羅浩原， 歐陽(yáng)鋮霏 ， 徐加秋 ， 鄭鵬飛 ， 陽(yáng)恩慧

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031； 2.西南交通大學(xué) 道路工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031)

大量試驗(yàn)研究表明，參照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的“T0625—2011瀝青旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)”和AASHTO T312—15《Preparing and determining the density of asphalt mixture specimens by means of the superpave gyratory compactor》中的布氏旋轉(zhuǎn)黏度(Brookfield viscosity，BV)測(cè)試方法來(lái)確定瀝青混合料的施工溫度(本文中均指拌和溫度與壓實(shí)溫度)并不適用于SBS、SBR等改性瀝青，按其得到的拌和溫度與壓實(shí)溫度均較JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》給出的建議值偏高，容易引起瀝青老化和能耗浪費(fèi)問(wèn)題[1-3].Mturi等[4]指出，原因在于SBS改性瀝青中的長(zhǎng)鏈交聯(lián)結(jié)構(gòu)會(huì)使其在150℃以下表現(xiàn)出非常明顯的剪切變稀特性(非牛頓流體典型特征之一，其黏度會(huì)隨著測(cè)試剪切速率的升高而降低).因此，在SBS類改性瀝青的黏溫特性測(cè)試中，控制剪切速率至關(guān)重要.但是在使用BV方法進(jìn)行不同溫度點(diǎn)的黏度測(cè)試時(shí)，需要頻繁更換轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速的搭配以滿足傳感器量程和精度的需要，而這會(huì)同時(shí)改變測(cè)試的剪切速率，從而顯著影響了測(cè)試結(jié)果[5].除此之外，采用布氏旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)來(lái)測(cè)試較低溫度(低于90℃)下的SBS改性瀝青黏度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很明顯的爬桿效應(yīng)(非牛頓流體中黏彈性流體可能具有的特征)[6]，即瀝青會(huì)由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而不斷攀高，粘附在轉(zhuǎn)子的連接桿上，導(dǎo)致測(cè)試無(wú)法正常進(jìn)行.美國(guó)國(guó)家合作公路研究計(jì)劃的459號(hào)研究報(bào)告(NCHRP Report 459)提出了采用慢速剪切黏度(LSV)和零剪切黏度(ZSV)來(lái)確定改性瀝青施工溫度的建議[7].但瀝青混合料在拌和和碾壓時(shí)面臨的并不是慢速剪切過(guò)程，因此LSV和ZSV與實(shí)際施工狀態(tài)不符[5]，也并未在中國(guó)的工程領(lǐng)域取得應(yīng)用.而對(duì)于添加溫拌劑后SBS改性瀝青的黏溫特性變化檢測(cè)，由于BV方法中剪切速率的不可控制性導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果具有較大的隨意性[1,3,5]，因此在中國(guó)一般的工程建設(shè)中，一般依據(jù)經(jīng)驗(yàn)直接降低20～30℃作為添加溫拌劑后SBS改性瀝青的施工溫度，然后通過(guò)檢驗(yàn)相應(yīng)混合料的體積參數(shù)來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化溫拌劑的摻量[8]，但這將會(huì)帶來(lái)巨大的試驗(yàn)工作量并且很難精確描述溫拌劑的降黏性能.

針對(duì)現(xiàn)有黏度測(cè)試方法很難適用于SBS改性瀝青，也很難做到高效準(zhǔn)確地對(duì)溫拌劑降黏性能做出評(píng)價(jià)的問(wèn)題，本研究提出了一種全新的基于動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)并采用固定剪切速率的瀝青旋轉(zhuǎn)平板表觀黏度(rotational plate viscosity，RPV)測(cè)試方法，并對(duì)比了該方法與傳統(tǒng)BV方法在70#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和溫拌SBS改性瀝青黏度測(cè)試中的結(jié)果；詳細(xì)闡述了RPV方法的原理、特點(diǎn)和操作方法.希望能為SBS改性瀝青的施工溫度確定和溫拌劑對(duì)SBS改性瀝青降黏效果的評(píng)價(jià)提供一種行之有效的解決方案.

