再生SBS改性瀝青混合料的施工溫度確定

甘新立，鄭南翔，侯月琴，紀(jì)小平

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2.西安交通大學(xué) 人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

瀝青路面熱再生技術(shù)由于具有保護(hù)環(huán)境、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)而作為一種綠色交通施工技術(shù)被廣泛應(yīng)用［1－2］.相對(duì)于普通熱拌瀝青混合料（HMA），再生SBS改性瀝青混合料由于有回收舊瀝青混合料（RAP）的加入，其施工溫度（拌和溫度、壓實(shí)溫度）的確定將受到RAP摻配率和預(yù)熱溫度等因素的影響，而瀝青混合料的施工溫度是決定瀝青路面施工質(zhì)量的重要因素，直接影響著瀝青路面的壓實(shí)效果和密實(shí)程度［3］.確定合理的瀝青混合料施工溫度對(duì)防止車(chē)轍、水損壞等瀝青路面早期病害的產(chǎn)生起著至關(guān)重要的作用.JTG F 41—2008《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，再生瀝青混合料出料溫度應(yīng)比普通熱拌瀝青混合料高5～15℃，而JTG F 40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，聚合物改性瀝青混合料的施工溫度應(yīng)較普通熱拌瀝青混合料高10～20℃.因此，再生SBS改性瀝青混合料的拌和溫度應(yīng)為165～190℃.顯然，這是一個(gè)較大的溫度范圍，不利于實(shí)際生產(chǎn)中拌和溫度的控制.目前，對(duì)于再生SBS改性瀝青混合料的施工，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)形成了一整套完整的理論、方法［4－6］，但尚缺乏對(duì)施工溫度進(jìn)行準(zhǔn)確確定的方法.

SBS改性瀝青在高溫時(shí)具有明顯的非牛頓流體特性［7］，直接采用6.8s－1剪切速率下改性瀝青黏溫曲線上（0.17±0.02）Pa·s和（0.28±0.03）Pa·s時(shí)的等黏溫度作為改性瀝青混合料的拌和溫度和壓實(shí)溫度會(huì)導(dǎo)致混合料施工溫度過(guò)高，從而對(duì)瀝青路面質(zhì)量和環(huán)境產(chǎn)生不利影響［8］.目前國(guó)內(nèi)外對(duì)普通熱拌瀝青混合料的施工溫度做了大量的研究，并得到一系列研究成果［9－11］，但對(duì)于再生SBS改性瀝青混合料施工溫度的研究則很少涉及.耿九光等［12］研究了剪切速率對(duì)瀝青黏度的影響，并通過(guò)對(duì)再生瀝青混合料體積參數(shù)的研究，以使瀝青混合料達(dá)到最大壓實(shí)密度時(shí)的成型溫度作為再生瀝青混合料的最佳壓實(shí)溫度.紀(jì)小平等［13］通過(guò)對(duì)再生瀝青混合料黏溫曲線的研究，提出了以再生瀝青混合料黏溫曲線上（0.17±0.02）Pa·s時(shí)的等黏溫度作為再生瀝青混合料的拌和溫度的方法.

本文采用自主研發(fā)的拌和力矩測(cè)定儀，在不同拌和溫度（t）下拌和再生SBS改性瀝青混合料，測(cè)定不同拌和溫度下再生SBS改性瀝青混合料的拌和力矩.測(cè)試基質(zhì)瀝青混合料在基質(zhì)瀝青黏溫曲線0.17Pa·s的等黏溫度下的最佳拌和力矩，并以此最佳拌和力矩在再生SBS改性瀝青混合料拌和力矩－拌和溫度擬合曲線上對(duì)應(yīng)的拌和溫度為該混合料的最佳拌和溫度；根據(jù)最佳拌和溫度下再生SBS改性瀝青黏度－剪切速率曲線，確定最佳拌和溫度下再生SBS改性瀝青的剪切速率，在該剪切速率下通過(guò)試驗(yàn)獲得再生SBS 改性瀝青的黏溫曲線，并以（0.28±0.03）Pa·s時(shí)的等黏溫度作為再生SBS 改性瀝青混合料的最佳壓實(shí)溫度.

