王松林 劉安剛 劉青海 周慶福

(1.武漢理工大學交通與物流工程學院 武漢 430063；2.湖北省公路工程技術研究中心 武漢 430063； 3.湖北省長江路橋有限公司 武漢 430063)

傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料需要在較高溫度下進行生產(chǎn)施工，這不僅影響環(huán)境質(zhì)量，還消耗了大量能源，此外，在隧道內(nèi)進行瀝青混合料施工時，伴隨施工產(chǎn)生的毒氣很難排出，嚴重威脅施工人員的生命健康。因此需對瀝青進行改性處理，在較低的溫度下將瀝青和礦料進行拌和，得到溫拌瀝青混合料，溫拌瀝青混合料的施工溫度比傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料要低15～30 ℃[1-3]，有利于為施工人員創(chuàng)造相對安全舒適的工作環(huán)境。

本文選擇常用于高速公路瀝青路面的SBS改性瀝青，并選取3種類型的溫拌改性劑LQ1102、TEGO168和LX450，根據(jù)3種改性劑添加摻量的范圍制備不同種類、不同摻量的溫拌改性瀝青，然后采用布氏旋轉(zhuǎn)黏度法和旋轉(zhuǎn)平板黏度法2種方法研究制得的溫拌改性瀝青的黏溫特性，并就試驗結果對2種方法進行對比分析。

1 溫拌改性瀝青的制備

試驗中瀝青采用湖北交投致遠新材料科技有限公司生產(chǎn)的SBS的質(zhì)量分數(shù)為4%的SBS(I-D)，選取的溫拌劑分別為LQ1102C、TEGO168、LX450。

1.1 瀝青

根據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[4]，首先對SBS(I-D)型瀝青材料分別進行了3大指標——針入度、延度和軟化點的性能檢測，試驗結果見表1，通過對比JTG F40-2004 《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》相關內(nèi)容可知[5]，所選取的瀝青材料符合試驗要求，可用于試驗與研究。

表1 SBS(I-D)型改性瀝青3大指標試驗結果

1.2 溫拌改性劑

溫拌劑根據(jù)作用原理分為以下3類：①發(fā)泡瀝青降黏溫拌劑；②有機添加劑降黏類溫拌劑；③表面活性類降黏溫拌劑，本試驗一共選取了3種不同的溫拌劑，分別是表面活性類溫拌劑LQ1102、泡沫瀝青類溫拌劑TEGO168、有機降黏類溫拌劑LX450。3種溫拌劑的物理性能見表2。

表2 溫拌劑物理性質(zhì)

1.3 溫拌改性瀝青的合成

在SBS改性瀝青中分別添加LQ1102、TEGO168、LX450 3種溫拌改性劑，根據(jù)已有經(jīng)驗[6]，各改性劑的摻量見表3，制備得到不同改性劑種類，不同摻量的溫拌改性瀝青，用于后續(xù)試驗。

表3 溫拌改性劑添加摻量試驗方案

2 基于布氏旋轉(zhuǎn)黏度的黏溫特性分析

2.1 試驗原理

本試驗選取NDJ-1D型布氏旋轉(zhuǎn)黏度計，根據(jù)不同的速率選用不同型號的轉(zhuǎn)子進行試驗，最后測得不同溫度下的表觀黏度，處理后得到對應的黏溫曲線。

2.2 黏溫曲線

本研究采用的試驗材料為之前制備的溫拌改性瀝青，先預估溫拌改性瀝青的黏度范圍，然后根據(jù)表4不同轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速對應的黏度來選擇適宜的轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速，文中選定轉(zhuǎn)速為20 r/min，選擇的轉(zhuǎn)子為21號轉(zhuǎn)子，選擇115，135，155和175 ℃ 4個試驗溫度，并在每個溫度下進行3次平行試驗，取3次結果的平均值作為最終結果。添加了3種摻量LQ1102溫拌劑的布氏黏度試驗結果見表5，根據(jù)試驗結果繪制黏溫關系圖見圖1。

表4 不同轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速對應的黏度值

表5 溫拌改性瀝青布氏黏度試驗結果

圖1 添加LQ1102溫拌劑后的黏溫曲線

由圖1可見，在相同溫度下，未添加LQ1102溫拌劑的SBS改性瀝青的黏度最大，而隨著LQ1102溫拌劑摻量逐漸增大，SBS改性瀝青黏度依次減小，且溫度越低，減小的幅度越大。

