王松林 劉安剛 劉青海 周慶福

(1.武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院 武漢 430063；2.湖北省公路工程技術(shù)研究中心 武漢 430063； 3.湖北省長(zhǎng)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(jìn)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(jìn)行瀝青混合料施工時(shí)，伴隨施工產(chǎn)生的毒氣很難排出，嚴(yán)重威脅施工人員的生命健康。因此需對(duì)瀝青進(jìn)行改性處理，在較低的溫度下將瀝青和礦料進(jìn)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(duì)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(yàn)結(jié)果對(duì)2種方法進(jìn)行對(duì)比分析。

1 溫拌改性瀝青的制備

試驗(yàn)中瀝青采用湖北交投致遠(yuǎn)新材料科技有限公司生產(chǎn)的SBS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的SBS(I-D)，選取的溫拌劑分別為L(zhǎng)Q1102C、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(yàn)規(guī)程》[4]，首先對(duì)SBS(I-D)型瀝青材料分別進(jìn)行了3大指標(biāo)——針入度、延度和軟化點(diǎn)的性能檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，通過(guò)對(duì)比JTG F40-2004 《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》相關(guān)內(nèi)容可知[5]，所選取的瀝青材料符合試驗(yàn)要求，可用于試驗(yàn)與研究。

表1 SBS(I-D)型改性瀝青3大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)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(jī)添加劑降黏類溫拌劑；③表面活性類降黏溫拌劑，本試驗(yàn)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(jī)降黏類溫拌劑LX450。3種溫拌劑的物理性能見(jiàn)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(yàn)[6]，各改性劑的摻量見(jiàn)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(yàn)。

表3 溫拌改性劑添加摻量試驗(yàn)方案

2 基于布氏旋轉(zhuǎn)黏度的黏溫特性分析

2.1 試驗(yàn)原理

本試驗(yàn)選取NDJ-1D型布氏旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，根據(jù)不同的速率選用不同型號(hào)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行試驗(yàn)，最后測(cè)得不同溫度下的表觀黏度，處理后得到對(duì)應(yīng)的黏溫曲線。

2.2 黏溫曲線

本研究采用的試驗(yàn)材料為之前制備的溫拌改性瀝青，先預(yù)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(duì)應(yīng)的黏度來(lái)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(hào)轉(zhuǎn)子，選擇115，135，155和175 ℃ 4個(gè)試驗(yàn)溫度，并在每個(gè)溫度下進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，取3次結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果。添加了3種摻量LQ1102溫拌劑的布氏黏度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制黏溫關(guān)系圖見(jiàn)圖1。

表4 不同轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的黏度值

表5 溫拌改性瀝青布氏黏度試驗(yàn)結(jié)果

圖1 添加LQ1102溫拌劑后的黏溫曲線

由圖1可見(jiàn)，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(guó)內(nèi)外規(guī)范對(duì)于瀝青黏溫曲線繪制總體上來(lái)說(shuō)有2種方法：①采用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行回歸擬合；②采用直線進(jìn)行擬合，其中縱坐標(biāo)為黏度取雙對(duì)數(shù)，橫坐標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)力學(xué)溫度后取對(duì)數(shù)[7]，第二種方法更為常用，在我國(guó)已經(jīng)列入了JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中，其擬合方程見(jiàn)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(duì)表5所示的黏溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到對(duì)數(shù)坐標(biāo)下黏溫曲線見(jiàn)圖2，就圖2擬合程度R2來(lái)看，均有很好的擬合關(guān)系。

圖2 添加LQ1102溫拌劑后的對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的黏溫曲線

2.3 拌和壓實(shí)溫度確定

拌和溫度和壓實(shí)溫度直接影響著路面的壓實(shí)效果，因此確定最佳壓實(shí)溫度和最佳拌和溫度對(duì)指導(dǎo)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(yàn)規(guī)程》中指出，可以采用黏度為(0.17±0.02) Pa·s時(shí)的溫度為拌和溫度，以(0.28±0.03)Pa·s時(shí)的溫度作為壓實(shí)溫度。根據(jù)添加LQ1102溫拌劑后的對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的黏溫曲線計(jì)算得到的拌和溫度和施工溫度見(jiàn)表6。

表6 添加LQ1102溫拌劑后的瀝青拌和和壓實(shí)溫度 ℃

進(jìn)行布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)時(shí)，需要不斷改變轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速以滿足設(shè)備的量程和準(zhǔn)確性，這導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的剪切速率無(wú)法控制，轉(zhuǎn)子的剪切速率的整體趨勢(shì)隨著溫度的升高而變大，由此確定的拌和溫度和壓實(shí)溫度會(huì)比實(shí)際施工的溫度偏高，無(wú)法準(zhǔn)確地量化溫拌劑的對(duì)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(lái)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(yàn)原理

SBS改性瀝青與基質(zhì)瀝青不同，從其軟化點(diǎn)至180 ℃的整個(gè)溫度范圍內(nèi)，都會(huì)表現(xiàn)出很強(qiáng)的非牛頓流體特性，其黏度值將受到溫度和測(cè)試剪切速率的共同影響。這也意味著在同一個(gè)溫度點(diǎn)，使用不同測(cè)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(cè)流體的黏度隨著測(cè)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(guò)布氏旋轉(zhuǎn)黏度方法測(cè)試得到的SBS改性瀝青黏度并不是瀝青的真實(shí)黏度，而是在某一剪切速率下表現(xiàn)出的黏度。而應(yīng)用動(dòng)態(tài)流變剪切儀，采用應(yīng)變控制模式時(shí)，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(duì)瀝青進(jìn)行測(cè)試。

