改性沥青粘温曲线的确定

公路交通技术 2005年 10月 第5期 Technology of Highway and Transport Oct．2005 No．5 SBS改性沥青拌和与压实温度的确定* 张立强，周进川 (重庆交通科研设计院，重庆市 400(167) 摘 要：研究论述了正确选择施工温度的重要性，回顾了通过基质沥青建立的粘温关系。另外，重点研究了SBS改 性沥青组成的混合料在不同温度下的体积性。研究结果表明：用等粘原理确定施工温度的这一方法不适应聚合物 改性沥青，建议采用等体积性(空隙率)法。在本研究中，SBS改性沥青合适的压实温度对应的粘度约为1．06Pa·s。 进一步研究表明：SBS改性沥青的施工温度只比基质沥青高5 10℃，然而规范的要求为 l0 20℃。 关键词：SBS改性沥青；拌和温度；压实温度；体积性 文章编号：1009—6477(2005)05—0O68—05 中图分类号：U416．217 文献标识码：A Determination of Mixing and Compaction Temperatures of SBS Modified Asphalt ZH,~ G Li-qinag．ZHOU．1l chuan Abstract：11lis paper mainly studies the volumetric properties of SBS modified asphalt mixture under the different tempe rature conditions． e results show that the current equiviscous principle is not suitable for determining the construction temperature of the polymer modified asphalt，and the equiviscous volum e(air void) method is recommended ．For SBS polymer modified asphalt．the suitable compaction viscosity is about 1．O6 Pa．S， e construction temperature of the SBS modified asphalt is 5～ 10 oC higher than that of the basic asphalt．but it should be 10～20℃ higher that of the basic asphalt according to the specifications． Key words：SBS mod ified asphalt；mixing tempe rature；compaction temperature；volumetric property 随着改性沥青在减少路面结构层厚度、降低路 面的维修养护费用、减少路面的低温开裂、改善沥青 的疲劳性能、加强沥青与集料的胶结能力、抑制沥青 的氧化老化、改善裂缝的愈合能力、增加沥青混合料 的强度和稳定度等方面显示的优越性 日益明显，因 此，改性沥青在世界各地的使用正 日益增多。就我 国而言：改性沥青 的应用已经 占整个道路沥青的 15％之多，其中，绝大部分采用的是 SBS改性沥青。 对于基质沥青而言，国内外沥青界公认的，也是 比较成熟的方法是按粘温关系来选择施工温度。如 果仍然按照过去用基质沥青建立的粘温关系来选择 改性沥青混合料施工温度的话，那么改性沥青要达 到基质沥青相同的粘度就只有提高施工温度。这样 一 来，改性沥青混合料的施工温度就会达到 177 c《= (此为美国有关规范规定的改性沥青的施工温度不 能超过的极限温度)，甚至更高(接近或达到 200 c《= 以上)。显然，过高的施工温度会造成以下局限性： (1)过高的施工温度会加速沥青材料的老化硬 化等，从而影响沥青混合料的低温性和抗疲劳性，进 而影响到沥青路面的服务寿命； (2)过高的施工温度将会破坏添加剂的改善效 果，如改性沥青中的改性剂、混合料中提高抗剥落性 能时添加的抗剥落剂等，从而达不到预期的效果； (3)过高的施工温度将会加剧能源消耗而造成 能源紧缺、造成不必要的资源浪费，影响国家能源安 全等； (4)过高的施工温度诱使沥青混合料产生烟 雾、散发难闻的气体等，从而影响施工人员的身体健 康，造成公路沿线大气环境污染，严重时引发火灾危 及人民群众的生命和财产安全等。 