袁守國(guó)，李 靖，胡 健，于 新，陳 貝

(1 江蘇現(xiàn)代路橋有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210049；2 河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

瀝青混合料是由顆粒性的碎石集料和具有黏彈性的瀝青膠漿(砂漿)等組成的一種黏彈性材料，因其具有良好的路用性能而被廣泛應(yīng)用于路面工程[1-2]。瀝青膠漿的黏度及流變特性對(duì)瀝青混合料的和易性起著至關(guān)重要的影響，但是瀝青膠漿的性能對(duì)瀝青混合料和易性的影響原因尚不清楚[3]。

目前， 研究者也對(duì)瀝青混合料和易性的評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)做了大量研究[4-5]。張琛等[6]使用自行研發(fā)的和易性測(cè)試設(shè)備評(píng)價(jià)橡膠瀝青混合料的拌和扭矩，研究發(fā)現(xiàn)壓實(shí)特性與和易性直接有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。延西利等[7]通過(guò)變速拌和功率測(cè)試和拌和流變模型評(píng)價(jià)不同瀝青混合料的和易性，研究結(jié)果顯示瀝青混合料的拌和流動(dòng)特性受拌和黏度的影響。諸多研究中提出了定量評(píng)價(jià)瀝青混合料和易性的指標(biāo)及方法，但極少考慮拌和的黏彈特征，忽略了瀝青膠漿作為瀝青混合料組成結(jié)構(gòu)的作用，因此有必要從瀝青膠漿黏彈性的角度分析瀝青混合料的和易性[8]。

本研究的目的是探究SBS改性瀝青膠漿黏彈性對(duì)瀝青混合料和易性的影響，首先利用三種粉膠比(0.8、1.2、1.6)以及SBS改性瀝青制備了瀝青膠漿，分析了瀝青膠漿的基本性能和流變性能，利用旋轉(zhuǎn)黏度值、復(fù)數(shù)剪切模量、抗車(chē)轍因子等指標(biāo)評(píng)價(jià)瀝青膠漿的黏彈性能。其次，研發(fā)一種新的瀝青混合料和易性測(cè)試設(shè)備，基于平均扭矩值提出和易性評(píng)價(jià)指標(biāo)，并分析了瀝青膠漿的黏彈性能與和易性的關(guān)聯(lián)性。

1 原材料

1.1 瀝青

本研究采用SBS含量為5%的SBS改性瀝青，具體技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)性能Table 1 Technical properties of SBS modified asphalt

1.2 混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

本研究中瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)為AC-20，油石比為4.2%。粗細(xì)集料均為玄武巖，填料為石灰?guī)r磨細(xì)后的礦粉，瀝青混合料的級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 礦料的AC - 20級(jí)配曲線Fig. 1 AC-20 Gradation curve of mineral aggregate

2 試驗(yàn)方案

2.1 瀝青混合料和易性測(cè)試設(shè)備及評(píng)價(jià)方法

采用全自動(dòng)瀝青混合料拌和機(jī)（型號(hào)BH-20，華南實(shí)驗(yàn)儀器）進(jìn)行瀝青混合料拌和實(shí)驗(yàn)，在此設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)加工，采用功率較大的三相異步電動(dòng)機(jī)，使拌和速度更加穩(wěn)定，在攪拌扇葉的轉(zhuǎn)軸上加裝了扭矩傳感器，可實(shí)時(shí)測(cè)量拌和扭矩值，通過(guò)自行研發(fā)的扭矩值采集軟件與傳感器連接，以此實(shí)現(xiàn)扭矩值實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)記錄[9]。改裝后的全自動(dòng)瀝青混合料拌和設(shè)備如圖2所示。

圖2 研發(fā)的和易性測(cè)試裝置模型Fig.2 Scheme of the workability test device developed

本研究提出使用拌和過(guò)程的平均扭矩值作為和易性指標(biāo)，和易性指標(biāo)Ta的計(jì)算如公式(1)所示：

式(1)中：Ta為拌和平均扭矩值；T1、T2、.......Tn-1、Tn為拌和實(shí)時(shí)扭矩值；n為拌和實(shí)時(shí)扭矩值的數(shù)量。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 瀝青膠漿性能測(cè)試

