改性瀝青施工溫度研究進(jìn)展

畢 飛，樊 亮，周圣杰，姜 峰

（山東省交通科學(xué)研究院，山東濟(jì)南250102）

目前，我國(guó)交通事業(yè)快速發(fā)展，路面鋪裝率迅速提高，路面結(jié)構(gòu)以瀝青路面為主要型式，但在運(yùn)營(yíng)初期，瀝青路面易出現(xiàn)車轍、坑槽、推擁、泛油等早期損壞問(wèn)題。為解決路面早期病害，科研工作者進(jìn)行了大量的研究，多數(shù)側(cè)重于改善瀝青混合料的性能，在瀝青混合料施工溫度方面研究甚少。

瀝青混合料的性質(zhì)具有隨溫度和加荷時(shí)間而變化的特性，即在不同的溫度和加荷方式的情況下，瀝青混合料可具有彈性、粘性（或塑性）以及粘彈性，而且大都呈現(xiàn)出粘彈性性質(zhì)。我國(guó)許多新建高速公路的瀝青路面通車后不久就出現(xiàn)早期損壞現(xiàn)象，究其原因，很大一部分是因?yàn)槭┕つ雺簳r(shí)沒(méi)有控制好碾壓溫度，從而造成了早期損壞現(xiàn)象的發(fā)生。瀝青混合料碾壓成型的溫度直接影響瀝青路面的壓實(shí)質(zhì)量。如果碾壓溫度過(guò)高，瀝青路面施工碾壓時(shí)就會(huì)產(chǎn)生橫向裂紋或嚴(yán)重推移，從而導(dǎo)致瀝青路面平整度變差，橫向裂紋還會(huì)在以后的行車荷載作用下形成坑槽，使瀝青路面的平整度進(jìn)一步下降；碾壓溫度過(guò)低，則路面很難壓實(shí)，瀝青路面空隙率較大，在行車荷載作用下，水分很容易滲入瀝青路面結(jié)構(gòu)層中，從而加速瀝青的老化，縮短瀝青路面的使用壽命。影響瀝青混合料施工溫度的要素有：瀝青混合料的出料溫度、氣溫、風(fēng)速、日光照射、下承層溫度等，為了規(guī)范施工，提出適宜的施工控制溫度，提高瀝青路面的耐久性，有必要對(duì)瀝青路面的施工溫度加以研究，以便指導(dǎo)施工。

1 改性瀝青分類

目前改性瀝青可分為兩大類：一是從改進(jìn)工藝改善瀝青性能的工藝改性；二是摻加高聚物等材料改善瀝青性能的材料改性。其中工藝改性主要是指氧化工藝改性，而材料改性主要是指向?yàn)r青中摻加橡膠、樹(shù)脂、礦物填充料等對(duì)其改性，所獲得的改性瀝青分別是橡膠改性瀝青、樹(shù)脂改性瀝青和礦物填充料改性瀝青。

礦物改性瀝青所用到的礦物材料主要是指硅藻土、礦粉、白炭黑等，它們可以與瀝青形成穩(wěn)定的共混體系進(jìn)而改善其性能，但是目前研究的相對(duì)較少；添加劑改性瀝青是指向?yàn)r青中添加某種活性物質(zhì)使瀝青的某些性能得以改善所制得的改性瀝青。該種改性瀝青起步較晚，但是發(fā)展較快，且應(yīng)用潛力巨大。聚合物改性瀝青因其優(yōu)越的路用性能，是目前應(yīng)用最多的改性瀝青。同時(shí)因其路用性能的需求和成本的限制，所選取的聚合物種類是不同的，可將其分為橡膠類改性瀝青（丁苯橡膠（SBR）是合成橡膠中應(yīng)用最多的改性劑）、樹(shù)脂類改性瀝青（應(yīng)用較多的是熱塑性樹(shù)脂聚乙烯（PE）和乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）改性劑）和熱塑性橡膠類改性瀝青（主要是苯乙烯類嵌段共聚物改性劑）。

