改性沥青施工温度研究进展

毕 飞，樊 亮，周圣杰，姜 峰

（山东省交通科学研究院，山东济南250102）

目前，我国交通事业快速发展，路面铺装率迅速提高，路面结构以沥青路面为主要型式，但在运营初期，沥青路面易出现车辙、坑槽、推拥、泛油等早期损坏问题。为解决路面早期病害，科研工作者进行了大量的研究，多数侧重于改善沥青混合料的性能，在沥青混合料施工温度方面研究甚少。

沥青混合料的性质具有随温度和加荷时间而变化的特性，即在不同的温度和加荷方式的情况下，沥青混合料可具有弹性、粘性（或塑性）以及粘弹性，而且大都呈现出粘弹性性质。我国许多新建高速公路的沥青路面通车后不久就出现早期损坏现象，究其原因，很大一部分是因为施工碾压时没有控制好碾压温度，从而造成了早期损坏现象的发生。沥青混合料碾压成型的温度直接影响沥青路面的压实质量。如果碾压温度过高，沥青路面施工碾压时就会产生横向裂纹或严重推移，从而导致沥青路面平整度变差，横向裂纹还会在以后的行车荷载作用下形成坑槽，使沥青路面的平整度进一步下降；碾压温度过低，则路面很难压实，沥青路面空隙率较大，在行车荷载作用下，水分很容易渗入沥青路面结构层中，从而加速沥青的老化，缩短沥青路面的使用寿命。影响沥青混合料施工温度的要素有：沥青混合料的出料温度、气温、风速、日光照射、下承层温度等，为了规范施工，提出适宜的施工控制温度，提高沥青路面的耐久性，有必要对沥青路面的施工温度加以研究，以便指导施工。

1 改性沥青分类

目前改性沥青可分为两大类：一是从改进工艺改善沥青性能的工艺改性；二是掺加高聚物等材料改善沥青性能的材料改性。其中工艺改性主要是指氧化工艺改性，而材料改性主要是指向沥青中掺加橡胶、树脂、矿物填充料等对其改性，所获得的改性沥青分别是橡胶改性沥青、树脂改性沥青和矿物填充料改性沥青。

矿物改性沥青所用到的矿物材料主要是指硅藻土、矿粉、白炭黑等，它们可以与沥青形成稳定的共混体系进而改善其性能，但是目前研究的相对较少；添加剂改性沥青是指向沥青中添加某种活性物质使沥青的某些性能得以改善所制得的改性沥青。该种改性沥青起步较晚，但是发展较快，且应用潜力巨大。聚合物改性沥青因其优越的路用性能，是目前应用最多的改性沥青。同时因其路用性能的需求和成本的限制，所选取的聚合物种类是不同的，可将其分为橡胶类改性沥青（丁苯橡胶（SBR）是合成橡胶中应用最多的改性剂）、树脂类改性沥青（应用较多的是热塑性树脂聚乙烯（PE）和乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）改性剂）和热塑性橡胶类改性沥青（主要是苯乙烯类嵌段共聚物改性剂）。

2 施工温度确定方法

近十余年，国内外也开展了一些改性沥青施工温度的研究。先后出现了多种施工温度确定方法，但是每种方法又都具有其自身局限性，而且在研究过程中样本试验量太少，不具有普遍性。但是随着新型仪器的出现、新型理念的产生，尽管研究关注的不多，但国内外也出现更新的适用性较好的温度判断方法，如不再从沥青角度而从混合料角度入手讨论改性沥青混合料的施工温度等。从一定程度上讲，这些研究方法仍具有较好的理论意义和实践价值。

2.1 粘温曲线法

对于基质沥青而言，国内外公认的成熟方法是按粘温关系选择施工温度。采用旋转粘度计，以27号转子、20r/min转速测取不同高温条件下的沥青粘度，而后按照粘温关系公式计算0.17Pa·s、0.28 Pa·s对应的温度值作为拌和、压实温度[1-2]。该方法应用到改性沥青方面时，得到SBS沥青施工温度过高，达到177℃甚至200℃以上，高于实际工程应用中的经验温度值；也高于SBS改性剂的热降解温度，在此温度下的SBS沥青容易降解，造成粘度下降，不利于使用性能的提高。但大多数天然沥青改性沥青的施工温度都可以采用此方法确定。研究者从两方面对此法进行优化：基于旋转粘度计改变剪切速率、改变粘度测试方法。

2.1.1 基于旋转粘度计改变剪切速率

普通沥青在高温时呈牛顿流体状态，但改性沥青在高温阶段仍处于非牛顿流体状态，高温时粘度值随剪切速率的变化而改变。因为实际沥青混合料拌和与压实过程的剪切速率远大于试验时的剪切速率，研究者在粘度测定过程中考虑了剪切速率的影响，以模拟改性沥青混合料拌和与压实过程的粘度状态。

