基于平板黏度的沥青温拌改性及温拌性能评价*

王松林 刘安刚 刘青海 周庆福

(1.武汉理工大学交通与物流工程学院 武汉 430063；2.湖北省公路工程技术研究中心 武汉 430063； 3.湖北省长江路桥有限公司 武汉 430063)

传统热拌沥青混合料需要在较高温度下进行生产施工，这不仅影响环境质量，还消耗了大量能源，此外，在隧道内进行沥青混合料施工时，伴随施工产生的毒气很难排出，严重威胁施工人员的生命健康。因此需对沥青进行改性处理，在较低的温度下将沥青和矿料进行拌和，得到温拌沥青混合料，温拌沥青混合料的施工温度比传统热拌沥青混合料要低15～30 ℃[1-3]，有利于为施工人员创造相对安全舒适的工作环境。

本文选择常用于高速公路沥青路面的SBS改性沥青，并选取3种类型的温拌改性剂LQ1102、TEGO168和LX450，根据3种改性剂添加掺量的范围制备不同种类、不同掺量的温拌改性沥青，然后采用布氏旋转黏度法和旋转平板黏度法2种方法研究制得的温拌改性沥青的黏温特性，并就试验结果对2种方法进行对比分析。

1 温拌改性沥青的制备

试验中沥青采用湖北交投致远新材料科技有限公司生产的SBS的质量分数为4%的SBS(I-D)，选取的温拌剂分别为LQ1102C、TEGO168、LX450。

1.1 沥青

根据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[4]，首先对SBS(I-D)型沥青材料分别进行了3大指标——针入度、延度和软化点的性能检测，试验结果见表1，通过对比JTG F40-2004 《公路沥青路面施工技术规范》相关内容可知[5]，所选取的沥青材料符合试验要求，可用于试验与研究。

表1 SBS(I-D)型改性沥青3大指标试验结果

1.2 温拌改性剂

温拌剂根据作用原理分为以下3类：①发泡沥青降黏温拌剂；②有机添加剂降黏类温拌剂；③表面活性类降黏温拌剂，本试验一共选取了3种不同的温拌剂，分别是表面活性类温拌剂LQ1102、泡沫沥青类温拌剂TEGO168、有机降黏类温拌剂LX450。3种温拌剂的物理性能见表2。

表2 温拌剂物理性质

1.3 温拌改性沥青的合成

在SBS改性沥青中分别添加LQ1102、TEGO168、LX450 3种温拌改性剂，根据已有经验[6]，各改性剂的掺量见表3，制备得到不同改性剂种类，不同掺量的温拌改性沥青，用于后续试验。

表3 温拌改性剂添加掺量试验方案

2 基于布氏旋转黏度的黏温特性分析

2.1 试验原理

本试验选取NDJ-1D型布氏旋转黏度计，根据不同的速率选用不同型号的转子进行试验，最后测得不同温度下的表观黏度，处理后得到对应的黏温曲线。

2.2 黏温曲线

本研究采用的试验材料为之前制备的温拌改性沥青，先预估温拌改性沥青的黏度范围，然后根据表4不同转子和转速对应的黏度来选择适宜的转子和转速，文中选定转速为20 r/min，选择的转子为21号转子，选择115，135，155和175 ℃ 4个试验温度，并在每个温度下进行3次平行试验，取3次结果的平均值作为最终结果。添加了3种掺量LQ1102温拌剂的布氏黏度试验结果见表5，根据试验结果绘制黏温关系图见图1。

表4 不同转子和转速对应的黏度值

表5 温拌改性沥青布氏黏度试验结果

图1 添加LQ1102温拌剂后的黏温曲线

由图1可见，在相同温度下，未添加LQ1102温拌剂的SBS改性沥青的黏度最大，而随着LQ1102温拌剂掺量逐渐增大，SBS改性沥青黏度依次减小，且温度越低，减小的幅度越大。