國內(nèi)外規(guī)范對于瀝青黏溫曲線繪制總體上來說有2種方法：①采用指數(shù)函數(shù)進行回歸擬合；②采用直線進行擬合，其中縱坐標為黏度取雙對數(shù)，橫坐標轉(zhuǎn)變?yōu)閯恿W溫度后取對數(shù)[7]，第二種方法更為常用，在我國已經(jīng)列入了JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中，其擬合方程見式(1)。

lg lg(η×1 000)=n+mlg(t+273.13)

(1)

式中：η為黏度，Pa·s；t為溫度，℃；m為斜率；n為截距。

采用式(1)所示方程對表5所示的黏溫數(shù)據(jù)進行擬合，得到對數(shù)坐標下黏溫曲線見圖2，就圖2擬合程度R2來看，均有很好的擬合關系。

圖2 添加LQ1102溫拌劑后的對數(shù)坐標下的黏溫曲線

2.3 拌和壓實溫度確定

拌和溫度和壓實溫度直接影響著路面的壓實效果，因此確定最佳壓實溫度和最佳拌和溫度對指導路面施工有著重要意義。JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中指出，可以采用黏度為(0.17±0.02) Pa·s時的溫度為拌和溫度，以(0.28±0.03)Pa·s時的溫度作為壓實溫度。根據(jù)添加LQ1102溫拌劑后的對數(shù)坐標下的黏溫曲線計算得到的拌和溫度和施工溫度見表6。

表6 添加LQ1102溫拌劑后的瀝青拌和和壓實溫度 ℃

進行布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗時，需要不斷改變轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速以滿足設備的量程和準確性，這導致轉(zhuǎn)子的剪切速率無法控制，轉(zhuǎn)子的剪切速率的整體趨勢隨著溫度的升高而變大，由此確定的拌和溫度和壓實溫度會比實際施工的溫度偏高，無法準確地量化溫拌劑的對瀝青的改性效果，因此，本文后續(xù)采用平板旋轉(zhuǎn)黏度法來研究各溫拌劑和各摻量下的溫拌改性瀝青的黏溫特性。

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3 基于平板旋轉(zhuǎn)黏度的黏溫特性分析

3.1 試驗原理

SBS改性瀝青與基質(zhì)瀝青不同，從其軟化點至180 ℃的整個溫度范圍內(nèi)，都會表現(xiàn)出很強的非牛頓流體特性，其黏度值將受到溫度和測試剪切速率的共同影響。這也意味著在同一個溫度點，使用不同測試剪切速率將得到不同的黏度值。另外，非牛頓流體還可以分為很多種類，例如假塑性、塑性和膨脹性等等。SBS改性瀝青屬于假塑性流體，即在相同溫度下，被測流體的黏度隨著測試剪切速率的增加而減小(通常稱為剪切變稀特性)[8-9]。因此，通過布氏旋轉(zhuǎn)黏度方法測試得到的SBS改性瀝青黏度并不是瀝青的真實黏度，而是在某一剪切速率下表現(xiàn)出的黏度。而應用動態(tài)流變剪切儀，采用應變控制模式時，其扭矩傳感器精度很高，可以保證在足夠?qū)挼臏囟确秶鷥?nèi)都采用同一剪切速率對瀝青進行測試。

3.2 試驗步驟及注意事項

平板旋轉(zhuǎn)黏度試驗具體的步驟如下：首先加熱瀝青制備試樣，然后將試樣放置于DSR下板并修整試樣，最后在電腦界面設定試驗參數(shù)并啟動程序。在操作過程中應注意以下幾點。

1) 改性瀝青加熱溫度以160 ℃為宜，時間一般約為30 min，溫度過高會造成瀝青老化，過低則可能導致瀝青流動性不足，無法使硅膠模具填滿或者導致瀝青內(nèi)部存在初始裂縫，從而造成試驗結果差異較大的問題。

2) 加熱下板時溫度不宜低于50 ℃，溫度過低會造成瀝青難以擠壓到設定的厚度。

3) 在修整瀝青試樣邊緣時，需用液化氣預熱刮刀，加熱時間不宜太短也不宜太長，加熱時間過短導致加熱不充分，修整后試樣邊緣仍會有多余瀝青，見圖3a)，而加熱時間過長會使刮刀溫度過高，導致瀝青試樣邊緣過度修整，見圖3b)。

4) 在關閉保溫盒時轉(zhuǎn)子應處于正中間，不能與盒壁接觸，避免由于盒壁對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生摩擦而對試驗結果產(chǎn)生影響。

