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旋轉(zhuǎn)平板粘度法—SBS改性瀝青粘度測(cè)試新方法

導(dǎo)讀:針對(duì)布氏旋轉(zhuǎn)粘度測(cè)試方法（Brookfield Viscosity Test，BV）確定的 SBS 改性瀝青施工溫度過高的問題，提出了使用固定剪切速率的旋轉(zhuǎn)平板粘度（Rotational Plate Viscosity Test，RPV）測(cè)試方法。利


返回列表 來源：未知 發(fā)布日期：2019-09-20 13:47【大 中 小】
大量試驗(yàn)研究表明，參照 AASHTO T312 和我國(guó)公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程中 T 0625 的布氏旋轉(zhuǎn)粘度測(cè)試（Brookfield Viscosity Test，BV）來確定施工溫度（本文中均指瀝青 混合料的拌和、壓實(shí)溫度）的方法，并不適用于 SBS、SBR 等改性瀝青，其得到的拌和與壓 實(shí)溫度均較公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范的建議值偏高，容易引起瀝青的老化和能耗浪費(fèi)的問 題]Mturi G 等指出這是由于 SBS 改性瀝青中的長(zhǎng)鏈交聯(lián)結(jié)構(gòu)造成了其在 150℃以下都會(huì) 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，其粘度會(huì)隨著測(cè)試剪切速率的 升高而降低）。因此，在 SBS 類改性瀝青粘溫特性測(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)的粘度測(cè)試時(shí)，需要頻繁地更換轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速的搭配以滿足傳感 器的量程和精度，但這同時(shí)也改變了測(cè)試的剪切速率，從而顯著影響了測(cè)試結(jié)果。除此之外， 布氏旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)試較低溫度(低于 90℃)的 SBS 改性瀝青時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很明顯的爬桿效應(yīng)（非 牛頓流體中粘彈性流體可能具有的特征），即瀝青會(huì)由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)不斷攀高，粘附在轉(zhuǎn)子 的連接桿上，導(dǎo)致測(cè)試無法正常進(jìn)行。NCHRP 9-10 Superparve 提出了慢速剪切粘度（LSV） 和零剪切粘度（ZSV）來確定改性瀝青的施工溫度。但瀝青混合料在拌和、碾壓時(shí)面臨的并 不是慢速剪切過程，因此，LSV 和 ZSV 與實(shí)際的施工狀態(tài)不符，也并未在我國(guó)的工程領(lǐng)域 取得應(yīng)用。而對(duì)于添加溫拌劑后 SBS 改性瀝青的粘溫特性變化檢測(cè)，布氏旋轉(zhuǎn)粘度由于剪切 速率的不可控制性導(dǎo)致試驗(yàn)具有較大的隨意性[在我國(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，然后通過檢驗(yàn)相應(yīng)混合料體 積參數(shù)來進(jìn)一步優(yōu)化溫拌劑的摻量，但這會(huì)產(chǎn)生巨大試驗(yàn)量且不能精確地刻畫溫拌劑的降 粘性能。

針對(duì)現(xiàn)有的粘度測(cè)試方法很難適用于 SBS 改性瀝青，也很難做到高效準(zhǔn)確的對(duì)溫拌劑的 降粘性能做出評(píng)價(jià)，因此，本研究提出基于動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）并采用固定剪切速率的瀝 青旋轉(zhuǎn)平板表觀粘度測(cè)試方法（Rotational Plate Viscosity Test，RPV）。本文對(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 改性瀝青粘度測(cè)試中的結(jié)果；詳細(xì) 闡述 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) 于 SBS 改性瀝青的降粘評(píng)價(jià)提供一種行之有效的解決方案。

