ꎬ推荐膨胀比大于１５倍ꎬ半衰期大于８ｓꎮ表４㊀三种沥青合理发泡条件沥青水压/ＭＰａ温度/ħ加水量/％膨胀率/倍半衰期/ｓＳＫ７００.６１６０２.０１５.３１０.３ＳＫ９００.６１７０２.５１６８.８ＺＨ７００.６１６０２.５２４.７１１.４４㊀结语１)沥青的类型对发泡效率有显著影响ꎬ在相同条件下ꎬＺＨ７０号沥青的膨胀率和半衰期均大于ＳＫ７０号沥青和ＳＫ９０号沥青ꎮ沥青的动力粘度与发泡效率具有显著的相关性ꎬ针入度㊁软化点对沥青泡沫化程度的影响程度较低ꎮ２)不同沥青的泡沫化指标随发泡条件的变化规律具有一致性ꎬ适当提高用水量有利于增大沥青的发泡效率ꎬ发泡温度对膨胀比和半衰期指标无明显影响规律ꎮ沥青的膨胀率对发泡用水量变化的敏感性较高ꎮ３)三种沥青的最佳发泡条件具有显著差异ꎬ建议基质沥青的发泡温度范围为１６０ħ~１７０ħꎬ发泡用水量为２.０％~２.５％ꎬ推荐膨胀比大于１５倍ꎬ半衰期大于８ｓꎮ参考文献:[１]㊀李㊀强ꎬ陈㊀浩ꎬ张㊀帅.沥青发泡特性及其影响因素研究[Ｊ].公路工程ꎬ２０１９ꎬ４４(６):６２￣６５ꎬ７０.[２]㊀郭寅川ꎬ步金鑫ꎬ申爱琴ꎬ等.基于响应面法的沥青发泡效果优化分析[Ｊ].合肥工业大学学报(自然科学版)ꎬ２０１９ꎬ４２(２):２２３￣２２９.[３]㊀郭寅川ꎬ赵㊀宾ꎬ李㊀鹏ꎬ等.基于正交试验的泡沫沥青的发泡性能[Ｊ].江苏大学学报(自然科学版)ꎬ２０１８ꎬ３９(４):４９２￣４９６.[４]㊀黄维蓉ꎬ任海生.基于非接触式方法的沥青发泡评价指标研究[Ｊ].重庆交通大学学报(自然科学版)ꎬ２０１８ꎬ３７(９):４３￣４７.[５]㊀黄维蓉ꎬ任海生.沥青发泡机理及发泡效果评价指标研究[Ｊ].重庆交通大学学报(自然科学版)ꎬ２０１８ꎬ３７(６):３６￣４１.[６]㊀李㊀峰ꎬ曾㊀蔚ꎬ徐㊀剑.沥青发泡特性的优化[Ｊ].建筑材料学报ꎬ２０１５ꎬ１８(１):１６２￣１６７.[７]㊀彭㊀坤.低针入度泡沫沥青衰落特性及发泡指数研究[Ｊ].公路工程ꎬ２０１２ꎬ３７(５):２０６￣２０９.[８]㊀李㊀峰ꎬ黄颂昌ꎬ徐㊀剑.泡沫沥青衰变方程与发泡特性评价[Ｊ].同济大学学报(自然科学版)ꎬ２０１１ꎬ３９(７):１０３１￣１０３４.[９]㊀王安麟ꎬ程海鹰ꎬ慈㊀健ꎬ等.沥青发泡质量控制的参数化模型[Ｊ].建筑材料学报ꎬ２００９ꎬ１２(５):５５８￣５６２ꎬ６０８.[１０]㊀王安麟ꎬ程海鹰ꎬ汪昱栋ꎬ等.沥青发泡质量控制方程及其参数化[Ｊ].建筑材料学报ꎬ２００９ꎬ１２(４):４１３￣４１７ꎬ４２２.ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆＳＢＳｍｏｄｉｆｉｅｄａｓｐｈａｌｔｕｌｔｒａ￣ｔｈｉｎｃｏｖｅｒＣｈｅｎＢｏ㊀ＸｉＧｕｉｄｏｎｇ(ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＺｈｉｘｉａｎｇＰａｖｅｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ.ꎬＬｔｄ.ＳｐｅｃｉａｌＰａｖｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＮａｔｉｏｎａｌＭｏｕｎｔａｉｎＨｉｇｈｗａｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒꎬＣｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００６７ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＰｅｒｆｏｒｍｆｏａｍｉｎｇｔｅｓｔｏｎＳＫ７０＃ꎬＳＫ９０＃ꎬＺＨ７０＃ｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆａｓｐｈａｌｔｔｏｔｅｓｔｔｈｅａｓｐｈａｌｔｅｘｐａｎｓｉｏｎｒａｔｅａｎｄｈａｌｆ￣ｌｉｆｅｉｎｄｅｘꎬｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｉｎｄｅｘｅｓｏｆａｓｐｈａｌｔꎬｆｏａｍｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｗａｔｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｎｔｈｅｆｏａｍｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆａｓ￣ｐｈａｌｔｗｅｒｅｅｖａｌｕａｔｅｄꎬａｎｄｒｅａｓｏｎａｂｌｅｆｏａｍｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｍａｔｒｉｘａｓｐｈａｌｔｗｅｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｔｙｐｅｏｆａｓｐｈａｌｔｈａｓａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｆｏａｍｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ.ＵｎｄｅｒｔｈｅｓａｍｅｆｏａｍｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓꎬｔｈｅｆｏａｍｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆＺＨ７０＃ｍａｔｒｉｘａｓ￣ｐｈａｌｔｉｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈｅｏｔｈｅｒｔｗｏｔｙｐｅｓｏｆａｓｐｈａｌｔ.Ｔｈｅｇｒｅｙｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅ６０ħｄｙｎａｍｉｃｖｉｓｃｏｓｉｔｙａｎｄｆｏａｍｉｎｇｏｆａｓｐｈａｌｔｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔꎬａｎｄｔｈｅａｓｐｈａｌｔｗｉｔｈａｓｍａｌｌｅｒｄｙｎａｍｉｃｖｉｓｃｏｓｉｔｙｈａｓａｂｅｔｔｅｒｆｏａｍｉｎｇｅｆｆｅｃｔꎬｔｈｅｅｘ￣ｐａｎｓｉｏｎｒａｔｅｏｆｔｈｅａｓｐｈａｌｔｉｓｍｏｒｅｏｂｖｉｏｕｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｆｏａｍｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｗａｔｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ.Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｔｅｍｐｅｒ￣ａｔｕｒｅｃａｎｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｅｘｐａｎｓｉｏｎｒａｔｅｗｉｔｈｏｕｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｈａｌｆ￣ｌｉｆｅ.Ｉｔｉｓｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄｔｈａｔｔｈｅｔｅｓｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｂｅ１６０ħｔｏ１７０ħꎬａｎｄｔｈｅａｍｏｕｎｔｏｆｆｏａｍｉｎｇｗａｔｅｒｔｏｂｅｔａｋｅｎｔｏｂｅ２.０％ｔｏ２.５％.Ｔｈｅｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄｅｘｐａｎｓｉｏｎｒａｔｉｏｉｓ>１５ｔｉｍｅｓａｎｄｔｈｅｈａｌｆ￣ｌｉｆｅｉｓ>８ｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｆｏａｍｅｄａｓｐｈａｌｔꎬｄｙｎａｍｉｃｖｉｓｃｏｓｉｔｙꎬｆｏａｍｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅꎬｇｒｅｙｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ３ ㊀㊀㊀第４６卷第１６期２０２０年８月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀陈㊀波等:基质沥青发泡性能影响因素分析。
