基于粘溫特性的水泥瀝青膠漿施工溫度指標(biāo)試驗(yàn)研究

白劍　豆懷兵??

摘要：為確定水泥瀝青膠漿在不同粉膠比（C/A）時(shí)的施工溫度，通過(guò)布氏粘度試驗(yàn)，研究C/A和溫度對(duì)基質(zhì)瀝青膠漿、SBS改性瀝青膠漿的粘度和施工溫度的影響，并以C/A作為施工溫度的控制指標(biāo)，得到不同C/A時(shí)的施工溫度范圍。結(jié)果顯示：C/A和溫度對(duì)水泥瀝青膠漿的粘度、溫度敏感性有重要影響，且C/A主導(dǎo)著瀝青混合料的施工溫度，應(yīng)根據(jù)C/A的大小采取不同的方法確定施工溫度。

關(guān)鍵詞：道路工程；水泥瀝青膠漿；粘度；施工溫度

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.03 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： In order to determine the construction temperature of cement asphalt mortar with different cement-asphalt ratios （C/A）， Brookfield viscosity test was applied to study the influence of C/A and temperature on viscosity and construction temperature of base asphalt and SBS modified asphalt cement mortar. As the control index of construction temperature， C/A was applied to obtain construction temperature ranges with different cement-asphalt ratios. The results show that C/A and temperature both have an important effect on the viscosity and temperature sensitivity of cement asphalt mortar， while C/A has a dominant function on construction temperature of asphalt mixture. Therefore different methods should be adopted to determine the construction temperature based on the value of C/A.

Key words： road engineering； cement asphalt mortar； viscosity； construction temperature

0 引 言

現(xiàn)代膠漿理論認(rèn)為，由瀝青和填料組成的瀝青膠漿在瀝青混合料中不僅起到粘結(jié)作用，還對(duì)瀝青路面的路用性能和使用壽命有重要影響[1-3]。其中，填料的種類(lèi)和性質(zhì)影響著瀝青膠漿的性質(zhì)，進(jìn)而影響瀝青混合料的性能。相關(guān)研究表明，利用水泥替代礦粉作填料能明顯提高瀝青與礦料的粘附性，顯著提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性[4-7]?，F(xiàn)有對(duì)水泥瀝青膠漿的研究主要集中在流變性能和力學(xué)特性等方面[8-9]，而對(duì)水泥瀝青膠漿施工控制溫度的研究較少。瀝青膠漿的施工控制溫度直接影響瀝青混合料的施工質(zhì)量，這對(duì)瀝青路面的使用性能和耐久性有至關(guān)重要的影響[10-12]?，F(xiàn)行規(guī)范和研究是通過(guò)原樣瀝青的粘溫特性對(duì)瀝青混合料的施工溫度進(jìn)行確定的，并沒(méi)有考慮填料對(duì)瀝青膠漿粘度的非線性影響，而且水泥加入后，以60 ℃作為最低溫度測(cè)定基質(zhì)瀝青或改性瀝青的粘度是不合適的[13]?；诖?，本文通過(guò)測(cè)定不同水泥瀝青比（即粉膠比C/A）和溫度下基質(zhì)瀝青膠漿和SBS改性瀝青膠漿的粘度，推薦不同C/A時(shí)水泥瀝青膠漿施工溫度的確定方法和范圍。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

分別選用HK70#基質(zhì)瀝青和普通SBS改性瀝青，2種瀝青的基本技術(shù)指標(biāo)如表1所示。水泥選用普通硅酸鹽水泥，0.075 mm篩孔的通過(guò)率大于90%，其主要物理力學(xué)指標(biāo)如表2所示。

1.2 水泥瀝青膠漿的制備

采用人工攪拌的方法制備水泥瀝青膠漿。首先將通過(guò)0.075 mm篩的水泥粉放入105 ℃±5 ℃的烘箱中烘干至恒重，并將基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青分別加熱至150 ℃和160 ℃，稱(chēng)取相應(yīng)質(zhì)量的水泥粉，加入已加熱的瀝青中，并用玻璃棒不斷攪拌，直至混合均勻。

1.3 試驗(yàn)方法

采用Brookfield粘度計(jì)測(cè)定不同溫度下瀝青結(jié)合料的粘度，以控制瀝青混合料的施工性能。瀝青結(jié)合料的粘度與結(jié)合料類(lèi)型密切相關(guān)，本文通過(guò)測(cè)定不同C/A下水泥瀝青膠漿的粘度，確定不同C/A下水泥瀝青膠漿的施工溫度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 布氏粘度試驗(yàn)結(jié)果

