旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)影響因素與粘溫曲線繪制研究*

王文濤　羅　蓉　馮光樂　王麗靜

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1)　武漢　430063)　(湖北省交通廳工程質(zhì)量監(jiān)督局2)　武漢　430014) (湖北長(zhǎng)江路橋股份有限公司3)　武漢　430212)

旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)影響因素與粘溫曲線繪制研究*

王文濤1)羅蓉1)馮光樂2)王麗靜3)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1)武漢430063)(湖北省交通廳工程質(zhì)量監(jiān)督局2)武漢430014) (湖北長(zhǎng)江路橋股份有限公司3)武漢430212)

摘要：為研究旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)各參數(shù)變化及試驗(yàn)關(guān)鍵操作對(duì)瀝青粘度的影響，通過采用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，對(duì)SBS改性瀝青和70#基質(zhì)瀝青用不同轉(zhuǎn)子、不同轉(zhuǎn)速在不同溫度下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)，并比選2種粘溫曲線繪制方法，探究試驗(yàn)溫度點(diǎn)個(gè)數(shù)及參數(shù)變化對(duì)粘溫曲線的影響.結(jié)果表明，線性對(duì)數(shù)函數(shù)能更好擬合粘溫曲線，且2個(gè)試驗(yàn)溫度點(diǎn)即可較好確定粘溫曲線，轉(zhuǎn)子型號(hào)及轉(zhuǎn)速等參數(shù)改變對(duì)曲線繪制影響不大.

關(guān)鍵詞：道路工程；旋轉(zhuǎn)粘度；粘溫曲線；影響因素；改性瀝青

0引言

旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)用于測(cè)定道路瀝青的表觀粘度，由此繪制的粘溫曲線可確定適用于瀝青混合料的拌和溫度及壓實(shí)溫度，從而為瀝青面層施工以及質(zhì)量保障提供數(shù)據(jù)參考.因此，粘溫曲線所確定施工溫度的精確性是與旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)準(zhǔn)確性緊密相關(guān).

旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)測(cè)得粘度屬條件性指標(biāo)，其結(jié)果受試驗(yàn)條件影響較大.影響因素主要有2個(gè)部分：(1) 試驗(yàn)操作性因素；(2) 轉(zhuǎn)子型號(hào)、轉(zhuǎn)速等試驗(yàn)可調(diào)控參數(shù)(簡(jiǎn)稱“可控參數(shù)”).文獻(xiàn)[1]提出：“在整個(gè)測(cè)試瀝青旋轉(zhuǎn)粘度過程中，不得隨意改變?cè)O(shè)定的轉(zhuǎn)速，并且要求設(shè)備轉(zhuǎn)矩百分比應(yīng)在10%～98%范圍內(nèi)”，但實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)，部分轉(zhuǎn)子在較低溫度(如135 ℃)能夠滿足轉(zhuǎn)矩范圍要求，卻在較高溫度(如175 ℃)無論怎樣調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速均無法滿足要求.因此，有必要就轉(zhuǎn)子型號(hào)、轉(zhuǎn)速等對(duì)旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)的具體影響展開深入研究，為確保試驗(yàn)順利開展，以及獲得準(zhǔn)確粘溫?cái)?shù)據(jù)提供依據(jù).

此外，文獻(xiàn)[2-3]針對(duì)粘溫曲線的繪制提出了線性對(duì)數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)2種方法，卻未對(duì)二者擬合效果作比選.由于瀝青在較低溫度(如135 ℃)時(shí)的粘度受溫度影響較大，因此思考僅通過2個(gè)試驗(yàn)溫度點(diǎn)繪制粘溫曲線是否能夠準(zhǔn)確真實(shí)反映出瀝青的粘溫變化規(guī)律，還有轉(zhuǎn)子型號(hào)及轉(zhuǎn)速改變對(duì)粘溫曲線的影響程度，這些問題對(duì)繪制瀝青粘溫曲線以及確定準(zhǔn)確施工溫度至關(guān)重要.

