不同沥青混合料的拌和黏度及和易性

Mixing Viscosity and Workability of Different Bituminous Mixtures

摘要: 为了研究不同沥青混合料的拌和黏度及和易性，试验选取了70^#基质沥青、SBS改性沥青、橡胶沥青和两种温拌沥青等5种不同种类的沥青，测试了布氏黏度，制备了AC-13C型沥青混合料，利用变速拌和功率测试试验装置，在不同拌和温度(140˚C~180˚C)和不同拌和速率(20~50 r∙min⁻¹)下，对5种沥青混合料进行了变速拌和试验，通过分析“拌和功率－拌和速率”流变图，研究了混合料的拌和黏度及和易性指数。结果表明：沥青混合料的拌和流变特性服从线性黏塑性的宾汉模型；混合料的拌和黏度和沥青的黏度之间具有良好的正相关性；拌和黏度对混合料的和易性有重大影响，相同拌和温度时，SBS改性和橡胶沥青混合料的和易性较差，温拌沥青混合料的和易性较好；随着拌和温度的升高，拌和和易性有明显改善。

Abstract: In order to research the mixing viscosity and the workability of different mixtures, five different bitumen such as 70^# matrix bitumen, SBS modified bitumen, rubber bitumen and two kinds of warm bitumen were selected to prepare five asphalt mixtures in type of AC-13C, and the Brookfield viscosities were tested for each bitumen. Using an experimental device of mixing power measurement at different velocities, the variable mixing velocity experiment was carried out for the five different asphalt mixtures at different mixing temperatures (140˚C - 180˚C) and mixing velocities (20 - 50 r∙min⁻¹). By analyzing the rheogram of mixing power and mixing velocity, the mixing viscosity and the workability index of the mixtures were studied. The result shows that the mixing rheological characteristic of mixture obeys the linear visco-plastic Bingham model; the mixing viscosity of mixtures has a positive correlation with the bitumen viscosity; the mixing vis-cosity influences greatly the workability of mixture, and at the same temperature, compared to 70^# matrix asphalt mixture, the SBS modified and rubber asphalt mixture present a madder workability, and the warm asphalt mixture is observably better; the workability indexes increase significantly by increasing the mixing temperature.

1. 引言

沥青混合料是由黏性的沥青和松散的集料搅拌混合而成，广泛应用于路面工程。不同沥青混合料主要是指不同级配类型的混合料(如AC、SMA、OGFC等)和不同沥青种类的混合料(如基质沥青、改性沥青、橡胶沥青、温拌沥青等)。本文针对不同沥青种类的混合料，主要研究其拌和黏度及和易性，是文献 [1] [2] [3] 研究成果的续篇。

沥青混合料的拌和黏度是其和易性的根本起源，拌和黏度决定了其拌和的和易性，即拌和的难易程度，和易性则影响着沥青路面的铺筑质量。目前关于和易性的评述仍然停留在宏观的定性概念上，并无具体的定量指标和规范性的评价方法。然而相关研究人员已经开展了大量的定量分析研究 [1] - [6] ，并取得了一些有价值的研究成果。

Marvillet等 [4] 较早提出沥青混合料拌和和易性指标的概念，并试验测试了搅拌叶片在特定转速(22 r/min)下的扭矩值，以扭矩值评价混合料的拌和和易性。Gudimettla [5] 基于热拌沥青混合料的拌和扭矩，研究了和易性。侯曙光等 [6] 开发了沥青混合料的和易性指数测试设备，定义了和易性指数为特定转速(30 r/min)下扭矩测试值的倒数。Tao和Austerman等 [7] [8] 通过扭矩值，研究分析了不同温拌剂掺量与沥青混合料的和易性之间的关系。延西利等 [1] 自行开发了变速拌和功率测试装置，研究了不同拌和速率下的拌和流动特性，以流变模型为基础定义了拌和和易性指数(广义黏度的倒数)，但并未提交不同沥青种类的拌和和易性成果。其它一些研究 [9] [10] [11] [12] [13] 通过拌和扭矩值或压实度分析了沥青混合料的和易性及施工质量控制要素，未涉及其它和易性评价方法。

上述拌和扭矩值评价方法，没有利用现有的拌和设备平台、且需要加装昂贵的扭矩传感器并需要标定，不利于工程应用；数据分析仅为给定拌和速率下的单一扭矩值，没有从混合料的拌和黏度出发，来研究其拌和流动特性及其和易性，无法应用流变学理论来分析问题。

