SBS改性瀝青的黏溫特性研究

李寧利 李鐵虎 陳華鑫 張爭奇

西北工業(yè)大學(xué) 陜西西安710072 長安大學(xué) 陜西西安710064

引言

    黏度是表征瀝青材料黏滯性的一種性能參數(shù)，反映瀝青在發(fā)生流動時內(nèi)部分子間摩擦阻力的大小，其大小與瀝青路面的力學(xué)行為關(guān)系密切，如果要防止路面產(chǎn)生車轍病害，合理選擇瀝青黏度是十分重要的。由于改性瀝青與普通基質(zhì)瀝青的黏度特性裙差較大，因此以往用于評價基質(zhì)瀝青黏度一溫度變化特性的研究方法，都不能直接應(yīng)用于改性瀝青。為此本文主要通過研究改性瀝青的黏溫特性，討論影響改性瀝青黏度的主要因素，確定出測試改性瀝青黏度的合理方法，為確定改性瀝青混合料施工溫度提供參考依據(jù)。

1、改性瀝青的高溫流變特性

    瀝青是一種黏彈性材料，力學(xué)特性隨著溫度和加荷時間的不同而不同。在高溫和長時間荷載作用下，表現(xiàn)出黏流性特征；在低溫和短時荷載作用時，表現(xiàn)出彈性特征。而通常，瀝青材料在一般溫度和荷載作用時，表現(xiàn)出復(fù)雜的黏彈性質(zhì)。由于本文主要研究 SBS改性瀝青的施工特性，而瀝青在加工和施工應(yīng)用過程中均處于高溫狀態(tài)，所以，這里研究的瀝青流變特性主要是討論瀝青處于高溫狀態(tài)下的情況。

    黏度是由流體內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)之間的引力形成內(nèi)摩擦，從而在外部表現(xiàn)為抵抗流體流動的能力。因此它間接地反映了流體分子結(jié)構(gòu)及其分布狀態(tài)。在高于瀝青軟化點的溫度范圍內(nèi)，瀝青結(jié)合料主要體現(xiàn)了黏性流動的特性，其中最為理想的流動形態(tài)是牛頓層流流體。牛頓流體是流體的幾種流動特性之一，其流變曲線如圖1，圖l(a)表示剪應(yīng)力和剪切速率是直線關(guān)系，圖l(b)表示隨著剪切速率的變化，黏度值是一個常數(shù)。在高溫下，基質(zhì)瀝青可看作牛頓流體，這就意味著在一個給定的溫度下，不管選用哪種黏度模型或變形速率測試黏度，牛頓流體的黏度均為常數(shù)。

    改性瀝青屬于非牛頓流體。從廣義上說，非牛頓流體是指剪應(yīng)力與剪切速率的比值不是常數(shù)，也就是隨著剪切速率的變化，剪應(yīng)力以不同的比例變化。所以這種流體的黏度是隨著剪切速率的變化而變化。

    非牛頓流體的流變特性有很多種，最常見的類型有擬塑性、膨潤性和塑性。

    擬塑性就是隨著剪變率的增加，流體黏度減小，如圖2所示，許多改性瀝青表現(xiàn)出這種流變特性。擬塑性也稱為剪切變稀特性。

    膨潤性就是隨著剪變率的增加，流體黏度增加。膨滑眭也稱為剪切變稠特性。膨潤性的流變特性曲線如圖3所示。

    塑性流體在靜置狀態(tài)下具有固體的特性，當(dāng)施加的外力超過流體的屈服力時，流體將開始流動，塑性流體的流變特性如圖4所示。

    由于改性瀝青的黏度特性因聚合物改性劑的加入而發(fā)生改變，并在較高的溫度下均處于非牛頓流體狀態(tài)(通常處于剪切變稀狀態(tài))，因此，采用何種測試手段來確定改性瀝青的黏度是目前我們所關(guān)心的問題。

   圖1牛頓流體流變特性曲線                     圖2擬塑性流體流變特性曲線

圖3膨潤性流體流變特·性曲線         圖4塑性流體流變特性曲線

2、瀝青黏度的測試方法   

    由于測定牛頓流體的剪切黏度設(shè)備很多，如落球黏度計、毛細(xì)管黏度計、同軸圓筒黏度計、旋轉(zhuǎn)流變儀、旋轉(zhuǎn)黏度計等測試設(shè)備。在早期的瀝青黏度測試中，主要選用毛細(xì)管黏度計和旋轉(zhuǎn)黏度計兩種類型。最初美國SHRP計劃中，曾考慮采用毛細(xì)管黏度計，但考慮到瀝青在施工過程中不是一種慢速剪切模式，因此在后期的研究中美國SHRP計劃采用了旋轉(zhuǎn)黏度計進(jìn)行瀝青黏度的測試，而由于Brookfield旋轉(zhuǎn)黏度計在美國非常普及，因此SHRP計劃中規(guī)定采用該設(shè)備作為瀝青黏度的測試設(shè)備。