在目前的沥青混合料配合比设计和验证过程 中，各试验室间即使采用相同的材料组成、相同的压 实方法，成型后试件的体积性也有很大的差异，得出 的最佳沥青用量也不尽相同，其原因之一也许是采 收稿 日期 ：2005—07—20 项目名称：西部交通建设科技项 目“路用沥青改性技术的研究”(200131800028) 作者简介：张立强(1976～)，男，湖南省宁乡人，本科，工程师，从事沥青、沥青混合料和沥青路面的 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 、设计、科研和咨询 维普资讯 http://www.cqvip.com 2005年 第5期 张立强，周进川：SBS改性沥青拌和与压实温度的确定 69 用了不同的试件成型温度。在野外的实际路面施工 过程中，沥青拌和厂对拟采用的拌和温度也不太重 视，多是凭经验进行控制和操作。例如发现沥青对 集料的裹覆出现问题时，要么是增加沥青用量避免 花白料的产生，要么是延长拌和时间等使集料完全 被集料裹覆。这样一来，生产的沥青混合料质量不 能得到保障，同时造成生产效率的低下。鉴于 SBS 改性沥青拌和温度和压实温度的重要性，本研究试 图明确试验室内 SBS改性沥青混合料的成型温度， 同时为野外实际改性沥青混合料的生产提供施工温 度的建议。具体来说，本研究的目的为： (1)试验室评价施工温度对 SBS改性沥青混合 料的体积性影响； (2)对 SBS改性沥青施工温度(包括改性沥青 的拌和温度和施工温度)的选择提出建议或要求。 1 粘温关系概述 多年来，沥青混合料设计方法中采用等粘温度 原则(the equiviscous principle)来确定试验室混合料 的拌和与压实温度，同时以此温度来指导沥青路面 野外的正式施工。早在 1962年，美国沥青协会(AI) 主编的《沥青混凝土和其它热拌混合料设计方法》开 始推荐采用沥青结合料的粘度来确定试验室混合料 的拌和与压实温度。当时采用的是赛波特重质油粘 度计。按照其设计方法，以沥青的粘度为 85 4-10 s 为拌和温度、140 4-15 s为压实温度。1974年开始， 美国沥青协会将粘度的测量又转换到了更基本的以 厘脱(centistokes)为单位，并建议进行马歇尔混合料 设计时，以沥青结合料的粘度在 170 4-20厘脱对应 的温度范围作为拌和温度，280 4-30厘脱对应的温度 范围作为压实温度。现在，无论是采用马歇尔混合 和与压实温度，只不过将单位转换成了米制单位。即 帕斯卡 ·秒 (Pa·s)，同时试验方法也调整为采用 Brook．field粘度计进行测定。 在试验室沥青混合料设计方法中之所以采用等 粘温度来确定混合料的拌和与压实温度，是因为使 沥青结合料的劲度对混合料体积性的影响标准化、 统一化。也就是说，同一集料级配组成的某一混合 料，无论是采用较软的沥青(如 130号沥青)、还是采 用较硬的沥青(如50号沥青)将会具有相同的体积 性。标准化沥青混合料的压实温度也有利于指导工 程实践。在实践操作中，热拌沥青厂在拌和较硬的 沥青混合料时，通常要增加拌和温度来达到与较软 的沥青结合料一致的压实度、同时保证集料完全被 沥青结合料裹覆。 在 Superpave体系中，混合料的拌和与压实温度 同样根据沥青结合料在 2个温度时的粘度来确定。 按照 AASHTP MP1要求，用旋转粘度计首先测 135 ℃ 时粘度，第 2个点则选择在 165℃，只要将温控 器进行重新调整就行了。为了保证试样内的温度均 衡，通常从 135 cI二升温至 165℃、开始测量 165℃ 时粘度不能少于 30 min。 在我国2000年制订的《公路工程沥青及沥青混 合试验规程》(JTJ 052—2000)中，参照美 国 ASTM D4402制订 了沥青布氏旋转粘度试验 (详细见 T 0625—2000)，并推荐采用 印 ℃、135℃和 175℃ 测 定的表观粘度为准，绘制粘温曲线，然后根据粘温曲 线确定沥青混合料的施工温度。其粘温度曲线关系 式见式(1)。同样对于石油沥青，采用 0．17 4-0．02 Pa·s~,-t对应的温度作为拌和温度范围，0．28 4-0．03 Pa·s~,-t对应的温度作为压实温度范围。 