改性沥青混合料拌和压实温度确定方法

摘 要

通过简易的沥青混合料和易性试验提出了用于确定改性沥青混合料拌和压实温度的“扭矩温度曲线”试验流程，并采用马歇尔击实试验、路用性能试验进行了验证。试验结果表明，扭矩与温度具有良好的线性拟合关系，采用“扭矩温度曲线”可以快速确定改性沥青混合料的拌和压实温度，且试验结果合理可靠，符合工程实践经验。不过，对于适宜沥青混合料拌和压实温度的扭矩范围，仍需针对不同品种沥青、不同种类集料、不同类型级配的混合料做进一步验证，以便经统计分析确定一个能够广泛适应各种沥青混合料的扭矩范围标准，从而使“扭矩温度曲线”具有更普遍的适用性。

关键词

道路工程 | 改性沥青混合料 | 和易性试验 | 拌和压实温度 | 扭矩温度曲线

沥青混合料的工作和易性与沥青黏度及混合料温度有着密切的关系，在一定范围内，温度越高，黏度越小，混合料和易性越好，越利于施工成型，保证施工质量[1]。为了确定一个合理的和易性范围，进而确定一个合理的施工温度范围，从而使沥青混合料具有良好的施工性能，目前广泛使用的方法是采用Brookfield黏度计测定并绘制的沥青黏温曲线[2，3]，以表观黏度(0.17±0.02)Pa·s对应的温度作为拌和温度，以表观黏度(0.28±0.03)Pa·s对应的温度作为压实温度。但是这种方法仅适用于基质沥青。近年来随着改性沥青在混合料使用性能上表现出来的巨大优势，其在工程上的应用已经越来越普遍，然而关于如何准确确定其施工温度至今仍没有统一的试验方法和明确的技术标准。由于改性沥青的非牛顿流体特性，如果继续采用黏温曲线将导致改性沥青混合料的施工温度过高(有时甚至超过190℃)[2-4]，不仅会造成沥青的严重老化，也会增加很多能源消耗，产生更多有害气体排放，显然不符合实际应用情况。因此，我国现行沥青路面施工技术规范中改性沥青混合料的施工温度应根据工程实践经验在基质沥青混合料施工温度的基础上提高10~20℃来确定。虽然经实践检验，以此确定的改性沥青混合料施工温度基本可行，但并不准确，且缺乏理论依据。本文在总结分析目前对于这一问题相关研究成果的基础上[2，4-8]，采用一种简易的沥青混合料和易性测试装置[9]，通过直接测试搅拌叶片在改性沥青混合料中转动时遇到的阻力-扭矩值，来表征其工作和易性。扭矩值越大，则和易性越差。最后通过建立扭矩与温度的相关关系曲线，提出一个适宜快速确定改性沥青混合料拌和压实温度的和易性试验方法。

原材料

原材料技术指标

本文AC-13采用角闪岩作为粗、细集料，AC-20采用石灰岩、玄武岩作为粗、细集料，矿粉均为石灰岩，沥青选用了90号基质沥青和SBS改性沥青，相关技术指标检测结果如表1~表3所示。

级配

本文采用AC-13、AC-20两种级配，按照规范JTG F40-2004规定的级配范围合成级配曲线如图1、图2所示。

配合比设计

先根据规范JTG E20-2011推荐的基质沥青混合料拌和压实温度，通过马歇尔试验确定基质沥青混合料最佳油石比如表4所示。改性沥青混合料则采用同级配基质沥青混合料最佳油石比。