    影響旋轉(zhuǎn)黏度測試結(jié)果的主要因素有：旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的大小(即轉(zhuǎn)子型號)、旋轉(zhuǎn)速度(轉(zhuǎn)速或剪切速率)、試驗溫度和試樣的容積等。對于Brookfield黏度計而言，都是采用統(tǒng)一的試樣管進(jìn)行盛樣，如果試樣的容積基本一致，則可不考慮試樣容積的影響。因此，只需考慮旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)速和試驗溫度的影響。目前測試瀝青黏度的試驗方法都是參照SHRP方法，但根據(jù)各國的實際情況可能稍有不同。

    (1)美國SHRP戰(zhàn)略公路研究計劃推薦方法

    美國SHRP計劃推薦采用Brookfield旋轉(zhuǎn)黏度計方法(ASTM D 4402)測定不同溫度下瀝青的黏度，并在其瀝青結(jié)合料性能規(guī)范中提出135℃的黏度不得超過3 Pa·s，以控制改性瀝青的施工性能。瀝青結(jié)合料黏度與結(jié)合料類型、剪變率和儀器參數(shù)有關(guān)，其計算方法中考慮3個儀器參數(shù)跚，計算式為：

    式中：η為黏度(cp)；n為轉(zhuǎn)速(r/min)；kl為扭矩常數(shù)，其大小與黏度計類型有關(guān)，如表l所示；k2為轉(zhuǎn)子體積常數(shù)，如表2所示;S為剪變率(1/s)；k3為轉(zhuǎn)子剪變率常數(shù)，如表2所示；F′為剪應(yīng)力(N/m²)；T為扭矩百分?jǐn)?shù)，是黏度計數(shù)顯面板或計算機(jī)軟件顯示的數(shù)據(jù)，為黏度計全部量程的百分比。由于改性瀝青的非牛頓流體特陛，試驗中除了要知道試驗溫度外，還需要知道轉(zhuǎn)子的型號、轉(zhuǎn)速等試驗參數(shù)才能得到該溫度下改性瀝青黏度值的大小。比如試驗中采用S27轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為20RPM，實際上試驗剪切速率為S=nk3=20X0.34=6.8(1/s)。

    (2)我國旋轉(zhuǎn)黏度的測試方法

    我國采用Brookfield旋轉(zhuǎn)黏度計測試瀝青的黏度時，一般有兩種做法：一種是參照美國做法，采用S27轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為20 RPM(剪切速率為6.8(1/s))，要求試驗中顯示的扭距百分?jǐn)?shù)介于10％～98％之間，否則應(yīng)變換轉(zhuǎn)子或轉(zhuǎn)速按照η=(100/n)k1k2T進(jìn)行換算。在整個黏度測量過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)子選定時，不能改變設(shè)定的轉(zhuǎn)速，也就是說，不能改變剪變率。另一種是在測定一定溫度下瀝青的黏度時，不規(guī)定轉(zhuǎn)速的大小和轉(zhuǎn)子的型號，將能夠使扭矩百分?jǐn)?shù)最大時的黏度值作為該溫度下瀝青的黏度值，因為扭矩百分?jǐn)?shù)越大，試驗誤差越小，精度越高。這種做法的缺點就是試驗的隨意性太大。

表1扭矩常數(shù)k。

表2轉(zhuǎn)子體積常數(shù)k2和剪變率常數(shù)k3

3、不同SB8改性瀝青黏度的變化規(guī)律

    為了研究SBS改性瀝青的黏度變化特性，本文采用美國Brookfield DV—II+型旋轉(zhuǎn)黏度計對SK改性瀝青、東海改性瀝青和蘭煉改性瀝青在不同溫度和不同剪切速率下的黏度進(jìn)行了測試，其改性瀝青配方見表3。首先采用S21轉(zhuǎn)子、20RPM測試不同溫度下各改性瀝青的黏度，其試驗結(jié)果如表4所示。并對其黏度隨溫度的變化進(jìn)行了指數(shù)回歸，其曲線如圖5所示。

    由圖5可知，通過分析三種改性瀝青在S21轉(zhuǎn)子和20RPM條件下測試的黏度與溫度之間的關(guān)系可以看出，隨著溫度升高，改性瀝青黏度降低，其中SK改性瀝青降低幅度最小，東海改性瀝青降低幅度最大。表4的指數(shù)回歸表明，在高溫時，改性瀝青黏度與溫度之間仍符合指數(shù)關(guān)系，但是相關(guān)系數(shù)略小于基質(zhì)瀝青，表明改性瀝青黏度的常用對數(shù)log(η)與溫度T之間，具有一定的非線性關(guān)系，不像基質(zhì)瀝青黏度與溫度間基本符合log(η)=AT+K的線性關(guān)系。