Log(7}×1 000)=n—IIlT (1) 料设计体系、还是高性能混合料(Superpave)~计体 式中 T广 表观粘度(Pa。s)； 系，美国都是采用这一范围来确定沥青结合料的拌 卜 温度(℃)。 表 1 试验研究用沥青性质 表 2 集料混合物的级配 维普资讯 http://www.cqvip.com 70 公 路 交 通 技 术 2005血 2 试验设计 2．1 试验设计原理 在拌和温度时，客观上要求沥青结合料足够的 润滑，容易裹覆集料；在压实温度时，又要求沥青结 合料非常地胶结，容易密实成型。也就是说，理论 上，如果除沥青结合料外的其它变量，如集料、级配、 压实功、压实方法都一致的话 ，沥青混合料都将具有 同样的体积性参数，如空隙率等。当然其前提条件 是在压实之前不同的沥青结合料的老化硬化程度大 致相同，因为在确定压实温度时我们测定的是未老 化沥青结合料的粘度。在本研究中，我们假定压实 之前研究用沥青结合料的老化硬化程度基本一致。 2．2 试验设计内容 由于旋转压实机(SGC)能很好地模拟野外实际 路面施工时的压实情况，比如压实时的搓揉、剪切和 压密等，减少了集料压实过程中的破碎，同时集料的 排列形状也更接近于实际路面的情况。所以在这里 采用 SGC来成型试件。采用的 SGC系美国 Troxler 公司生产的4140型，其竖直压力为 600 MPa，旋转角 为 1．25。，旋转速度为 30 rpm。 采用 ZH沥青 AH一70作为控制用沥青，即首先 采用 ZH沥青进行混合料配合比设计，确定最佳沥 青用量(4％空隙率下对应的沥青用量)。然后采用 2种类型的 SBS聚合物改性沥青 ：KS沥青和 ML沥 青。然后在不同的温度下成型试件 ，计算其空隙率， 将成型后空隙率为 4％对应的温度作为合理的拌和 与压实温度，对应温度下的粘度作为施工温度所对 应的粘度 。 3 试验结果 3．1 目标配合比设计 控制用沥青采用 ZH沥青(沥青性质见表 1)，混 合料级配符合美国 AASHTO规范的 Superpave要求 (同时满足我国原来路面施工规范要求的 AK级配 要求，具体见表2)，其公称尺寸为 13．2 Tnln，集料性 质见表 3。 采用 SGC进行压实，由于限于我国现阶段路面 建设资金还不十分宽裕，所以聚合物改性沥青通常 用在较大交通量的沥青路面上，如高速公路和一级 公路的表面层上，因此这里采用较大的压实功 N= 100次进行压实。根据表 1，通过粘温关系式计算 的压实温度(取范围中值)为 148 oC，拌和温度为 表 3 集料的性质 表4 ZI-I沥青、SUP一13混合料的体积性 与沥青用量的关系 沥青用量 (％) 4．5 5．0 5．5 6，0 空隙率 (％) 7．7 6．0 4．5 3．5 10 8 6 、一 4 2 0 4 4．5 5 5．5 5．7 6 6．5 Pb(％) 图 1 ZH沥青混合料其体积性与沥青用量关系 (V 一Pb) 表 5 不同压实温度下 KS和 沥青 混合料试件的压实特性 157 cI=，所以在此温度下进行沥青混合料的拌和与 压实。其试验结果如表 4，并见图 1。 按美国 AASHTO规范，直接取 4．0％空隙率所 对应的沥青用量作为最佳沥青用量。根据表 4和图 1，4．0％空隙率所对应的沥青用量为 5．7％，所以在 这里选用沥青用量 5．7％作为设计沥青用量。 3．2 不同压实温度下的改性沥青混合料的体积性 通常情况下，拌和温度要高于压实温度，一般在 10 cI=左右，为简化试验条件，在这里直接取拌和温 度高于压实温度 10℃。本研究中选取 124℃、136 cI=、148 cI=、160 cI=和 172 cI=共 5个压实温度水平进 行混合料的成型，测定不同温度水平下 KS和 ML改 性沥青混合料成型后试件体积性，具体结果见表 5。 4 试验结果分析 维普资讯 http://www.cqvip.com 2005年 第5期 张立强，周进川：SBS改性沥青拌和与压实温度的确定 7l 4．1 关于计算空隙率精度的问题 根据我国沥青路面施工技术规范的要求，施工 中的沥青用量偏差不能超过最佳沥青用量的 ± 0．3％。通过大量的混合料设计和施工实践经验：在 最佳沥青用量时，沥青用量偏差 0．2％时一般会带 来混合料空隙率 0．5％的影响，考虑到正负偏差则 会带来 1．0％的影响。