改性瀝青施工溫度研究進展

畢 飛，樊 亮，周圣杰，姜 峰

（山東省交通科學研究院，山東濟南250102）

目前，我國交通事業快速發展，路面鋪裝率迅速提高，路面結構以瀝青路面為主要型式，但在運營初期，瀝青路面易出現車轍、坑槽、推擁、泛油等早期損壞問題。為解決路面早期病害，科研工作者進行了大量的研究，多數側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。

瀝青混合料的性質具有隨溫度和加荷時間而變化的特性，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，而且大都呈現出粘彈性性質。我國許多新建高速公路的瀝青路面通車后不久就出現早期損壞現象，究其原因，很大一部分是因為施工碾壓時沒有控制好碾壓溫度，從而造成了早期損壞現象的發生。瀝青混合料碾壓成型的溫度直接影響瀝青路面的壓實質量。如果碾壓溫度過高，瀝青路面施工碾壓時就會產生橫向裂紋或嚴重推移，從而導致瀝青路面平整度變差，橫向裂紋還會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一步下降；碾壓溫度過低，則路面很難壓實，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構層中，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、風速、日光照射、下承層溫度等，為了規范施工，提出適宜的施工控制溫度，提高瀝青路面的耐久性，有必要對瀝青路面的施工溫度加以研究，以便指導施工。

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瀝青中摻加橡膠、樹脂、礦物填充料等對其改性，所獲得的改性瀝青分別是橡膠改性瀝青、樹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定的共混體系進而改善其性能，但是目前研究的相對較少；添加劑改性瀝青是指向瀝青中添加某種活性物質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，但是發展較快，且應用潛力巨大。聚合物改性瀝青因其優越的路用性能，是目前應用最多的改性瀝青。同時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）是合成橡膠中應用最多的改性劑）、樹脂類改性瀝青（應用較多的是熱塑性樹脂聚乙烯（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，國內外也開展了一些改性瀝青施工溫度的研究。先后出現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，而且在研究過程中樣本試驗量太少，不具有普遍性。但是隨著新型儀器的出現、新型理念的產生，盡管研究關注的不多，但國內外也出現更新的適用性較好的溫度判斷方法，如不再從瀝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踐價值。

2.1 粘溫曲線法

對于基質瀝青而言，國內外公認的成熟方法是按粘溫關系選擇施工溫度。采用旋轉粘度計，以27號轉子、20r/min轉速測取不同高溫條件下的瀝青粘度，而后按照粘溫關系公式計算0.17Pa·s、0.28 Pa·s對應的溫度值作為拌和、壓實溫度[1-2]。該方法應用到改性瀝青方面時，得到SBS瀝青施工溫度過高，達到177℃甚至200℃以上，高于實際工程應用中的經驗溫度值；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。研究者從兩方面對此法進行優化：基于旋轉粘度計改變剪切速率、改變粘度測試方法。

2.1.1 基于旋轉粘度計改變剪切速率

普通瀝青在高溫時呈牛頓流體狀態，但改性瀝青在高溫階段仍處于非牛頓流體狀態，高溫時粘度值隨剪切速率的變化而改變。因為實際瀝青混合料拌和與壓實過程的剪切速率遠大于試驗時的剪切速率，研究者在粘度測定過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過程的粘度狀態。

美國德克薩斯大學Yetkin Yildirim[3]采用旋轉壓實儀在不同壓實溫度下成型試件，測試并計算得到混合料各體積參數和壓實溫度的關系，然后以最佳的壓實溫度T0作為測試溫度，轉子型號或者轉速，得到改性瀝青的粘度與剪切速率關系曲線，并根據理想壓實粘度范圍（0.28 ±0.03）Pa·s,在此曲線上確定所對應實際剪切速率；假定在壓實過程中的剪切速率與拌和過程的剪切速率相同，此剪切速率下，測試改性瀝青在不同壓實溫度下的粘溫曲線，根據拌和粘度范圍（0.17±0.02）Pa·s，可以確定混合料的拌和溫度范圍。張爭奇等[4]推薦了一個改性瀝青混合料測粘剪切速率，即60s-1，得出了根據改性瀝青粘溫曲線確定拌和與壓實溫度的方法。但是本結果僅限于兩個改性瀝青產品得到（如圖1所示）。

在旋轉粘度計有限的轉速范圍內，單純依靠頻率的改變和繼續沿用0.17Pa·s、0.28Pa·s的等粘規則具有很大的誤區和不適用性。應該選擇一個合適的等粘度值代替規范規定值；但是這種靠實際混合料施工溫度回歸出來的等粘規則常常不具有普適性。

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

2.1.2 改變粘度測試方法

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

（2）穩態剪切流動試驗法：Reinke[5]推薦在DSR上利用雙平行板進行流體實驗。其條件為：穩定的壓力水平、上夾板朝一個方向穩定轉動，測量76℃、82℃、88℃三個溫度下的粘度，且涵括0.33Pa～500Pa應力水平范圍，去評價瀝青膠結料的剪切依賴性。取500Pa水平下的粘度與溫度進行雙對數繪圖，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，與動態剪切流變儀所能承受的溫度環境有關。

（3）低頻剪切粘度與ZSV確定法：威斯康星大學的H.U.Bahia[6]認為，對于給定的集料和級配，影響其壓實特性最重要的因素是壓實過程中臨界狀態時的零剪切粘度。其主要步驟是：用旋轉粘度計測定改性瀝青粘度剪切速率依存性，并建立合適的數學模型計算零剪切粘度（ZSV），得出零剪切粘度隨溫度變化的曲線，進而成型過程中的拌和與壓實溫度。推薦用標準旋轉粘度計測定剪切速率與粘度的關系，由于“零剪切”狀態很難獲得且難以測定，因此用低剪切速率0.001s-1代替零剪切速率以簡化計算過程，同時拌和零剪切粘度采用3.0Pa·s，壓實零剪切粘度為6.0Pa·s。但此法認為混合料在旋轉壓實成型過程中是處于一種低剪切狀態，但瀝青在施工中并不是在低速剪切狀態，因此采用零剪切（或低速剪切）粘度來確定混合料的施工溫度有待進一步研究。

