GFAT1型沥青发泡装置的水路系统设计

2018-11-29宋朝波王艳敏

筑路机械与施工机械化 2018年11期

宋朝波，王艳敏

(中交西安筑路机械有限公司，陕西西安 710200)

0 引言

GFAT1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、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[1-2]。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[4-5]。

1 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、水路管、气路管、水流喷射器、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、水泵、控制系统及流量计组成，如图2所示。

图1 GFAT1沥青发泡装置结构

图2 水路系统结构

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、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阀对水箱进行补水[6-7]。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。

2 沥青发泡装置水路系统的设计

2.1 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±0.5%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。

2.2 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[8-9]。

2.3 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

(1)

式中：C为沥青发泡装置的沥青流量(L·min-1)；q0为搅拌设备每批次的产量(kg)；a为沥青混合料中沥青的含量(%)；ρ1为沥青的密度(kg·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=1 000 L·min-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=20 L·min-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

(2)

式中：N为驱动泵所需的功率(kW)；Q为水泵的理论流量(m3·s-1)；ρ2为水的密度(kg·m-3)；η为电机至水泵的传动效率，η取值为0.8～0.85；Pp为沥青发泡时水泵所产生的计算压力(MPa)。

沥青发泡时水泵所产生的压力Pp可由式(3)计算得出。

Pp=K(Pq+∑Pm+PPD)

(3)

式中：K为储备系数，取1.1；Pq为水在管中的压力损失(MPa)；Pm为管路各处局部压力损失(MPa)；PPD为沥青发泡时水的压力(MPa)。

(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(0.5 MPa)水泵时，水沿管路的运动速度应取3～4 m·s-1；当采用高压(2.5 MPa)水泵时，水的运动速度为5～6 m·s-1。

沥青管的内径

(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=vd/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(Pa·s)。

当雷诺数R<2 320时，水流动为层流状态；当2 32013 000时，水流动为紊流状态[12]。

对于层流状态，在1 m长管路中的压力损失

PTP=0.32vu/(gd2)

(6)

式中：g为重力加速度。

对于紊流状态，在1 m长管路中的压力损失

PTP=0.01λv2/(2dg)

(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

Pq=LPTP

(8)

式中：L为管路的长度(m)。

弯管、阀和过滤器中的局部压力损失

(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。

3 GFAT1型沥青发泡装置的沥青发泡试验

GFAT1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GFAT1型沥青发泡装置的生产要求。

3.1 试验条件

试验选用70#沥青和90#沥青，70#沥青的参数：密度为1.050 5 g·cm-3，25 ℃针入度为68(0.01 mm)，软化点为46.6 ℃；90#沥青的参数：密度为1.049 9 g·cm-3，25 ℃针入度为91(0.01 mm)，软化点为47.2 ℃；试验设备选用GFAT1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%、2%、3%三种，沥青温度为160 ℃，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]。

3.2 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1、2，将表1、2数据绘制成变化规律曲线，见图3、4。

表1 70#沥青发泡试验结果

表2 90#沥青发泡试验结果

图3 70#沥青沥青发泡变化曲线

图4 90#沥青沥青发泡变化曲线

从图3、4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GFAT1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[16-17]。

4 温拌泡沫沥青混合料试验

4.1 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SG4000型搅拌设备，同时搭载GFAT1沥青发泡装置，生产的温拌泡沫沥青混合料级配为AC-13，沥青为70#沥青，其密度为1.0501 g·cm-3，25 ℃针入度为68(0.01 mm)，软化点为46.5 ℃。

SG4000型沥青搅拌设备生产的温拌泡沫沥青混合料温度在115 ℃～140 ℃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]。

4.2 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110℃～135℃，摊铺和碾压均正常进行[19]。

4.3 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》(JTG F40—2004)的要求。搭载GFAT1沥青发泡装置的SG4000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20 ℃～ 40 ℃；GFAT1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。