1 SBS改性瀝青的黏溫特性

瀝青是一種典型的黏彈性材料，在高溫和長(zhǎng)期荷載下，表現(xiàn)為明顯的黏流特性，但在低溫和短期荷載下，則表現(xiàn)出更多的彈性性能.在瀝青混合料生產(chǎn)和施工過(guò)程中，瀝青的加熱溫度一般都高于其軟化點(diǎn)，體現(xiàn)出黏性流動(dòng)的特征[9].對(duì)于普通基質(zhì)瀝青而言，在高于其自身軟化點(diǎn)30℃(不同標(biāo)號(hào)的瀝青略有不同)以上時(shí)可以視作牛頓流體，這時(shí)瀝青的黏度值僅受溫度影響，這意味著在相同溫度下，無(wú)論測(cè)試剪切速率的大小，普通基質(zhì)瀝青的黏度測(cè)試值基本保持恒定.

SBS改性瀝青與基質(zhì)瀝青不同，從其軟化點(diǎn)至180℃的整個(gè)溫度范圍內(nèi)，都會(huì)表現(xiàn)出很強(qiáng)的非牛頓流體特性，其黏度值將受到溫度和測(cè)試剪切速率的共同影響.這也意味著在同一個(gè)溫度點(diǎn)，使用不同測(cè)試剪切速率將得到不同的黏度值.另外，非牛頓流體還可以分為很多種類，例如假塑性、塑性和膨脹性等等.SBS改性瀝青屬于假塑性流體，即在相同溫度下，被測(cè)流體的黏度隨著測(cè)試剪切速率的增加而減小(通常稱為剪切變稀特性).因此，通過(guò)BV方法測(cè)試得到的SBS改性瀝青黏度又被稱為表觀黏度(當(dāng)剪切速率為0s-1時(shí)，才為該流體的絕對(duì)黏度，但不能直接通過(guò)測(cè)試得到；在本文中，所有測(cè)試的黏度均為表觀黏度，簡(jiǎn)稱黏度)，這并不是瀝青的真實(shí)黏度，而是在某一剪切速率下表現(xiàn)出的黏度.

如前所述，使用BV方法確定SBS改性瀝青的黏溫曲線時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)在較大的溫度范圍內(nèi)都使用同一剪切速率，導(dǎo)致了采用BV方法預(yù)測(cè)的施工溫度偏高.因此，解決SBS改性瀝青黏度測(cè)試問(wèn)題的關(guān)鍵是能夠?qū)崿F(xiàn)在測(cè)試溫度區(qū)間內(nèi)對(duì)剪切速率進(jìn)行控制.

2 固定剪切速率的旋轉(zhuǎn)平板黏度測(cè)試方法

本研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的RPV方法受益于DSR允許采用應(yīng)變控制模式，扭矩傳感器精度很高，可以保證在足夠?qū)挼臏囟确秶鷥?nèi)都采用同一剪切速率對(duì)瀝青進(jìn)行測(cè)試.

測(cè)試儀器為TA公司生產(chǎn)的DHR-3型動(dòng)態(tài)剪切流變儀和與其配套的25mm不銹鋼圓形平板夾具.該儀器的扭矩傳感器可實(shí)現(xiàn)在0.5～ 5.0mN·m 范圍內(nèi)進(jìn)行精度為0.05mN·m的動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量，并且可以直接以剪切速率作為加載的控制量.

瀝青試樣采用硅膠平板模具成型，高度H= 1mm，直徑D=25mm.試樣安裝方式與瀝青高溫PG分級(jí)測(cè)試中的要求相同：設(shè)置上下平行板的初始溫度為60℃，放置試樣于下平行板上，降低上平行板的高度夾住瀝青試樣，并調(diào)節(jié)上平行板至1.050mm的修剪間隙后，使用熱刮刀修剪擠壓出平行板邊緣的瀝青；完成修剪后，調(diào)節(jié)上平行板至 1mm 的測(cè)試間隙，試樣安裝完成.

通過(guò)DSR的控制軟件進(jìn)行操作程序的編制，以實(shí)現(xiàn)基本的RPV測(cè)試.加載方式為：在指定溫度條件下，上下平行板夾緊待測(cè)瀝青試樣；下平行板固定不動(dòng)，上平行板以固定角速度ωp(即剪切速率恒定)作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，待狀態(tài)穩(wěn)定后，采集上平行板受到的扭矩值，即可根據(jù)公式(見(jiàn)式(4))計(jì)算當(dāng)前溫度和剪切速率下的瀝青表觀黏度；進(jìn)一步可通過(guò)編程進(jìn)行溫度上升或剪切速率變化過(guò)程中的瀝青表觀黏度動(dòng)態(tài)測(cè)試.

