趙少宗

（上海市政工程設(shè)計(jì)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(shí)溫度。選擇黏度為 （0.17±0.02）Pa·s和（0.28±0.03）Pa·s所對(duì)應(yīng)的溫度作為混合料的拌和和壓實(shí)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(huì)隨著溫度的升高逐漸變?nèi)?，但是在確定施工溫度的時(shí)候往往會(huì)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(huì)偏高，過高的施工溫度會(huì)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(duì)能源的浪費(fèi)。

我國(guó)則通常結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)在基質(zhì)瀝青施工溫度的基礎(chǔ)上提高10～20℃，面對(duì)各種各樣的改性瀝青之間的差異，這種憑借經(jīng)驗(yàn)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(yàn)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(yàn)原材料

1.1.1 瀝青

本文選擇殼牌70號(hào)和90號(hào)兩種基質(zhì)瀝青，改性瀝青選擇SBS和TPS高黏瀝青。級(jí)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(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）對(duì)各種瀝青指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)[5]。各種瀝青指標(biāo)見表1～表4。

表1 70號(hào)基質(zhì)瀝青指標(biāo)

表2 90號(hào)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(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2005）對(duì)集料基本指標(biāo)的要求對(duì)集料進(jìn)行試驗(yàn)[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(yàn)儀帶有變速轉(zhuǎn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)與混合料拌和柄相連，儀器上的扭矩測(cè)試裝置可以記錄拌和柄在攪拌混合料時(shí)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(shí)，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(shí)的溫度，即可確定施工溫度下所對(duì)應(yīng)的扭矩，以此扭矩作為一個(gè)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(yàn)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(cè)定不同瀝青的表觀黏度，并且測(cè)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(gè)溫度作為測(cè)試溫度。試驗(yàn)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(shì)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(gè)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(jì)算其每個(gè)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(jì)算式如下：

式中：T1、T2為溫度；u1、u2為 T1、T2溫度下對(duì)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(gè)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(shì)相同?；|(zhì)瀝青相對(duì)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(shí)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(shí)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(gè)溫度區(qū)間對(duì)于溫度的變化極為敏感。實(shí)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(dòng)，以達(dá)到預(yù)期的配合比設(shè)計(jì)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(yàn)中剪切速率的變化而變化的，但是同一試驗(yàn)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?yàn)樵谠囼?yàn)中相同的數(shù)值僅代表這一試驗(yàn)條件、同一剪切速率下的性能差異，試驗(yàn)條件的改變或者同施工之間的差異就會(huì)使這個(gè)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(shí)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(gè)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(hào)基質(zhì)瀝青的拌和溫度和壓實(shí)溫度均要比90號(hào)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(shí)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(gè)固定的黏度去找到它的施工溫度。假如按照這個(gè)溫度施工，不僅會(huì)加速施工過程中瀝青的短期老化，而且會(huì)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(diǎn)，找到其壓實(shí)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(yàn)儀測(cè)定拌和時(shí)的扭矩，其中拌和頻率是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，尤其對(duì)于OGFC級(jí)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(huì)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(huì)造成阻力過大，從指標(biāo)數(shù)值上就會(huì)表現(xiàn)為和易性差[3]，所以對(duì)所選的4種瀝青分別選擇 10 Hz、20 Hz、30 Hz和 40 Hz 4個(gè)拌和頻率進(jìn)行各個(gè)溫度下的扭矩測(cè)試。試驗(yàn)溫度選取120～180℃，溫度間隔為10℃，共7個(gè)溫度，以拌和穩(wěn)定時(shí)的扭矩值作為試驗(yàn)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(shì)大致相同，都是從10 Hz到20 Hz時(shí)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(shì)相同；而且20 Hz的扭矩?cái)?shù)據(jù)規(guī)律較為穩(wěn)定，而其他頻率下的扭矩相對(duì)較為離散；基質(zhì)瀝青的數(shù)據(jù)整體相對(duì)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(hào)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(cè)定的各個(gè)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(hào)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(huì)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(shí)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(shì)。因?yàn)榇藭r(shí)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(shí)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(huì)加速瀝青的老化，還會(huì)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(yàn)證

為了驗(yàn)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(shí)時(shí)瀝青的黏度值（0.17±0.02）Pa·s、（0.28±0.03）Pa·s所對(duì)應(yīng)的 70 號(hào)基質(zhì)瀝青和90號(hào)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(duì)比兩者拌和和壓實(shí)條件下所對(duì)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?cái)M合圖

70號(hào)基質(zhì)瀝青和90號(hào)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(hào)基質(zhì)瀝青的拌和溫度下對(duì)應(yīng)的扭矩為（2.681±0.008）N·m，90號(hào)基質(zhì)瀝青拌和溫度下所測(cè)定的扭矩為（2.679±0.014）N·m，兩者相當(dāng)接近。同樣將壓實(shí)溫度分別帶入扭矩回歸方程中，得出70號(hào)和90號(hào)基質(zhì)瀝青所對(duì)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(duì)應(yīng)扭矩的平均值作為施工溫度下所對(duì)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(shí)所對(duì)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(yàn)結(jié)果可知，SBS改性瀝青拌和溫度和壓實(shí)溫度分別為（174±3）℃和（161±3）℃，TPS改性瀝青拌和溫度和壓實(shí)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(shí)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(yàn)儀扭矩法測(cè)得的試驗(yàn)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。