改性瀝青混合料施工溫度確定方法的研究

趙少宗

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引言

基質(zhì)瀝青屬于牛頓流體，其瀝青混合料的施工溫度確定通常是根據(jù)瀝青在不同溫度下的黏度繪制成黏溫曲線來確定瀝青混合料的拌和溫度和壓實溫度。選擇黏度為 （0.17±0.02）Pa·s和（0.28±0.03）Pa·s所對應(yīng)的溫度作為混合料的拌和和壓實溫度[1]，固定溫度下的黏度是穩(wěn)定不變的，不因剪切速率的變化而改變。然而這一方法并不適于作為非牛頓流體的改性瀝青，其黏度是隨著剪切速率的增加而逐漸降低的，即所謂的“剪切變稀”現(xiàn)象[2]。雖然上述的這種非牛頓流體所表現(xiàn)出來的特性會隨著溫度的升高逐漸變?nèi)酰窃诖_定施工溫度的時候往往會有很大的影響。通過黏溫曲線確定出來的施工溫度一般都會偏高，過高的施工溫度會使得瀝青產(chǎn)生短期的老化，瀝青變得更易脆裂，進(jìn)而影響路面的抗疲勞性能而降低使用年限。另外從能源角度考慮，過高的施工溫度也是對能源的浪費。

我國則通常結(jié)合工程實踐經(jīng)驗在基質(zhì)瀝青施工溫度的基礎(chǔ)上提高10～20℃，面對各種各樣的改性瀝青之間的差異，這種憑借經(jīng)驗來確定施工溫度的方法缺乏科學(xué)性和合理性[6]。本文借用瀝青混合料和易性試驗儀來進(jìn)行改性瀝青施工溫度的確定，只有在合理的施工溫度下進(jìn)行施工，才能保證基本的路用性能和使用壽命。

1 原材料及研究方法

1.1 試驗原材料

1.1.1 瀝青

本文選擇殼牌70號和90號兩種基質(zhì)瀝青，改性瀝青選擇SBS和TPS高黏瀝青。級配選用OGFC-13，所用混合料均用同一油石比4.7%。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）對各種瀝青指標(biāo)進(jìn)行試驗[5]。各種瀝青指標(biāo)見表1～表4。

表1 70號基質(zhì)瀝青指標(biāo)

表2 90號基質(zhì)瀝青指標(biāo)

表3 SBS瀝青指標(biāo)

表4 TPS改性瀝青指標(biāo)

由表1～表4中的數(shù)據(jù)可知，各瀝青的基本指標(biāo)均滿足規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.1.2 集料及礦粉

本文所用集料為內(nèi)蒙古二連浩特玄武巖，按照《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42—2005）對集料基本指標(biāo)的要求對集料進(jìn)行試驗[4]。其基本指標(biāo)見表5、表6。

表5 粗集料指標(biāo)

表6 細(xì)集料指標(biāo)

由表5、表6的數(shù)據(jù)可知，集料各指標(biāo)均滿足規(guī)范中的要求。

礦粉起著填充空隙和與瀝青形成膠漿的雙重作用。本文選用優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r作為礦粉，其指標(biāo)見表7。

表7 礦粉指標(biāo)

1.2 研究方法

如圖1所示，和易性試驗儀帶有變速轉(zhuǎn)動的電動機，電動機與混合料拌和柄相連，儀器上的扭矩測試裝置可以記錄拌和柄在攪拌混合料時產(chǎn)生的扭矩，扭矩值的大小可以間接反映瀝青混合料拌和和易性的優(yōu)劣?；|(zhì)瀝青和改性瀝青混合料在不同溫度的拌和過程中達(dá)到相同的扭矩時，則認(rèn)為其達(dá)到了相同的施工和易性，再根據(jù)基質(zhì)瀝青的黏溫曲線確定其施工時的溫度，即可確定施工溫度下所對應(yīng)的扭矩，以此扭矩作為一個橋梁從而得出改性瀝青混合料的施工溫度[3]。其確定方法示意圖如圖2所示。

