SBS 改性沥青发泡机理与影响因素研究

陈金山

(中铁十九局集团第六工程有限公司 江苏无锡 214028)

1 引言

热拌沥青混合料施工温度较高，排放出的有害气体对周边环境造成了破坏，因此在国家大量提倡节能环保的背景下，需要对沥青混合料生产工艺作出相应的改进[1-2]。 泡沫沥青温拌技术作为温拌沥青技术的一种，不但能够降低混合料施工温度，减少对环境的污染，而且能够有效节约施工成本[3]。目前，国内外对沥青发泡的研究以基质沥青为主，而对改性沥青发泡的研究尚显不足[4]。 因此本文分析了沥青发泡机理，指出了SBS 改性沥青发泡的影响因素，并重点针对SBS 改性沥青加热温度和用水量对沥青发泡的影响进行了试验研究，试验结果为泡沫温拌SBS 改性沥青技术的应用提供了理论支持。

2 沥青发泡机理

沥青发泡过程发生在特定的装置内，制备泡沫沥青所需的材料一般包括沥青、水与空气，沥青发泡示意如图1 所示。 在发泡装置的两侧分别有常温水和压缩空气的喷入阀门，在发泡装置上方有140 ℃以上的高温流体沥青喷入阀门。 当准备要制备泡沫沥青时，三个喷入阀门同时打开，常温水、压缩空气和高温的沥青发生一系列物理反应：常温状态下的水在高压泵作用下被分散成细小水颗粒，而这些水颗粒与高温沥青温度相差很大，在发泡装置内又迅速汽化，形成水蒸气；沥青裹覆水蒸气形成膨胀空气室，多个沥青膨胀空气室聚集后从喷出口喷出，形成了泡沫沥青[5-6]。

因为沥青泡大小和表层液膜表面厚度不相同，沥青黏度受温度影响也较大，所以沥青泡内的平衡状态维持的时间较短，沥青泡“存活”的时间也较短[7]。 关于沥青泡破灭的解释有很多，一种解释为高温的沥青泡喷出后，沥青泡表面温度迅速下降，沥青泡内部的水蒸气冷凝成液体，造成沥青泡破灭[8]；另一种解释为多个沥青泡相互黏附在一起时，液膜凹向膨胀空气室的地方形成了普莱(Plateau)边界，造成了液膜内部各处的压力值并不相同，液膜内部液体开始便向压力小的地方流动，液膜厚度变得不均匀，当液膜厚度达到极限后，平衡状态被打破，沥青泡就会破灭[9]。

图1 沥青发泡示意

3 SBS 改性沥青发泡的影响因素

结合沥青发泡机理，考虑SBS 改性沥青材料特性，可以推断出SBS 改性沥青发泡的影响因素有：(1)用水量、水压及水温。 一般来讲，用水量不同，评价沥青发泡特性的指标膨胀率和半衰期也不同；水压不同，从阀门喷入的细小水颗粒分散状态不同，一般情况下水压越大，水颗粒越分散，发泡效果越好；水温对沥青发泡也有影响，水温越高，在发泡腔内越容易汽化为水蒸气[10]。 (2)气压。 空气压力值越大，越容易被沥青裹附，发泡效果越好。 (3)沥青加热温度、SBS 改性剂掺加量和基质沥青种类。 沥青加热温度不同，各成分之间的热量传递程度不同；SBS改性剂掺加量和基质沥青种类均影响沥青内部组成成分，沥青组成成分不同，物理反应剧烈程度不同，发泡效果不同[11]。 (4)发泡装置结构尺寸。 沥青发泡的主要场所为发泡装置，发泡装置内部的结构尺寸不同，沥青发泡物理反应剧烈程度不同，沥青发泡效果也会有所差异[12]。

对于工程中使用的沥青而言，一般是通过改变沥青加热温度和用水量进行沥青发泡试验，以得到最佳发泡效果所对应的最佳发泡条件[13]。 因此，可开展相应的试验来研究沥青加热温度和用水量对SBS 改性沥青发泡的影响。

4 SBS 改性沥青发泡试验

4.1 试验装置与试验材料

在试验室内开展沥青发泡试验时，所用的装置一般是维特根公司生产的WLB10 型号的小型沥青发泡设备，如图2 所示。 在利用该装置进行试验前，调节水和空气的压力值达到规定要求，以此确保发泡过程能够正常进行。 选择测量容器为圆柱形，直径300 mm、容积20 L；测量仪器精度：直尺精度0.2%，时间精度0.1 s，温度精度1.0 ℃，质量精度0.1 g。 试验所用SBS改性沥青的技术指标如表1 所示。