美国德克萨斯大学Yetkin Yildirim[3]采用旋转压实仪在不同压实温度下成型试件，测试并计算得到混合料各体积参数和压实温度的关系，然后以最佳的压实温度T0作为测试温度，转子型号或者转速，得到改性沥青的粘度与剪切速率关系曲线，并根据理想压实粘度范围（0.28 ±0.03）Pa·s,在此曲线上确定所对应实际剪切速率；假定在压实过程中的剪切速率与拌和过程的剪切速率相同，此剪切速率下，测试改性沥青在不同压实温度下的粘温曲线，根据拌和粘度范围（0.17±0.02）Pa·s，可以确定混合料的拌和温度范围。张争奇等[4]推荐了一个改性沥青混合料测粘剪切速率，即60s-1，得出了根据改性沥青粘温曲线确定拌和与压实温度的方法。但是本结果仅限于两个改性沥青产品得到（如图1所示）。

在旋转粘度计有限的转速范围内，单纯依靠频率的改变和继续沿用0.17Pa·s、0.28Pa·s的等粘规则具有很大的误区和不适用性。应该选择一个合适的等粘度值代替规范规定值；但是这种靠实际混合料施工温度回归出来的等粘规则常常不具有普适性。

图1 拌和与压实温度确定方法流Fig.1 Method flow for determining mixing and compaction temperature

2.1.2 改变粘度测试方法

（1）高频剪切粘度法：它采用旋转粘度计获取不同剪切频率下的粘度值，利用Cross模型计算得到500s-1下的HSV值，进而利用0.275Pa·s、0.55Pa·s进行等粘温度获取合适的施工温度。分析认为：利用HSV高频粘度法得到施工温度是相对合理的。同时在旋转粘度计中，采用100r/min旋转粘度与Cross模型得到的500s-1频率下的粘度相差不大，在工程应用中可以采用100r/min粘度代替500s-1频率下的HSV值。

（2）稳态剪切流动试验法：Reinke[5]推荐在DSR上利用双平行板进行流体实验。其条件为：稳定的压力水平、上夹板朝一个方向稳定转动，测量76℃、82℃、88℃三个温度下的粘度，且涵括0.33Pa～500Pa应力水平范围，去评价沥青胶结料的剪切依赖性。取500Pa水平下的粘度与温度进行双对数绘图，外延得到沥青的施工温度，其推荐的等效粘度为(0.17±0.02 )Pa·s和(0.35±0.03 )Pa·s。但是该方法的温度范围太低，与动态剪切流变仪所能承受的温度环境有关。

（3）低频剪切粘度与ZSV确定法：威斯康星大学的H.U.Bahia[6]认为，对于给定的集料和级配，影响其压实特性最重要的因素是压实过程中临界状态时的零剪切粘度。其主要步骤是：用旋转粘度计测定改性沥青粘度剪切速率依存性，并建立合适的数学模型计算零剪切粘度（ZSV），得出零剪切粘度随温度变化的曲线，进而成型过程中的拌和与压实温度。推荐用标准旋转粘度计测定剪切速率与粘度的关系，由于“零剪切”状态很难获得且难以测定，因此用低剪切速率0.001s-1代替零剪切速率以简化计算过程，同时拌和零剪切粘度采用3.0Pa·s，压实零剪切粘度为6.0Pa·s。但此法认为混合料在旋转压实成型过程中是处于一种低剪切状态，但沥青在施工中并不是在低速剪切状态，因此采用零剪切（或低速剪切）粘度来确定混合料的施工温度有待进一步研究。

受计算和试验误差的影响，利用零剪切粘度和相应的等粘准则，并不能得到合适的施工温度范围。利用动态剪切流变仪，进行稳态剪切流动方法和相应粘度准则，也不能得到合适的沥青施工温度，其结果常常偏低于工程经验值。

2.2 相位角主曲线法

相位角方法在NCHRP 648[7]中由John Casola提出设想并发展起来。通过对未老化沥青进行50℃、60℃、70℃、80℃四个温度下的DSR频率扫描，得到参考温度80℃下的模量主曲线和相位角主曲线，如图2所示。

图2 沥青的模量、相位角主曲线示意图Fig.2 Schematic diagram of modulus and phase angle master curve of asphalt