(1)

由于試樣受到的是扭轉(zhuǎn)荷載，在試樣沿高度方向的每一個(gè)圓截面微元上，其扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力τ可由材料力學(xué)的公式表達(dá)，見(jiàn)式(2)：

(2)

式中：Ip為圓形試樣頂面的極慣性矩；T是瀝青試樣在指定剪切速率下對(duì)上平行板的抗力扭矩.

(3)

將式(3)變形，并分別沿半徑和高度方向進(jìn)行二次積分，即可得到平板旋轉(zhuǎn)黏度η的計(jì)算式：

(4)

式(4)是RPV方法測(cè)量瀝青黏度的核心公式.對(duì)于直徑為25mm、高度為1mm的圓柱狀試樣來(lái)說(shuō)，H和Ip均為固定值，只需編制DSR的控制程序，使夾緊試樣的上平行板以ωp作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，而下平行板保持不動(dòng)，記錄測(cè)試時(shí)上平行板受到的抗力扭矩T和溫度，就可以通過(guò)式(4)計(jì)算瀝青的表觀黏度.

圖1 旋轉(zhuǎn)平板黏度測(cè)試?yán)碚撃Ｐ虵ig.1 Principle of rotational plate viscosity test

在使用不同的DSR進(jìn)行RPV測(cè)試時(shí)，應(yīng)根據(jù)其傳感器量程的適用范圍進(jìn)行適用溫度判斷，避免因儀器損傷和瀝青外流而導(dǎo)致的測(cè)試錯(cuò)誤.以本研究采用的DHR-3型流變儀和選用的SBS改性瀝青為例，由于表面張力的作用，當(dāng)被測(cè)瀝青黏度高于0.1Pa·s(對(duì)應(yīng)的SBS改性瀝青溫度約為 200℃)時(shí)，測(cè)試可以正常進(jìn)行；當(dāng)被測(cè)瀝青黏度低于 0.1Pa·s 后，容易出現(xiàn)瀝青流出平板的現(xiàn)象，從而影響了測(cè)試的準(zhǔn)確性；另一方面，傳感器的最大扭矩量程限制規(guī)定了被測(cè)瀝青黏度應(yīng)低于250Pa·s(對(duì)應(yīng)的SBS改性瀝青溫度約為60℃).因此，SBS改性瀝青的測(cè)試溫度宜控制在60～200℃.在試樣安裝和測(cè)試過(guò)程中應(yīng)注意溫度應(yīng)低于瀝青的軟化點(diǎn)；若開(kāi)展變溫測(cè)試，也應(yīng)從低溫進(jìn)行至高溫.

3 試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)分為3個(gè)階段.

階段Ⅰ：利用RPV方法和BV方法分別測(cè)試70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青在10℃升溫梯度條件下的黏溫曲線，利用雙樣本異方差下的t檢驗(yàn)，分析RPV方法與傳統(tǒng)BV方法的異同，闡述RPV方法的瀝青適用性.

階段 Ⅱ：對(duì)比RPV方法與BV方法分別確定的SBS改性瀝青、添加3種溫拌劑后的溫拌SBS改性瀝青拌和溫度范圍((0.17±0.02) Pa·s對(duì)應(yīng)的等黏溫度)和壓實(shí)溫度范圍((0.28±0.03) Pa·s對(duì)應(yīng)的等黏溫度).

階段Ⅲ：利用階段Ⅱ中得出的各瀝青拌和溫度與壓實(shí)溫度范圍指導(dǎo)對(duì)應(yīng)的瀝青混合料(選用其他條件均相同的SMA-13)生產(chǎn)，并制作馬歇爾混合料試件進(jìn)行空隙率測(cè)試，驗(yàn)證RPV方法確定的溫度是否滿足施工質(zhì)量需求.