圖1 瀝青混合料和易性試驗儀

圖2 施工溫度確定方法圖

2 研究過程

2.1 改性瀝青黏溫特性

本文通過測定不同瀝青的表觀黏度，并且測出各瀝青不同溫度下的黏度，以得出其黏溫曲線，選取 105℃、120℃、135℃、150℃、165℃五個溫度作為測試溫度。試驗結(jié)果見表8。

表8 不同溫度下黏度表 Pa·s

由圖3、圖4和表8可以看出，無論是基質(zhì)瀝青還是改性瀝青，其黏度均隨著溫度的上升而急劇下降。同樣的溫度下，改性瀝青的黏度要明顯高于基質(zhì)瀝青黏度，且TPS改性瀝青黏度處于最高。但是基質(zhì)瀝青和改性瀝青兩者黏度隨溫度變化的趨勢不同，基質(zhì)瀝青從105℃到165℃黏度由急劇下降而逐漸變緩，而改性瀝青黏度是在中間溫度下降比較急劇，這同樣也可以反映出其在各個溫度區(qū)間的溫度敏感性不同。

為了更加具體地了解其敏感性，通過計算其每個溫度區(qū)間的黏溫曲線的斜率k來表征其敏感性大小[3]。其計算式如下：

式中：T1、T2為溫度；u1、u2為 T1、T2溫度下對應(yīng)的黏度值。

圖3 基質(zhì)瀝青黏溫曲線圖

圖4 改性瀝青黏溫曲線圖

各種瀝青的各個溫度區(qū)間斜率k值大小見表9和如圖5所示。

表9 各溫度區(qū)間黏度變化率表

圖5 各溫度區(qū)間黏度變化斜率

由圖5和表9可以看出，在所有的溫度變化區(qū)間內(nèi)，基質(zhì)和改性瀝青各自的變化規(guī)律、趨勢相同?；|(zhì)瀝青相對較為穩(wěn)定，變化幅度較小，在120～135℃較為敏感，其余區(qū)間其變化斜率相差不大，而且當(dāng)溫度在150～165℃時已經(jīng)同改性瀝青相差不多；而改性瀝青則表現(xiàn)出較大的變化幅度，在105～120℃黏度變化斜率很低，當(dāng)溫度在135～150℃時斜率達(dá)到了最大值，并且要明顯高于基質(zhì)瀝青，說明改性瀝青在這個溫度區(qū)間對于溫度的變化極為敏感。實際道路施工中，改性瀝青混合料的拌和和碾壓溫度要在150℃以上，這樣才能避免性能隨著溫度的變化而產(chǎn)生大幅度的波動，以達(dá)到預(yù)期的配合比設(shè)計和良好的施工效果。同樣基質(zhì)瀝青也盡量要在135℃以上，避開溫度最為敏感的區(qū)間。

2.2 施工溫度的確定

2.2.1 黏溫曲線確定施工溫度

根據(jù)表8中不同溫度下的黏度值，利用數(shù)學(xué)回歸的方法得出每一種瀝青的黏溫曲線（見圖6、圖 7）。

圖6 基質(zhì)瀝青黏溫曲線

圖7 改性瀝青黏溫曲線

由圖6、圖7可以看出，基質(zhì)瀝青和改性瀝青均按照指數(shù)回歸得到的回歸方程均有較高的相關(guān)系數(shù)，但改性瀝青的相關(guān)系數(shù)明顯要低。雖然改性瀝青的黏度不像基質(zhì)瀝青那樣穩(wěn)定，是隨著試驗中剪切速率的變化而變化的，但是同一試驗條件下也能反映出性能之間的差異，用黏溫曲線來確定其施工溫度卻缺乏科學(xué)性，因為在試驗中相同的數(shù)值僅代表這一試驗條件、同一剪切速率下的性能差異，試驗條件的改變或者同施工之間的差異就會使這個數(shù)值改變，故而并不能以此來直接確定其施工溫度。