文章编号:１０００Ｇ０３３X (２０１８)１１Ｇ００９０Ｇ０４收稿日期:２０１８Ｇ０３Ｇ２８作者简介:宋朝波(１９８５Ｇ),男,陕西西安人,中级工程师,工程硕士,研究方向为沥青搅拌设备的设计及应用.G F A T １型沥青发泡装置的水路系统设计宋朝波,王艳敏(中交西安筑路机械有限公司,陕西西安㊀７１０２００)摘㊀要:沥青发泡装置是泡沫沥青温拌技术的机械设备,其中水路系统直接影响发泡用水量的精度,从而影响沥青发泡效果.本文针对G F A T １沥青发泡装置水路系统的组成和工作原理,阐述G F A T １沥青发泡装置水路系统的设计过程,进而确定水路系统中水泵和驱动电机的参数.通过实际应用结果表明,G F A T １型沥青发泡装置的水路系统满足生产要求,具备可靠的性能.关键词:公路工程;沥青发泡装置;水路系统;水泵中图分类号:U ４１５．５㊀㊀㊀文献标志码:AD e s i g no fW a t e r w a y S y s t e mf o rG F A T １A s p h a l t F o a m i n g De v i c e S O N GZ h a o Ｇb o ,WA N G Y a n Ｇm i n(C C C CX i a nR o a dC o n s t r u c t i o n M a c h i n e r y Co ．,L t d ．,X i a n７１０２００,S h a a n x i ,C h i n a )A b s t r a c t :A s p h a l t f o a m i n g d e v i c e i st h e m e c h a n i c a l e q u i p m e n to f f o a m e da s p h a l tw a r m m i x i n gt e c h n o l o g y ,i n w h i c h t h e w a t e r w a y s y s t e m d i r e c t l y a f f e c t st h e a c c u r a c y o ff o a m i n g w a t e r c o n s u m p t i o n ,t h u sa f f e c t i n g t h ee f f e c to fa s p h a l tf o a m i n g ．I nt h i s p a p e r ,a c c o r d i n g tot h e c o m p o s i t i o n a n dw o r k i n g p r i n c i p l e o f t h ew a t e r w a y s y s t e mo fG F A T １a s p h a l t f o a m i n g d e v i c e ,t h e d e s i g n p r o c e s s o f t h ew a t e r w a y s y s t e mo f t h eG F A T １a s p h a l t f o a m i n g d e v i c ew a s d e s c r i b e d ,a n d t h e p a r a m e t e r s o f t h e p u m p a n d t h e d r i v i n g m o t o r i n t h ew a t e r w a y s ys t e m w e r e d e t e r m i n e d ．