根據(jù)Li等[11]的研究，在SMA混合料設(shè)計(jì)中，若采用固定剪切速率25s-1得到的黏溫曲線來(lái)設(shè)計(jì)瀝青材料施工溫度時(shí)，所得結(jié)果與相應(yīng)混合料的最優(yōu)壓實(shí)度、最小空隙率的相關(guān)程度最大.在本研究中，RPV黏度測(cè)試與BV黏度測(cè)試得到的施工溫度最后都需要通過(guò)SMA-13馬歇爾混合料試件的空隙率進(jìn)行驗(yàn)證，因此，本研究中RPV測(cè)試始終采用固定剪切速率25s-1；而對(duì)于BV測(cè)試，由于測(cè)試的溫度變化范圍較大，需要不斷考慮設(shè)備的量程和準(zhǔn)確性，轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速都在不斷變化，致使剪切速率無(wú)法控制，但其整體趨勢(shì)是隨著溫度升高而變大的.

在SBS改性瀝青中添加的溫拌劑選用現(xiàn)階段科研與工程中最具代表性的3種產(chǎn)品：A(有機(jī)降黏型)、B(發(fā)泡潤(rùn)滑型)、C(表面活性劑型)[12].由于3種溫拌劑的使用說(shuō)明書上都指明不需要特殊添加裝置，因此在制備溫拌SBS改性瀝青時(shí)，將瀝青加熱至軟化點(diǎn)以上30℃的流動(dòng)狀態(tài)，直接投入溫拌劑，攪拌均勻即可.3種溫拌劑的具體參數(shù)信息如下：

溫拌劑A：Sasobit?產(chǎn)品，白色固體顆粒狀聚烯烴類(微晶蠟)有機(jī)潤(rùn)滑類瀝青溫拌劑；廠商建議摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，本文涉及的摻量、油石比等除特別指明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))2.0%～5.0%，測(cè)試使用摻量3.0%.

溫拌劑B：External?溫拌劑ET-3100專利產(chǎn)品，為暗綠色油狀表面發(fā)泡型劑類瀝青溫拌劑，pH值9.1，密度0.97g/cm3；廠商建議摻量1.0%～1.5%，測(cè)試使用摻量1.2%.

溫拌劑C：Evother?公司的M1專利產(chǎn)品，為橙黃色表面活性劑類瀝青添加劑，pH值9.7，密度0.912g/cm3；廠商建議摻量0.6%～1.0%，測(cè)試使用摻量0.8%.

測(cè)試選用的瀝青主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示，其中的70#、SBS、SBS+3.0%A等分別為各瀝青代號(hào).

表1 各種瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Basic performance index of asphalts

3.2 RPV方法的瀝青適用性

利用RPV方法和BV方法進(jìn)行10℃升溫梯度下瀝青(普通70#基質(zhì)瀝青和未加溫拌劑的SBS改性瀝青)的黏度-溫度曲線測(cè)試；同時(shí)在每個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)上都進(jìn)行10次平行試驗(yàn)，計(jì)算各黏度的變異系數(shù)CV.所得到的黏溫曲線和每個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)上黏度的變異系數(shù)如圖2～5所示.

圖2 RPV方法和BV方法得到的70#基質(zhì)瀝青黏溫曲線對(duì)比Fig.2 Viscosity-temperature curves of 70# asphaltobtained by RPV method and BV method

圖3 RPV方法和BV方法得到的70#基質(zhì)瀝青黏度數(shù)據(jù)變異系數(shù)對(duì)比Fig.3 CV of viscosity of 70# asphalt obtained by RPVmethod and BV method

圖4 RPV方法和BV方法得到的SBS改性瀝青黏溫曲線對(duì)比Fig.4 Viscosity-temperature curves of SBS modifiedasphalt obtained by RPV method and BV method

圖5 RPV方法和BV方法得到的SBS改性瀝青黏度數(shù)據(jù)變異系數(shù)對(duì)比Fig.5 CV of viscosity of SBS modified asphalt obtainedby RPV method and BV method

針對(duì)2種方法在各個(gè)溫度點(diǎn)上形成的數(shù)據(jù)組，通過(guò)雙樣本異方差的t假設(shè)檢驗(yàn)[13]，從統(tǒng)計(jì)角度分析2種測(cè)試方法對(duì)于同一對(duì)象的黏度測(cè)試結(jié)果是否具有顯著差異.選取顯著性水平α=0.05(在該閾值條件下，當(dāng)2種方法所得數(shù)據(jù)組間的計(jì)算p值大于等于0.05時(shí)，表明測(cè)試方法對(duì)結(jié)果沒(méi)有造成差異的可能性大于等于95%，統(tǒng)計(jì)學(xué)上表述為沒(méi)有顯著差異).2種方法所得數(shù)據(jù)組間的p值分布見(jiàn)圖2、4.

