基于粘温特性的水泥沥青胶浆施工温度指标试验研究

2016-04-21白剑豆怀兵��

筑路机械与施工机械化 2016年4期

白剑　豆怀兵��

摘要：为确定水泥沥青胶浆在不同粉胶比（C/A）时的施工温度，通过布氏粘度试验，研究C/A和温度对基质沥青胶浆、SBS改性沥青胶浆的粘度和施工温度的影响，并以C/A作为施工温度的控制指标，得到不同C/A时的施工温度范围。结果显示：C/A和温度对水泥沥青胶浆的粘度、温度敏感性有重要影响，且C/A主导着沥青混合料的施工温度，应根据C/A的大小采取不同的方法确定施工温度。

关键词：道路工程；水泥沥青胶浆；粘度；施工温度

中图分类号：U416.03 文献标志码：B

Abstract： In order to determine the construction temperature of cement asphalt mortar with different cement-asphalt ratios （C/A）， Brookfield viscosity test was applied to study the influence of C/A and temperature on viscosity and construction temperature of base asphalt and SBS modified asphalt cement mortar. As the control index of construction temperature， C/A was applied to obtain construction temperature ranges with different cement-asphalt ratios. The results show that C/A and temperature both have an important effect on the viscosity and temperature sensitivity of cement asphalt mortar， while C/A has a dominant function on construction temperature of asphalt mixture. Therefore different methods should be adopted to determine the construction temperature based on the value of C/A.

Key words： road engineering； cement asphalt mortar； viscosity； construction temperature

0 引言

现代胶浆理论认为，由沥青和填料组成的沥青胶浆在沥青混合料中不仅起到粘结作用，还对沥青路面的路用性能和使用寿命有重要影响[1-3]。其中，填料的种类和性质影响着沥青胶浆的性质，进而影响沥青混合料的性能。相关研究表明，利用水泥替代矿粉作填料能明显提高沥青与矿料的粘附性，显著提高沥青混合料的水稳定性[4-7]。现有对水泥沥青胶浆的研究主要集中在流变性能和力学特性等方面[8-9]，而对水泥沥青胶浆施工控制温度的研究较少。沥青胶浆的施工控制温度直接影响沥青混合料的施工质量，这对沥青路面的使用性能和耐久性有至关重要的影响[10-12]。现行规范和研究是通过原样沥青的粘温特性对沥青混合料的施工温度进行确定的，并没有考虑填料对沥青胶浆粘度的非线性影响，而且水泥加入后，以60 ℃作为最低温度测定基质沥青或改性沥青的粘度是不合适的[13]。基于此，本文通过测定不同水泥沥青比（即粉胶比C/A）和温度下基质沥青胶浆和SBS改性沥青胶浆的粘度，推荐不同C/A时水泥沥青胶浆施工温度的确定方法和范围。

1 试验

1.1 原材料

分别选用HK70#基质沥青和普通SBS改性沥青，2种沥青的基本技术指标如表1所示。水泥选用普通硅酸盐水泥，0.075 mm筛孔的通过率大于90%，其主要物理力学指标如表2所示。

1.2 水泥沥青胶浆的制备

采用人工搅拌的方法制备水泥沥青胶浆。首先将通过0.075 mm筛的水泥粉放入105 ℃±5 ℃的烘箱中烘干至恒重，并将基质沥青和SBS改性沥青分别加热至150 ℃和160 ℃，称取相应质量的水泥粉，加入已加热的沥青中，并用玻璃棒不断搅拌，直至混合均匀。

1.3 试验方法

采用Brookfield粘度计测定不同温度下沥青结合料的粘度，以控制沥青混合料的施工性能。沥青结合料的粘度与结合料类型密切相关，本文通过测定不同C/A下水泥沥青胶浆的粘度，确定不同C/A下水泥沥青胶浆的施工温度。

2 试验结果与分析

2.1 布氏粘度试验结果

由沥青和水泥组成的沥青胶浆中，当C/A不同时，水泥颗粒的构成、比表面积和表面特性，以及与沥青的物化反应和体积增强作用，必定有所不同，从而引起沥青胶浆粘度变化。如果沥青胶浆粘度过大，则使沥青混合料施工时难以被充分碾压；如果沥青胶浆粘度过小，将造成沥青混合料离析，从而影响施工质量。因此必须研究不同C/A时水泥沥青胶浆的粘度，以便更好地指导沥青混合料施工。本文利用布氏粘度计测定不同C/A时2种水泥沥青胶浆在不同温度时的粘度，结果分别如表3、4和图1所示。

从表3、4可以看出，2种水泥沥青胶浆的粘度都随C/A的增大逐渐增大，当C/A>10时，粘度随C/A的增大更加明显。例如，当粉胶比由0增大至1.0和1.6时，165 ℃的基质沥青胶浆粘度分别增大了2倍和12倍，165 ℃的SBS改性沥青胶浆的粘度分别增大了2倍和8倍，表明水泥对沥青起到了不同程度的增粘作用。分析其主要原因：水泥颗粒具有较大的比表面积，表面的开口孔隙较多，当水泥粉加入到热沥青中后，沥青中的饱和芬和芳香芬等轻质组分通过水泥粉表面的微裂缝和孔隙逐渐向水泥粉内部渗透，结构沥青颗粒大量聚集，使沥青的胶凝结构特征更加显著，沥青胶浆稠度增加，粘度增大；另外，水泥中含有大量的碱性CaO，而沥青呈酸性，当水泥和沥青胶溶在一起时，沥青逐渐裹附在水泥粉的表面，水泥中的CaO与沥青中的酸性成分发生化学反应，使水泥与沥青界面过渡区的化学粘结力增大，从而导致沥青胶浆的粘度增大。相同条件下，SBS改性沥青胶浆的粘度远大于基质沥青胶浆，这主要是与SBS溶胀在热沥青中形成的三维网络结构有关。