（1）瀝青膠漿基本性能測(cè)試

首先探究不同瀝青膠漿的基本性能，依據(jù)AASHTO和ASTM的技術(shù)規(guī)范要求，對(duì)瀝青膠漿進(jìn)行25℃針入度、軟化點(diǎn)、5℃延度和10℃延度測(cè)試。

（2）瀝青膠漿黏度測(cè)試

瀝青膠漿的黏度是其關(guān)鍵的性能指標(biāo)，使用Brookf ield型旋轉(zhuǎn)黏度儀（型號(hào)NDJ-ID）測(cè)試瀝青膠漿在120、135、140、160、180 ℃時(shí)的布氏黏度。

（3）瀝青膠漿流變性能測(cè)試

動(dòng)態(tài)剪切流變實(shí)驗(yàn)(DSR)通過(guò)測(cè)試瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量和相位角表征材料的黏彈特性，同時(shí)能夠更好地反映瀝青膠漿的高溫變形性能。利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀（型號(hào)TA-AR1500，TA Instruments Company），對(duì)瀝青膠漿在46、52、58、64、70、76、82 ℃的試驗(yàn)條件下進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)。分析瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量G*、相位角δ和抗車(chē)轍因子G*/sinδ等高溫性能指標(biāo)的變化規(guī)律，以表征瀝青膠漿的黏彈特性。

2.2.2 瀝青混合料和易性測(cè)試

采用定速拌和的方式對(duì)瀝青混合料進(jìn)行拌和試驗(yàn)并測(cè)試其拌和扭矩值。在電氣控制板設(shè)定拌和溫度為180℃，拌和時(shí)間設(shè)定為180s，依次裝入集料和瀝青膠漿，同時(shí)開(kāi)啟扭矩傳感器并與數(shù)據(jù)采集軟件連接。連接成功后，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)并采集數(shù)據(jù)。扭矩傳感器可進(jìn)行扭矩的實(shí)時(shí)采集與顯示，采集頻率為20次/s。扭矩顯示量程為0～24 N·m，精度為±0.1N·m。

3 結(jié)果與分析

3.1 瀝青膠漿性能評(píng)價(jià)

3.1.1 瀝青膠漿基本性能分析

瀝青膠漿的常規(guī)性能結(jié)果如圖3所示。

圖3 瀝青膠漿基本性能Fig. 3 The conventional properties of asphalt mortar

由圖3可看出，隨著粉膠比的增大，瀝青膠漿的軟化點(diǎn)逐漸增大，針入度和延度不斷減小，說(shuō)明礦粉摻量的增加可以改善瀝青膠漿的高溫性能和高溫抗變形能力，但使瀝青膠漿的低溫性能降低。軟化點(diǎn)的增大說(shuō)明礦粉摻量的增加可以增強(qiáng)瀝青膠漿的黏結(jié)力和硬化程度，使其高溫性能得到提升；針入度的減小說(shuō)明礦粉摻量的增加使得瀝青膠漿更加稠硬，高溫抗變形能力得到改善；延度的減小說(shuō)明礦粉摻量的增加使得瀝青膠漿脆性增加，低溫性能降低[10]。

3.1.2 瀝青膠漿黏度分析

不同瀝青膠漿的黏度結(jié)果如圖4所示。

由圖4可看出，隨著粉膠比的增大，瀝青膠漿的黏度均明顯增大。隨著溫度的升高，每種瀝青膠漿的黏度逐漸減小，黏度隨著粉膠比增大而增大的趨勢(shì)變緩。試驗(yàn)結(jié)果表明，礦粉摻量的增加可以顯著提升瀝青膠漿的黏度，礦粉摻量越多對(duì)瀝青膠漿的黏度提升越顯著[11]。在瀝青膠漿的制備過(guò)程中，瀝青與礦粉發(fā)生交互作用后會(huì)在礦粉表面形成一層結(jié)構(gòu)瀝青，隨著粉膠比的增大，結(jié)構(gòu)瀝青比例增加，瀝青膠漿的黏度隨之增大。當(dāng)粉膠比從1.2增大至1.6時(shí)，每種瀝青膠漿黏度增長(zhǎng)幅度變小，這是由于粉膠比增大時(shí)，礦粉顆粒未能被瀝青均勻裹附從而使膠漿的黏度受到影響。