由圖2可見(jiàn)，對(duì)于70#基質(zhì)瀝青而言，當(dāng)溫度超過(guò)102℃后，2種方法對(duì)于測(cè)試結(jié)果不存在顯著差異(p≥0.05).這是由于隨著溫度升高，基質(zhì)瀝青的非牛頓流體特性會(huì)漸漸變?nèi)?，表現(xiàn)出牛頓流體特性，黏度對(duì)剪切速率不敏感，測(cè)試方法對(duì)于測(cè)試結(jié)果的影響不顯著.此外，在所有的溫度測(cè)試點(diǎn)上，RPV方法得到的10個(gè)平行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變異系數(shù)都小于BV方法，如圖3所示，說(shuō)明RPV方法的測(cè)試數(shù)據(jù)離散度更小.因此，對(duì)于70#基質(zhì)瀝青的黏度測(cè)試來(lái)說(shuō)，使用RPV方法替代BV方法是可行的，且誤差更小.

由圖4可見(jiàn)，SBS改性瀝青的非牛頓流體剪切稀化特性在小于140℃時(shí)表現(xiàn)得異常強(qiáng)烈.為了滿足測(cè)試的量程和精度，采用BV方法測(cè)試時(shí)必須在溫度變化過(guò)程中多次改變轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速.以本研究選用的SBS改性瀝青為例：90～140℃時(shí)，采用BV方法測(cè)試時(shí)先后改變了3次轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速搭配，剪切速率從1.4s-1變化到5.6、9.3s-1，但均小于采用RPV方法測(cè)試時(shí)的25s-1；因此，在140℃以下，采用BV方法得到的黏度值要高于采用RPV方法得到的黏度值，其黏溫曲線的位置也更高，且溫度越低曲率越大，2種測(cè)試方法所得結(jié)果表現(xiàn)出顯著差異(p<0.05)；超過(guò)140℃后，雖然BV方法又改變過(guò)2次轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速搭配(對(duì)應(yīng)剪切速率為18.6s-1和46.5s-1)，但是其黏度測(cè)試值與RPV方法測(cè)試結(jié)果的差異已經(jīng)不大(p≥0.05).

除此之外，在圖4中，采用BV方法測(cè)試得到的SBS改性瀝青黏溫關(guān)系在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下是1條明顯曲線，并不能由2個(gè)或3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)確定的直線所替代.因此，如果參照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的“T0625—2011瀝青旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)”方法，采用BV方法測(cè)試得到2至3個(gè)溫度點(diǎn)的黏度，而后在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下擬合黏溫曲線的話，將面臨黏度數(shù)據(jù)信息缺失而導(dǎo)致黏溫曲線形狀失真的風(fēng)險(xiǎn)，據(jù)此黏溫曲線來(lái)判斷SBS改性瀝青的施工溫度是不合理的.而RPV方法能控制黏度測(cè)試的剪切速率始終保持在固定值，并通過(guò)多溫度點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)描繪出信息量更完整的瀝青黏溫曲線用于施工溫度預(yù)測(cè)，去除了剪切速率這一變量帶來(lái)的影響，并且將平行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散程度控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi).