3.2 試驗(yàn)步驟及注意事項(xiàng)

平板旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)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(shè)定試驗(yàn)參數(shù)并啟動(dòng)程序。在操作過(guò)程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

1) 改性瀝青加熱溫度以160 ℃為宜，時(shí)間一般約為30 min，溫度過(guò)高會(huì)造成瀝青老化，過(guò)低則可能導(dǎo)致瀝青流動(dòng)性不足，無(wú)法使硅膠模具填滿或者導(dǎo)致瀝青內(nèi)部存在初始裂縫，從而造成試驗(yàn)結(jié)果差異較大的問(wèn)題。

2) 加熱下板時(shí)溫度不宜低于50 ℃，溫度過(guò)低會(huì)造成瀝青難以擠壓到設(shè)定的厚度。

3) 在修整瀝青試樣邊緣時(shí)，需用液化氣預(yù)熱刮刀，加熱時(shí)間不宜太短也不宜太長(zhǎng)，加熱時(shí)間過(guò)短導(dǎo)致加熱不充分，修整后試樣邊緣仍會(huì)有多余瀝青，見(jiàn)圖3a)，而加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使刮刀溫度過(guò)高，導(dǎo)致瀝青試樣邊緣過(guò)度修整，見(jiàn)圖3b)。

4) 在關(guān)閉保溫盒時(shí)轉(zhuǎn)子應(yīng)處于正中間，不能與盒壁接觸，避免由于盒壁對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生摩擦而對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖3 瀝青試樣邊緣修整不足和過(guò)度的示意圖

3.3 黏溫曲線

選取60～140 ℃的溫度區(qū)間，并設(shè)置10 ℃的溫度梯度進(jìn)行黏度-溫度曲線測(cè)試試驗(yàn)。根據(jù)已有研究，在SMA混合料設(shè)計(jì)中，采用固定剪切速率25 s-1得到的黏溫關(guān)系為瀝青材料最佳拌和壓實(shí)溫度，所得結(jié)果與相應(yīng)混合料的最優(yōu)壓實(shí)度、最小空隙率的相關(guān)程度最大，因此本文試驗(yàn)中采用固定剪切速率25 s-1進(jìn)行所有瀝青的測(cè)試。不同溫拌改性瀝青基于平板旋轉(zhuǎn)黏度測(cè)得的黏溫曲線及雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的黏溫關(guān)系曲線圖見(jiàn)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(duì)數(shù)坐標(biāo)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(duì)數(shù)坐標(biāo)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(duì)數(shù)坐標(biāo)下的黏溫曲線

由圖4、6、8可知，對(duì)于溫拌劑LQ1102和溫拌劑LX450，瀝青在各個(gè)試驗(yàn)溫度下的黏度值均隨著溫拌劑摻量的不斷增大而相應(yīng)減小；而對(duì)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?yàn)門(mén)EGO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(guān)系計(jì)算出的溫拌改性瀝青的最佳拌和和壓實(shí)溫度見(jiàn)表7、表8。

表7 添加LQ1102溫拌劑后的瀝青拌和和壓實(shí)溫度 ℃

表8 添加LX450溫拌劑后的瀝青拌和和壓實(shí)溫度 ℃

由表6、表7可見(jiàn)，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(shí)際，說(shuō)明平板旋轉(zhuǎn)黏度法是一種更為高效準(zhǔn)確的測(cè)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(shí)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(shí)溫度降低了16 ℃，且對(duì)于LX450，摻量為0.5%和0.7%時(shí)得到的溫拌改性瀝青的拌和溫度和壓實(shí)溫度降低程度相差不大，降黏效果十分接近。

4 總結(jié)

1) 本研究明確不同溫拌改性劑添加摻量的范圍，并通過(guò)試驗(yàn)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(cè)定添加不同摻量LQ1102溫拌劑溫拌改性瀝青的黏溫關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)得到的改性瀝青最佳施工溫度過(guò)高，不能夠很好地表征改性瀝青的黏溫關(guān)系，不具備指導(dǎo)意義。

3) 平板旋轉(zhuǎn)黏度法應(yīng)用動(dòng)態(tài)流變剪切儀，采用應(yīng)變控制模式，在固定剪切速率25 s-1下測(cè)試改性瀝青的黏度，解決了采用布氏旋轉(zhuǎn)黏度方法測(cè)試改性瀝青黏溫關(guān)系時(shí)由于剪切稀化效應(yīng)而導(dǎo)致的施工溫度偏高的問(wèn)題，測(cè)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(guān)系曲線，試驗(yàn)結(jié)果表明，SBS改性瀝青添加0.7%LQ1102后，拌和溫度降低24.0 ℃，壓實(shí)溫度降低21.9 ℃；添加0.7%LX450后拌和溫度降低15.9 ℃，壓實(shí)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(zhǔn)確地測(cè)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(duì)不同瀝青進(jìn)行測(cè)試時(shí)，采用的剪切速率尚需進(jìn)一步研究。