改性沥青混合料施工温度确定方法的研究

赵少宗

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

基质沥青属于牛顿流体，其沥青混合料的施工温度确定通常是根据沥青在不同温度下的黏度绘制成黏温曲线来确定沥青混合料的拌和温度和压实温度。选择黏度为 （0.17±0.02）Pa·s和（0.28±0.03）Pa·s所对应的温度作为混合料的拌和和压实温度[1]，固定温度下的黏度是稳定不变的，不因剪切速率的变化而改变。然而这一方法并不适于作为非牛顿流体的改性沥青，其黏度是随着剪切速率的增加而逐渐降低的，即所谓的“剪切变稀”现象[2]。虽然上述的这种非牛顿流体所表现出来的特性会随着温度的升高逐渐变弱，但是在确定施工温度的时候往往会有很大的影响。通过黏温曲线确定出来的施工温度一般都会偏高，过高的施工温度会使得沥青产生短期的老化，沥青变得更易脆裂，进而影响路面的抗疲劳性能而降低使用年限。另外从能源角度考虑，过高的施工温度也是对能源的浪费。

我国则通常结合工程实践经验在基质沥青施工温度的基础上提高10～20℃，面对各种各样的改性沥青之间的差异，这种凭借经验来确定施工温度的方法缺乏科学性和合理性[6]。本文借用沥青混合料和易性试验仪来进行改性沥青施工温度的确定，只有在合理的施工温度下进行施工，才能保证基本的路用性能和使用寿命。

1 原材料及研究方法

1.1 试验原材料

1.1.1 沥青

本文选择壳牌70号和90号两种基质沥青，改性沥青选择SBS和TPS高黏沥青。级配选用OGFC-13，所用混合料均用同一油石比4.7%。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）对各种沥青指标进行试验[5]。各种沥青指标见表1～表4。

表1 70号基质沥青指标

表2 90号基质沥青指标

表3 SBS沥青指标

表4 TPS改性沥青指标

由表1～表4中的数据可知，各沥青的基本指标均满足规范中的标准要求。

1.1.2 集料及矿粉

本文所用集料为内蒙古二连浩特玄武岩，按照《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）对集料基本指标的要求对集料进行试验[4]。其基本指标见表5、表6。

表5 粗集料指标

表6 细集料指标

由表5、表6的数据可知，集料各指标均满足规范中的要求。

矿粉起着填充空隙和与沥青形成胶浆的双重作用。本文选用优质石灰岩作为矿粉，其指标见表7。

表7 矿粉指标

1.2 研究方法

如图1所示，和易性试验仪带有变速转动的电动机，电动机与混合料拌和柄相连，仪器上的扭矩测试装置可以记录拌和柄在搅拌混合料时产生的扭矩，扭矩值的大小可以间接反映沥青混合料拌和和易性的优劣。基质沥青和改性沥青混合料在不同温度的拌和过程中达到相同的扭矩时，则认为其达到了相同的施工和易性，再根据基质沥青的黏温曲线确定其施工时的温度，即可确定施工温度下所对应的扭矩，以此扭矩作为一个桥梁从而得出改性沥青混合料的施工温度[3]。其确定方法示意图如图2所示。

图1 沥青混合料和易性试验仪

图2 施工温度确定方法图

2 研究过程

2.1 改性沥青黏温特性

本文通过测定不同沥青的表观黏度，并且测出各沥青不同温度下的黏度，以得出其黏温曲线，选取 105℃、120℃、135℃、150℃、165℃五个温度作为测试温度。试验结果见表8。

表8 不同温度下黏度表 Pa·s

由图3、图4和表8可以看出，无论是基质沥青还是改性沥青，其黏度均随着温度的上升而急剧下降。同样的温度下，改性沥青的黏度要明显高于基质沥青黏度，且TPS改性沥青黏度处于最高。但是基质沥青和改性沥青两者黏度随温度变化的趋势不同，基质沥青从105℃到165℃黏度由急剧下降而逐渐变缓，而改性沥青黏度是在中间温度下降比较急剧，这同样也可以反映出其在各个温度区间的温度敏感性不同。