国内外规范对于沥青黏温曲线绘制总体上来说有2种方法：①采用指数函数进行回归拟合；②采用直线进行拟合，其中纵坐标为黏度取双对数，横坐标转变为动力学温度后取对数[7]，第二种方法更为常用，在我国已经列入了JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中，其拟合方程见式(1)。

lg lg(η×1 000)=n+mlg(t+273.13)

(1)

式中：η为黏度，Pa·s；t为温度，℃；m为斜率；n为截距。

采用式(1)所示方程对表5所示的黏温数据进行拟合，得到对数坐标下黏温曲线见图2，就图2拟合程度R2来看，均有很好的拟合关系。

图2 添加LQ1102温拌剂后的对数坐标下的黏温曲线

2.3 拌和压实温度确定

拌和温度和压实温度直接影响着路面的压实效果，因此确定最佳压实温度和最佳拌和温度对指导路面施工有着重要意义。JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中指出，可以采用黏度为(0.17±0.02) Pa·s时的温度为拌和温度，以(0.28±0.03)Pa·s时的温度作为压实温度。根据添加LQ1102温拌剂后的对数坐标下的黏温曲线计算得到的拌和温度和施工温度见表6。

表6 添加LQ1102温拌剂后的沥青拌和和压实温度 ℃

进行布氏旋转黏度试验时，需要不断改变转子和转速以满足设备的量程和准确性，这导致转子的剪切速率无法控制，转子的剪切速率的整体趋势随着温度的升高而变大，由此确定的拌和温度和压实温度会比实际施工的温度偏高，无法准确地量化温拌剂的对沥青的改性效果，因此，本文后续采用平板旋转黏度法来研究各温拌剂和各掺量下的温拌改性沥青的黏温特性。

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3 基于平板旋转黏度的黏温特性分析

3.1 试验原理

SBS改性沥青与基质沥青不同，从其软化点至180 ℃的整个温度范围内，都会表现出很强的非牛顿流体特性，其黏度值将受到温度和测试剪切速率的共同影响。这也意味着在同一个温度点，使用不同测试剪切速率将得到不同的黏度值。另外，非牛顿流体还可以分为很多种类，例如假塑性、塑性和膨胀性等等。SBS改性沥青属于假塑性流体，即在相同温度下，被测流体的黏度随着测试剪切速率的增加而减小(通常称为剪切变稀特性)[8-9]。因此，通过布氏旋转黏度方法测试得到的SBS改性沥青黏度并不是沥青的真实黏度，而是在某一剪切速率下表现出的黏度。而应用动态流变剪切仪，采用应变控制模式时，其扭矩传感器精度很高，可以保证在足够宽的温度范围内都采用同一剪切速率对沥青进行测试。

3.2 试验步骤及注意事项

平板旋转黏度试验具体的步骤如下：首先加热沥青制备试样，然后将试样放置于DSR下板并修整试样，最后在电脑界面设定试验参数并启动程序。在操作过程中应注意以下几点。

1) 改性沥青加热温度以160 ℃为宜，时间一般约为30 min，温度过高会造成沥青老化，过低则可能导致沥青流动性不足，无法使硅胶模具填满或者导致沥青内部存在初始裂缝，从而造成试验结果差异较大的问题。

2) 加热下板时温度不宜低于50 ℃，温度过低会造成沥青难以挤压到设定的厚度。

3) 在修整沥青试样边缘时，需用液化气预热刮刀，加热时间不宜太短也不宜太长，加热时间过短导致加热不充分，修整后试样边缘仍会有多余沥青，见图3a)，而加热时间过长会使刮刀温度过高，导致沥青试样边缘过度修整，见图3b)。