本文首先按照黏溫曲線的方法來同時確定基質(zhì)瀝青和改性瀝青的施工溫度，結(jié)合前面得出的黏溫曲線和回歸公式，按照規(guī)范中確定溫度的黏度大小來確定各個瀝青的施工溫度（見表10）。

表10 黏溫曲線施工溫度表

由黏溫曲線和（0.17±0.02）Pa·s和（0.28±0.03）Pa·s確定的施工溫度可以看出，70號基質(zhì)瀝青的拌和溫度和壓實溫度均要比90號基質(zhì)瀝青高出5℃左右。但是按照此方法確定出來的改性瀝青的拌和溫度達(dá)到了200℃左右，壓實溫度也在180℃以上。改性瀝青黏度隨著剪切速率的變化而發(fā)生變化，即使達(dá)到與基質(zhì)瀝青相同的黏度條件，但是由于改性瀝青的流變特性，反映到黏度值上也不相同，即不同的施工條件下，其黏度值不同，所謂的黏溫曲線也就不一樣，并不能按照一個固定的黏度去找到它的施工溫度。假如按照這個溫度施工，不僅會加速施工過程中瀝青的短期老化，而且會影響施工的和易性，過度增加能源的消耗。

所以根據(jù)改性瀝青的非牛頓體特性，要以改性瀝青與基質(zhì)瀝青施工條件下相似的和易性作為切入點，找到其壓實和拌和的適宜溫度，即采用上述的扭矩法來進(jìn)行改性瀝青施工溫度的確定。

2.2.2 扭矩法確定施工溫度

2.2.2.1 頻率的選擇

混合料和易性試驗儀測定拌和時的扭矩，其中拌和頻率是一項重要的指標(biāo)，尤其對于OGFC級配的混合料，細(xì)集料很少，大多數(shù)為粗集料，轉(zhuǎn)速不合適會造成混合料的離析，造成拌和失真，不能模擬真正的施工。轉(zhuǎn)速過大會造成阻力過大，從指標(biāo)數(shù)值上就會表現(xiàn)為和易性差[3]，所以對所選的4種瀝青分別選擇 10 Hz、20 Hz、30 Hz和 40 Hz 4個拌和頻率進(jìn)行各個溫度下的扭矩測試。試驗溫度選取120～180℃，溫度間隔為10℃，共7個溫度，以拌和穩(wěn)定時的扭矩值作為試驗結(jié)果（見表11）。

表11 各混合料不同頻率下的扭矩表 N·m

從圖8～圖11上來看，所有瀝青種類的混合料在不同頻率下表現(xiàn)的趨勢大致相同，都是從10 Hz到20 Hz時扭矩變小，而后隨著頻率的增大扭矩又慢慢變大，整體變化不大，但整體趨勢相同；而且20 Hz的扭矩數(shù)據(jù)規(guī)律較為穩(wěn)定，而其他頻率下的扭矩相對較為離散；基質(zhì)瀝青的數(shù)據(jù)整體相對改性瀝青數(shù)據(jù)離散，所以從和易性和穩(wěn)定性上選擇拌和頻率為20 Hz。

圖8 70號基質(zhì)瀝青不同頻率的扭矩圖

2.2.2.2 扭矩曲線的確定

然后按照20 Hz條件下測定的各個溫度下的扭矩值進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果見表12和如圖12所示。

