TPS高黏沥青施工温度的确定

张宜洛 ，董飞龙 ，赵少宗

1. 长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064

2. 上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200082

0 引言

近年来，改性沥青路面的数量迅速增加，如何合理地确定其施工温度成为亟待解决的问题。目前，马歇尔配合比设计方法仍应用在改性沥青混合料配合比设计中，以反应沥青混合料构成特点的体积指标作为该配合比设计的主要参数依据[1]。改性沥青与普通沥青存在一些差异，尤其在黏度特性和流变特性上。因此，改性沥青混合料的配合比设计并不能完全依赖于马歇尔设计方法中的一些规定和做法。按照中国目前的技术规范，可采用黏温曲线上黏度为（0.17±0.02）Pa·s 和（0.28±0.03）Pa·s 时对应的温度作为一般的基质沥青沥青混合料的拌合与压实的温度[2]；如果采用同样的方法来确定改性沥青混合料的压实与拌合的温度，那么高于195 ℃的拌合温度会普遍存在，在这样的温度下沥青很容易老化，路用性能也会受到很大影响[3]。所以，根据改性沥青黏度与温度的关系特点，对改性沥青拌合与压实温度的确定方法进行研究非常重要[4]。本文研究改性沥青混合料的拌合温度和压实温度，从而确定普通沥青混合料与TPS改性沥青混合料在施工温度方面存在的差异。

1 确定方法

TPS的加入提高了沥青的60 ℃动力黏度，在高温状态下沥青的黏度也会因为改性剂的加入而增大，进而提高混合料的拌合温度和压实温度，但同时会加速沥青中基质沥青成分的老化，进而影响路面的使用寿命。

1.1 基质沥青施工温度确定

改性沥青是非牛顿流体，其黏度是随着剪切速率的增加而逐渐降低的[5]。虽然非牛顿流体的特性会随着温度的升高逐渐变弱，但是通过黏温曲线确定的施工温度一般都会偏高，过高的施工温度会使沥青产生短期的老化，进而影响路面的抗疲劳性能，同时也是对能源的浪费。

1.2 高黏改性沥青施工温度的确定

国内工程参考实践经验会在基质沥青施工温度的基础上一般提高10 ℃~20 ℃，这种方法不是很科学[6]。本文借用沥青混合料和易性试验仪来进行施工温度的确定，可以记录拌合柄在搅拌混合料时产生的扭矩，以此来反映沥青混合料和易性的优劣。基质沥青和改性沥青混合料在不同温度的拌合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。因此，通过基质沥青的黏温曲线确定其施工温度，可得出施工温度下所对应的扭矩，进而得出高黏改性沥青混合料在该扭矩下的温度，即施工温度[7]。

本文选择70号和90号2种基质沥青，高黏改性沥青选用13%和18%两种掺量，通过上述试验方法确定其施工温度，并研究其是否比基质沥青对应的混合料施工温度高出很多。级配选用OGFC-13[8]，所用混合料均采用同一油石比4.8%。

2 高黏改性沥青粘温特性

本文通过测定沥青在不同温度下的黏度得出黏温曲线，如图1、2所示，试验结果见表1。

由图1、2和表1可知，2种沥青的黏度均随温度的上升而急剧下降，同样的温度下，高黏沥青的黏度要明显高于基质沥青的黏度，且掺量18%的TPS高黏沥青黏度同样处于最高，但是基质沥青和高黏沥青两者黏度随温度的变化趋势不同，基质沥青从105 ℃到165 ℃黏度从急剧下降而逐渐变缓，而高黏沥青的黏度是在中间温度下降比较急剧，这同样也反映出不同沥青在各个温度区间的温度敏感性不同；为了更加具体了解其敏感性，采用黏温曲线的斜率k来表征敏感性的大小[9]。

各种沥青在各个温度区间斜率k的大小见表2和图3。

图1 基质沥青的黏温曲线

图2 高黏改性沥青的黏温曲线

图3 各温度区间黏度变化斜率

由图3和表2可以看出，在温度变化区间内，基质沥青和高黏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 ℃之间较为敏感，其余区间黏度变化斜率相差不大，当温度在150 ℃~165 ℃之间时已经同高黏改性沥青相差不多；而高黏沥青则表现出较大的变化幅度，在105 ℃~120 ℃的温度区间中，沥青的黏度变化斜率很小，当温度在135 ℃~150 ℃时，斜率达到了最大值，并且明显大于基质沥青，说明高黏沥青在温度区间内的变化极为敏感。实际道路施工中高黏沥青混合料的拌合和碾压温度需要在150 ℃以上，这样才能避免其路用性能随着温度的变化而产生大幅度的波动，从而达到预期的配合比设计和良好的施工效果。

表1 各种沥青不同温度下的黏度

表2 各温度区间黏度变化率

3 施工温度的确定

3.1 黏温曲线确定施工温度

根据表1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，如图4、5所示。

图4 数学回归后的基质沥青黏温曲线

图5 数学回归后的高黏沥青黏温曲线

由图4、5可以看出，基质沥青和高黏沥青的回归方程中均有较高的相关系数，但高黏沥青的相关系数明显较低。高黏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；用黏温曲线来确定其施工温度缺乏科学性，因为试验条件的改变或者试验与施工之间的差异都会使数值发生改变，故而并不能以此来直接确定其施工温度。

