再生SBS改性沥青混合料的施工温度确定

甘新立，郑南翔，侯月琴，纪小平

（1.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064；2.西安交通大学 人居环境与建筑工程学院，陕西 西安 710049）

沥青路面热再生技术由于具有保护环境、节约成本等优点而作为一种绿色交通施工技术被广泛应用［1－2］.相对于普通热拌沥青混合料（HMA），再生SBS改性沥青混合料由于有回收旧沥青混合料（RAP）的加入，其施工温度（拌和温度、压实温度）的确定将受到RAP掺配率和预热温度等因素的影响，而沥青混合料的施工温度是决定沥青路面施工质量的重要因素，直接影响着沥青路面的压实效果和密实程度［3］.确定合理的沥青混合料施工温度对防止车辙、水损坏等沥青路面早期病害的产生起着至关重要的作用.JTG F 41—2008《公路沥青路面再生技术规范》规定，再生沥青混合料出料温度应比普通热拌沥青混合料高5～15℃，而JTG F 40—2004《公路沥青路面施工技术规范》规定，聚合物改性沥青混合料的施工温度应较普通热拌沥青混合料高10～20℃.因此，再生SBS改性沥青混合料的拌和温度应为165～190℃.显然，这是一个较大的温度范围，不利于实际生产中拌和温度的控制.目前，对于再生SBS改性沥青混合料的施工，国内外已经形成了一整套完整的理论、方法［4－6］，但尚缺乏对施工温度进行准确确定的方法.

SBS改性沥青在高温时具有明显的非牛顿流体特性［7］，直接采用6.8s－1剪切速率下改性沥青黏温曲线上（0.17±0.02）Pa·s和（0.28±0.03）Pa·s时的等黏温度作为改性沥青混合料的拌和温度和压实温度会导致混合料施工温度过高，从而对沥青路面质量和环境产生不利影响［8］.目前国内外对普通热拌沥青混合料的施工温度做了大量的研究，并得到一系列研究成果［9－11］，但对于再生SBS改性沥青混合料施工温度的研究则很少涉及.耿九光等［12］研究了剪切速率对沥青黏度的影响，并通过对再生沥青混合料体积参数的研究，以使沥青混合料达到最大压实密度时的成型温度作为再生沥青混合料的最佳压实温度.纪小平等［13］通过对再生沥青混合料黏温曲线的研究，提出了以再生沥青混合料黏温曲线上（0.17±0.02）Pa·s时的等黏温度作为再生沥青混合料的拌和温度的方法.

本文采用自主研发的拌和力矩测定仪，在不同拌和温度（t）下拌和再生SBS改性沥青混合料，测定不同拌和温度下再生SBS改性沥青混合料的拌和力矩.测试基质沥青混合料在基质沥青黏温曲线0.17Pa·s的等黏温度下的最佳拌和力矩，并以此最佳拌和力矩在再生SBS改性沥青混合料拌和力矩－拌和温度拟合曲线上对应的拌和温度为该混合料的最佳拌和温度；根据最佳拌和温度下再生SBS改性沥青黏度－剪切速率曲线，确定最佳拌和温度下再生SBS改性沥青的剪切速率，在该剪切速率下通过试验获得再生SBS 改性沥青的黏温曲线，并以（0.28±0.03）Pa·s时的等黏温度作为再生SBS 改性沥青混合料的最佳压实温度.

1 原材料性能及混合料设计

RAP由SBS改性沥青路面铣刨得到，燃烧法测得RAP中的油石比1）文中涉及的油石比和集料颗粒组成等均为质量比或质量分数.为4.1%.RAP中的集料颗粒组成见表1.试验用70＃和90＃基质沥青分别为SK 70＃沥青和SK 90＃沥青，改性沥青为SBS I－C 改性沥青，旧沥青采用阿布森法从RAP 中回收获得.新旧沥青技术性质如表2 所示.再生剂采用某国产RA－5型再生剂，其技术性质如表3所示.粗集料为玄武岩，其技术性质如表4所示.试验采用混合料类型为AC－13，其级配如表5所示.

表1 RAP中的集料颗粒组成Table 1 Composition（by mass）of aggregate particles in RAP %

表2 新旧沥青技术性质Table 2 Technical properties of old and new asphalts

表3 再生剂技术性质Table 3 Technical properties of recycling agent

表4 粗集料技术性质Table 4 Technical properties of coarse aggregate

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

2 拌和力矩法确定拌和温度

2.1 基质沥青黏温曲线及最佳拌和力矩的确定

采用布氏黏度仪测定70＃和90＃基质沥青在135℃和175℃下的黏度，然后绘制2 种基质沥青的黏温曲线，结果见图1.

取基质沥青黏度为0.17Pa·s，由基质沥青黏温曲线可得出70＃基质沥青0.17Pa·s时的等黏温度为163℃，90＃基质沥青0.17Pa·s时的等黏温度为156℃.