圖3 瀝青試樣邊緣修整不足和過度的示意圖

3.3 黏溫曲線

選取60～140 ℃的溫度區(qū)間，并設置10 ℃的溫度梯度進行黏度-溫度曲線測試試驗。根據(jù)已有研究，在SMA混合料設計中，采用固定剪切速率25 s-1得到的黏溫關系為瀝青材料最佳拌和壓實溫度，所得結果與相應混合料的最優(yōu)壓實度、最小空隙率的相關程度最大，因此本文試驗中采用固定剪切速率25 s-1進行所有瀝青的測試。不同溫拌改性瀝青基于平板旋轉(zhuǎn)黏度測得的黏溫曲線及雙對數(shù)坐標下的黏溫關系曲線圖見圖4～圖9。

圖4 添加LQ1102溫拌劑后的黏溫曲線

圖5 添加LQ1102溫拌劑后的對數(shù)坐標下的黏溫曲線

圖6 添加TEGO168溫拌劑后的黏溫曲線

圖7 添加TEGO168溫拌劑后的對數(shù)坐標下的黏溫曲線

圖8 添加LX450溫拌劑后的黏溫曲線

圖9 添加LX450溫拌劑后的對數(shù)坐標下的黏溫曲線

由圖4、6、8可知，對于溫拌劑LQ1102和溫拌劑LX450，瀝青在各個試驗溫度下的黏度值均隨著溫拌劑摻量的不斷增大而相應減??；而對于溫拌劑TEGO168，瀝青的黏度幾乎不隨溫拌劑摻量的變化而改變，這是因為TEGO是泡沫瀝青類溫拌劑，其只有在和一定比例的水同熱瀝青一起加入到發(fā)泡裝置中生產(chǎn)泡沫瀝青，再同礦料一起拌和才能起到降低瀝青黏度的作用。

根據(jù)圖5和圖9中擬合的黏溫關系計算出的溫拌改性瀝青的最佳拌和和壓實溫度見表7、表8。

表7 添加LQ1102溫拌劑后的瀝青拌和和壓實溫度 ℃

表8 添加LX450溫拌劑后的瀝青拌和和壓實溫度 ℃

由表6、表7可見，由布氏旋轉(zhuǎn)黏度法確定的施工溫度普遍比平板旋轉(zhuǎn)黏度法確定的施工溫度高，平板旋轉(zhuǎn)黏度法確定的施工溫度更貼近實際，說明平板旋轉(zhuǎn)黏度法是一種更為高效準確的測定瀝青(尤其是SBS改性瀝青)的黏度及確定施工溫度的方法。由表7、表8可知，添加0.7% LQ1102所得的溫拌改性瀝青，其拌和溫度降低了24.0 ℃，壓實溫度降低了21.9 ℃；添加0.7% LX450所得的溫拌改性瀝青，其拌和溫度降低了17.1 ℃，壓實溫度降低了16 ℃，且對于LX450，摻量為0.5%和0.7%時得到的溫拌改性瀝青的拌和溫度和壓實溫度降低程度相差不大，降黏效果十分接近。

4 總結

1) 本研究明確不同溫拌改性劑添加摻量的范圍，并通過試驗確定了LQ1102、TEGO168、LX450 3種溫拌改性劑中的最優(yōu)溫拌劑及最佳摻量。

2) 采用布氏旋轉(zhuǎn)黏度法測定添加不同摻量LQ1102溫拌劑溫拌改性瀝青的黏溫關系時，發(fā)現(xiàn)得到的改性瀝青最佳施工溫度過高，不能夠很好地表征改性瀝青的黏溫關系，不具備指導意義。

3) 平板旋轉(zhuǎn)黏度法應用動態(tài)流變剪切儀，采用應變控制模式，在固定剪切速率25 s-1下測試改性瀝青的黏度，解決了采用布氏旋轉(zhuǎn)黏度方法測試改性瀝青黏溫關系時由于剪切稀化效應而導致的施工溫度偏高的問題，測試了添加LQ1102、TEGO168、LX450 3種溫拌劑的溫拌改性瀝青從60～140 ℃的平板旋轉(zhuǎn)黏度，并繪制黏溫關系曲線，試驗結果表明，SBS改性瀝青添加0.7%LQ1102后，拌和溫度降低24.0 ℃，壓實溫度降低21.9 ℃；添加0.7%LX450后拌和溫度降低15.9 ℃，壓實溫度降低14.9 ℃，但由于TEGO168為泡沫瀝青溫拌劑，因此平板旋轉(zhuǎn)黏度法不能有效表征其溫拌效果并確定其添加摻量。

4) 平板旋轉(zhuǎn)黏度法與布氏旋轉(zhuǎn)黏度法相比，能更為高效準確地測定瀝青(尤其是SBS改性瀝青)的黏度及確定施工溫度；但是針對不同瀝青進行測試時，采用的剪切速率尚需進一步研究。