沥青发泡装置设计方法与理论研究

Foamed asphalt recycling technology is playing a main role in rapid rehabilitation of the road as the outstanding advantages of energy-saving, environmental protection and economy. Stable performance and accurate flux of foamed asphalt is a prerequisite and ensures the successful implement of recycling technology. Nowadays, China urgently needs the asphalt foaming device when stepping into a large-scale road rehabilitation period. Asphalt foaming is a complex physical process. The foaming effectiveness is affected jointly by process control parameters (temperature, flow and pressure), physical parameters of asphalt (penetration and viscosity) and design parameters of device. Moreover, it holds strong fuzziness and tight mutual coupling. .To produce high-quality (good performance and high flow precision) foamed asphalt, a combining method of theory analysis, numerical simulation and testing research should be adopted. According to the inherent characteristic of asphalt foaming, behavior control model is established. Furthermore, the design law of core component is developed by exploring the relationships between microscopic evolutionary mechanism and macroscopic characteristic parameter of asphalt foaming. And then, on the basis of constructing the media flow characteristic model and the matching control method of pipeline system, specially fulfilling the high viscosity fluid pipeline system modeling, a synthetical design method of pipeline system is achieved. Finally, with the sensibility analysis on all influencing factors, we can put forward a feasible quality control strategy and algorithm of foamed asphalt applying to engineering. These results will provide a prevalent theory guidance and technique assurance for designing and manufacturing the asphalt foaming device.

泡沫沥青再生技术以节能、环保、经济性等无可比拟的优势，成为道路快速修复的主要手段。泡沫沥青的性能稳定和流量准确是再生技术成功实施的前提和保障。我国正处于大规模道路修复期，迫切需求沥青发泡装置。沥青发泡是个复杂的物理过程，发泡效果由过程控制参数（温度、流量、压力）、沥青物理参数（针入度、粘度）、以及装置设计参数等诸多因素共同作用，具有强模糊性、强耦合性。为了制备高品质（技术性能好，流量精度高）泡沫沥青，采用理论分析，数值模拟和试验研究相结合的方法，遵循沥青发泡的本质特征建立行为控制模型，探索沥青发泡微观演化机理与宏观特征参数之间的联系，找到核心部件的设计规律；构建管道系统的介质流动特性模型与匹配控制方法，重点解决高粘度流体管道系统建模问题，形成管道系统综合设计方法；对诸多影响因子进行敏感性分析，制定有效可行的泡沫沥青工程化质量控制算法，为沥青发泡装置的设计研制提供普遍的理论指导和技术保障。

泡沫沥青再生技术以节能、环保、经济性等无可比拟的优势，成为道路快速修复的主要手段。生产泡沫沥青需要专门的机械设备，我国正处于大规模道路修复期，迫切需求沥青发泡装置。泡沫沥青性能稳定和流量准确是再生技术成功实施的前提和保障。项目从以下几个方面展开研究：① 深入分析沥青发泡行为的本质特征，综合考虑发泡水的相变和各相间的相互作用，建立发泡腔内部耦合场的控制模型和评价指标。②明确了影响沥青发泡行为的主要因素和交互作用因素，并运用灰色关联度法分析了诸多因素对沥青发泡效果的影响程度，揭示了发泡腔的结构参数和各喷口设计参数对腔体内部流场的影响规律。③针对影响沥青发泡行为的无规则的多参数进行了优化求解。首先，以发泡腔体容积、沥青入口尺寸和泡沫沥青出口尺寸为研究因素，以膨胀率为响应值，采用Box-Behnken Design方法选取试验点，构建二阶响应面模型，对沥青发泡腔的结构参数进行分析和优化，获得最佳设计参数：腔体容积为87.52mL，沥青入口尺寸为2.79mm，泡沫沥青出口尺寸为7.68mm。其次，以沥青温度、油水比、水温为研究因素，以获取泡沫沥青膨胀率最大为目标，通过建立Box-Behnken Design响应面模型，对沥青发泡的过程控制参数进行优化，获得最佳过程控制参数：沥青温度为166°C、油水比为2.5、水温为46°C。 ④构建沥青发泡装置管道系统的介质流动特性模型与匹配控制方法，重点解决了高粘度流体管道系统建模问题。⑤从工程化的角度出发，建立新型沥青喷射驱动机构下的泡沫沥青流量控制方法。⑥运用CFD数值仿真和试验相结合的方法，分析了由多头发泡腔组成的泡沫沥青喷洒杆的流量均匀性。获得喷洒杆上各发泡腔出口处压力和流量呈现减小趋势，最大的压力差为1118Pa，最大的流量差为0.34g/s。⑦在上述研究成果基础上，自主开发了沥青发泡装置并成功发泡，制备的泡沫沥青膨胀率达13倍，半衰期达12秒，能够满足我国公路沥青路面再生技术规范的要求。研究成果为沥青发泡装置实际设计生产提供理论依据，对推动泡沫沥青再生技术具有重要意义。