3.3 RPV方法和BV方法所給出的溫拌瀝青施工溫度對(duì)比

由于受到剪切速率的影響，采用BV方法來(lái)捕捉溫拌劑對(duì)SBS改性瀝青施工溫度的改善效果時(shí)，得到的施工溫度會(huì)顯著偏大.以SBS和SBS+0.8%C這2種改性瀝青為例，首先采用布氏黏度計(jì)測(cè)試2個(gè)溫度點(diǎn)(135、175℃)上的瀝青黏度，然后在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系上得到2點(diǎn)擬合黏溫曲線(即JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的“T0625—2011瀝青旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)”方法)，如 圖6 中的2條虛線所示.這2條虛線在135℃時(shí)距離較遠(yuǎn)，但隨著溫度升高，距離越來(lái)越近，最后幾乎相交.通過(guò)BV方法測(cè)試的黏溫曲線來(lái)計(jì)算對(duì)應(yīng)的等黏溫度(參照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中“T0625—2011瀝青旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)”的規(guī)定，黏度為(0.17±0.02)Pa·s時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度范圍為拌和溫度，黏度為(0.28±0.03)Pa·s時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度范圍為壓實(shí)溫度)，則SBS改性瀝青的拌和溫度中值為192.3℃，壓實(shí)溫度中值為 183.4℃； SBS+ 0.8%C改性瀝青的拌和溫度中值為191.2℃，僅比前者下降1.1℃，壓實(shí)溫度中值為181.2℃，僅比前者下降2.2℃.

若采用RPV方法，得到的是多溫度點(diǎn)黏度直接連接而成的黏溫曲線(圖6中2條實(shí)線所示).可以看到：這2條黏溫曲線都不是直線；RPV方法確定的黏溫曲線位置均低于BV方法給出的結(jié)果；在超過(guò)175℃后，2條黏溫曲線的斜率絕對(duì)值減小，線條斜率放緩，雖然2條曲線不斷靠近，但是始終保持著可以觀察到的距離.通過(guò)等黏溫度的計(jì)算，SBS+0.8%C改性瀝青的拌和溫度中值由SBS改性瀝青的191.3℃降至185.4℃，下降5.9℃；壓實(shí)溫度中值由SBS改性瀝青的179.9℃降至172.3℃，下降7.6℃.與BV方法的測(cè)試結(jié)果對(duì)比，采用RPV方法觀察到了較為顯著的施工溫度變化.

圖6 由RPV方法和BV方法預(yù)測(cè)的SBS改性瀝青添加溫拌劑C前后的施工溫度變化Fig.6 Construction temperature change before and afteradding warming agent C to SBS modified asphalt predicted by RPV method and BV method

分析2種方法出現(xiàn)差異的原因是由于BV方法的剪切速率在整個(gè)升溫過(guò)程中始終處于變化狀態(tài).在135℃附近，瀝青黏稠，此時(shí)瀝青黏度對(duì)于測(cè)試采用的剪切速率極為敏感，而B(niǎo)V方法采用的剪切速率一般為2.5s-1或5.0s-1，遠(yuǎn)小于RPV方法采用的25s-1，導(dǎo)致測(cè)試得到的黏度值偏高.在175℃附近，BV方法采用的剪切速率為9.3～18.6s-1，其測(cè)試結(jié)果與RPV方法接近但還是略大.因此，BV方法下采用2點(diǎn)黏度擬合得到的直線型黏溫曲線整體斜率大于固定剪切速率下RPV方法得到的黏溫曲線.在175℃以上的黏度測(cè)試中，BV方法的剪切速率變化很劇烈(從18.6s-1變化至46.5s-1)，因此，其曲線仍然保持很高的黏度下降斜率，且明顯大于RPV方法得到的曲線斜率.

綜合上述各個(gè)溫度段的黏度信息，對(duì)于同一種SBS改性瀝青，在相同的半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，RPV方法測(cè)試得到的黏溫曲線整體斜率低于BV方法采用2點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合的黏溫曲線；在175℃之上，隨溫度上升，RPV方法所得到的瀝青黏度測(cè)試值有下降放緩的趨勢(shì)，但BV方法得到的瀝青黏度測(cè)試值仍與溫度呈線性關(guān)系.因此，在計(jì)算等黏溫度時(shí)，與BV方法相比，RPV方法所確定的施工溫度總是較小；對(duì)于溫拌劑的降溫效果評(píng)價(jià)，RPV方法給出的結(jié)果也更顯著.這也解釋了大量文獻(xiàn)中指出的若采用JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中“T0625—2011瀝青旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)”的方法所得到的SBS改性瀝青施工溫度范圍要比JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》給出的建議范圍偏高的原因.