按照规范中各温度的黏度大小确定的各个沥青的施工温度见表3。

由黏温曲线和（0.17±0.02）Pa·s、（0.28±0.03）Pa·s确定的施工温度可以看出，70号基质沥青的拌合温度和压实温度均比90号基质沥青高出5 ℃左右。但是，按照此方法确定出来的高黏沥青的拌合温度达到了200 ℃左右，压实温度也在180 ℃以上；假如按照这个温度施工，不仅会加速沥青的短期老化，而且会影响施工的和易性，过度增加能源的消耗。根据高黏沥青的非牛顿体特性，其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黏度条件，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值来确定施工温度；应以高黏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合的适宜温度，即采用本文中的扭矩法来进行高黏沥青施工温度的确定较为合理。

3.2 扭矩法确定施工温度

3.2.1 频率的选择

采用混合料和易性试验仪测定拌合时的扭矩，其中拌合频率是一项重要的指标，所以本节对4种沥青分别选择4个拌合频率进行各个温度下的扭矩测试，以拌合稳定时的扭矩值作为试验结果，如图6~9和表4所示。

由图6~9可知，4种沥青混合料在不同频率下表现的趋势大致相同，在10~20 Hz，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，但趋势相同，而且20 Hz的扭矩数据规律较为稳定，其他频率下的扭矩相对较为离散，基质沥青的数据相对高黏沥青数据较离散，所以从和易性和稳定性的角度选择拌合频率为20 Hz。

3.2.2 扭矩曲线的确定

在20 Hz频率下测定的各个温度下的扭矩值（图10）进行曲线拟合，结果见图11和表5。

表3 黏温曲线确定施工温度

图6 70号基质沥青不同频率下扭矩的变化

图7 90号基质沥青不同频率下扭矩的变化

图8 13%高黏沥青不同频率下扭矩的变化

图9 18%高黏沥青不同频率下扭矩的变化

表4 各混合料不同频率下的扭矩

图10 温度与扭矩的关系

由图10、11可知，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，从而使混合料的和易性变好；相同温度下，高黏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。由图10可以看出，150 ℃之后扭矩的下降慢慢变得缓和，170 ℃~180 ℃的时候趋于稳定，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，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，所以说温度过高会影响其施工和易性和施工的效果。

3.2.3 扭矩法的正确性验证

为了验证此方法的准确性，首先确定规范规定的拌合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基质沥青的施工温度，然后将该施工温度带入到扭矩和温度的回归方程中，对比两者拌合和压实条件下所对应的扭矩是否接近，从而判断此方法准确与否，其回归方程见表6。

图11 温度-扭矩拟合曲线

70号基质沥青和90号基质沥青的拌合温度分别为（165±3）℃和（161±3）℃，将其分别带入各自的扭矩回归方程得出70号基质沥青拌合温度下对应的扭矩为（2.681±0.008）N·m，90号基质沥青拌合温度下对应的扭矩为（2.679±0.014）N·m，二者相当接近。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，说明按照此方法进行施工温度的确定，结果准确，方法可行。

3.2.4 高粘沥青施工温度的确定

取2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，并以此来确定高黏沥青的施工温度，拌合和压实所对应的的扭矩分别为（2.68±0.011）N·m和（2.785±0.012）N·m，将其带入13%TPS和18%TPS高黏沥青混合料扭矩回归方程中，得出其施工温度，结果见表7。

表6 各混合料温度-扭矩回归方程

表7 扭矩法施工温度

表5 各混合料不同温度下的扭矩

由表7试验结果可知，掺入13%TPS的高黏沥青拌合温度和压实温度分别为（174±3）℃和（161±3）℃，掺入18%TPS的高黏沥青拌合温度和压实温度分别为（186±3）℃和（172±3）℃。

高黏改性沥青的60 ℃动力黏度提高很大，但是在温度较高的情况下黏度并未高出很多，其施工温度也没有提高很大，TPS改性沥青是按照70号基质沥青改性而来，13%TPS的高黏沥青相对于70号基质沥青的施工温度提高了10 ℃左右，18%掺量的TPS高黏沥青相对70号基质沥青的施工温度提高了20 ℃左右，即其施工温度的提高对于70号基质沥青在10 ℃~20 ℃，相对于90号基质沥青在13℃~25 ℃，同一般改性沥青按照经验确定的施工温度相差不多。

4 结语

（1）TPS高黏沥青在135 ℃~150 ℃内的温度敏感性较大，故用于其拌合和碾压温度要尽量选择150 ℃以上。

（2）通过扭矩法得出掺入13%TPS高黏沥青拌合温度和压实温度分别为（174±3）℃和（161±3）℃，掺入18%TPS高黏沥青拌合温度和压实温度分别为（186±3）℃和（172±3）℃，与采用黏温曲线确定的高黏沥青的施工温度相比，要低10 ℃~20 ℃，2种方法确定的施工温度差异很大，可知黏温曲线不适合确定高黏沥青的施工温度，结果会严重偏大。

（3）TPS改性沥青是在70号基质沥青的基础上改性而来，即其施工温度的提高对于70号基质沥青而言在10 ℃~20 ℃，从施工角度而言并没有影响它的使用性能。