TPS高黏瀝青施工溫度的確定

張宜洛 ，董飛龍 ，趙少宗

1. 長安大學(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. 上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200082

0 引言

近年來，改性瀝青路面的數(shù)量迅速增加，如何合理地確定其施工溫度成為亟待解決的問題。目前，馬歇爾配合比設(shè)計(jì)方法仍應(yīng)用在改性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)中，以反應(yīng)瀝青混合料構(gòu)成特點(diǎn)的體積指標(biāo)作為該配合比設(shè)計(jì)的主要參數(shù)依據(jù)[1]。改性瀝青與普通瀝青存在一些差異，尤其在黏度特性和流變特性上。因此，改性瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)并不能完全依賴于馬歇爾設(shè)計(jì)方法中的一些規(guī)定和做法。按照中國目前的技術(shù)規(guī)范，可采用黏溫曲線上黏度為（0.17±0.02）Pa·s 和（0.28±0.03）Pa·s 時(shí)對應(yīng)的溫度作為一般的基質(zhì)瀝青瀝青混合料的拌合與壓實(shí)的溫度[2]；如果采用同樣的方法來確定改性瀝青混合料的壓實(shí)與拌合的溫度，那么高于195 ℃的拌合溫度會(huì)普遍存在，在這樣的溫度下瀝青很容易老化，路用性能也會(huì)受到很大影響[3]。所以，根據(jù)改性瀝青黏度與溫度的關(guān)系特點(diǎn)，對改性瀝青拌合與壓實(shí)溫度的確定方法進(jìn)行研究非常重要[4]。本文研究改性瀝青混合料的拌合溫度和壓實(shí)溫度，從而確定普通瀝青混合料與TPS改性瀝青混合料在施工溫度方面存在的差異。

1 確定方法

TPS的加入提高了瀝青的60 ℃動(dòng)力黏度，在高溫狀態(tài)下瀝青的黏度也會(huì)因?yàn)楦男詣┑募尤攵龃?，進(jìn)而提高混合料的拌合溫度和壓實(shí)溫度，但同時(shí)會(huì)加速瀝青中基質(zhì)瀝青成分的老化，進(jìn)而影響路面的使用壽命。

1.1 基質(zhì)瀝青施工溫度確定

改性瀝青是非牛頓流體，其黏度是隨著剪切速率的增加而逐漸降低的[5]。雖然非牛頓流體的特性會(huì)隨著溫度的升高逐漸變?nèi)酰峭ㄟ^黏溫曲線確定的施工溫度一般都會(huì)偏高，過高的施工溫度會(huì)使瀝青產(chǎn)生短期的老化，進(jìn)而影響路面的抗疲勞性能，同時(shí)也是對能源的浪費(fèi)。

1.2 高黏改性瀝青施工溫度的確定

國內(nèi)工程參考實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)會(huì)在基質(zhì)瀝青施工溫度的基礎(chǔ)上一般提高10 ℃~20 ℃，這種方法不是很科學(xué)[6]。本文借用瀝青混合料和易性試驗(yàn)儀來進(jìn)行施工溫度的確定，可以記錄拌合柄在攪拌混合料時(shí)產(chǎn)生的扭矩，以此來反映瀝青混合料和易性的優(yōu)劣。基質(zhì)瀝青和改性瀝青混合料在不同溫度的拌合過程中達(dá)到相同的扭矩時(shí)，則認(rèn)為其達(dá)到了相同的施工和易性。因此，通過基質(zhì)瀝青的黏溫曲線確定其施工溫度，可得出施工溫度下所對應(yīng)的扭矩，進(jìn)而得出高黏改性瀝青混合料在該扭矩下的溫度，即施工溫度[7]。

本文選擇70號(hào)和90號(hào)2種基質(zhì)瀝青，高黏改性瀝青選用13%和18%兩種摻量，通過上述試驗(yàn)方法確定其施工溫度，并研究其是否比基質(zhì)瀝青對應(yīng)的混合料施工溫度高出很多。級配選用OGFC-13[8]，所用混合料均采用同一油石比4.8%。