由瀝青和水泥組成的瀝青膠漿中，當(dāng)C/A不同時(shí)，水泥顆粒的構(gòu)成、比表面積和表面特性，以及與瀝青的物化反應(yīng)和體積增強(qiáng)作用，必定有所不同，從而引起瀝青膠漿粘度變化。如果瀝青膠漿粘度過(guò)大，則使瀝青混合料施工時(shí)難以被充分碾壓；如果瀝青膠漿粘度過(guò)小，將造成瀝青混合料離析，從而影響施工質(zhì)量。因此必須研究不同C/A時(shí)水泥瀝青膠漿的粘度，以便更好地指導(dǎo)瀝青混合料施工。本文利用布氏粘度計(jì)測(cè)定不同C/A時(shí)2種水泥瀝青膠漿在不同溫度時(shí)的粘度，結(jié)果分別如表3、4和圖1所示。

從表3、4可以看出，2種水泥瀝青膠漿的粘度都隨C/A的增大逐漸增大，當(dāng)C/A>10時(shí)，粘度隨C/A的增大更加明顯。例如，當(dāng)粉膠比由0增大至1.0和1.6時(shí)，165 ℃的基質(zhì)瀝青膠漿粘度分別增大了2倍和12倍，165 ℃的SBS改性瀝青膠漿的粘度分別增大了2倍和8倍，表明水泥對(duì)瀝青起到了不同程度的增粘作用。分析其主要原因：水泥顆粒具有較大的比表面積，表面的開(kāi)口孔隙較多，當(dāng)水泥粉加入到熱瀝青中后，瀝青中的飽和芬和芳香芬等輕質(zhì)組分通過(guò)水泥粉表面的微裂縫和孔隙逐漸向水泥粉內(nèi)部滲透，結(jié)構(gòu)瀝青顆粒大量聚集，使瀝青的膠凝結(jié)構(gòu)特征更加顯著，瀝青膠漿稠度增加，粘度增大；另外，水泥中含有大量的堿性CaO，而瀝青呈酸性，當(dāng)水泥和瀝青膠溶在一起時(shí)，瀝青逐漸裹附在水泥粉的表面，水泥中的CaO與瀝青中的酸性成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使水泥與瀝青界面過(guò)渡區(qū)的化學(xué)粘結(jié)力增大，從而導(dǎo)致瀝青膠漿的粘度增大。相同條件下，SBS改性瀝青膠漿的粘度遠(yuǎn)大于基質(zhì)瀝青膠漿，這主要是與SBS溶脹在熱瀝青中形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有關(guān)。

當(dāng)C/A相同時(shí)，隨著溫度升高，2種水泥瀝青膠漿的粘度逐漸降低，最后趨于穩(wěn)定。當(dāng)溫度低于115 ℃時(shí)，瀝青膠漿表現(xiàn)為非牛頓流體，具有較高的粘度，尤其是SBS改性瀝青膠漿在較高C/A和較低溫度下，粘度趨于無(wú)窮大。隨著溫度的升高，膠漿粘度逐漸下降，瀝青膠漿逐漸由非牛頓流體向牛頓流體轉(zhuǎn)變，其中當(dāng)C/A=0時(shí)，基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青由非牛頓流體向牛頓流體轉(zhuǎn)變的溫度分別為115 ℃和125 ℃，而加入水泥后2種瀝青膠漿在溫度超過(guò)135 ℃時(shí)粘度才趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)為牛頓流體。這主要是因?yàn)?，?dāng)溫度高于135 ℃后，結(jié)構(gòu)瀝青的穩(wěn)定性遭到破壞，瀝青膠漿中自由瀝青比例增大，且水泥與瀝青界面的粘結(jié)力下降，因此瀝青膠漿的粘度趨于穩(wěn)定。

2.2 瀝青膠漿感溫性分析

實(shí)際工程中，瀝青材料在高溫時(shí)具有較高的稠度，以提高荷載作用時(shí)瀝青路面的抗變形能力，在低溫時(shí)又具有足夠的柔韌性，以提高瀝青路面的抗開(kāi)裂能力。利用Saal試驗(yàn)式（1），選取相近的2個(gè)溫度區(qū)間的粘度，計(jì)算不同C/A時(shí)2種瀝青膠漿的粘溫指數(shù)VTS，VTS絕對(duì)值越大，表明水泥瀝青膠漿的溫度敏感性越強(qiáng)，計(jì)算結(jié)果分別如表5、6所示。