因此，论文研究团队自行开发了一种“变速拌和功率测试试验装置”，用以分析不同拌和温度、不同拌和速率下混合料的拌和流动特性，一些研究成果已撰文介绍 [1] [2] [3] 。本文选用5种不同性质的沥青，制备了AC-13C型沥青混合料，通过变速拌和功率测试试验，研究了混合料的拌和流变模型及其拌和黏度，定义了拌和和易性指数，分析了沥青种类对混合料拌和和易性的影响。

2. 沥青及混合料

2.1. 沥青的种类

试验选用了5种沥青：70^#基质沥青、SBS改性沥青、橡胶沥青、Evotherm温拌沥青和ACMP1温拌沥青。改性沥青与温拌沥青的基础沥青均采用70^#基质沥青，SBS改性沥青和橡胶沥青的制备采用常规方法和剂量 [2] ，Evotherm、ACMP1两种温拌剂的剂量依次为0.6%、6%。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)，对其进行了基本技术性能测试，结果见表1。

2.2. 沥青的布氏黏度

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)，采用布氏黏度计，在不同试验温度(120、130、135、140、150、160、170、180˚C)下对5种沥青进行了布什黏度测试 [14] [15] ，试验结果见表2。由此可以看出，SBS改性沥青和橡胶沥青的黏度明显高于基质沥青，表面活性剂型的温拌剂Evotherm对沥青本身的黏度没有影响，而降黏型温拌剂ACMP1则对沥青有明显的降黏作用。

Table 1. Basic technical parameters of different bitumen

表1. 不同沥青的基本技术参数

Table 2. Viscosity of different bitumen at different temperatures (Pa∙s)

表2. 不同温度下不同沥青的布氏黏度(Pa∙s)

2.3. 混合料的制备

试验研究选用AC-13C型沥青混合料，碎石和矿粉的岩性均为石灰岩，碎石的压碎值为10.6%、表观相对密度为2.715，矿粉的表观相对密度为2.683。沥青用量按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)，采用马歇尔配合比试验法确定。5种沥青混合料的最佳沥青用量基本上在4.8%~5.0%之间，变化幅度较小，反映了级配类型AC-13C确定后，矿料的比表面积也为一定值，在理论上对沥青的吸附及薄膜的形成具有一致性。因此，试验研究对5种沥青混合料的沥青用量统一取值4.9%。

3. 变速拌和试验

试验采用研究团队自行开发的变速拌和功率测试试验装置 [1] [2] [3] ，其特点为：其特点为：在现有马歇尔拌和设备的平台上增加了变速拌和系统、功率测试系统和数据储存系统，可通过控制面板进行转速调节，实现沥青混合料的变速拌和及其功率测试，并对测试数据进行实时记录与存储。在不同拌和温度和不同拌和速率下，对5种沥青混合料进行了拌和功率测试，具体试验方案见表3，拌和功率测试结果见表4。

Table 3. Test scheme of different mixing velocities

表3. 变速拌和试验方案

4. 拌和流动特性

根据表4试验结果，可分别绘制出5种沥青混合料在不同温度下的“拌和功率—拌和速率”流变图，以160˚C为例，不同沥青混合料的流变图如图1；以70^#基质沥青混合料为例，不同温度下的流变图如图2。分析发现，对于不同沥青混合料在不同温度时，拌和功率随着拌和速率的增大而线性增加，表现为典型的线性黏塑性特性；给定拌和速率下，拌和功率随着拌和温度的升高而显著减小，揭示了温度对黏性的影响。

若记拌和功率为P、拌和速率为V，则各种沥青混合料在给定温度下的拌和流动规律可写为

$P=F+\lambda \cdot V$ (1)

式中： 称为内在塑限，表示图1(或图2)中直线的截距； $\lambda$ 称为广义黏度，表示图1(或图2)中直线的斜率；图1(或图2)即为拌和流变图，也称P-V流变图。

式(1)所描述的拌和流动特性，在物理属性和力学原理上，正好反映了宾汉(Bingham)模型，如图3，说明沥青混合料的拌和流动特性服从Bingham模型，是一种线性黏塑性流动。宾汉模型的本构方程为

$\tau =f+\eta \cdot D$ (2)

式中： $\tau$ 为剪切应力；D为剪切速率；f为材料的内在塑限；η为材料的黏度。

5. 拌和黏度分析

从线性黏塑性流动变形的原理来讲，式(1)中的广义黏度 $\lambda$ 表征了混合料的黏度，为混合料的拌和黏度，直接关联着混合料的拌和和易性。拌和黏度大，和易性差；拌和黏度小，和易性好。沥青混合料的这个拌和黏度称为广义黏度 $\lambda$ [1] ，也可以简称为拌和黏度。