3.1.3 瀝青膠漿黏彈性分析

瀝青膠漿的黏彈性能指標(biāo)結(jié)果如圖5所示。

圖5 瀝青膠漿的G*、δ 和 G*/sinδFig. 5 The G* , δ and G*/sin δ of asphalt mortar

由圖5可知，測(cè)試溫度相同時(shí)，隨粉膠比的增大，瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量（G*）、相位角（δ）和抗車(chē)轍因子（G*/sinδ）均逐漸增大。粉膠比相同時(shí)，隨溫度的升高，每種瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量和抗車(chē)轍因子逐漸減小，相位角逐漸增大。礦粉摻量的增加使得瀝青膠漿的彈性增大，黏性減小，從而瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性得到改善。當(dāng)溫度逐漸升高時(shí)，瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量變化速率減小，說(shuō)明高溫時(shí)瀝青膠漿逐漸黏性表現(xiàn)突出，抵抗車(chē)轍變形的能力減弱[12]。在溫度較低時(shí)，隨著粉膠比的增大，瀝青膠漿的相位角的變化范圍很小，隨著溫度的升高，這種差距逐漸增大，說(shuō)明粉膠比的增大在低溫時(shí)對(duì)膠漿黏性的提升十分有限，而溫度越高對(duì)黏性改變?cè)酵怀?。同一粉膠比下，相位角越小，說(shuō)明瀝青膠漿彈性更突出，隨著溫度的升高，相位角增大，說(shuō)明溫度越高時(shí)，瀝青膠漿的黏性表現(xiàn)突出，更易變形。

抗車(chē)轍因子（G*/sinδ）表示瀝青膠漿抵抗永久變形的能力，其值越大，表示瀝青膠漿的流動(dòng)變形越小。礦粉摻量的增加可以明顯改善瀝青膠漿抵抗流動(dòng)變形的能力，使其抗車(chē)轍性能得到提高。礦粉有著較大的比表面積，礦粉摻量的增加使瀝青與礦粉之間物理化學(xué)作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)瀝青比例增加，從而增強(qiáng)了瀝青膠漿的黏結(jié)力和強(qiáng)度，改善了其高溫穩(wěn)定性[13]。在粉膠比相同時(shí)，抗車(chē)轍因子的增長(zhǎng)幅度隨溫度的升高逐漸降低，這是由于在溫度升高時(shí)，瀝青的黏性性質(zhì)更加突出，由于瀝青黏性成分的增長(zhǎng)消弱了礦粉對(duì)瀝青膠漿彈性成分的影響，從而使增長(zhǎng)幅度降低。粉膠比大于0.8時(shí)，瀝青膠漿高溫性能穩(wěn)定提升，因此綜合考慮瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性，粉膠比應(yīng)達(dá)到0.8以上。

3.2 瀝青膠漿對(duì)瀝青混合料和易性影響

3.2.1 瀝青混合料的和易性變化規(guī)律

不同瀝青混合料的和易性指標(biāo)Ta變化規(guī)律如圖6所示。由圖6可知，隨著粉膠比的增大，每種瀝青膠漿的拌和平均扭矩值Ta明顯增大，這是由于礦粉摻量的增加使瀝青膠漿的黏度增大，瀝青膠漿與集料膠結(jié)作用變強(qiáng)，拌和扇葉所受到的阻力變大，在全拌和過(guò)程中傳感器記錄的拌和實(shí)時(shí)扭矩值增大，和易性指標(biāo)也隨之增大。隨著粉膠比的等比增大，瀝青混合料的和易性指標(biāo)Ta以勻速穩(wěn)定增長(zhǎng)。