2 施工溫度確定方法

近十余年，國(guó)內(nèi)外也開(kāi)展了一些改性瀝青施工溫度的研究。先后出現(xiàn)了多種施工溫度確定方法，但是每種方法又都具有其自身局限性，而且在研究過(guò)程中樣本試驗(yàn)量太少，不具有普遍性。但是隨著新型儀器的出現(xiàn)、新型理念的產(chǎn)生，盡管研究關(guān)注的不多，但國(guó)內(nèi)外也出現(xiàn)更新的適用性較好的溫度判斷方法，如不再?gòu)臑r青角度而從混合料角度入手討論改性瀝青混合料的施工溫度等。從一定程度上講，這些研究方法仍具有較好的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

2.1 粘溫曲線法

對(duì)于基質(zhì)瀝青而言，國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的成熟方法是按粘溫關(guān)系選擇施工溫度。采用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，以27號(hào)轉(zhuǎn)子、20r/min轉(zhuǎn)速測(cè)取不同高溫條件下的瀝青粘度，而后按照粘溫關(guān)系公式計(jì)算0.17Pa·s、0.28 Pa·s對(duì)應(yīng)的溫度值作為拌和、壓實(shí)溫度[1-2]。該方法應(yīng)用到改性瀝青方面時(shí)，得到SBS瀝青施工溫度過(guò)高，達(dá)到177℃甚至200℃以上，高于實(shí)際工程應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)溫度值；也高于SBS改性劑的熱降解溫度，在此溫度下的SBS瀝青容易降解，造成粘度下降，不利于使用性能的提高。但大多數(shù)天然瀝青改性瀝青的施工溫度都可以采用此方法確定。研究者從兩方面對(duì)此法進(jìn)行優(yōu)化：基于旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)改變剪切速率、改變粘度測(cè)試方法。

2.1.1 基于旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)改變剪切速率

普通瀝青在高溫時(shí)呈牛頓流體狀態(tài)，但改性瀝青在高溫階段仍處于非牛頓流體狀態(tài)，高溫時(shí)粘度值隨剪切速率的變化而改變。因?yàn)閷?shí)際瀝青混合料拌和與壓實(shí)過(guò)程的剪切速率遠(yuǎn)大于試驗(yàn)時(shí)的剪切速率，研究者在粘度測(cè)定過(guò)程中考慮了剪切速率的影響，以模擬改性瀝青混合料拌和與壓實(shí)過(guò)程的粘度狀態(tài)。

美國(guó)德克薩斯大學(xué)Yetkin Yildirim[3]采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀在不同壓實(shí)溫度下成型試件，測(cè)試并計(jì)算得到混合料各體積參數(shù)和壓實(shí)溫度的關(guān)系，然后以最佳的壓實(shí)溫度T0作為測(cè)試溫度，轉(zhuǎn)子型號(hào)或者轉(zhuǎn)速，得到改性瀝青的粘度與剪切速率關(guān)系曲線，并根據(jù)理想壓實(shí)粘度范圍（0.28 ±0.03）Pa·s,在此曲線上確定所對(duì)應(yīng)實(shí)際剪切速率；假定在壓實(shí)過(guò)程中的剪切速率與拌和過(guò)程的剪切速率相同，此剪切速率下，測(cè)試改性瀝青在不同壓實(shí)溫度下的粘溫曲線，根據(jù)拌和粘度范圍（0.17±0.02）Pa·s，可以確定混合料的拌和溫度范圍。張爭(zhēng)奇等[4]推薦了一個(gè)改性瀝青混合料測(cè)粘剪切速率，即60s-1，得出了根據(jù)改性瀝青粘溫曲線確定拌和與壓實(shí)溫度的方法。但是本結(jié)果僅限于兩個(gè)改性瀝青產(chǎn)品得到（如圖1所示）。

在旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)有限的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，單純依靠頻率的改變和繼續(xù)沿用0.17Pa·s、0.28Pa·s的等粘規(guī)則具有很大的誤區(qū)和不適用性。應(yīng)該選擇一個(gè)合適的等粘度值代替規(guī)范規(guī)定值；但是這種靠實(shí)際混合料施工溫度回歸出來(lái)的等粘規(guī)則常常不具有普適性。

圖1 拌和與壓實(shí)溫度確定方法流Fig.1 Method flow for determining mixing and compaction temperature

2.1.2 改變粘度測(cè)試方法

（1）高頻剪切粘度法：它采用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)獲取不同剪切頻率下的粘度值，利用Cross模型計(jì)算得到500s-1下的HSV值，進(jìn)而利用0.275Pa·s、0.55Pa·s進(jìn)行等粘溫度獲取合適的施工溫度。分析認(rèn)為：利用HSV高頻粘度法得到施工溫度是相對(duì)合理的。同時(shí)在旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)中，采用100r/min旋轉(zhuǎn)粘度與Cross模型得到的500s-1頻率下的粘度相差不大，在工程應(yīng)用中可以采用100r/min粘度代替500s-1頻率下的HSV值。

（2）穩(wěn)態(tài)剪切流動(dòng)試驗(yàn)法：Reinke[5]推薦在DSR上利用雙平行板進(jìn)行流體實(shí)驗(yàn)。其條件為：穩(wěn)定的壓力水平、上夾板朝一個(gè)方向穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量76℃、82℃、88℃三個(gè)溫度下的粘度，且涵括0.33Pa～500Pa應(yīng)力水平范圍，去評(píng)價(jià)瀝青膠結(jié)料的剪切依賴性。取500Pa水平下的粘度與溫度進(jìn)行雙對(duì)數(shù)繪圖，外延得到瀝青的施工溫度，其推薦的等效粘度為(0.17±0.02 )Pa·s和(0.35±0.03 )Pa·s。但是該方法的溫度范圍太低，與動(dòng)態(tài)剪切流變儀所能承受的溫度環(huán)境有關(guān)。

（3）低頻剪切粘度與ZSV確定法：威斯康星大學(xué)的H.U.Bahia[6]認(rèn)為，對(duì)于給定的集料和級(jí)配，影響其壓實(shí)特性最重要的因素是壓實(shí)過(guò)程中臨界狀態(tài)時(shí)的零剪切粘度。其主要步驟是：用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)定改性瀝青粘度剪切速率依存性，并建立合適的數(shù)學(xué)模型計(jì)算零剪切粘度（ZSV），得出零剪切粘度隨溫度變化的曲線，進(jìn)而成型過(guò)程中的拌和與壓實(shí)溫度。推薦用標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)定剪切速率與粘度的關(guān)系，由于“零剪切”狀態(tài)很難獲得且難以測(cè)定，因此用低剪切速率0.001s-1代替零剪切速率以簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，同時(shí)拌和零剪切粘度采用3.0Pa·s，壓實(shí)零剪切粘度為6.0Pa·s。但此法認(rèn)為混合料在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型過(guò)程中是處于一種低剪切狀態(tài)，但瀝青在施工中并不是在低速剪切狀態(tài)，因此采用零剪切（或低速剪切）粘度來(lái)確定混合料的施工溫度有待進(jìn)一步研究。

受計(jì)算和試驗(yàn)誤差的影響，利用零剪切粘度和相應(yīng)的等粘準(zhǔn)則，并不能得到合適的施工溫度范圍。利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)剪切流動(dòng)方法和相應(yīng)粘度準(zhǔn)則，也不能得到合適的瀝青施工溫度，其結(jié)果常常偏低于工程經(jīng)驗(yàn)值。

2.2 相位角主曲線法

相位角方法在NCHRP 648[7]中由John Casola提出設(shè)想并發(fā)展起來(lái)。通過(guò)對(duì)未老化瀝青進(jìn)行50℃、60℃、70℃、80℃四個(gè)溫度下的DSR頻率掃描，得到參考溫度80℃下的模量主曲線和相位角主曲線，如圖2所示。