從圖2可以看出，當(dāng)C/A<1.2時(shí)，|TS|隨著C/A的增大大幅降低，而當(dāng)C/A>1.2時(shí)，隨C/A的增大，|TS|的降低幅度減小，表明水泥的加入能降低瀝青的感溫性。這是因?yàn)?，瀝青膠漿的感溫性就是瀝青膠漿粘度隨溫度變化的敏感性，水泥在瀝青膠漿中起到了增強(qiáng)體積和物化反應(yīng)的作用，從一定程度上抵消了由于溫度升高而引起的粘度下降，因此感溫性得到改善。當(dāng)C/A<1.2時(shí)，水泥瀝青膠漿系統(tǒng)中瀝青為分散相，水泥為溶解相，膠漿呈現(xiàn)“固液溶解狀態(tài)”，此時(shí)瀝青性能決定著膠漿的感溫性，此時(shí)增大C/A會(huì)使感溫性得到明顯改善，因此|TS|下降較多；而當(dāng)C/A>1.2時(shí)，水泥瀝青膠漿系統(tǒng)中水泥為分散相，瀝青為溶解相，膠漿呈現(xiàn)“液固溶解狀態(tài)”，此時(shí)水泥性能主導(dǎo)著膠漿的感溫性，而水泥顆粒表觀性能隨溫度的變化很小，因此增大C/A引起的|TS|下降有限。

2.3 施工溫度指標(biāo)的確定

本文以粘度（0.17±002）Pa·s和（0.28±0.02）Pa·s分別作為水泥瀝青膠漿拌和溫度和碾壓溫度范圍的確定指標(biāo)，利用式（2）回歸得到不同C/A時(shí)瀝青膠漿的粘溫曲線方程，如表7所示，并通過(guò)計(jì)算得到2種瀝青膠漿施工溫度的控制范圍，結(jié)果如表8和圖3所示。

從圖3可以看出，隨著C/A的增大，基質(zhì)瀝青膠漿和SBS改性瀝青膠漿的施工溫度逐漸增大，當(dāng)C/A為0.8～1.2時(shí)，施工溫度增幅較大，而當(dāng)C/A大于1.2時(shí)，施工溫度增幅較小。由圖2的分析結(jié)果可知：當(dāng)C/A<1.2時(shí)，水泥瀝青膠漿呈現(xiàn)“固液溶解狀態(tài)”，瀝青性能決定著膠漿性能；當(dāng)C/A>1.2時(shí)，水泥瀝青膠漿呈現(xiàn)“液固溶解狀態(tài)”，水泥性能主導(dǎo)著膠漿性能。由于高溫下瀝青具有典型的流變特性，而水泥不具有流變學(xué)屬性，因此水泥瀝青膠漿的施工溫度不可能隨C/A的增大無(wú)限增大。同時(shí)，考慮到施工溫度過(guò)高會(huì)造成瀝青老化，從而影響路面的使用壽命，且加劇能源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染，因此建議：當(dāng)C/A<1.2時(shí)，以真實(shí)C/A條件下水泥瀝青膠漿的粘溫曲線計(jì)算施工溫度；而當(dāng)C/A≥1.2時(shí)，應(yīng)以“固液飽和狀態(tài)”時(shí)C/A對(duì)應(yīng)的粘溫曲線計(jì)算施工溫度，近似于C/A為1.0時(shí)的水泥瀝青膠漿施工溫度。本文分別利用拌和溫度和碾壓溫度上下限中值對(duì)應(yīng)的粘度，帶入C/A為1.0時(shí)的粘溫曲線方程，計(jì)算得到C/A≥1.2時(shí)水泥瀝青膠漿的施工溫度區(qū)間，如表8所示?？梢?jiàn)在水泥瀝青膠漿施工時(shí)，以不同C/A為指標(biāo)確定的施工溫度范圍是合理的。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）隨著C/A的增大，2種瀝青膠漿粘度都逐漸增大，當(dāng)C/A超過(guò)1.0時(shí)，粘度大幅增長(zhǎng)；隨溫度的升高，膠漿粘度逐漸降低，當(dāng)溫度低于115 ℃時(shí)，水泥瀝青膠漿為非牛頓流體，具有較高的粘度，而當(dāng)溫度超過(guò)135 ℃時(shí)粘度趨于穩(wěn)定，膠漿轉(zhuǎn)化為牛頓流體。

（2）選取的溫度區(qū)間不同，計(jì)算得到的VTS不同，建議選用多個(gè)溫度區(qū)間VTS絕對(duì)值的平均值為感溫性評(píng)價(jià)指標(biāo)；|TS|隨C/A的增大逐漸減小，當(dāng)C/A<1.2時(shí)，|TS|的降低幅度較大，當(dāng)C/A>1.2時(shí)，|TS|的降低幅度較小。

（3）隨著C/A增大，基質(zhì)瀝青膠漿和SBS改性瀝青膠漿的施工溫度逐漸增大，綜合考慮，當(dāng)C/A<1.2時(shí)，以真實(shí)C/A條件下水泥瀝青膠漿的粘溫曲線計(jì)算施工溫度；而當(dāng)C/A≥1.2時(shí)，應(yīng)以“固液飽和狀態(tài)”時(shí)C/A對(duì)應(yīng)的粘溫曲線計(jì)算施工溫度，近似于C/A為1.0時(shí)的水泥瀝青膠漿施工溫度。

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[責(zé)任編輯：王玉玲]