2 高黏改性瀝青粘溫特性

本文通過測定瀝青在不同溫度下的黏度得出黏溫曲線，如圖1、2所示，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

由圖1、2和表1可知，2種瀝青的黏度均隨溫度的上升而急劇下降，同樣的溫度下，高黏瀝青的黏度要明顯高于基質(zhì)瀝青的黏度，且摻量18%的TPS高黏瀝青黏度同樣處于最高，但是基質(zhì)瀝青和高黏瀝青兩者黏度隨溫度的變化趨勢不同，基質(zhì)瀝青從105 ℃到165 ℃黏度從急劇下降而逐漸變緩，而高黏瀝青的黏度是在中間溫度下降比較急劇，這同樣也反映出不同瀝青在各個(gè)溫度區(qū)間的溫度敏感性不同；為了更加具體了解其敏感性，采用黏溫曲線的斜率k來表征敏感性的大小[9]。

各種瀝青在各個(gè)溫度區(qū)間斜率k的大小見表2和圖3。

圖1 基質(zhì)瀝青的黏溫曲線

圖2 高黏改性瀝青的黏溫曲線

圖3 各溫度區(qū)間黏度變化斜率

由圖3和表2可以看出，在溫度變化區(qū)間內(nèi)，基質(zhì)瀝青和高黏瀝青各自的變化規(guī)律、趨勢相同。基質(zhì)瀝青相對較為穩(wěn)定，變化幅度較小，在120 ℃~135 ℃之間較為敏感，其余區(qū)間黏度變化斜率相差不大，當(dāng)溫度在150 ℃~165 ℃之間時(shí)已經(jīng)同高黏改性瀝青相差不多；而高黏瀝青則表現(xiàn)出較大的變化幅度，在105 ℃~120 ℃的溫度區(qū)間中，瀝青的黏度變化斜率很小，當(dāng)溫度在135 ℃~150 ℃時(shí)，斜率達(dá)到了最大值，并且明顯大于基質(zhì)瀝青，說明高黏瀝青在溫度區(qū)間內(nèi)的變化極為敏感。實(shí)際道路施工中高黏瀝青混合料的拌合和碾壓溫度需要在150 ℃以上，這樣才能避免其路用性能隨著溫度的變化而產(chǎn)生大幅度的波動(dòng)，從而達(dá)到預(yù)期的配合比設(shè)計(jì)和良好的施工效果。

表1 各種瀝青不同溫度下的黏度

表2 各溫度區(qū)間黏度變化率

3 施工溫度的確定

3.1 黏溫曲線確定施工溫度

根據(jù)表1中不同溫度下的黏度值，利用數(shù)學(xué)回歸的方法得出每一種瀝青的黏溫曲線，如圖4、5所示。

圖4 數(shù)學(xué)回歸后的基質(zhì)瀝青黏溫曲線

圖5 數(shù)學(xué)回歸后的高黏瀝青黏溫曲線

由圖4、5可以看出，基質(zhì)瀝青和高黏瀝青的回歸方程中均有較高的相關(guān)系數(shù)，但高黏瀝青的相關(guān)系數(shù)明顯較低。高黏瀝青的黏度不像基質(zhì)瀝青那樣穩(wěn)定，是隨著試驗(yàn)中剪切速率的變化而變化的；用黏溫曲線來確定其施工溫度缺乏科學(xué)性，因?yàn)樵囼?yàn)條件的改變或者試驗(yàn)與施工之間的差異都會(huì)使數(shù)值發(fā)生改變，故而并不能以此來直接確定其施工溫度。