图2 WLB10 型沥青 发泡设备

表1 SBS 改性沥青技术指标

选择膨胀率和半衰期为评价沥青发泡效果的指标，试验内容为测试三种不同用水量和三种不同沥青加热温度不同组合下沥青的发泡效果，试验目的为对比不同组合的发泡效果，分析每个因素对沥青发泡的影响。 其中，发泡用水量分别为2.0%、2.5%和3.0%；SBS 改性沥青加热温度分别160 ℃、170 ℃和180 ℃。

4.2 SBS 改性沥青加热温度对沥青发泡的影响

从理论上讲，对于某种特定类型的沥青应该有最佳的沥青加热温度。 高于或低于最佳沥青加热温度，沥青的发泡效果就会变差。 采用以上试验材料，在三种不同沥青加热温度和三种不同用水量下开展SBS改性沥青发泡试验，试验结果如表2 所示。 以表2 的试验数据为依据，可得到不同SBS 改性沥青加热温度下的膨胀率和半衰期变化曲线，如图3 所示。

表2 SBS 改性沥青发泡试验的试验结果

图3 不同SBS 改性沥青加热温度下沥青发泡特性

从图3 可以看出，在不同发泡用水量下，膨胀率或半衰期随SBS 改性沥青加热温度变化的规律不同。 当用水量为2.0%时，随SBS 改性沥青加热温度升高，膨胀率先变大后变小，半衰期先保持不变后缩短；当用水量为2.5%时，随着SBS 改性沥青加热温度升高，膨胀率先保持不变后变大，半衰期先延长后缩短；当用水量为3.0%时，随着SBS 改性沥青加热温度升高，膨胀率先变大后变小，半衰期一直缩短。 对于沥青加热温度对发泡特性的影响，我们一般认为沥青加热温度越高，膨胀率越大，半衰期越短[14]。 但试验结果与这一认识不同，试验结果表明SBS 改性沥青加热温度升高，膨胀率反而可能会变小。 这是因为SBS 改性沥青发泡是一个复杂的物理过程，各成分之间相互存在热量传递。 SBS改性沥青加热温度越高，液态水汽化速度越快，越容易被沥青裹附；但SBS 改性沥青加热温度越高，沥青黏度越低，沥青膜弹性越差，普莱特边界的“自愈”能力减弱。 因此，过高的SBS 改性沥青加热温度可能会降低沥青发泡效果；确定SBS 改性沥青最佳发泡条件时，需要同时考虑SBS 改性沥青加热温度和用水量的影响。

4.3 用水量对沥青发泡的影响

对于基质沥青而言，在一定的沥青加热温度下，用水量越多，沥青裹覆的水蒸气越多，沥青泡越大，膨胀率越大；但随着沥青泡体积变大，沥青膜厚度变薄，沥青泡内部能够维持平衡状态的时间变短，半衰期缩短。 依据表2 中SBS 改性沥青发泡试验的试验数据，可得到不同用水量下的膨胀率和半衰期变化曲线，如图4 所示。

图4 不同用水量下的SBS 改性沥青发泡特性

从图4 可以观察到，伴随着用水量的增加，在任一SBS 改性沥青加热温度下膨胀率一直变大，半衰期一直缩短，这与基质沥青发泡特性随用水量变化趋势一致。 以膨胀率不宜小于8 倍，半衰期不宜小于20 s 为标准，确定SBS 改性沥青最佳加热温度为170 ℃，最佳用水量为2%。

5 结束语

(1)结合沥青发泡机理，考虑SBS 改性沥青材料特性，得到了SBS 改性沥青发泡的影响因素有：用水量、水压及水温；气压；沥青加热温度、SBS 改性剂掺加量和沥青种类；发泡装置结构尺寸。

(2)膨胀率可能随着SBS 改性沥青加热温度升高而变小；过高的SBS 改性沥青加热温度导致普莱特边界的“自愈”能力减弱，降低了发泡效果。

(3)确定SBS 改性沥青最佳发泡条件时，需要同时考虑SBS 改性沥青加热温度和用水量对发泡的影响。

(4)SBS 改性沥青发泡的评价指标随用水量变化的趋势与基质沥青相同；以膨胀率不小于8 倍，半衰期不小于20 s 为标准，确定了SBS 改性沥青最佳加热温度为170 ℃，最佳用水量为2%。