图1 基质沥青黏温曲线Fig.1 Viscosity－temperature curves of matrix asphalts

在163℃下采用70＃基质沥青拌和混合料，在156℃下采用90＃基质沥青拌和混合料.开启沥青混合料拌和力矩测定仪，调整搅拌频率为30Hz，并在数值显示稳定后读取基质沥青混合料拌和力矩数值，结果见表6.

取70＃和90＃基质沥青混合料拌和力矩平均值3.139N·m 作为基质沥青混合料的最佳拌和力矩，即可以认为，以3.139N·m 的拌和力矩拌和AC－13混合料最合适.

表6 基质沥青混合料拌和力矩Table 6 Mixing torques of matrix asphalt mixtures N·m

2.2 再生SBS改性沥青混合料最佳拌和温度的确定

采用RAP掺配率为30%，并通过添加SBS I－C改性沥青和新集料，在油石比为4.7%条件下拌和AC－13再生SBS 改性沥青混合料.再生剂掺量为3%，新沥青与新集料用量比值为5.0%.分别测定不同拌和温度下再生SBS改性沥青混合料的拌和力矩（M）.再生SBS改性沥青混合料拌和力矩－拌和温度曲线见图2.

图2 再生SBS改性沥青混合料拌和力矩－拌和温度曲线Fig.2 Mixing torque－mixing temperature curve of recycled SBS modified asphalt mixture

采用式（1）对再生SBS改性沥青混合料拌和力矩－拌和温度曲线进行拟合，结果表明，式（1）对该曲线的拟合效果良好，R2为0.983.将AC－13混合料最佳拌和力矩3.139N·m 代入式（1），可以求得相应的拌和温度为179℃，即可以认为，179℃为RAP掺配率为30%的再生SBS改性沥青混合料的最佳拌和温度.

3 最佳压实温度确定

再生SBS 改性沥青具有明显的非牛顿流体特性，其黏度与剪切速率有关.

采用布氏黏度仪测定不同转子转速下再生SBS改性沥青的黏度（179℃），按式（2）计算再生SBS改性沥青的剪切速率（S），然后绘制再生SBS改性沥青黏度－剪切速率曲线，结果见图3.

式中：n为转子转速，r／min；k为转子剪变率常数.

图3 再生SBS改性沥青黏度－剪切速率曲线Fig.3 Viscosity－shear rate curve of recycled SBS modified asphalt

由图3可以看出，在179℃条件下，再生SBS改性沥青黏度随着剪切速率的增加而减小.以（0.17±0.02）Pa·s黏度为再生SBS改性沥青的最佳拌和黏度，黏度－剪切速率曲线上对应的剪切速率取46.5s－1.可以认为，再生SBS改性沥青在46.5s－1剪切速率下测得的黏度为适合再生SBS 改性沥青混合料路面施工的沥青黏度.

在46.5s－1的剪切速率下测定再生SBS改性沥青于135℃和175℃时的黏度，然后绘制再生SBS改性沥青黏温曲线，结果如图4所示.

图4 剪切速率为46.5s－1时再生SBS改性沥青的黏温曲线Fig.4 Viscosity－temperature curve of recycled SBS modified asphalt at 46.5s－1 shear rate

在再生SBS 改性沥青黏温曲线上取（0.17±0.02）Pa·s 对应的温度为176～182 ℃，（0.28±0.03）Pa·s对应的温度为161～167℃，即可以认为再生SBS改性沥青混合料的最佳拌和温度范围为176～182℃，最佳压实温度范围为161～167℃.

4 合理性验证

以RAP掺配率为30%，并在油石比为4.7%条件下采用马歇尔击实法拌和并成型再生SBS改性沥青混合料（AC－13）试件.采用表干法测定剪切速率为46.5s－1时试件在不同拌和温度下的毛体积密度，结果见图5.由图5可以看出，再生SBS改性沥青混合料最大毛体积密度为2.582g／cm3，其所对应的拌和温度约为180℃.这说明以本文方法确定的再生SBS改性沥青混合料的最佳拌和温度是合理的.

图5 剪切速率为46.5s－1时再生SBS改性沥青混合料在不同拌和温度下的毛体积密度Fig.5 Gross volume densities of recycled SBS modified asphalt mixtures in different mixing temperatures at 46.5s－1 shear rate

5 结论

（1）基质沥青混合料在3.139N·m 的拌和力矩下拌和最合适.

（2）在179 ℃条件下，再生SBS 改性沥青的黏度随剪切速率的增加而减小，表现出较明显的非牛顿流体特性.

（3）再生SBS改性沥青混合料的最佳拌和温度范围为176～182 ℃，最佳压实温度范围为161～167℃.

（4）所提出的再生SBS改性沥青混合料的最佳拌和温度确定方法合理可行.

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