摘要：本文对泡沫沥青的发泡机理进行了分析，介绍了泡沫沥青的评价指标和最佳发泡条件并研究了影响沥青发泡效果的因素。
       关键词：泡沫沥青，发泡机理，膨胀率，半衰期
      
       泡沫沥青作为一种沥青类的结合料应用于道路维修改造，是一种节能环保、经济简便的先进手段，并已经成为一种常用的沥青冷再生方法。虽然沥青本身的性能决定了发泡的质量，而沥青的发泡性能又受到其他较多因素例如发泡用水量、温度和压强等因素的影响，本文将对泡沫沥青的发泡机理和影响沥青发泡性能的参数进行分析。
      
       1泡沫沥青发泡机理
       泡沫沥青又称为膨胀沥青，就是将一定的量的经过精确计量的发泡介质(一般是常温水)注入高温液态沥青(150～180℃)中，常温水滴与热熔沥青接触时，将发生以下连锁反应：热沥青与小水滴表面发生热量交换，使水滴加热至100℃，同时冷水沥青冷却；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人沥青的连续相；随着融有大量蒸汽泡的沥青从喷嘴喷出，压缩蒸汽膨胀使沥青形成薄膜状，并依靠薄膜的表面张力将气泡完全裹覆；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状态，由于沥青与水的低导热性，这种平衡一般能够维持数秒的时间：发泡过程中产生的大量气泡以一种亚稳态的形式存在，沥青泡沫将会逐渐破灭，沥青恢复原来的体积和粘度[1]。发泡过程中通常需要加入一定压力，促进泡沫的生成，泡沫沥青喷射系统如图1所示。

图1 泡沫沥青喷射系统示意图

       整个膨胀过程是个纯粹的物理过程，所产生的泡沫沥青并不改变沥青本身的物理与化学性质，泡沫沥青并不是一种新的沥青粘结料，而是一种新技术应用所带来的产物，所以也可以称之为一种改性沥青[1]。泡沫沥青仅是利用汽化阶段使沥青的表面积大量增加，体积大大膨胀，粘度暂时降低的有利条件，处于泡沫状态的沥青与高速搅拌状态下的冷湿集料具有很好的裹覆性能，和传统的沥青混合料相比，其不同之处在于并不是沥青将石料充分裹覆起来，而只是将破碎后的材料粘结在一起，如同点焊的过程，雾状的泡沫沥青由于比表面积大，易于和细骨料结合形成类似于沥青胶浆，改善沥青与矿料拌和的和易性，从而在压实后提高了混合料的强度和粘聚性。由于增加了沥青同矿料的裹覆面，减少沥青混合料中自由沥青的厚度，从而节省沥青用量。
      
       2评价指标与最佳发泡条件
       目前评价沥青发泡效果的参数主要有膨胀率、半衰期和发泡指数。
      
       2.1膨胀率和半衰期　　
       膨胀率是指沥青与水拌和发泡后达到的最大体积与沥青未发泡前体积的比值。沥青的体积膨胀比越大，泡沫沥青与集料的接触就越充分，施工和易性越好，拌制的泡沫沥青混合料质量就越好，在最终成型的混合料中泡沫沥青的分散均匀性也就越高。
      
       半衰期是指发泡的最大体积为准起算，至体积缩减至一半所经过的时间。半衰期越长，沥青泡沫衰减越慢，施工中能提供的有效拌和时间越长，从而提高泡沫沥青混合料的质量。
      
       因此，需要选择膨胀比较大、半衰期较长的发泡条件来制作泡沫沥青。这也是进行室内发泡试验的最终目的，即寻找某沥青得到最优良发泡效果时所采用的发泡条件，这个发泡条件一般称为最佳发泡条件。最佳发泡条件一般由沥青温度和发泡用水量组成，最佳发泡条件下的发泡效果称作最佳发泡效果。通过国内外相关文献调研，最佳发泡条件的确定方法总结如图2所示[3]。

图2 确定某温度下最佳发泡条件的方法

       2.2发泡指数
       Jekens教授引入发泡指数概念，并根据泡沫沥青衰落曲线模型得出了发泡指数FI的计算公式[3]：

式中：ERm—测量的最大膨胀率；
       τ—半衰期(秒)；
       ts—泡沫沥青的喷射时间(秒)
      
       Jekens认为FI值较大说明泡沫沥青在可拌和的粘度范围内具有较高的能量，发泡效果也较好。虽然该成果理论性较强，但是过于复杂的计算过程也大大降低了该公式的实用性。
       由于在拌和过程中沥青的发泡效果和集料的温度都会对泡沫沥青的拌和效果产生影响。《南非临时技术指导》中依据集料的温度和发泡指数对泡沫沥青的使用效果进行了分类，具体如表1所列[4]。

表1 集料温度与发泡指数对泡沫沥青使用效果的影响

　　这种评价方法比较合理地反映了沥青的发泡过程，而且能够克服使用膨胀率和半衰期两个指标评价沥青发泡特性时带来的困难，但是实际应用中显得较为复杂，而且不易操作，同时基于化学里同位素衰落规律的泡沫沥青衰落曲线，有时不能准确反映各种沥青的衰落规律，这样会使计算的发泡指数FI出现较大偏差。
      
       3发泡效果影响因素
       使用德国维特根公司的WLB10发泡试验机对茂名70#沥青进行不同温度、不同用水量条件下的发泡特性试验，试验结果如表2所示。

表2 茂名70＃沥青发泡特性

图3 茂名70＃沥青发泡特性曲线

　　沥青品种是影响沥青发泡特性的最大因素，从表2和图3可以看出影响沥青发泡的因素另外一个主要因素就是：发泡用水量。在相同温度情况下，发泡用水量和沥青的温度。膨胀率随着发泡用水量的增加而增加，半衰期随着发泡用水量的增加而减小。此外，影响发泡效果还有沥青的温度、气压、水压以及是否存在消泡剂等因素。
      
       此外由实验结果和图2可以得出以下结论：
       1）该沥青发泡特性良好，满足泡沫沥青最低的发泡标准，即膨胀率>10倍，半衰期>8s；
       2）两种温度下，发泡用水量为2%~3%时能获得较好的发泡效果；
       3）两种发泡温度相比，160℃条件下能获得更好的发泡效果。
       因此，由沥青发泡特性试验最终确定本项目茂名70＃沥青的最佳发泡条件为：发泡温度为160℃、发泡用水量为2.4％。
      
       3结论
       （1）泡沫沥青发泡过程是一个复杂的物理变化过程，泡沫沥青并不是一种新的沥青粘结料，而是一种新技术应用所带来的产物；
       （2）评价泡沫的技术指标有：膨胀率、半衰期和发泡指数，而实际工程主要使用的是膨胀率和半衰期；
       （3）影响发泡效果的主要因素有：沥青的品种、发泡用水量、沥青的温度、气压、水压和是否存在消泡剂等。