当C/A相同时，随着温度升高，2种水泥沥青胶浆的粘度逐渐降低，最后趋于稳定。当温度低于115 ℃时，沥青胶浆表现为非牛顿流体，具有较高的粘度，尤其是SBS改性沥青胶浆在较高C/A和较低温度下，粘度趋于无穷大。随着温度的升高，胶浆粘度逐渐下降，沥青胶浆逐渐由非牛顿流体向牛顿流体转变，其中当C/A=0时，基质沥青和SBS改性沥青由非牛顿流体向牛顿流体转变的温度分别为115 ℃和125 ℃，而加入水泥后2种沥青胶浆在温度超过135 ℃时粘度才趋于稳定，呈现为牛顿流体。这主要是因为，当温度高于135 ℃后，结构沥青的稳定性遭到破坏，沥青胶浆中自由沥青比例增大，且水泥与沥青界面的粘结力下降，因此沥青胶浆的粘度趋于稳定。

2.2 沥青胶浆感温性分析

实际工程中，沥青材料在高温时具有较高的稠度，以提高荷载作用时沥青路面的抗变形能力，在低温时又具有足够的柔韧性，以提高沥青路面的抗开裂能力。利用Saal试验式（1），选取相近的2个温度区间的粘度，计算不同C/A时2种沥青胶浆的粘温指数VTS，VTS绝对值越大，表明水泥沥青胶浆的温度敏感性越强，计算结果分别如表5、6所示。

从图2可以看出，当C/A<1.2时，|TS|随着C/A的增大大幅降低，而当C/A>1.2时，随C/A的增大，|TS|的降低幅度减小，表明水泥的加入能降低沥青的感温性。这是因为，沥青胶浆的感温性就是沥青胶浆粘度随温度变化的敏感性，水泥在沥青胶浆中起到了增强体积和物化反应的作用，从一定程度上抵消了由于温度升高而引起的粘度下降，因此感温性得到改善。当C/A<1.2时，水泥沥青胶浆系统中沥青为分散相，水泥为溶解相，胶浆呈现“固液溶解状态”，此时沥青性能决定着胶浆的感温性，此时增大C/A会使感温性得到明显改善，因此|TS|下降较多；而当C/A>1.2时，水泥沥青胶浆系统中水泥为分散相，沥青为溶解相，胶浆呈现“液固溶解状态”，此时水泥性能主导着胶浆的感温性，而水泥颗粒表观性能随温度的变化很小，因此增大C/A引起的|TS|下降有限。

2.3 施工温度指标的确定

本文以粘度（0.17±002）Pa·s和（0.28±0.02）Pa·s分别作为水泥沥青胶浆拌和温度和碾压温度范围的确定指标，利用式（2）回归得到不同C/A时沥青胶浆的粘温曲线方程，如表7所示，并通过计算得到2种沥青胶浆施工温度的控制范围，结果如表8和图3所示。

从图3可以看出，随着C/A的增大，基质沥青胶浆和SBS改性沥青胶浆的施工温度逐渐增大，当C/A为0.8～1.2时，施工温度增幅较大，而当C/A大于1.2时，施工温度增幅较小。由图2的分析结果可知：当C/A<1.2时，水泥沥青胶浆呈现“固液溶解状态”，沥青性能决定着胶浆性能；当C/A>1.2时，水泥沥青胶浆呈现“液固溶解状态”，水泥性能主导着胶浆性能。由于高温下沥青具有典型的流变特性，而水泥不具有流变学属性，因此水泥沥青胶浆的施工温度不可能随C/A的增大无限增大。同时，考虑到施工温度过高会造成沥青老化，从而影响路面的使用寿命，且加剧能源的浪费和环境的污染，因此建议：当C/A<1.2时，以真实C/A条件下水泥沥青胶浆的粘温曲线计算施工温度；而当C/A≥1.2时，应以“固液饱和状态”时C/A对应的粘温曲线计算施工温度，近似于C/A为1.0时的水泥沥青胶浆施工温度。本文分别利用拌和温度和碾压温度上下限中值对应的粘度，带入C/A为1.0时的粘温曲线方程，计算得到C/A≥1.2时水泥沥青胶浆的施工温度区间，如表8所示。可见在水泥沥青胶浆施工时，以不同C/A为指标确定的施工温度范围是合理的。

3 结语

（1）随着C/A的增大，2种沥青胶浆粘度都逐渐增大，当C/A超过1.0时，粘度大幅增长；随温度的升高，胶浆粘度逐渐降低，当温度低于115 ℃时，水泥沥青胶浆为非牛顿流体，具有较高的粘度，而当温度超过135 ℃时粘度趋于稳定，胶浆转化为牛顿流体。

（2）选取的温度区间不同，计算得到的VTS不同，建议选用多个温度区间VTS绝对值的平均值为感温性评价指标；|TS|随C/A的增大逐渐减小，当C/A<1.2时，|TS|的降低幅度较大，当C/A>1.2时，|TS|的降低幅度较小。

（3）随着C/A增大，基质沥青胶浆和SBS改性沥青胶浆的施工温度逐渐增大，综合考虑，当C/A<1.2时，以真实C/A条件下水泥沥青胶浆的粘温曲线计算施工温度；而当C/A≥1.2时，应以“固液饱和状态”时C/A对应的粘温曲线计算施工温度，近似于C/A为1.0时的水泥沥青胶浆施工温度。

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