圖6 瀝青膠漿的和易性指標(biāo)Fig. 6 Workability index of asphalt mortar

3.2.2 瀝青膠漿黏度與和易性關(guān)聯(lián)性

本研究采用提出的瀝青混合料和易性評(píng)價(jià)指標(biāo)Ta與瀝青膠漿180℃時(shí)的旋轉(zhuǎn)黏度進(jìn)行線性關(guān)聯(lián)分析，關(guān)聯(lián)分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 黏度與和易性指標(biāo)關(guān)聯(lián)性分析Fig. 7 Correlation analysis of workability index with viscosity

從圖7可以看出，Ta與瀝青膠漿的黏度相關(guān)性極強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)為0.9912。綜合分析，可以使用瀝青膠漿的旋轉(zhuǎn)黏度來(lái)預(yù)測(cè)瀝青混合料和易性的好壞。

3.2.3 瀝青膠漿黏彈性與和易性關(guān)聯(lián)性分析

瀝青混合料和易性指標(biāo)Ta與瀝青膠漿在76℃測(cè)試的復(fù)數(shù)剪切模量G*的線性關(guān)聯(lián)分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 G*與和易性指標(biāo)關(guān)聯(lián)性分析Fig. 8 Correlation analysis of workability index with G* at 76℃

由圖8可知，Ta與復(fù)數(shù)剪切模量G*的關(guān)聯(lián)性極強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)R2=0.9987。由于在高溫測(cè)試條件下，瀝青為黏流態(tài)，瀝青膠漿的黏性大于彈性，黏性性質(zhì)表現(xiàn)突出，而粉膠比的變化對(duì)瀝青的自身黏性的影響較小，所以隨著粉膠比的增大，黏度越大的瀝青膠漿在拌和過(guò)程中對(duì)瀝青混合料和易性的影響越大[14]。

瀝青混合料和易性指標(biāo)Ta與瀝青膠漿在76℃測(cè)試的相位角δ的線性關(guān)聯(lián)分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 δ與和易性指標(biāo)關(guān)聯(lián)性分析Fig. 9 Correlation analysis of workability index with δ at 76℃

由圖9可知，Ta與相位角δ的關(guān)聯(lián)性極強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)R2=0.9987。隨著瀝青膠漿相位角δ的增大，瀝青膠漿的黏性越好，在拌和過(guò)程中的阻力越大，和易性指標(biāo)越大。由圖中亦可知，瀝青膠漿相位角增大的同時(shí)混合料和易性指標(biāo)Ta也逐漸增大，說(shuō)明了瀝青膠漿的黏度增大會(huì)使瀝青混合料的和易性變差。

瀝青混合料和易性指標(biāo)Ta與瀝青膠漿在76℃測(cè)試的抗車(chē)轍因子（G*/sinδ）的線性關(guān)聯(lián)分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 G*/sinδ與和易性指標(biāo)關(guān)聯(lián)性分析Fig. 10 Correlation analysis of workability index with G*/sinδ

由圖10可知，Ta與抗車(chē)轍因子（G*/sinδ）的關(guān)聯(lián)性極強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)R2=0.9974。瀝青膠漿的抗車(chē)轍因子隨著粉膠比的增大而增大，其高溫穩(wěn)定性在不斷提升，相應(yīng)瀝青混合料的和易性指標(biāo)增大，說(shuō)明瀝青膠漿高溫抗變形能力的提升會(huì)使瀝青混合料不易拌和，和易性變差。

4 結(jié)論

（1）研發(fā)的瀝青混合料和易性測(cè)試設(shè)備能夠準(zhǔn)確合理地反映不同瀝青混合料和易性的變化規(guī)律，基于拌和平均扭矩提出的和易性評(píng)價(jià)指標(biāo)具有適用精準(zhǔn)性。

（2）粉膠比越大，瀝青膠漿的高溫性能越好，低溫性能變差，抗變形能力增強(qiáng)。

（3）瀝青膠漿的黏度與瀝青混合料和易性評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性極強(qiáng)，一定程度上可反映瀝青混合料和易性的變化規(guī)律。

（4）復(fù)數(shù)剪切模量（G*）、相位角（δ）和抗車(chē)轍因子（G*/sinδ）與瀝青混合料和易性評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性很強(qiáng)，瀝青膠漿黏彈性能的變化直接影響瀝青混合料的和易性。