1 原材料性能及混合料設(shè)計(jì)

RAP由SBS改性瀝青路面銑刨得到，燃燒法測(cè)得RAP中的油石比1）文中涉及的油石比和集料顆粒組成等均為質(zhì)量比或質(zhì)量分?jǐn)?shù).為4.1%.RAP中的集料顆粒組成見(jiàn)表1.試驗(yàn)用70＃和90?；|(zhì)瀝青分別為SK 70＃瀝青和SK 90＃瀝青，改性瀝青為SBS I－C 改性瀝青，舊瀝青采用阿布森法從RAP 中回收獲得.新舊瀝青技術(shù)性質(zhì)如表2 所示.再生劑采用某國(guó)產(chǎn)RA－5型再生劑，其技術(shù)性質(zhì)如表3所示.粗集料為玄武巖，其技術(shù)性質(zhì)如表4所示.試驗(yàn)采用混合料類型為AC－13，其級(jí)配如表5所示.

表1 RAP中的集料顆粒組成Table 1 Composition（by mass）of aggregate particles in RAP %

表2 新舊瀝青技術(shù)性質(zhì)Table 2 Technical properties of old and new asphalts

表3 再生劑技術(shù)性質(zhì)Table 3 Technical properties of recycling agent

表4 粗集料技術(shù)性質(zhì)Table 4 Technical properties of coarse aggregate

表5 AC－13混合料的級(jí)配Table 5 Gradation（by mass）of AC－13mixture %

2 拌和力矩法確定拌和溫度

2.1 基質(zhì)瀝青黏溫曲線及最佳拌和力矩的確定

采用布氏黏度儀測(cè)定70＃和90?；|(zhì)瀝青在135℃和175℃下的黏度，然后繪制2 種基質(zhì)瀝青的黏溫曲線，結(jié)果見(jiàn)圖1.

取基質(zhì)瀝青黏度為0.17Pa·s，由基質(zhì)瀝青黏溫曲線可得出70?；|(zhì)瀝青0.17Pa·s時(shí)的等黏溫度為163℃，90?；|(zhì)瀝青0.17Pa·s時(shí)的等黏溫度為156℃.

圖1 基質(zhì)瀝青黏溫曲線Fig.1 Viscosity－temperature curves of matrix asphalts

在163℃下采用70＃基質(zhì)瀝青拌和混合料，在156℃下采用90?；|(zhì)瀝青拌和混合料.開(kāi)啟瀝青混合料拌和力矩測(cè)定儀，調(diào)整攪拌頻率為30Hz，并在數(shù)值顯示穩(wěn)定后讀取基質(zhì)瀝青混合料拌和力矩?cái)?shù)值，結(jié)果見(jiàn)表6.

取70＃和90?；|(zhì)瀝青混合料拌和力矩平均值3.139N·m 作為基質(zhì)瀝青混合料的最佳拌和力矩，即可以認(rèn)為，以3.139N·m 的拌和力矩拌和AC－13混合料最合適.

表6 基質(zhì)瀝青混合料拌和力矩Table 6 Mixing torques of matrix asphalt mixtures N·m

2.2 再生SBS改性瀝青混合料最佳拌和溫度的確定

采用RAP摻配率為30%，并通過(guò)添加SBS I－C改性瀝青和新集料，在油石比為4.7%條件下拌和AC－13再生SBS 改性瀝青混合料.再生劑摻量為3%，新瀝青與新集料用量比值為5.0%.分別測(cè)定不同拌和溫度下再生SBS改性瀝青混合料的拌和力矩（M）.再生SBS改性瀝青混合料拌和力矩－拌和溫度曲線見(jiàn)圖2.

圖2 再生SBS改性瀝青混合料拌和力矩－拌和溫度曲線Fig.2 Mixing torque－mixing temperature curve of recycled SBS modified asphalt mixture

采用式（1）對(duì)再生SBS改性瀝青混合料拌和力矩－拌和溫度曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果表明，式（1）對(duì)該曲線的擬合效果良好，R2為0.983.將AC－13混合料最佳拌和力矩3.139N·m 代入式（1），可以求得相應(yīng)的拌和溫度為179℃，即可以認(rèn)為，179℃為RAP摻配率為30%的再生SBS改性瀝青混合料的最佳拌和溫度.

3 最佳壓實(shí)溫度確定

再生SBS 改性瀝青具有明顯的非牛頓流體特性，其黏度與剪切速率有關(guān).

采用布氏黏度儀測(cè)定不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下再生SBS改性瀝青的黏度（179℃），按式（2）計(jì)算再生SBS改性瀝青的剪切速率（S），然后繪制再生SBS改性瀝青黏度－剪切速率曲線，結(jié)果見(jiàn)圖3.

式中：n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r／min；k為轉(zhuǎn)子剪變率常數(shù).

圖3 再生SBS改性瀝青黏度－剪切速率曲線Fig.3 Viscosity－shear rate curve of recycled SBS modified asphalt

由圖3可以看出，在179℃條件下，再生SBS改性瀝青黏度隨著剪切速率的增加而減小.以（0.17±0.02）Pa·s黏度為再生SBS改性瀝青的最佳拌和黏度，黏度－剪切速率曲線上對(duì)應(yīng)的剪切速率取46.5s－1.可以認(rèn)為，再生SBS改性瀝青在46.5s－1剪切速率下測(cè)得的黏度為適合再生SBS 改性瀝青混合料路面施工的瀝青黏度.

在46.5s－1的剪切速率下測(cè)定再生SBS改性瀝青于135℃和175℃時(shí)的黏度，然后繪制再生SBS改性瀝青黏溫曲線，結(jié)果如圖4所示.

圖4 剪切速率為46.5s－1時(shí)再生SBS改性瀝青的黏溫曲線Fig.4 Viscosity－temperature curve of recycled SBS modified asphalt at 46.5s－1 shear rate

在再生SBS 改性瀝青黏溫曲線上取（0.17±0.02）Pa·s 對(duì)應(yīng)的溫度為176～182 ℃，（0.28±0.03）Pa·s對(duì)應(yīng)的溫度為161～167℃，即可以認(rèn)為再生SBS改性瀝青混合料的最佳拌和溫度范圍為176～182℃，最佳壓實(shí)溫度范圍為161～167℃.

4 合理性驗(yàn)證

以RAP摻配率為30%，并在油石比為4.7%條件下采用馬歇爾擊實(shí)法拌和并成型再生SBS改性瀝青混合料（AC－13）試件.采用表干法測(cè)定剪切速率為46.5s－1時(shí)試件在不同拌和溫度下的毛體積密度，結(jié)果見(jiàn)圖5.由圖5可以看出，再生SBS改性瀝青混合料最大毛體積密度為2.582g／cm3，其所對(duì)應(yīng)的拌和溫度約為180℃.這說(shuō)明以本文方法確定的再生SBS改性瀝青混合料的最佳拌和溫度是合理的.

圖5 剪切速率為46.5s－1時(shí)再生SBS改性瀝青混合料在不同拌和溫度下的毛體積密度Fig.5 Gross volume densities of recycled SBS modified asphalt mixtures in different mixing temperatures at 46.5s－1 shear rate

5 結(jié)論

（1）基質(zhì)瀝青混合料在3.139N·m 的拌和力矩下拌和最合適.

（2）在179 ℃條件下，再生SBS 改性瀝青的黏度隨剪切速率的增加而減小，表現(xiàn)出較明顯的非牛頓流體特性.

（3）再生SBS改性瀝青混合料的最佳拌和溫度范圍為176～182 ℃，最佳壓實(shí)溫度范圍為161～167℃.

（4）所提出的再生SBS改性瀝青混合料的最佳拌和溫度確定方法合理可行.

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