通過(guò)2種測(cè)試方法分別得到各溫拌瀝青試樣的拌和溫度與壓實(shí)溫度中值，并計(jì)算其施工溫度降低幅度，如表2所示.對(duì)于拌和溫度的下降幅度進(jìn)行判斷時(shí)，BV方法預(yù)測(cè)的施工溫度變化幅度均要比RPV方法預(yù)測(cè)的小50%以上(SBS+3.0%A小54.4%、SBS+1.2%B小67.3%、SBS+0.8%C小71.0%)；對(duì)于壓實(shí)溫度的下降幅度進(jìn)行判斷時(shí)，BV方法的判斷結(jié)果均要比RPV方法的判斷結(jié)果小至少60%(SBS+3.0%A小67.6%、SBS+1.2%B小71.4%、SBS+0.8%C小81.1%).

表2 采用2種方法檢測(cè)到的各瀝青施工溫度變化對(duì)比Table 2 Comparison of construction temperature changes of various asphalts detected by RPV method and BV method

3.4 2種方法計(jì)算的施工溫度對(duì)于瀝青混合料空隙率的影響

為驗(yàn)證RPV方法給出的施工溫度是否會(huì)影響瀝青混合料的質(zhì)量，采用表1中的4種瀝青(SBS、SBS+3.0%A、SBS+1.2%B、SBS+0.8%C)，按照相同的SMA-13級(jí)配曲線和油石比(5.8%)配置瀝青混合料.在制作時(shí)，每種瀝青分別參照RPV方法和BV方法下得到的施工溫度制作2組馬歇爾混合料試件，平行試件5個(gè).對(duì)于所有瀝青，控制瀝青的加熱溫度為表2中的拌和溫度，集料的加熱溫度均高出瀝青加熱溫度10℃，并保證制作馬歇爾混合料試件時(shí)的初始擊實(shí)溫度為表2中的壓實(shí)溫度±3℃范圍，其他條件相同；之后采用真空法測(cè)試計(jì)算各試件的空隙率.

除了根據(jù)RPV方法和BV方法確定的施工溫度制作試件之外，增加1組對(duì)照組.在該對(duì)照組中，沒(méi)有添加溫拌劑的SBS改性瀝青加熱溫度參照J(rèn)TG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》建議的施工溫度，取175℃，馬歇爾混合料試件的初始擊實(shí)溫度取為 160℃；添加3種溫拌劑后，依據(jù)工程使用經(jīng)驗(yàn)和廠家建議，采用的施工溫度都在原始SBS改性瀝青施工溫度的基礎(chǔ)上直接降低15℃，即瀝青加熱溫度為160℃，壓實(shí)溫度為145℃，以模擬施工現(xiàn)場(chǎng)僅依據(jù)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行施工的情況.表3為各混合料試件的空隙率及其測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)差(SD).

表3 各混合料試件的空隙率對(duì)比Table 3 Comparison of porosity of each asphalt mixture

由表3可見(jiàn)，在RPV方法提供的施工溫度指導(dǎo)下，各瀝青混合料試件的空隙率雖然都略高于BV方法的空隙率，但仍滿足使用SBS改性瀝青生產(chǎn)的SMA-13混合料3%～4%的空隙率控制要求.因此，RPV方法沒(méi)有對(duì)混合料的體積指標(biāo)造成顯著影響，數(shù)據(jù)的離散程度也沒(méi)有顯著變化.雖然RPV方法和BV方法給出的施工溫度均能滿足混合料的施工質(zhì)量要求，但是BV方法給出的溫度范圍明顯偏高(見(jiàn)表2)，不能充分發(fā)揮溫拌劑的降溫降黏效果，溫拌劑節(jié)能減排、減少老化的功效也未能充分發(fā)揮.

在模擬沒(méi)有進(jìn)行任何黏度測(cè)試的情況下就直接采用JTG F40—2004中的建議溫度和經(jīng)驗(yàn)溫度的對(duì)照組中，添加溫拌劑B和溫拌劑C的2種SMA混合料空隙率已經(jīng)超出該規(guī)范要求.可見(jiàn)對(duì)于添加了溫拌劑的改性瀝青，直接降低15～30℃施工溫度進(jìn)行混合料拌和具有很大的工程風(fēng)險(xiǎn).