表3各改性瀝青配方

    為了進(jìn)一步分析改性瀝青的非線性特性，測試了SK改性瀝青、東海改性瀝青和蘭煉改性瀝青在1 20℃、135℃、l50℃時瀝青黏度與剪切速率之間的關(guān)系，試驗結(jié)果如表5和圖6～圖8所示。

表4不同溫度下各改性瀝青的黏度試驗結(jié)果(S21，20RPM)

        圖5改性瀝青黏度與溫度關(guān)系曲線              圖6 SK改性瀝青黏度一剪切速率關(guān)系曲線

表5不同剪切速率下改性瀝青的黏度試驗結(jié)果

        圖7東海改性瀝青黏度一剪切速率關(guān)系曲線          圖8蘭煉改性瀝青黏度一剪切速率關(guān)系曲線

    由圖6～圖8可知，當(dāng)剪切速率小于20(1/s)時，SK改性瀝青、東海改性瀝青和蘭煉改性瀝青在120 °C時的黏度值隨著剪切速率的增加而減小，不過減小的幅度逐漸降低，表現(xiàn)為剪切變稀。但當(dāng)剪切速率約高于20(1/s)后，黏度隨剪切速率的變化幅度不太明顯。在試驗溫度由120 °C向150 °C轉(zhuǎn)變的過程中，黏度受剪切速率的影響逐漸減小，表明此時改性瀝青已逐漸向牛頓流體轉(zhuǎn)變。因此，對改性瀝青而言，在較低溫度下采用何種剪切速率進(jìn)行試驗測試將影響?zhàn)ざ仍囼灲Y(jié)果。通常按照基質(zhì)瀝青的測試方法測出的黏度值偏高，如120。CSK改性瀝青按照普通瀝青6.8(1/s)的剪切速率測得的黏度值為3376.3cp，而在剪切速率為17(1/s)時測得的改性瀝青黏度為2530cp，二者相差846.3cp，當(dāng)用黏溫曲線確定改性瀝青的施工溫度時，這種差異表現(xiàn)非常明顯引，這就是為什么目前改性瀝青采用普通瀝青施工溫度確定方法得出的施工溫度偏高的主要原因。但在高溫情況下，試驗剪切速率對改性瀝青的黏度影響不大，所以在較高溫度時可參照基質(zhì)瀝青的測試方法進(jìn)行試驗測試。

    總之，對于改性瀝青在較低溫度段內(nèi)，其黏溫特性表現(xiàn)為擬塑性，具有剪切變稀特性，剪切速率對黏度的影響較大；在高溫階段，改性瀝青的黏溫特性基本符合牛頓流體特性，剪切速率對黏度的影響降低。美國NCHRP 9—10Superpave改性瀝青膠結(jié)料體系草案中也認(rèn)為改性瀝青黏度對剪切速率的依賴性是其顯著特點，而且是溫度的函數(shù)。該報告還提出采用零剪切黏度(ZSV)或慢速剪切黏度(LSV)來確定改性瀝青的施工溫度。本文認(rèn)為采用零剪切黏度或慢速剪切黏度來確定改陛瀝青施工溫度不太恰當(dāng)，因為瀝青混合料拌和、碾壓成型等施工過程并不是一個慢速剪切過程，正如當(dāng)初美國SHRP研究計劃中采用旋轉(zhuǎn)黏度計，而不用毛細(xì)管黏度計進(jìn)行瀝青黏度測試一樣。他們認(rèn)為毛細(xì)管黏度計是一種慢速剪切過程，與實際施工狀況不符。

4、結(jié)論

    通過三種SBS改性瀝青黏度試驗比較，得出了改性瀝青的黏溫特性，主要體現(xiàn)在：

    (1)改性瀝青的黏度與試驗條件關(guān)系密切，一般受旋轉(zhuǎn)黏度計的試驗轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、試驗溫度等因素的影響，當(dāng)考慮改性瀝青旋轉(zhuǎn)黏度時，應(yīng)與相應(yīng)的試驗條件對應(yīng)。

    (2)對于SBS改性瀝青來說，當(dāng)溫度低于l50℃時，黏度對溫度的依賴性很大，但是當(dāng)溫度高于150℃時，黏度對溫度的依賴性逐漸減小。

    (3)SBS改性瀝青的黏度值對剪切速率的依賴性非常明顯，特別是在較低溫度下。當(dāng)溫度逐漸升高后，黏度對剪切速率的依賴性逐漸降低。因此以何種剪切速率測試SBS改性瀝青的黏度，這對確定SBS改性瀝青的施工溫度至關(guān)重要。

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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)