按照規(guī)范中各溫度的黏度大小確定的各個(gè)瀝青的施工溫度見表3。

由黏溫曲線和（0.17±0.02）Pa·s、（0.28±0.03）Pa·s確定的施工溫度可以看出，70號(hào)基質(zhì)瀝青的拌合溫度和壓實(shí)溫度均比90號(hào)基質(zhì)瀝青高出5 ℃左右。但是，按照此方法確定出來的高黏瀝青的拌合溫度達(dá)到了200 ℃左右，壓實(shí)溫度也在180 ℃以上；假如按照這個(gè)溫度施工，不僅會(huì)加速瀝青的短期老化，而且會(huì)影響施工的和易性，過度增加能源的消耗。根據(jù)高黏瀝青的非牛頓體特性，其黏度隨著剪切速率的變化而發(fā)生變化，即使達(dá)到與基質(zhì)瀝青相同黏度條件，反映到黏度值上也不相同，即不同的施工條件下，其黏度值不同，所謂的黏溫曲線也就不一樣，并不能按照一個(gè)固定的黏度值來確定施工溫度；應(yīng)以高黏瀝青與基質(zhì)瀝青施工條件下相似的和易性作為切入點(diǎn)找到其壓實(shí)和拌合的適宜溫度，即采用本文中的扭矩法來進(jìn)行高黏瀝青施工溫度的確定較為合理。

3.2 扭矩法確定施工溫度

3.2.1 頻率的選擇

采用混合料和易性試驗(yàn)儀測定拌合時(shí)的扭矩，其中拌合頻率是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，所以本節(jié)對4種瀝青分別選擇4個(gè)拌合頻率進(jìn)行各個(gè)溫度下的扭矩測試，以拌合穩(wěn)定時(shí)的扭矩值作為試驗(yàn)結(jié)果，如圖6~9和表4所示。

由圖6~9可知，4種瀝青混合料在不同頻率下表現(xiàn)的趨勢大致相同，在10~20 Hz，扭矩變小，而后隨著頻率的增大扭矩又慢慢變大，整體變化不大，但趨勢相同，而且20 Hz的扭矩?cái)?shù)據(jù)規(guī)律較為穩(wěn)定，其他頻率下的扭矩相對較為離散，基質(zhì)瀝青的數(shù)據(jù)相對高黏瀝青數(shù)據(jù)較離散，所以從和易性和穩(wěn)定性的角度選擇拌合頻率為20 Hz。

3.2.2 扭矩曲線的確定

在20 Hz頻率下測定的各個(gè)溫度下的扭矩值（圖10）進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果見圖11和表5。

表3 黏溫曲線確定施工溫度

圖6 70號(hào)基質(zhì)瀝青不同頻率下扭矩的變化

圖7 90號(hào)基質(zhì)瀝青不同頻率下扭矩的變化

圖8 13%高黏瀝青不同頻率下扭矩的變化

圖9 18%高黏瀝青不同頻率下扭矩的變化

表4 各混合料不同頻率下的扭矩

圖10 溫度與扭矩的關(guān)系

由圖10、11可知，所有瀝青混合料的扭矩均隨著溫度的升高而逐漸降低，說明隨著溫度的升高，瀝青黏度降低，從而使混合料的和易性變好；相同溫度下，高黏瀝青的扭矩要大于基質(zhì)瀝青的扭矩，這同樣是同溫度下黏度的反映。由圖10可以看出，150 ℃之后扭矩的下降慢慢變得緩和，170 ℃~180 ℃的時(shí)候趨于穩(wěn)定，溫度繼續(xù)增加，扭矩也不再下降，甚至有上升的趨勢，因?yàn)榇藭r(shí)瀝青和集料的黏附性已經(jīng)下降，裹附在集料表面的瀝青膜厚度也逐漸降低，扭矩的大小已經(jīng)不再取決于瀝青黏度的大小，而是集料之間的摩擦占據(jù)了主導(dǎo)地位，所以說溫度過高會(huì)影響其施工和易性和施工的效果。

3.2.3 扭矩法的正確性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證此方法的準(zhǔn)確性，首先確定規(guī)范規(guī)定的拌合和壓實(shí)時(shí)瀝青的黏度值（0.17±0.02）Pa·s 、（0.28±0.03）Pa·s所對應(yīng)的70號(hào)基質(zhì)瀝青和90基質(zhì)瀝青的施工溫度，然后將該施工溫度帶入到扭矩和溫度的回歸方程中，對比兩者拌合和壓實(shí)條件下所對應(yīng)的扭矩是否接近，從而判斷此方法準(zhǔn)確與否，其回歸方程見表6。