圖9 90號基質(zhì)瀝青不同頻率的扭矩圖

圖10 SBS改性瀝青不同頻率的扭矩圖

圖11 TPS改性瀝青不同頻率的扭矩圖

表12 各混合料溫度-扭矩表

圖12 溫度-扭矩變化圖

如圖12、圖13所示，所有瀝青混合料的扭矩均隨著溫度的升高而逐漸降低，說明隨著溫度的升高，瀝青黏度降低，從而混合料的和易性就會變好。相同溫度下，改性瀝青的扭矩要大于基質(zhì)瀝青的扭矩，這同樣是同溫度下黏度的反映，可以看出150℃之后扭矩的下降慢慢變得緩和，170～180℃時趨于穩(wěn)定，溫度繼續(xù)增加，扭矩也不再下降，甚至有上升的趨勢。因為此時瀝青和集料的黏附性已經(jīng)下降，裹附在集料表面的瀝青膜厚度也逐漸降低，此時扭矩的大小已經(jīng)不再取決于瀝青黏度的大小，而是集料之間的摩擦占據(jù)了主導(dǎo)地位。所以說溫度過高不但會加速瀝青的老化，還會影響其施工和易性和施工效果。

2.2.2.3 扭矩法的正確性驗證

為了驗證該方法的準(zhǔn)確性，首先根據(jù)規(guī)范中規(guī)定的拌和和壓實時瀝青的黏度值（0.17±0.02）Pa·s、（0.28±0.03）Pa·s所對應(yīng)的 70 號基質(zhì)瀝青和90號基質(zhì)瀝青的施工溫度，然后根據(jù)施工溫度帶入到扭矩和溫度的回歸方程中，對比兩者拌和和壓實條件下所對應(yīng)的扭矩是否接近，來判斷此方法準(zhǔn)確與否。其回歸方程見表13。

表13 各混合料溫度-扭矩回歸方程表

圖13 溫度-扭矩擬合圖

70號基質(zhì)瀝青和90號基質(zhì)瀝青的拌和溫度分別為（165±3）℃和（161±3）℃，并將其分別帶入各自的扭矩回歸方程，得出70號基質(zhì)瀝青的拌和溫度下對應(yīng)的扭矩為（2.681±0.008）N·m，90號基質(zhì)瀝青拌和溫度下所測定的扭矩為（2.679±0.014）N·m，兩者相當(dāng)接近。同樣將壓實溫度分別帶入扭矩回歸方程中，得出70號和90號基質(zhì)瀝青所對應(yīng)的扭矩分別為（2.782±0.02）N·m和（2.788±0.004）N·m，結(jié)果仍然十分接近，說明按照該方法進(jìn)行施工溫度的確定，結(jié)果準(zhǔn)確可行。

2.2.2.4 改性瀝青施工溫度的確定

取兩種基質(zhì)瀝青施工溫度對應(yīng)扭矩的平均值作為施工溫度下所對應(yīng)的扭矩值，并以此來確定改性瀝青的施工溫度，拌和和壓實所對應(yīng)的扭矩分別為（2.68±0.011）N·m 和（2.785±0.012）N·m，并將其帶入SBS和TPS改性瀝青混合料扭矩回歸方程中，得出其施工溫度，結(jié)果見表14。

表14 扭矩法施工溫度表

由表14的試驗結(jié)果可知，SBS改性瀝青拌和溫度和壓實溫度分別為（174±3）℃和（161±3）℃，TPS改性瀝青拌和溫度和壓實溫度分別為（186±3）℃和（172±3）℃。

3 結(jié) 語

（1）改性瀝青在溫度區(qū)間135～150℃的溫度敏感性較大，故施工中的拌和和壓實溫度要盡量避開此區(qū)間，選擇150℃以上。

（2）通過黏溫曲線的方法確定的改性瀝青混合料施工溫度缺乏科學(xué)性、合理性，且溫度值偏高。

（3）通過瀝青混合料和易性試驗儀扭矩法測得的試驗數(shù)據(jù)得出，將瀝青混合料的和易性量化能夠更加準(zhǔn)確、合理地確定改性瀝青混合料的施工溫度。只有在合理的施工溫度下進(jìn)行施工，才能保證基本的路用性能和使用壽命。