Casola建立了这个频率和拌和温度间的初始关系，利用推荐的现场不同沥青的拌和温度进行综合研究。其拟合曲线方程如下：

拌和温度（℉）=310ω-0.01

但该公式计算出来的施工温度往往小于现场实际使用的温度，特别是对改性沥青更是如此。为了减少与基质沥青拌和等粘温度的误差，该公式调整结果如下：

拌和温度（℉）=325ω-0.0135

未修正公式得到的结果靠近EC101中值，而调整后的公式结果靠近EC101最大值。这种相位角方法得到的拌和温度与EC101最大拌和温度遵从如下公式：

相位角方法：Tm=1.1*（EC 101 Tmax）-33，R2=0.92

利用等粘方法，基质沥青的压实温度要比拌和温度低20℉～25℉，以此可以建立频率与压实温度之间的关系方程并可以得到一条简单的幂函数，用以描述压实温度的计算过程。如下：

压实温度（℉）=300ω-0.012

主曲线上，相位角在85°～90°之间的区域代表着沥青从粘流体到粘弹体的转变过程。因此，这个区域是不同沥青之间有所区别的代表性区间。可以选择对应86°相位角的频率作为SBS改性沥青的可行参考点。利用动态剪切流变仪进行相位角主曲线获取，所判断的施工温度仅仅适合石油沥青；但对于SBS改性沥青，相位角主曲线并不能得到特征相位角（86°）对应的频率位置，该方法并不适用于SBS改性沥青。

2.3 混合料试验法

2.3.1 SEP实验

利用温湿度箱，配备质量损失监测装置，挥发的烟雾由不透明指示剂来检测，之后，按照AASHTO M320对沥青重新定级，并进行MSCR实验。

2.3.2 拌和涂敷实验

日本路面规范中规定，根据沥青对骨料的裹覆状态判定拌和时间。试验通过罗斯计算法（Ross Count）进行。后来，美国将此方法进一步发展，形成标准试验规范ASTM D2489。

在4个温度下，采用两种拌和方式，利用ASTM D2489评价沥青在集料表面上的裹附效果。拌和涂敷率利用Ross计数法计算得到。所有混合料类型的涂敷实验结果用Sigmoid方程进行分析。

C为一定温度t下的涂敷百分率；a和b为方程回归参数。该方程可被用来预估沥青在任何温度下与集料的涂敷百分率。利用基质沥青的等粘拌和温度，连续式拌和和间歇式拌和两种方式下的Baseline涂敷百分率分别为98%、89%。然后对改性沥青按照此回归公式，预估出改性沥青混合料达到此涂敷率的温度。这两种拌和方式下涂敷百分率结果与拌和温度都相关。

2.3.3 等效混合料特性

Stuart在沥青含量相同的情况下，对改性沥青混合料和基质沥青混合料进行SGC压实试验，当两者体积指标相同时，确定每个改性沥青的施工温度范围。结果表明，145℃压实温度对每种沥青皆能使用，并能达到相同的空隙率；所允许的压实温度范围在20℃～40℃之间，这表明压实过程对温度是不敏感的。Stuart认为，一个单一的沥青粘度范围并不能用于所有沥青碾压温度范围的选择；对基质沥青而言，NCHRPPRO9-10研究得到的等效粘度1.4±0.1Pa·s是太小了。

SBS改性沥青压实温度与矿料的级配形式更为相关。SMA、LSPM、ATB、OGFC等类型沥青混合料由于矿料级配的不同，沥青胶浆（组成形式、粉胶比等）的状态不同，尽管其用同一种改性沥青，但也可能带来不同压实温度范围。这就要求我们在施工温度的选择上，应根据不同的级配类型，进行不同的计算。这样更具有针对性和适用性。

2.4 施工温度推荐要求

美国Superpave在热拌沥青混凝土应用方面，对性能分级沥青在生产期间能够保证其挥发污染物达到最低限制的施工温度也有一定要求。由美国沥青协会、美国沥青铺面协会和州立沥青铺面协会共同组成的APEC组织提出了性能分级沥青胶结料最小挥发物操作的建议，对新规范各级沥青胶结料的施工温度规定了一个适宜的范围，见表1。

表1 性能分级沥青及其施工温度范围Table 1 Performance graded asphalt and its construction temperature range

接表1

这些规定对国内沥青有些不太适用，一方面国内高掺量改性沥青较多，产品不稳定，品牌多。很多SBS改性沥青的性能等级远远超出了沥青PG等级范围。另外，国内沥青的不均匀性，导致温度范围的千差万别。

3 结语

近十年来，对于改性沥青施工温度的研究已经取得较大进展，借助普通粘温曲线法、稳态剪切粘度法、流动活化能法、零剪切粘度法以及相位角法等，可以充分了解到改性沥青的施工温度确定方法，虽然涉及范围较广，但各种方法都具有自身局限性，都不能准确的确定国内改性沥青施工过程中的拌和以及压实温度，需要寻找到更合适且适用范围更广的试验方法来确定其施工温度。由于沥青混合料的拌和、压实过程与沥青胶结料的形式以及沥青混合料的矿料组成有关，因此需要从这两方面综合考虑来找到新的试验方法。