另外，据最新的《从 sHID规 范))(2004年版)中T 312—04，即用 SGC制备和测定 热拌沥青混合料(HMA)的密度方法中，要求公称尺 寸为 l2．5 inrtl试件的相对密度重复性为 0．9％，也 就是说允许混合料试 件间的空隙率 的差别约为 0．9％的偏差(实际上要比0．9％略小，因为试件密 度要小于理论最大密度)，考虑到上面采用的公称尺 寸为 13．2 inrtl，略大于 12．5 inrtl，所以认为这里采用 1．O％的偏差是合适的。同时也就意味着本研究中 一 旦混合料的空隙率处于 3．5％一4．5％这一区间 时对应的温度即为混合料有效的拌和与压实温度范 围。 4．2 沥青结合料的有效压实温度区间 图 2为KS和 ML 2种改性沥青混合料空隙率与 压实温度的关系图。不难看出，混合料的空隙率随 压实温度的升高而减小，在较高的温度下，混合料具 有更好地工作性，所以在其压实功一定的情况下就 能获得更好的压实，得出的空隙率自然也就小。 根据前面的分析：压实成型后混合料的空隙率 处于3．5％ 4．5％这一区间时对应的温度即为混 合料有效的拌和与压实温度范围。从图 2可 以得 出：KS改性沥青混合料的有效压实温度范围为 147 165 oC，区间为 18 o【=，中值为 156 oC，对应粘度为 0．94Pa·s；ML改性沥青为 131—169 oC，区间为 38 o【=，中值为 150 oC，对应粘度为 1．19Pa·s。 7 6．5 6 5．5 4．5 4 3．5 3 112 124131 136 147 148 160 165169 172 184 压实温度 (℃) 图 2 压实温度与空隙率关系 从沥青改性机理来分析：SBS聚合物改性沥青 的改性原理中既包括有 SBS改性剂与基质沥青间简 单的物理掺配、又包括 2种高分子间相互化学作用 (融胀等)，其压实温度也就与基质沥青方法不同。 但从材料组成上看，改性沥青中占绝大部分的仍然 为基质沥青(通常不低于 95％)，因此可以认为可以 先确定制备改性沥青用基质沥青的施工温度，然后， 在基质沥青的施工温度上提高 5 1O qC即可。至 于改性沥青混合料的拌和温度一般可以采用高于压 实温度 1O o【=来确定，不过要控制最高拌和温度，即 以不产生 中等烟雾、同时不能高于 177 oC作为上 限。 4．3 路面野外施工时的压实温度和拌和温度 上面论述了如何正确选择试验室内改性沥青结 合料的拌和与压实温度，本部分将论述野外实际路 面施工时实际的压实温度和拌和温度范围。 据有关文献：在不考虑外界因素的影响下，野外 沥青混合料的拌和温度除与沥青结合料有关外，还 与混合料的级配(细集料的含量)、拌和厂的类型和 拌和时间有关。野外的压实温度则与气温、路面(包 括基层)温度、风速、运距、压路机类型和层厚有关， 通常采用的初始压实温度与室内试验时的压实温度 一 致。因此只有调整拌和温度来补偿这些因素对压 实温度的影响，例如气温低、运距远时，为保证初始 压实温度只有提高拌和温度。 对于改性沥青混合料，要使集料充分被沥青所 裹覆的拌和温度通常要比基质沥青要高。另外，改 性沥青由于其高温下劲度要比基质沥青大，所以在 较高温度下仍能承受压路机的碾压而不会发生推 移，同时，也就可以采用更大吨位的压路机在更高的 频率和振幅下碾压，所以其压实度增长一般较基质 沥青混合料快。同样也就说明了，在采用常规压实 方法的条件下，适当提高压实温度和增加碾压遍数 也能得到很好的压实度。这也就说明了目前我国采 用铺筑试验路(试拌试铺)的方法是确定野外合适施 工温度的有效措施之一。 5 结论 ’ 本研究采用等体积性(空隙率)方法来确定改性 沥青的施工温度，通过有限的研究，可得出如下结 论 ： (1)由于现有沥青结合料的粘温关系是根据基 质沥青建立的，因此不适宜于用此粘度范围来估算 SBS改性沥青的施工温度。 (2)本研究中 SBS改性沥青的压实温度对应的 粘度约为 1．06Pa·s，远大于0．28Pa·s。 维普资讯 http://www.cqvip.com 公 路 交 通 技 术 2OD5年 (3)本研究中，SBS改性沥青的实际有效的压实温 度在 153 oC左右，略高于基质沥青的压实温度(仅比基 质沥青高 5—10℃ 左右)，其提高幅度并没有规范要求 的那么大(规范要求比基质沥青高 10—20℃)。 参 考 文 献 [1] Laboratory Mixing and Compaction Temperatures[M]．