为了更加具体地了解其敏感性，通过计算其每个温度区间的黏温曲线的斜率k来表征其敏感性大小[3]。其计算式如下：

式中：T1、T2为温度；u1、u2为 T1、T2温度下对应的黏度值。

图3 基质沥青黏温曲线图

图4 改性沥青黏温曲线图

各种沥青的各个温度区间斜率k值大小见表9和如图5所示。

表9 各温度区间黏度变化率表

图5 各温度区间黏度变化斜率

由图5和表9可以看出，在所有的温度变化区间内，基质和改性沥青各自的变化规律、趋势相同。基质沥青相对较为稳定，变化幅度较小，在120～135℃较为敏感，其余区间其变化斜率相差不大，而且当温度在150～165℃时已经同改性沥青相差不多；而改性沥青则表现出较大的变化幅度，在105～120℃黏度变化斜率很低，当温度在135～150℃时斜率达到了最大值，并且要明显高于基质沥青，说明改性沥青在这个温度区间对于温度的变化极为敏感。实际道路施工中，改性沥青混合料的拌和和碾压温度要在150℃以上，这样才能避免性能随着温度的变化而产生大幅度的波动，以达到预期的配合比设计和良好的施工效果。同样基质沥青也尽量要在135℃以上，避开温度最为敏感的区间。

2.2 施工温度的确定

2.2.1 黏温曲线确定施工温度

根据表8中不同温度下的黏度值，利用数学回归的方法得出每一种沥青的黏温曲线（见图6、图 7）。

图6 基质沥青黏温曲线

图7 改性沥青黏温曲线

由图6、图7可以看出，基质沥青和改性沥青均按照指数回归得到的回归方程均有较高的相关系数，但改性沥青的相关系数明显要低。虽然改性沥青的黏度不像基质沥青那样稳定，是随着试验中剪切速率的变化而变化的，但是同一试验条件下也能反映出性能之间的差异，用黏温曲线来确定其施工温度却缺乏科学性，因为在试验中相同的数值仅代表这一试验条件、同一剪切速率下的性能差异，试验条件的改变或者同施工之间的差异就会使这个数值改变，故而并不能以此来直接确定其施工温度。

本文首先按照黏温曲线的方法来同时确定基质沥青和改性沥青的施工温度，结合前面得出的黏温曲线和回归公式，按照规范中确定温度的黏度大小来确定各个沥青的施工温度（见表10）。

表10 黏温曲线施工温度表

由黏温曲线和（0.17±0.02）Pa·s和（0.28±0.03）Pa·s确定的施工温度可以看出，70号基质沥青的拌和温度和压实温度均要比90号基质沥青高出5℃左右。但是按照此方法确定出来的改性沥青的拌和温度达到了200℃左右，压实温度也在180℃以上。改性沥青黏度随着剪切速率的变化而发生变化，即使达到与基质沥青相同的黏度条件，但是由于改性沥青的流变特性，反映到黏度值上也不相同，即不同的施工条件下，其黏度值不同，所谓的黏温曲线也就不一样，并不能按照一个固定的黏度去找到它的施工温度。假如按照这个温度施工，不仅会加速施工过程中沥青的短期老化，而且会影响施工的和易性，过度增加能源的消耗。

所以根据改性沥青的非牛顿体特性，要以改性沥青与基质沥青施工条件下相似的和易性作为切入点，找到其压实和拌和的适宜温度，即采用上述的扭矩法来进行改性沥青施工温度的确定。

2.2.2 扭矩法确定施工温度

2.2.2.1 频率的选择

混合料和易性试验仪测定拌和时的扭矩，其中拌和频率是一项重要的指标，尤其对于OGFC级配的混合料，细集料很少，大多数为粗集料，转速不合适会造成混合料的离析，造成拌和失真，不能模拟真正的施工。转速过大会造成阻力过大，从指标数值上就会表现为和易性差[3]，所以对所选的4种沥青分别选择 10 Hz、20 Hz、30 Hz和 40 Hz 4个拌和频率进行各个温度下的扭矩测试。试验温度选取120～180℃，温度间隔为10℃，共7个温度，以拌和稳定时的扭矩值作为试验结果（见表11）。