SBS 改性瀝青的粘溫特性

瀝青是一種典型的粘彈性材料，在高溫和長(zhǎng)期荷載下，會(huì)表現(xiàn)出明顯的粘流特性，但在低溫和短期荷載下，會(huì)表現(xiàn)出更多的彈性性能。瀝青混合料在生產(chǎn)和施工過程中，其加熱溫度一 般都高于其使用瀝青的軟化點(diǎn)，體現(xiàn)出粘性流動(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，即粘度值僅受溫度 影響，這意味著在相同溫度下，無論測(cè)試剪切速率的大小，粘度測(cè)試值基本恒定。
SBS 改性瀝青與基質(zhì)瀝青不同，從其軟化點(diǎn)至 180℃左右，都會(huì)表現(xiàn)出很強(qiáng)的非牛頓流體 特性，其粘度值受到溫度和測(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粘度值。進(jìn)一步的，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。而 SBS 改性瀝青屬于假塑性流體，即在相同溫度下，測(cè)試剪切速率 增加，被測(cè)流體的粘度減小（通常稱為剪切變稀特性）。其特性如圖 1 所示[4]。因此，通過 BV 方法測(cè)試 SBS 改性瀝青得到的粘度又被稱為表觀粘度（當(dāng)剪切速率為 0 時(shí)，才為該流體的絕 對(duì)粘度，但不能直接通過測(cè)試得到，在本文中，所有測(cè)試的粘度均為表觀粘度，后簡(jiǎn)稱粘度）， 這并不是瀝青真實(shí)的粘度，而是在某一剪切速率下表現(xiàn)出的粘度。
正如引言中指出的，使用 BV 方法確定 SBS 改性瀝青的粘溫曲線時(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 BV 方法預(yù)測(cè)的施工溫度偏大（這一點(diǎn)將在 3.3 中通 過實(shí)例進(jìn)行詳解）。因此，解決 SBS 改性瀝青粘度測(cè)試問題的關(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。

固定剪切速率的旋轉(zhuǎn)平板粘度測(cè)試方法

團(tuán)隊(duì)開發(fā)的基于動(dòng)態(tài)剪切流變儀（Dynamic Shear Rheometer, DSR）25mm 旋轉(zhuǎn)平板的瀝 青表觀粘度測(cè)試方法（RPV）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。
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，避免造成儀器損傷和瀝青外流導(dǎo)致測(cè)試錯(cuò)誤。以本研究采用的 DHR-2 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)瀝青的粘度高于 0.1 Pa?s 時(shí)(對(duì)應(yīng) SBS 改性 瀝青的溫度約為 200℃左右)測(cè)試可以正常進(jìn)行。但粘度低于 0.1Pa?s 后，容易出現(xiàn)瀝青流出平 板的情況，從而影響測(cè)試的準(zhǔn)確性；另一方面，傳感器的最大扭矩量程限制也規(guī)定了被測(cè)瀝青 的粘度應(yīng)低于 250 Pa?s (對(duì)應(yīng) SBS 改性瀝青的溫度約為 60℃左右)。因此，對(duì)于 SBS 改性瀝青 的測(cè)試溫度宜控制在 60-200℃之間。在試件的安裝和測(cè)試的過程中也應(yīng)注意溫度應(yīng)低于瀝青 的軟化點(diǎn)；若開展變溫測(cè)試，也應(yīng)從低溫進(jìn)行至高溫。