T h e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ew a t e r w a y s y s t e m o fG F A T １a s p h a l t f o a m i n g de v i c e m e e t s t h e p r o d u c t i o n r e qu i r e m e n t s a n dh a s r e l i a b l e p e r f o r m a n c e ．K e y w o r d s :h i g h w a y e n g i n e e r i n g ;a s p h a l t f o a m i n g d e v i c e ;w a t e r w a y s y s t e m ;w a t e r p u m p ０㊀引㊀言G F A T １型沥青发泡装置是泡沫沥青温拌技术的关键装备,可以安装在连续式或间歇式搅拌设备上生产泡沫沥青,使沥青的黏度降低,实现沥青混合料在较低的温度下生产㊁摊铺及碾压,同时保证泡沫沥青混合料的性能不低于热拌沥青混合料[１Ｇ２].沥青发泡装置通过水路系统提供沥青发泡所需的用水,而发泡用水量是影响沥青发泡效果的主要因素之一[３],因此水路系统的设计对沥青发泡装置的性能起着关键的作用[４Ｇ５].１㊀沥青发泡装置及其水路系统的组成沥青发泡装置由沥青管㊁水路管㊁气路管㊁水流喷射器㊁气控电磁阀及背部热油管组成,配置３~６组圆柱形发泡腔,以提升泡沫沥青的半衰期,如图１所示.水路系统由水箱㊁水泵㊁控制系统及流量计组成,如图２所示.水路系统中的水泵采用柱塞泵,柱塞泵是一种典型的容积式水力机械,由原动机驱动,把输入的机械能转换成液体的压力能,再以压力㊁流量的形式输入到系统中去.流量计采用电磁流量计,应用电磁感应原理,根据导电流体通过外加磁场时产生的电动势来测量导电流体的流量.水箱采用工程塑料水箱,水箱的上部配置浮球阀,中部配置液位开关.当水箱注满水时,水箱的高位浮球阀会切断水的补给;当水箱缺水时,水箱的液位开关会发出信号,控制系统收到信号后出现报警提示,操作人员可打开进水图１㊀G F A T１沥青发泡装置结构图２㊀水路系统结构阀对水箱进行补水[６Ｇ７].另外,水箱还配置了电加热器,防止在较低的温度下发泡水结冰.２㊀沥青发泡装置水路系统的设计２．１㊀水路系统的工作要求根据强制间歇式搅拌设备的工作特点,水路系统在工作时需要满足以下条件:水路系统要和沥青喷洒泵联动,同时水路供给要间歇性地启停;水路系统运行过程中水的压力要保持稳定,并且要有一定的扬程;水路系统的计量精度在ʃ０．５％范围之内;水路系统中要有一定的储水量;水路系统要满足安全生产的要求.２．２㊀水路系统的工作原理水路系统的工作原理为:水从水泵流出,经过流量开关和溢流阀分为两路,一路经过流量开关为沥青发泡器提供具有一定压力的水,另一路经过溢流阀进入水箱,２个水路不同时接通.当沥青发泡器工作时,流量开关可以与控制系统进行通讯,达到要求的流量和压力后控制系统发出指令,使喷水器的电磁阀打开,溢流阀关闭,水经过流量开关进入沥青发泡器后与高温沥青混合,形成泡沫沥青;当沥青发泡器停止工作时,喷水器的电磁阀关闭,水路系统压力开始增大,达到一定的压力值后溢流阀打开,水经过溢流阀进入水箱,当沥青发泡器再次工作时,水路系统进入下一个工作循环.水泵的出水口安装有电磁流量计,可以与控制系统进行通讯,及时控制和调节发泡用水量[８Ｇ９].２．３㊀水路系统的工作参数计算(１)沥青发泡装置水流量的计算.强制间歇式搅拌设备上沥青发泡装置发泡所需的沥青流量C＝６０q０aTρ１(１)式中:C为沥青发泡装置的沥青流量(L m i n－１);q０为搅拌设备每批次的产量(k g);a为沥青混合料中沥青的含量(％);ρ１为沥青的密度(k g m－３);T为沥青喷洒时间(s).以某厂家生产的５０００型强制间歇式沥青搅拌设备为例,沥青混合料中沥青含量为４％,则可根据式(１)计算得到沥青发泡装置所需的沥青流量C＝１０００L m i n－１.由于沥青发泡所需水的流量C０为沥青流量的２％,可得水的流量C０＝２０L m i n－１,水泵的参数可由C０确定[１０].(２)驱动水泵的电机功率计算.驱动泵所需的功率N＝９．