表11 各混合料不同频率下的扭矩表 N·m

从图8～图11上来看，所有沥青种类的混合料在不同频率下表现的趋势大致相同，都是从10 Hz到20 Hz时扭矩变小，而后随着频率的增大扭矩又慢慢变大，整体变化不大，但整体趋势相同；而且20 Hz的扭矩数据规律较为稳定，而其他频率下的扭矩相对较为离散；基质沥青的数据整体相对改性沥青数据离散，所以从和易性和稳定性上选择拌和频率为20 Hz。

图8 70号基质沥青不同频率的扭矩图

2.2.2.2 扭矩曲线的确定

然后按照20 Hz条件下测定的各个温度下的扭矩值进行曲线拟合，结果见表12和如图12所示。

图9 90号基质沥青不同频率的扭矩图

图10 SBS改性沥青不同频率的扭矩图

图11 TPS改性沥青不同频率的扭矩图

表12 各混合料温度-扭矩表

图12 温度-扭矩变化图

如图12、图13所示，所有沥青混合料的扭矩均随着温度的升高而逐渐降低，说明随着温度的升高，沥青黏度降低，从而混合料的和易性就会变好。相同温度下，改性沥青的扭矩要大于基质沥青的扭矩，这同样是同温度下黏度的反映，可以看出150℃之后扭矩的下降慢慢变得缓和，170～180℃时趋于稳定，温度继续增加，扭矩也不再下降，甚至有上升的趋势。因为此时沥青和集料的黏附性已经下降，裹附在集料表面的沥青膜厚度也逐渐降低，此时扭矩的大小已经不再取决于沥青黏度的大小，而是集料之间的摩擦占据了主导地位。所以说温度过高不但会加速沥青的老化，还会影响其施工和易性和施工效果。

2.2.2.3 扭矩法的正确性验证

为了验证该方法的准确性，首先根据规范中规定的拌和和压实时沥青的黏度值（0.17±0.02）Pa·s、（0.28±0.03）Pa·s所对应的 70 号基质沥青和90号基质沥青的施工温度，然后根据施工温度带入到扭矩和温度的回归方程中，对比两者拌和和压实条件下所对应的扭矩是否接近，来判断此方法准确与否。其回归方程见表13。

表13 各混合料温度-扭矩回归方程表

图13 温度-扭矩拟合图

70号基质沥青和90号基质沥青的拌和温度分别为（165±3）℃和（161±3）℃，并将其分别带入各自的扭矩回归方程，得出70号基质沥青的拌和温度下对应的扭矩为（2.681±0.008）N·m，90号基质沥青拌和温度下所测定的扭矩为（2.679±0.014）N·m，两者相当接近。同样将压实温度分别带入扭矩回归方程中，得出70号和90号基质沥青所对应的扭矩分别为（2.782±0.02）N·m和（2.788±0.004）N·m，结果仍然十分接近，说明按照该方法进行施工温度的确定，结果准确可行。

2.2.2.4 改性沥青施工温度的确定

取两种基质沥青施工温度对应扭矩的平均值作为施工温度下所对应的扭矩值，并以此来确定改性沥青的施工温度，拌和和压实所对应的扭矩分别为（2.68±0.011）N·m 和（2.785±0.012）N·m，并将其带入SBS和TPS改性沥青混合料扭矩回归方程中，得出其施工温度，结果见表14。

表14 扭矩法施工温度表

由表14的试验结果可知，SBS改性沥青拌和温度和压实温度分别为（174±3）℃和（161±3）℃，TPS改性沥青拌和温度和压实温度分别为（186±3）℃和（172±3）℃。

3 结 语

（1）改性沥青在温度区间135～150℃的温度敏感性较大，故施工中的拌和和压实温度要尽量避开此区间，选择150℃以上。

（2）通过黏温曲线的方法确定的改性沥青混合料施工温度缺乏科学性、合理性，且温度值偏高。

（3）通过沥青混合料和易性试验仪扭矩法测得的试验数据得出，将沥青混合料的和易性量化能够更加准确、合理地确定改性沥青混合料的施工温度。只有在合理的施工温度下进行施工，才能保证基本的路用性能和使用寿命。