Asphalt Institute Technical Bulletin． 12j Jagan M．Gudimttla，L．Allen Cooley，E．Ray Brown． ． ability ofHot Mix Asphalt[J]．NCAT Report，2OO3，(3)． [3] 李洪亮，袁成海 ．高等级公路沥青面层压实标准的探 讨[J]．公路交通技术，2003，(15)． [4] ．ffJ 032—94，公路沥青路面施工技术规范[S]． 15] AASHTODesignation：T 312—04，Prep耐rIg andDetermining the Density of Hot—Mix Asphalt(HMA)Specimens by Means of the Superpave Gyratoty Compactor[S]． ÷}_{·} ·}_{·}_{·}_{·} ·}_{·}_{·}_{·}_{-}_{·}_{·}_{·}_{-}_{·}_{·}_{·}_{-}_{·}_{·}_{·}_{·}_{·}_{·}_{·}_{-}_{·}_{·}_{·}_{·}_{·}_{·}_{·}_{·}_{·}_{·}_{·}_{·}_{·}_{·}_{·}_{·}_{·}_{·}_{·}_{．} (上接第48页) am，可见以土石混合料为主要填料的路堤，其工后 沉降量还是比较小的，也表明土石混合料是一种优 良填料。 模型 2试验结果表明：在路堤压实度不足情况 下(85．2％)，与压实度为 90．7％相比，路堤的施工期 沉降率与工后沉降率相应有所增加。可见路堤填土 压实度不足，使填土孔隙率增加，密实度降低，压缩 模量降低，在路堤自重作用下，瞬时沉降和蠕变沉降 都相应增加。而工后沉降与施工期沉降之比而略有 降低，这并不是路堤填筑质量的提高，而是因为施工 期沉降绝对值的增加率大于工后沉降增加率而造成 的。在路堤高度达到 15 In以后，工后沉降与施工期 沉降比与压实度达到规范要求相比略有降低，并不 是说压实度不足使路堤工后沉降反而减小，而是在 压实度不足时施工期沉降增加，导致工后沉降与施 工期沉降比降低。 总的来说，土石混填路堤工后沉降与施工期沉 降之比随路堤高度的增加而略有降低，对高路堤一 般在9％一15％左右。这与曹喜仁等人的研究成果 相近 J，但与填石路堤相比，土石混填路堤工后沉降 量要稍大一些。因此可以利用路堤施工期的沉降观 测数据粗略预估路堤的工后沉降量，为路堤超高预 留提供依据。 3 结论 通过二维地质力学模型试验，研究了土石混填 路堤施工期沉降和工后沉降发展规律和时空变化特 征，以及在路基压实度不足时路堤的沉降变化特征， 确定了不同施工质量情况下路堤工后沉降与施工期 沉降之比值，得到几点认识： (1)对于压实度达到规范要求的土石混填路 堤，其工后沉降是较小的，对 30 In高的路堤，路堤工 后沉降率为 0．38％，其工后沉降约为 ll am，表明土 石混合料是一种优良填料。 (2)路堤压实度不足，导致施工期沉降和工后 沉降同时增大，但施工期沉降增加速率大于工后沉 降增加速率，致使工后沉降与施工期沉降比降低。 (3)土石混填路堤工后沉降与施工期沉降之比 随路堤高度的增加而略有降低，对高路堤一般在 9％一15％左右。据此可以预估路堤的工后沉降，对 于指导土石混填路堤的设计、施工和确定适宜的路 面铺装时机具有指导意义。 参 考 文 献 [1] 陈兴华 ．脆性材料结构模型试验[M]．北京。水力电力 出版社，1984． [2] G．M．萨布尼斯，H．G．哈里斯，R．N．怀特，等著 ．朱 世杰，何保康，钱国芳，等译 ．结构模型和试验技术 [M]．北京：中国铁道出版社，1989． [3] 南京水利科学研究院土工研究所 ．土工试验技术手册 [M]．北京：人民交通出版社，2003． [4] 阎宗岭 ．堆石体物理力学特性及工程应用研究[D]． 重庆大学博士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ，2003． [5] SL237—1999，土工试验规程[S]． [6] 曹喜仁，钟守滨，淤泳和，等 ．高填石路堤工后沉降分 析及工程算法探讨[J]．湖南大学学报，2002，29(6)：12 一 l1． 维普资讯 http://www.cqvip.com