圖2 瀝青的模量、相位角主曲線示意圖Fig.2 Schematic diagram of modulus and phase angle master curve of asphalt

Casola建立了這個(gè)頻率和拌和溫度間的初始關(guān)系，利用推薦的現(xiàn)場(chǎng)不同瀝青的拌和溫度進(jìn)行綜合研究。其擬合曲線方程如下：

拌和溫度（℉）=310ω-0.01

但該公式計(jì)算出來(lái)的施工溫度往往小于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用的溫度，特別是對(duì)改性瀝青更是如此。為了減少與基質(zhì)瀝青拌和等粘溫度的誤差，該公式調(diào)整結(jié)果如下：

拌和溫度（℉）=325ω-0.0135

未修正公式得到的結(jié)果靠近EC101中值，而調(diào)整后的公式結(jié)果靠近EC101最大值。這種相位角方法得到的拌和溫度與EC101最大拌和溫度遵從如下公式：

相位角方法：Tm=1.1*（EC 101 Tmax）-33，R2=0.92

利用等粘方法，基質(zhì)瀝青的壓實(shí)溫度要比拌和溫度低20℉～25℉，以此可以建立頻率與壓實(shí)溫度之間的關(guān)系方程并可以得到一條簡(jiǎn)單的冪函數(shù)，用以描述壓實(shí)溫度的計(jì)算過(guò)程。如下：

壓實(shí)溫度（℉）=300ω-0.012

主曲線上，相位角在85°～90°之間的區(qū)域代表著瀝青從粘流體到粘彈體的轉(zhuǎn)變過(guò)程。因此，這個(gè)區(qū)域是不同瀝青之間有所區(qū)別的代表性區(qū)間。可以選擇對(duì)應(yīng)86°相位角的頻率作為SBS改性瀝青的可行參考點(diǎn)。利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀進(jìn)行相位角主曲線獲取，所判斷的施工溫度僅僅適合石油瀝青；但對(duì)于SBS改性瀝青，相位角主曲線并不能得到特征相位角（86°）對(duì)應(yīng)的頻率位置，該方法并不適用于SBS改性瀝青。

2.3 混合料試驗(yàn)法

2.3.1 SEP實(shí)驗(yàn)

利用溫濕度箱，配備質(zhì)量損失監(jiān)測(cè)裝置，揮發(fā)的煙霧由不透明指示劑來(lái)檢測(cè)，之后，按照AASHTO M320對(duì)瀝青重新定級(jí)，并進(jìn)行MSCR實(shí)驗(yàn)。

2.3.2 拌和涂敷實(shí)驗(yàn)

日本路面規(guī)范中規(guī)定，根據(jù)瀝青對(duì)骨料的裹覆狀態(tài)判定拌和時(shí)間。試驗(yàn)通過(guò)羅斯計(jì)算法（Ross Count）進(jìn)行。后來(lái)，美國(guó)將此方法進(jìn)一步發(fā)展，形成標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)規(guī)范ASTM D2489。

在4個(gè)溫度下，采用兩種拌和方式，利用ASTM D2489評(píng)價(jià)瀝青在集料表面上的裹附效果。拌和涂敷率利用Ross計(jì)數(shù)法計(jì)算得到。所有混合料類型的涂敷實(shí)驗(yàn)結(jié)果用Sigmoid方程進(jìn)行分析。

C為一定溫度t下的涂敷百分率；a和b為方程回歸參數(shù)。該方程可被用來(lái)預(yù)估瀝青在任何溫度下與集料的涂敷百分率。利用基質(zhì)瀝青的等粘拌和溫度，連續(xù)式拌和和間歇式拌和兩種方式下的Baseline涂敷百分率分別為98%、89%。然后對(duì)改性瀝青按照此回歸公式，預(yù)估出改性瀝青混合料達(dá)到此涂敷率的溫度。這兩種拌和方式下涂敷百分率結(jié)果與拌和溫度都相關(guān)。