和易性试验

本文采用一种简易的和易性测试装置(如图3所示)，对分别采用基质沥青和改性沥青的两种级配沥青混合料和易性进行测试。具体测试方法如下：

(1)根据测试温度拌制15kg混合料；

(2)将混合料平铺于铁盘中置于烘箱内加热至略高于待测温度(5℃~10℃)；

(3)将恒温后的混合料取出装入和易性测试仪的保温料桶中，装完后应拨平混合料表面，并测量记录混合料内部温度；

(4)启动扭矩扳手(采用峰值模式)，逆时针匀速旋转测量，转速控制在(转/3)/s；

(5)每转一圈记录一个最大扭矩值(单位为Ｎ·ｍ)，然后清零进行下一次测量，每个温度下应至少测量3~5次，然后取平均值作为这一温度所测混合料的扭矩值。

同一混合料测试温度应遵循从低到高的原则，且每个温度测试完成后应将混合料从保温料桶取出再置于烘箱中加热至下一个待测温度。

按照以上步骤，本文对基质沥青两种级配混合料分别在120℃~180℃温度范围内的和易性进行了测试，对改性沥青两种级配混合料分别在130℃~190℃温度范围内的和易性进行了测试，测试结果如图4、图5所示。可见，扭矩与温度呈现出良好的线性相关性。

由于采用黏温曲线得到的沥青拌和压实温度范围较窄，如果以此计算，那么得到的扭矩范围也会较窄，会影响其适用范围。因此本文采用JTG E20-2011中Ｔ0702推荐的石油沥青拌和压实温度(拌和为140℃~160℃，压实为120℃~150℃)，由图4中扭矩温度的拟合公式，即可计算得到基质沥青混合料拌和压实温度对应的扭矩范围，如表5所示。

由表5可知，两种级配沥青混合料的和易性既有差别，又有重叠，说明混合料和易性虽然会受集料种类、级配类型的影响，但是影响程度有限。不过，为了确定的扭矩范围具有更好的适用性，本文对两种级配的拌和压实扭矩范围取一个交集，同时进行取整处理，最后得到适合沥青混合料拌和压实温度的扭矩范围，如表6所示。

将表6确定的扭矩范围分别代入图5中改性沥青混合料的扭矩温度拟合公式，计算得到两种级配改性沥青混合料的拌和压实温度，见表7。

对两种级配改性沥青混合料的拌和压实温度范围取交集并取整处理，即可得到适合改性沥青混合料的拌和压实温度范围如表8所示。

由表8可知，采用和易性试验确定的改性沥青混合料拌和压实温度范围均在JTG E20-2011的T0702中推荐的温度范围内(拌和160℃~175℃，压实140℃~170℃)，但范围更窄，更易于试验操作。

综合以上试验结果，经总结得到基于和易性试验“扭矩温度曲线”确定的改性沥青混合料拌和压实温度，而且由于扭矩与温度呈良好的线性相关关系，故也可只测140℃和170℃两个温度的扭矩值，然后进行线性回归计算。具体流程如图6所示。

试验验证

压实温度验证———马歇尔击实试验

以AC-13改性沥青混合料为例，采用马歇尔击实试验对以上和易性试验确定的拌和压实温度进行验证，分别在100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃击实成型马歇尔试件，然后采用表干法测定试件毛体积相对密度，结果如图7所示。

由图7可知，试件密度最大值对应的击实温度为153℃，且在和易性试验确定的改性沥青混合料击实温度范围内。在153℃条件下成型试件，测得其体积指标如表9所示。经与表4对比可知，其空隙率与基质沥青混合料在最佳击实温度下成型的试件基本一致。

路用性能验证

以AC-13改性沥青混合料为例，采用和易性试验确定的拌和压实温度范围中值制作混合料试件，验证其各项路用性能。试验结果见表10。

表10试验结果表明，在和易性试验确定的最佳拌和压实温度下制作成型的改性沥青混合料，各项路用性能完全可以达到现行规范相关技术要求。

结语

通过本文的以上研究分析，可以得到以下结论。

(1)根据和易性试验提出的适宜沥青混合料拌和压实温度的扭矩范围，确定的改性沥青混合料拌和压实温度合理准确，且符合工程实践经验。

(2)基于和易性试验提出的“扭矩温度曲线”确实可以用来快速确定改性沥青混合料的拌和压实温度，且试验结果合理可靠。

(3)“扭矩温度曲线”的扭矩范围标准仍需进一步验证，下一步应针对不同品种沥青、不同种类集料、不同类型级配进行更多的和易性试验，并通过统计分析确定一个能够广泛适应各种沥青混合料的扭矩范围标准，从而统一不同沥青混合料拌和压实温度的确定方法。