試驗(yàn)與結(jié)果

了滿足測(cè) 試的量程和精度，BV 方法就必須在溫度變化的測(cè)試過程中多次改變轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速。以本研究中 選用的 SBS 瀝青為例，從 90℃-150℃，BV 測(cè)試先后改變了 3 次轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速搭配，剪切率從 1.4s1 變化至 5.6 s-1 至 9.3 s-1，但均小于 RPV 采用的 25 s-1，因此，在 150℃以下，BV 測(cè)試得到粘 度值要高于 RPV 方法，其粘溫曲線的位置也更高，且溫度越低曲率越大，兩種測(cè)試的結(jié)果表 現(xiàn)出顯著差異（p＜0.05），如圖 5 所示。超過 150℃后，雖然 BV 方法又改變過兩次搭配（對(duì) 應(yīng)剪切率為 18.6 s-1和 46.5 s-1），但是測(cè)試的粘度值與 RPV 方法的結(jié)果差異已經(jīng)不大（p≥0.05）。 除此之外，在圖 5 中，采用 BV 方法測(cè)試得到的多溫度點(diǎn)的 SBS 改性瀝青的粘溫關(guān)系在 半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下是一條明顯曲線，并不能由兩個(gè)或三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)確定的直線所替代。因此，參照 AASHTO T312 規(guī)范，通過 BV 測(cè)試方法得到兩個(gè)至三個(gè)溫度點(diǎn)的粘度，而后在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系 下擬合粘溫曲線的做法，將面臨粘度數(shù)據(jù)信息缺失而導(dǎo)致粘溫曲線形狀失真的風(fēng)險(xiǎn)，據(jù)此粘 溫曲線來判斷 SBS 改性瀝青的施工溫度是不合理的。而 RPV 方法能控制粘度測(cè)試的剪切速 率始終保持在固定值，并通過多溫度點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)描繪出信息量更完整的瀝青粘溫曲線用于 施工溫度預(yù)測(cè)，除去了剪切速率這一變量帶來的影響，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)。
正如前文試驗(yàn)中所描述的：BV 方法在測(cè)試中要及時(shí)的更換轉(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，BV 方法恒溫時(shí)間較長(zhǎng)，約為 40min，轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn) 后達(dá)到讀數(shù)時(shí)亦需要耗費(fèi)約 20min。確定粘溫曲線（2 個(gè)溫度點(diǎn)）耗時(shí)超過 2h。目前，我國(guó)大 量道路工程材料試驗(yàn)室內(nèi)配備的均為 NDJ-1 型布氏旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，該儀器的有效粘度測(cè)試范圍 約 0.02Pa.s-200 Pa?s[14]。因此，對(duì)于 SBS 改性瀝青的粘度測(cè)試而言，在考慮其在 90℃以下會(huì) 出現(xiàn)爬桿效應(yīng)后[6]進(jìn)行可操作溫度計(jì)算可知：BV 方法的實(shí)際有效的測(cè)試溫度范圍為 90-220℃。 此外，BV 方法由于不能對(duì)變溫測(cè)試過程中的剪切速率控制，導(dǎo)致其判斷出的 SBS 改性瀝 青混合料拌和壓實(shí)溫度均偏高，導(dǎo)致瀝青老化和能耗浪費(fèi)。用這種方法來衡量溫拌劑對(duì)于 SBS 瀝青的粘度改變，會(huì)弱化溫拌劑的降粘降溫效果，使溫拌劑不能充分發(fā)揮降低施工溫度，節(jié)能 減排，減小瀝青的老化程度的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

(1)本研究提出的平板旋轉(zhuǎn)粘度測(cè)試方法（Rotational Plate Viscosity Test，RPV）采用固定 剪切速率，解決了布氏旋轉(zhuǎn)粘度測(cè)試方法（Brookfield Viscosity Test，BV）進(jìn)行 SBS 改性瀝青 的粘溫曲線測(cè)試過程中，不能使用同一剪切速率而導(dǎo)致預(yù)測(cè)施工溫度（拌和溫度和壓實(shí)溫度） 偏高的問題。
(2)分別使用 RPV 和 BV 方法確定三種溫拌-SBS 改性瀝青混合料拌合與壓實(shí)溫度，并利用 其指導(dǎo)其他條件相同的馬歇爾試件制作。雖然所有試件的空隙率均滿足規(guī)范要求，但 BV 方 法確定的各瀝青施工溫度降低幅度均比 RPV 方法的小 50%，這意味著其通過 BV 方法確定的 施工溫度低估了溫拌劑的降粘能力，不能真正發(fā)揮出溫拌劑的節(jié)能減排的優(yōu)勢(shì)，也容易造成 瀝青的老化。
(3)使用 RPV 和 BV 方法分別測(cè)試 70#基質(zhì)瀝青 10℃升溫梯度下的粘溫曲線，利用雙樣本 異方差的 t 檢驗(yàn)方法對(duì)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（顯著性水平 ?=0.05 ）可得：當(dāng)溫度大于 102℃ 時(shí)，RPV 與 BV 方法給出的粘溫曲線沒有顯著差異（p-value≥0.05），且 RPV 測(cè)試方法的數(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)試方法代 替 BV 測(cè)試。
(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)子轉(zhuǎn)速更換問題。RPV 方法可以作為一種更高效準(zhǔn)確的粘度測(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。