2.3.3 等效混合料特性

Stuart在瀝青含量相同的情況下，對(duì)改性瀝青混合料和基質(zhì)瀝青混合料進(jìn)行SGC壓實(shí)試驗(yàn)，當(dāng)兩者體積指標(biāo)相同時(shí)，確定每個(gè)改性瀝青的施工溫度范圍。結(jié)果表明，145℃壓實(shí)溫度對(duì)每種瀝青皆能使用，并能達(dá)到相同的空隙率；所允許的壓實(shí)溫度范圍在20℃～40℃之間，這表明壓實(shí)過(guò)程對(duì)溫度是不敏感的。Stuart認(rèn)為，一個(gè)單一的瀝青粘度范圍并不能用于所有瀝青碾壓溫度范圍的選擇；對(duì)基質(zhì)瀝青而言，NCHRPPRO9-10研究得到的等效粘度1.4±0.1Pa·s是太小了。

SBS改性瀝青壓實(shí)溫度與礦料的級(jí)配形式更為相關(guān)。SMA、LSPM、ATB、OGFC等類型瀝青混合料由于礦料級(jí)配的不同，瀝青膠漿（組成形式、粉膠比等）的狀態(tài)不同，盡管其用同一種改性瀝青，但也可能帶來(lái)不同壓實(shí)溫度范圍。這就要求我們?cè)谑┕囟鹊倪x擇上，應(yīng)根據(jù)不同的級(jí)配類型，進(jìn)行不同的計(jì)算。這樣更具有針對(duì)性和適用性。

2.4 施工溫度推薦要求

美國(guó)Superpave在熱拌瀝青混凝土應(yīng)用方面，對(duì)性能分級(jí)瀝青在生產(chǎn)期間能夠保證其揮發(fā)污染物達(dá)到最低限制的施工溫度也有一定要求。由美國(guó)瀝青協(xié)會(huì)、美國(guó)瀝青鋪面協(xié)會(huì)和州立瀝青鋪面協(xié)會(huì)共同組成的APEC組織提出了性能分級(jí)瀝青膠結(jié)料最小揮發(fā)物操作的建議，對(duì)新規(guī)范各級(jí)瀝青膠結(jié)料的施工溫度規(guī)定了一個(gè)適宜的范圍，見(jiàn)表1。

表1 性能分級(jí)瀝青及其施工溫度范圍Table 1 Performance graded asphalt and its construction temperature range

接表1

這些規(guī)定對(duì)國(guó)內(nèi)瀝青有些不太適用，一方面國(guó)內(nèi)高摻量改性瀝青較多，產(chǎn)品不穩(wěn)定，品牌多。很多SBS改性瀝青的性能等級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了瀝青PG等級(jí)范圍。另外，國(guó)內(nèi)瀝青的不均勻性，導(dǎo)致溫度范圍的千差萬(wàn)別。

3 結(jié)語(yǔ)

近十年來(lái)，對(duì)于改性瀝青施工溫度的研究已經(jīng)取得較大進(jìn)展，借助普通粘溫曲線法、穩(wěn)態(tài)剪切粘度法、流動(dòng)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瀝青的施工溫度確定方法，雖然涉及范圍較廣，但各種方法都具有自身局限性，都不能準(zhǔn)確的確定國(guó)內(nèi)改性瀝青施工過(guò)程中的拌和以及壓實(shí)溫度，需要尋找到更合適且適用范圍更廣的試驗(yàn)方法來(lái)確定其施工溫度。由于瀝青混合料的拌和、壓實(shí)過(guò)程與瀝青膠結(jié)料的形式以及瀝青混合料的礦料組成有關(guān)，因此需要從這兩方面綜合考慮來(lái)找到新的試驗(yàn)方法。