4) 在关闭保温盒时转子应处于正中间，不能与盒壁接触，避免由于盒壁对转子产生摩擦而对试验结果产生影响。

图3 沥青试样边缘修整不足和过度的示意图

3.3 黏温曲线

选取60～140 ℃的温度区间，并设置10 ℃的温度梯度进行黏度-温度曲线测试试验。根据已有研究，在SMA混合料设计中，采用固定剪切速率25 s-1得到的黏温关系为沥青材料最佳拌和压实温度，所得结果与相应混合料的最优压实度、最小空隙率的相关程度最大，因此本文试验中采用固定剪切速率25 s-1进行所有沥青的测试。不同温拌改性沥青基于平板旋转黏度测得的黏温曲线及双对数坐标下的黏温关系曲线图见图4～图9。

图4 添加LQ1102温拌剂后的黏温曲线

图5 添加LQ1102温拌剂后的对数坐标下的黏温曲线

图6 添加TEGO168温拌剂后的黏温曲线

图7 添加TEGO168温拌剂后的对数坐标下的黏温曲线

图8 添加LX450温拌剂后的黏温曲线

图9 添加LX450温拌剂后的对数坐标下的黏温曲线

由图4、6、8可知，对于温拌剂LQ1102和温拌剂LX450，沥青在各个试验温度下的黏度值均随着温拌剂掺量的不断增大而相应减小；而对于温拌剂TEGO168，沥青的黏度几乎不随温拌剂掺量的变化而改变，这是因为TEGO是泡沫沥青类温拌剂，其只有在和一定比例的水同热沥青一起加入到发泡装置中生产泡沫沥青，再同矿料一起拌和才能起到降低沥青黏度的作用。

根据图5和图9中拟合的黏温关系计算出的温拌改性沥青的最佳拌和和压实温度见表7、表8。

表7 添加LQ1102温拌剂后的沥青拌和和压实温度 ℃

表8 添加LX450温拌剂后的沥青拌和和压实温度 ℃

由表6、表7可见，由布氏旋转黏度法确定的施工温度普遍比平板旋转黏度法确定的施工温度高，平板旋转黏度法确定的施工温度更贴近实际，说明平板旋转黏度法是一种更为高效准确的测定沥青(尤其是SBS改性沥青)的黏度及确定施工温度的方法。由表7、表8可知，添加0.7% LQ1102所得的温拌改性沥青，其拌和温度降低了24.0 ℃，压实温度降低了21.9 ℃；添加0.7% LX450所得的温拌改性沥青，其拌和温度降低了17.1 ℃，压实温度降低了16 ℃，且对于LX450，掺量为0.5%和0.7%时得到的温拌改性沥青的拌和温度和压实温度降低程度相差不大，降黏效果十分接近。

4 总结

1) 本研究明确不同温拌改性剂添加掺量的范围，并通过试验确定了LQ1102、TEGO168、LX450 3种温拌改性剂中的最优温拌剂及最佳掺量。

2) 采用布氏旋转黏度法测定添加不同掺量LQ1102温拌剂温拌改性沥青的黏温关系时，发现得到的改性沥青最佳施工温度过高，不能够很好地表征改性沥青的黏温关系，不具备指导意义。

3) 平板旋转黏度法应用动态流变剪切仪，采用应变控制模式，在固定剪切速率25 s-1下测试改性沥青的黏度，解决了采用布氏旋转黏度方法测试改性沥青黏温关系时由于剪切稀化效应而导致的施工温度偏高的问题，测试了添加LQ1102、TEGO168、LX450 3种温拌剂的温拌改性沥青从60～140 ℃的平板旋转黏度，并绘制黏温关系曲线，试验结果表明，SBS改性沥青添加0.7%LQ1102后，拌和温度降低24.0 ℃，压实温度降低21.9 ℃；添加0.7%LX450后拌和温度降低15.9 ℃，压实温度降低14.9 ℃，但由于TEGO168为泡沫沥青温拌剂，因此平板旋转黏度法不能有效表征其温拌效果并确定其添加掺量。

4) 平板旋转黏度法与布氏旋转黏度法相比，能更为高效准确地测定沥青(尤其是SBS改性沥青)的黏度及确定施工温度；但是针对不同沥青进行测试时，采用的剪切速率尚需进一步研究。