3.5 2種方法的測(cè)試效能對(duì)比

如前所述，BV方法在測(cè)試中要及時(shí)更換轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子搭配以保證測(cè)試的量程與精度；每次更換轉(zhuǎn)子后，還需要更換新的瀝青試樣以保證轉(zhuǎn)子在試管中的正確姿態(tài)；單次測(cè)試消耗的瀝青量約為9～ 11g；因此，采用BV方法測(cè)試時(shí)的恒溫時(shí)間較長(zhǎng)，約為40min，轉(zhuǎn)子開(kāi)始旋轉(zhuǎn)后達(dá)到讀數(shù)時(shí)亦需要耗時(shí)約20min；確定黏溫曲線(2個(gè)溫度點(diǎn))耗時(shí)超過(guò) 2h.目前，中國(guó)大量道路工程材料實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配備的均為NDJ-1型布氏旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，該儀器的有效黏度測(cè)試范圍約0.02～200Pa·s[14].因此，對(duì)于SBS改性瀝青的黏度測(cè)試而言，若考慮其在90℃以下會(huì)出現(xiàn)爬桿效應(yīng)[6]的話，則BV方法的實(shí)際有效測(cè)試溫度范圍為90～220℃.

此外，BV方法由于不能控制變溫測(cè)試過(guò)程中的剪切速率，導(dǎo)致其判斷出的SBS改性瀝青混合料拌和溫度與壓實(shí)溫度均偏高，容易造成瀝青老化和能耗浪費(fèi).用這種方法來(lái)衡量溫拌劑對(duì)于SBS改性瀝青黏度的改變作用，會(huì)弱化溫拌劑的降溫降黏效果，使溫拌劑不能充分發(fā)揮降低施工溫度、節(jié)能減排、減小瀝青老化程度的優(yōu)勢(shì).

采用RPV方法進(jìn)行黏度測(cè)試需要瀝青約 2.5g，單溫度點(diǎn)恒溫耗時(shí)15min，測(cè)試時(shí)間約 1min；測(cè)試10℃溫度梯度下的黏溫曲線(8個(gè)溫度點(diǎn)，見(jiàn)圖6)耗時(shí)約2.2h.采用該方法可以更為全面地反映瀝青的黏溫特性信息.對(duì)于SBS改性瀝青，RPV方法的有效測(cè)試溫度范圍為60～200℃.

4 結(jié)論

(1)本研究提出的平板旋轉(zhuǎn)黏度(RPV)測(cè)試方法采用固定剪切速率，解決了采用布氏旋轉(zhuǎn)黏度(BV)測(cè)試方法進(jìn)行SBS改性瀝青黏溫曲線的測(cè)試過(guò)程中不能使用同一剪切速率而導(dǎo)致的預(yù)測(cè)施工溫度(拌和溫度和壓實(shí)溫度)偏高的問(wèn)題.

(2)分別使用RPV方法和BV方法來(lái)確定3種溫拌劑+SBS改性瀝青的拌和溫度與壓實(shí)溫度，并利用其指導(dǎo)其他條件相同的馬歇爾混合料試件制作.雖然所有試件的空隙率均滿足規(guī)范要求，但通過(guò)BV方法確定的各試件施工溫度降低幅度均比通過(guò)RPV方法確定的小50%以上，這意味著通過(guò)BV方法確定的試件施工溫度低估了溫拌劑的降黏能力，不能真正發(fā)揮出溫拌劑節(jié)能減排的優(yōu)勢(shì)，也容易造成瀝青老化.

(3)使用RPV方法和BV方法分別測(cè)試70#基質(zhì)瀝青在10℃升溫梯度下的黏溫曲線，利用雙樣本異方差的t檢驗(yàn)方法對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(顯著性水平α=0.05)后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度大于102℃時(shí)，RPV方法與BV方法給出的黏溫曲線沒(méi)有顯著差異(p≥0.05)，且RPV方法的測(cè)試數(shù)據(jù)離散性更小.證明針對(duì)70#基質(zhì)瀝青，RPV方法完全可以作為一種更高效準(zhǔn)確的測(cè)試方法替代BV方法.

(4)相較BV方法，RPV方法依托DSR設(shè)備進(jìn)行瀝青測(cè)試，所需瀝青量小，恒溫與測(cè)試時(shí)間短，克服了繁瑣的轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速更換問(wèn)題.RPV方法可以作為一種更高效準(zhǔn)確的黏度測(cè)試方法用于瀝青(尤其是SBS改性瀝青)的施工溫度確定；但是針對(duì)不同的測(cè)試瀝青，測(cè)試剪切速率的選擇尚需進(jìn)一步的研究.