受計算和試驗誤差的影響，利用零剪切粘度和相應的等粘準則，并不能得到合適的施工溫度范圍。利用動態剪切流變儀，進行穩態剪切流動方法和相應粘度準則，也不能得到合適的瀝青施工溫度，其結果常常偏低于工程經驗值。

2.2 相位角主曲線法

相位角方法在NCHRP 648[7]中由John Casola提出設想并發展起來。通過對未老化瀝青進行50℃、60℃、70℃、80℃四個溫度下的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建立了這個頻率和拌和溫度間的初始關系，利用推薦的現場不同瀝青的拌和溫度進行綜合研究。其擬合曲線方程如下：

拌和溫度（℉）=310ω-0.01

但該公式計算出來的施工溫度往往小于現場實際使用的溫度，特別是對改性瀝青更是如此。為了減少與基質瀝青拌和等粘溫度的誤差，該公式調整結果如下：

拌和溫度（℉）=325ω-0.0135

未修正公式得到的結果靠近EC101中值，而調整后的公式結果靠近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，基質瀝青的壓實溫度要比拌和溫度低20℉～25℉，以此可以建立頻率與壓實溫度之間的關系方程并可以得到一條簡單的冪函數，用以描述壓實溫度的計算過程。如下：

壓實溫度（℉）=300ω-0.012

主曲線上，相位角在85°～90°之間的區域代表著瀝青從粘流體到粘彈體的轉變過程。因此，這個區域是不同瀝青之間有所區別的代表性區間。可以選擇對應86°相位角的頻率作為SBS改性瀝青的可行參考點。利用動態剪切流變儀進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；但對于SBS改性瀝青，相位角主曲線并不能得到特征相位角（86°）對應的頻率位置，該方法并不適用于SBS改性瀝青。

2.3 混合料試驗法

2.3.1 SEP實驗

利用溫濕度箱，配備質量損失監測裝置，揮發的煙霧由不透明指示劑來檢測，之后，按照AASHTO M320對瀝青重新定級，并進行MSCR實驗。

2.3.2 拌和涂敷實驗

日本路面規范中規定，根據瀝青對骨料的裹覆狀態判定拌和時間。試驗通過羅斯計算法（Ross Count）進行。后來，美國將此方法進一步發展，形成標準試驗規范ASTM D2489。

在4個溫度下，采用兩種拌和方式，利用ASTM D2489評價瀝青在集料表面上的裹附效果。拌和涂敷率利用Ross計數法計算得到。所有混合料類型的涂敷實驗結果用Sigmoid方程進行分析。

C為一定溫度t下的涂敷百分率；a和b為方程回歸參數。該方程可被用來預估瀝青在任何溫度下與集料的涂敷百分率。利用基質瀝青的等粘拌和溫度，連續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%。然后對改性瀝青按照此回歸公式，預估出改性瀝青混合料達到此涂敷率的溫度。這兩種拌和方式下涂敷百分率結果與拌和溫度都相關。

2.3.3 等效混合料特性

Stuart在瀝青含量相同的情況下，對改性瀝青混合料和基質瀝青混合料進行SGC壓實試驗，當兩者體積指標相同時，確定每個改性瀝青的施工溫度范圍。結果表明，145℃壓實溫度對每種瀝青皆能使用，并能達到相同的空隙率；所允許的壓實溫度范圍在20℃～40℃之間，這表明壓實過程對溫度是不敏感的。Stuart認為，一個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；對基質瀝青而言，NCHRPPRO9-10研究得到的等效粘度1.4±0.1Pa·s是太小了。

SBS改性瀝青壓實溫度與礦料的級配形式更為相關。SMA、LSPM、ATB、OGFC等類型瀝青混合料由于礦料級配的不同，瀝青膠漿（組成形式、粉膠比等）的狀態不同，盡管其用同一種改性瀝青，但也可能帶來不同壓實溫度范圍。這就要求我們在施工溫度的選擇上，應根據不同的級配類型，進行不同的計算。這樣更具有針對性和適用性。

2.4 施工溫度推薦要求

美國Superpave在熱拌瀝青混凝土應用方面，對性能分級瀝青在生產期間能夠保證其揮發污染物達到最低限制的施工溫度也有一定要求。由美國瀝青協會、美國瀝青鋪面協會和州立瀝青鋪面協會共同組成的APEC組織提出了性能分級瀝青膠結料最小揮發物操作的建議，對新規范各級瀝青膠結料的施工溫度規定了一個適宜的范圍，見表1。

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

接表1

這些規定對國內瀝青有些不太適用，一方面國內高摻量改性瀝青較多，產品不穩定，品牌多。很多SBS改性瀝青的性能等級遠遠超出了瀝青PG等級范圍。另外，國內瀝青的不均勻性，導致溫度范圍的千差萬別。

3 結語

近十年來，對于改性瀝青施工溫度的研究已經取得較大進展，借助普通粘溫曲線法、穩態剪切粘度法、流動活化能法、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，都不能準確的確定國內改性瀝青施工過程中的拌和以及壓實溫度，需要尋找到更合適且適用范圍更廣的試驗方法來確定其施工溫度。由于瀝青混合料的拌和、壓實過程與瀝青膠結料的形式以及瀝青混合料的礦料組成有關，因此需要從這兩方面綜合考慮來找到新的試驗方法。