圖11 溫度-扭矩?cái)M合曲線

70號(hào)基質(zhì)瀝青和90號(hào)基質(zhì)瀝青的拌合溫度分別為（165±3）℃和（161±3）℃，將其分別帶入各自的扭矩回歸方程得出70號(hào)基質(zhì)瀝青拌合溫度下對應(yīng)的扭矩為（2.681±0.008）N·m，90號(hào)基質(zhì)瀝青拌合溫度下對應(yīng)的扭矩為（2.679±0.014）N·m，二者相當(dāng)接近。同樣，將壓實(shí)溫度分別帶入扭矩回歸方程中得出70號(hào)和90號(hào)基質(zhì)瀝青所對應(yīng)的扭矩分別為（2.782±0.02）N·m和（2.788±0.004）N·m，結(jié)果仍然十分接近，說明按照此方法進(jìn)行施工溫度的確定，結(jié)果準(zhǔn)確，方法可行。

3.2.4 高粘瀝青施工溫度的確定

取2種基質(zhì)瀝青施工溫度對應(yīng)扭矩的平均值作為施工溫度下所對應(yīng)的扭矩值，并以此來確定高黏瀝青的施工溫度，拌合和壓實(shí)所對應(yīng)的的扭矩分別為（2.68±0.011）N·m和（2.785±0.012）N·m，將其帶入13%TPS和18%TPS高黏瀝青混合料扭矩回歸方程中，得出其施工溫度，結(jié)果見表7。

表6 各混合料溫度-扭矩回歸方程

表7 扭矩法施工溫度

表5 各混合料不同溫度下的扭矩

由表7試驗(yàn)結(jié)果可知，摻入13%TPS的高黏瀝青拌合溫度和壓實(shí)溫度分別為（174±3）℃和（161±3）℃，摻入18%TPS的高黏瀝青拌合溫度和壓實(shí)溫度分別為（186±3）℃和（172±3）℃。

高黏改性瀝青的60 ℃動(dòng)力黏度提高很大，但是在溫度較高的情況下黏度并未高出很多，其施工溫度也沒有提高很大，TPS改性瀝青是按照70號(hào)基質(zhì)瀝青改性而來，13%TPS的高黏瀝青相對于70號(hào)基質(zhì)瀝青的施工溫度提高了10 ℃左右，18%摻量的TPS高黏瀝青相對70號(hào)基質(zhì)瀝青的施工溫度提高了20 ℃左右，即其施工溫度的提高對于70號(hào)基質(zhì)瀝青在10 ℃~20 ℃，相對于90號(hào)基質(zhì)瀝青在13℃~25 ℃，同一般改性瀝青按照經(jīng)驗(yàn)確定的施工溫度相差不多。

4 結(jié)語

（1）TPS高黏瀝青在135 ℃~150 ℃內(nèi)的溫度敏感性較大，故用于其拌合和碾壓溫度要盡量選擇150 ℃以上。

（2）通過扭矩法得出摻入13%TPS高黏瀝青拌合溫度和壓實(shí)溫度分別為（174±3）℃和（161±3）℃，摻入18%TPS高黏瀝青拌合溫度和壓實(shí)溫度分別為（186±3）℃和（172±3）℃，與采用黏溫曲線確定的高黏瀝青的施工溫度相比，要低10 ℃~20 ℃，2種方法確定的施工溫度差異很大，可知黏溫曲線不適合確定高黏瀝青的施工溫度，結(jié)果會(huì)嚴(yán)重偏大。

（3）TPS改性瀝青是在70號(hào)基質(zhì)瀝青的基礎(chǔ)上改性而來，即其施工溫度的提高對于70號(hào)基質(zhì)瀝青而言在10 ℃~20 ℃，從施工角度而言并沒有影響它的使用性能。