８１P p Qρ２１０η(２)式中:N为驱动泵所需的功率(k W);Q为水泵的理论流量(m３ s－１);ρ２为水的密度(k g m－３);η为电机至水泵的传动效率,η取值为０ ８~０ ８５;P p为沥青发泡时水泵所产生的计算压力(M P a).沥青发泡时水泵所产生的压力P p可由式(３)计算得出.P p＝K(P q＋ðP m＋P P D)(３)式中:K为储备系数,取１．１;P q为水在管中的压力损失(M P a);P m为管路各处局部压力损失(M P a); P P D为沥青发泡时水的压力(M P a).(３)水路压力损失.在计算水路压力损失时,须确定水管的直径,为此要给出水沿管路的运动速度v[１１].当采用低压(０ ５M P a)水泵时,水沿管路的运动速度应取３~４m s－１;当采用高压(２ ５M P a)水泵时,水的运动速度为５~６m s－１.沥青管的内径d＝４Q１/(πv)(４)式中:d为管路的直径(m);Q１为水的单位时间消耗量(m２ s－１).水沿管路的运动阻力视水黏度和由雷诺数决定的流动状态而定,水流动的雷诺数R＝v d/u(５)式中:u为沥青的运动黏度,u＝η/ρ,其中η为水的动力黏度(P a s).当雷诺数R＜２３２０时,水流动为层流状态;当２３２０＜R＜１３０００时,沥青流动处于不稳定状态;当R＞１３０００时,水流动为紊流状态[１２].对于层流状态,在１m长管路中的压力损失P T P＝０．３２v u/(g d２)(６)式中:g为重力加速度.对于紊流状态,在１m长管路中的压力损失P T P＝０．０１λv２/(２d g)(７)式中:λ为管的沿程阻力系数,一般取０．０３~０．０５.管中的压力损失P q＝L P T P(８)式中:L为管路的长度(m).弯管㊁阀和过滤器中的局部压力损失P M＝ξ０．０１v２２g(９)式中:ξ为局部阻力系数,一般取０．６~１.通过计算,可得出水路的压力损失,从而确定驱动泵所需的功率.根据水流量C０选择匹配的水泵,根据驱动泵所需的功率选择电机.３㊀G F A T１型沥青发泡装置的沥青发泡试验G F A T１型沥青发泡装置水路系统设计制造完成后,需要进行沥青发泡试验和温拌泡沫沥青混合料试验[１３],验证水路系统的工作性能是否能够满足G F A T１型沥青发泡装置的生产要求.３．１㊀试验条件试验选用７０＃沥青和９０＃沥青,７０＃沥青的参数:密度为１．０５０５g c m－３,２５ħ针入度为６８(０ ０１m m),软化点为４６ ６ħ;９０＃沥青的参数:密度为１．０４９９g c m－３,２５ħ针入度为９１(０．０１m m),软化点为４７ ２ħ;试验设备选用G F A T１型沥青发泡装置.沥青发泡用水量(相对沥青的质量百分数)选用１％㊁２％㊁３％三种,沥青温度为１６０ħ,２种沥青在不同发泡用水量条件下进行发泡试验,测试泡沫沥青的半衰期和膨胀率２个参数[１４].３．２㊀沥青发泡试验数据不同发泡用水量条件下,２种沥青发泡的试验结果见表１㊁２,将表１㊁２数据绘制成变化规律曲线,见图３㊁４.表１㊀７０＃沥青发泡试验结果用水量/％１２３半衰期/s１３．５１０．５６．９膨胀率/％４．７６．２８．６表２㊀９０＃沥青发泡试验结果用水量/％１２３半衰期/s１４．８１１．７８．３膨胀率/％５．３７．２１０．２图３㊀７０＃沥青沥青发泡变化曲线图４㊀９０＃沥青沥青发泡变化曲线㊀㊀从图３㊁４可以看出:７０＃和９０＃沥青的发泡效果良好,性能稳定;发泡用水量对７０＃和９０＃沥青的膨胀率和半衰期有显著影响,发泡用水量越多,泡沫沥青的膨胀率越大,半衰期越短[１５].试验结果证明设计制造的水路系统满足G F A T１型沥青发泡装置的生产要求,但是否匹配搅拌设备的生产工艺要求,还需要通过温拌泡沫沥青混合料的生产进一步验证[１６Ｇ１７].４㊀温拌泡沫沥青混合料试验４．１㊀温拌泡沫沥青混合料生产过程试验试验设备选用中交西筑S G４０００型搅拌设备,同时搭载G F A T１沥青发泡装置,生产的温拌泡沫沥青混合料级配为A CＧ１３,沥青为７０＃沥青,其密度为１ ０５０１g c m－３,２５ħ针入度为６８(０ ０１m m),软化点为４６ ５ħ.S G４０００型沥青搅拌设备生产的温拌泡沫沥青混合料温度在１１５ħ~１４０ħ之间,与普通热拌沥青混合料形态无明显区别,也无白花料现象出现,沥青均匀地裹覆在热骨料表面[１８].