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，紀小平

（1.長安大學 特殊地區公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；2.西安交通大學 人居環境與建筑工程學院，陜西 西安 710049）

瀝青路面熱再生技術由于具有保護環境、節約成本等優點而作為一種綠色交通施工技術被廣泛應用［1－2］.相對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、壓實溫度）的確定將受到RAP摻配率和預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量的重要因素，直接影響著瀝青路面的壓實效果和密實程度［3］.確定合理的瀝青混合料施工溫度對防止車轍、水損壞等瀝青路面早期病害的產生起著至關重要的作用.JTG F 41—2008《公路瀝青路面再生技術規范》規定，再生瀝青混合料出料溫度應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規范》規定，聚合物改性瀝青混合料的施工溫度應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為165～190℃.顯然，這是一個較大的溫度范圍，不利于實際生產中拌和溫度的控制.目前，對于再生SBS改性瀝青混合料的施工，國內外已經形成了一整套完整的理論、方法［4－6］，但尚缺乏對施工溫度進行準確確定的方法.

SBS改性瀝青在高溫時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時的等黏溫度作為改性瀝青混合料的拌和溫度和壓實溫度會導致混合料施工溫度過高，從而對瀝青路面質量和環境產生不利影響［8］.目前國內外對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］研究了剪切速率對瀝青黏度的影響，并通過對再生瀝青混合料體積參數的研究，以使瀝青混合料達到最大壓實密度時的成型溫度作為再生瀝青混合料的最佳壓實溫度.紀小平等［13］通過對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.

本文采用自主研發的拌和力矩測定儀，在不同拌和溫度（t）下拌和再生SBS改性瀝青混合料，測定不同拌和溫度下再生SBS改性瀝青混合料的拌和力矩.測試基質瀝青混合料在基質瀝青黏溫曲線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應的拌和溫度為該混合料的最佳拌和溫度；根據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試驗獲得再生SBS 改性瀝青的黏溫曲線，并以（0.28±0.03）Pa·s時的等黏溫度作為再生SBS 改性瀝青混合料的最佳壓實溫度.

1 原材料性能及混合料設計

RAP由SBS改性瀝青路面銑刨得到，燃燒法測得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量比或質量分數.為4.1%.RAP中的集料顆粒組成見表1.試驗用70＃和90＃基質瀝青分別為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.新舊瀝青技術性質如表2 所示.再生劑采用某國產RA－5型再生劑，其技術性質如表3所示.粗集料為玄武巖，其技術性質如表4所示.試驗采用混合料類型為AC－13，其級配如表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 新舊瀝青技術性質Table 2 Technical properties of old and new asphalts

表3 再生劑技術性質Table 3 Technical properties of recycling agent

表4 粗集料技術性質Table 4 Technical properties of coarse aggregate

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

2 拌和力矩法確定拌和溫度

2.1 基質瀝青黏溫曲線及最佳拌和力矩的確定

采用布氏黏度儀測定70＃和90＃基質瀝青在135℃和175℃下的黏度，然后繪制2 種基質瀝青的黏溫曲線，結果見圖1.

取基質瀝青黏度為0.17Pa·s，由基質瀝青黏溫曲線可得出70＃基質瀝青0.17Pa·s時的等黏溫度為163℃，90＃基質瀝青0.17Pa·s時的等黏溫度為156℃.

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

在163℃下采用70＃基質瀝青拌和混合料，在156℃下采用90＃基質瀝青拌和混合料.開啟瀝青混合料拌和力矩測定儀，調整攪拌頻率為30Hz，并在數值顯示穩定后讀取基質瀝青混合料拌和力矩數值，結果見表6.

取70＃和90＃基質瀝青混合料拌和力矩平均值3.139N·m 作為基質瀝青混合料的最佳拌和力矩，即可以認為，以3.139N·m 的拌和力矩拌和AC－13混合料最合適.

表6 基質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）對再生SBS改性瀝青混合料拌和力矩－拌和溫度曲線進行擬合，結果表明，式（1）對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），可以求得相應的拌和溫度為179℃，即可以認為，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.

采用布氏黏度儀測定不同轉子轉速下再生SBS改性瀝青的黏度（179℃），按式（2）計算再生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，結果見圖3.

式中：n為轉子轉速，r／min；k為轉子剪變率常數.

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－剪切速率曲線上對應的剪切速率取46.5s－1.可以認為，再生SBS改性瀝青在46.5s－1剪切速率下測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的剪切速率下測定再生SBS改性瀝青于135℃和175℃時的黏度，然后繪制再生SBS改性瀝青黏溫曲線，結果如圖4所示.

圖4 剪切速率為46.5s－1時再生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 對應的溫度為176～182 ℃，（0.28±0.03）Pa·s對應的溫度為161～167℃，即可以認為再生SBS改性瀝青混合料的最佳拌和溫度范圍為176～182℃，最佳壓實溫度范圍為161～167℃.

4 合理性驗證

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.采用表干法測定剪切速率為46.5s－1時試件在不同拌和溫度下的毛體積密度，結果見圖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，其所對應的拌和溫度約為180℃.這說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 結論

（1）基質瀝青混合料在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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