对试验结果(表4)进行线性回归分析(相关系数大于0.99)，得到不同沥青混合料在不同温度下的拌和黏度值见表5。

从表5可以看出：不同沥青混合料的拌和黏度明显不同，与70^#基质沥青混合料相比，SBS改性和橡胶沥青混合料的拌和黏度λ提高了6.0%~30.7%，而两种温拌沥青混合料的拌和黏度λ则降低了5.1%~26.5%；随着温度的升高，沥青混合料的拌和黏度λ初期衰减较快、后期衰减较弱。

混合料的拌和黏度 $\lambda$ ，在本质上起源于沥青的黏度η，因此，二者必然存在某种内在的联系。取

Table 4. Testing result of mixing power (W)

表4. 拌和功率测试结果(W)

Figure 1. Mixing rheogram of different asphalt mixtures (160˚C)

图1. 不同沥青混合料的拌和流变图(160˚C)

Figure 2. Mixing rheogram of 70^# matrix asphalt mixture

图2. 70^#基质沥青混合料的拌和流变图

Figure 3. Bingham model and its rheogram

图3. 宾汉模型及其流变图

Table 5. Mixing viscosity of asphalt mixtures (60 J·r−1)

表5. 沥青混合料的拌和黏度 (60 J·r⁻¹)

Figure 4. Changing rules of mixture’s mixing viscosity with bitumen viscosity. (a) 70^# matrix bitumen and two kinds of warm bitumen; (b) SBS modified bitumen and rubber bitumen

图4. 混合料的拌和黏度随沥青黏度的变化规律。(a) 70^#基质沥青和两种温拌沥青；(b) SBS改性沥青和橡胶沥青

140˚C ~180˚C时沥青的黏度η (表2)和混合料的拌和黏度λ (表5)，可绘制η-λ图，见图4。由于黏度比例相差较大，故绘制成两个图。

从图4可以发现：混合料的拌和黏度λ与沥青的黏度η具有良好的线性相关性，相关系数大于0.97，沥青黏度越大，混合料的拌和黏度也越大。但沥青黏度相同时，不同沥青混合料的拌和黏度却不同，表现为其拌和和易性的不同，反映了沥青种类对混合料和易性的影响。。

6. 拌和和易性分析

沥青混合料的拌和和易性在本质上为混合料的拌和黏度问题，混合料的拌和黏度越小，拌和和易性越好，反之亦然，即混合料的和易性与其拌和黏度λ负相关，可以定义拌和和易性指数( )为拌和黏度λ的倒数的百分率 [1] ，即

$I_w=\frac{100}{\lambda }$ (3)

式中： $I_w$ 的量纲为%； $\lambda$ 的量纲为60J·r⁻¹。

根据式(3)计算不同沥青混合料的和易性指数见表6，并绘制成图5以考察其随温度的变化规律。从表6可以发现，不同沥青混合料的和易性指数明显不同，与70^#基质沥青混合料相比，SBS改性沥青和橡胶沥青混合料的和易性指数降低了5.6%~23.5%，另外两种温拌沥青混合料的和易性指数则提高了5.1%~25.0%。

从图5也可以发现，和易性指数随温度线性增长，相关系数大于0.98，温度越高，和易性指数越大，

Table 6. Workability index of asphalt mixtures (%)

表6. 沥青混合料的和易性指数(%)

Figure 5. Changing rules of workability index with the temperature

图5. 和易性指数随温度的变化规律

混合料拌和和易性越好；当拌和温度由140˚C升高到180˚C时，三种热拌沥青混合料的和易性指数增加幅度为57.0%~69.3%，另外两种温拌沥青混合料增加幅度为32.4%~39.9%；不同沥青混合料的和易性指数的大小排序为：ACMP1 > Evotherm > 70^#基质沥青 > SBS改性 > 橡胶沥青。

7. 结语

1) 沥青混合料的拌和流动特性服从线性黏塑性的宾汉模型，其拌和黏度可用来描述混合料的拌和和易性。

2) 混合料的拌和黏度与沥青的黏度呈良好的正相关性，但沥青黏度相同时，混合料的拌和黏度却不同，表现为其拌和和易性的不同。

3) 为了定量评价沥青混合料的拌和和易性，可引入一个拌和和易性指数，定义为拌和黏度的倒数的百分率。

4) 沥青种类不同，混合料的拌和黏度或和易性也不同，SBS改性沥青和橡胶沥青混合料的和易性较差，温拌沥青混合料的和易性较好。

5) 随着拌和温度的升高，混合料的和易性指数增大；不同沥青混合料的和易性指数大小排序为：ACMP1 > Evotherm > 70^#基质沥青 > SBS改性 > 橡胶沥青。

基金项目

陕西省交通科技项目(17-11K)，四川省交通科技项目(2017-F-01)。

NOTES

^*通讯作者。