４．２㊀温拌泡沫沥青混合料施工过程试验施工现场对泡沫沥青温拌混合料的摊铺温度进行检测,摊铺后混合料温度为１１０ħ~１３５ħ,摊铺和碾压均正常进行[１９].４．３㊀温拌泡沫沥青混合料实验室试验对生产的泡沫沥青混合料进行取样,按要求击实成型马歇尔试件.通过实验室马歇尔试验证明:温拌泡沫沥青混合料试件的性能指标满足«公路沥青路面施工技术规范»(J T G F４０ ２００４)的要求.搭载G F A T１沥青发泡装置的S G４０００型搅拌设备生产的温拌泡沫沥青混合料,其温度比传统的热拌沥青混合料降低２０ħ~４０ħ;G F A T１沥青发泡装置的水路系统在生产过程中工作性能稳定,与沥青搅拌设备的匹配性良好.５㊀结㊀语本文设计了G F A T１型沥青发泡装置的水路系统,计算了沥青发泡装置在生产泡沫沥青时的工作参数,进而确定了水路系统中水泵和驱动电机的型号.对设计的G F A T１型沥青发泡装置水路系统进行了工业试验,结果表明:G F A T１型沥青发泡装置的水路系统满足生产要求,具备了可靠的工作性能.参考文献:[１]㊀石津金．泡沫沥青温拌技术应用研究[D]．石家庄:河北工业大学,２０１５．[２]㊀李德超．温拌及半温拌沥青混合料的能耗与环保效益分析[J]．筑路机械与施工机械化,２０１１,２８(１２):６２Ｇ６６．[３]㊀王㊀春,唐礼泉,关㊀泊,等．温拌沥青混合料技术及其应用[J]．筑路机械与施工机械化,２０１２,２９(１):４５Ｇ４８．[４]㊀龚㊀平,李振刚,刘洪海,等．先进的施工机械和工艺是提高路面综合质量的保证[J]．筑路机械与施工机械化,１９９９,１６(６):４３Ｇ４５．[５]㊀李志伟,贺㊀海,董㊀彪,等．温拌沥青混合料施工工艺研究[J]．筑路机械与施工机械化,２０１３,３０(６):５２Ｇ５６．[６]㊀杨㊀斌．基于P L C的泡沫沥青试验机控制系统研究[D]．西安:长安大学,２０１４．[７]㊀陈鸿略,王银安．L FＧ５００型沥青发泡机[J]．筑路机械与施工机械化,１９９３,１０(４):１８．[８]㊀王启超．基于F l u e n t的沥青发泡腔结构研究[J]．筑路机械与施工机械化,２０１２,２９(１０):６２Ｇ６４[９]㊀程海鹰,贾㊀磊．F l u e n t在泡沫沥青流量控制研究中的应用[J]．机械设计与制造,２０１５(４):１２３Ｇ１２５．[１０]㊀温士俊．沥青发泡装置的研究与应用[D]．泉州:华侨大学,２０１５．[１１]㊀吉效科,王㊀飞,魏惠宁．往复式注水泵配置电机功率储备系数的确定方法[J]．设备管理与维修,２０１７(１１):１０１Ｇ１０２．[１２]㊀沈千里,邱艳峰,石㊀峰,等．基于管路压力损失对液压系统可靠性影响的分析与研究[J]．液压气动与密封,２０１６,３６(６):６５Ｇ６８．[１３]㊀J E N K I N SKJ,MO L E N A A R A,G R O O TJ．F o a m e dA s p h a l t P r o d u c e dU s i n g W a r m e d a g g r e g a t e s[J]．A A P T,２００２(７１):４４４Ｇ４７８．[１４]㊀王安麟,程海鹰,王剑皖．泡沫沥青膨胀率和半衰期的理论测算[J]．建筑材料学报,２００９,１２(６):６８４Ｇ６８８．．[１５]㊀刘建国．沥青发泡过程和发泡条件参数的仿真研究[D]．西安:长安大学,２０１４．[１６]㊀张和义．泡沫沥青发泡特性的试验研究[J]．内蒙古公路与运输,２０１１(６):７Ｇ９．[１７]㊀刘士杰．低碳环保泡沫沥青技术及其应用[J]．筑路机械与施工机械化,２０１１,２８(７):７Ｇ１０．[１８]㊀高启聚,宋旭艳．发泡温拌沥青混合料S u p e r p a v e设计与性能研究[J]．筑路机械与施工机械化,２０１７,３４(５):６４Ｇ６７．[１９]㊀裴建中,邢向阳．温拌沥青混合料施工技术研究[J]．筑路机械与施工机械化,２０１０,２７(３):４１Ｇ４４．[责任编辑:杜敏浩]。