1試驗(yàn)方案

為探究轉(zhuǎn)子型號(hào)、轉(zhuǎn)速等可控參數(shù)對(duì)旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響規(guī)律，本文分別選用潛江至石首高速公路(簡(jiǎn)稱“潛石高速”)SBS改性瀝青和谷城至竹溪高速公路(簡(jiǎn)稱“谷竹高速”)70#基質(zhì)瀝青進(jìn)行試驗(yàn).分別采用21#，27#，28#，29#轉(zhuǎn)子，依次在135，155，175 ℃試驗(yàn)溫度下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)，轉(zhuǎn)速為20 r/min和50 r/min，每種轉(zhuǎn)子均設(shè)置對(duì)照組試驗(yàn).

2可控參數(shù)變化影響程度分析

2.1溫度對(duì)瀝青粘度的影響分析

圖1～2分別為各轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速下，溫度變化對(duì)SBS改性瀝青和70#基質(zhì)瀝青粘度的影響.從圖中可看出，在某一轉(zhuǎn)速下，各轉(zhuǎn)子的瀝青粘度隨著溫度升高而降低，且轉(zhuǎn)子型號(hào)、轉(zhuǎn)速對(duì)粘度的影響相較于溫度的影響程度要小很多.此外，觀察斜率可以發(fā)現(xiàn)，粘度隨溫度升高的減小程度是逐漸變?nèi)醯?，說明當(dāng)溫度上升到一定值時(shí)，改性瀝青的粘度值改變量將逐步減小，說明改性瀝青非牛頓性質(zhì)逐漸減弱.

圖1　SBS改性瀝青粘度隨溫度變化情況(20 r·min-1)

圖2　70#基質(zhì)瀝青粘度隨溫度變化情況(50 r·min-1)

2.2轉(zhuǎn)速對(duì)瀝青粘度的影響分析

以27#轉(zhuǎn)子為例，分析轉(zhuǎn)速在不同試驗(yàn)溫度下對(duì)兩種瀝青粘度的影響，見圖3～4.從圖中可知：(1) 轉(zhuǎn)速增大，對(duì)各溫度下瀝青粘度大致呈下降趨勢(shì)，并能明顯增大轉(zhuǎn)矩百分比.(2) 135 ℃與155 ℃間隔遠(yuǎn)大于155 ℃與175 ℃間隔，即明顯說明隨著溫度的升高，溫度對(duì)粘度的影響程度逐漸降低.

圖3　SBS改性瀝青粘度隨轉(zhuǎn)速變化情況(27#)

圖4　70#基質(zhì)瀝青粘度隨轉(zhuǎn)速變化情況(27#)

2.3轉(zhuǎn)子型號(hào)對(duì)瀝青粘度的影響分析

分析轉(zhuǎn)子型號(hào)在不同試驗(yàn)溫度下對(duì)2種瀝青粘度的影響，見圖5～6.從圖中可知，在某一轉(zhuǎn)速水平下，瀝青粘度在各溫度下隨轉(zhuǎn)子型號(hào)的增大而大致呈上升趨勢(shì)，但其對(duì)瀝青粘度影響程度不是太大[4]，且轉(zhuǎn)矩百分比隨轉(zhuǎn)子型號(hào)增大而呈明顯減小趨勢(shì).

圖5　SBS改性瀝青粘度隨轉(zhuǎn)子型號(hào)變化情況(20 r·min-1)

圖6　70#基質(zhì)瀝青粘度隨轉(zhuǎn)子型號(hào)變化情況(50 r·min-1)

3試驗(yàn)操作影響因素分析

3.1瀝青試樣加入量

盛樣筒內(nèi)瀝青試樣灌入量的不同會(huì)影響粘度測(cè)量值.瀝青試樣越多，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩阻力增大，測(cè)定的粘度值增大.有研究對(duì)瀝青試樣加入量根據(jù)不同轉(zhuǎn)子的型號(hào)給出建議參考值，但在實(shí)際操作過程中，通過稱取質(zhì)量或者量取體積的方法耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，由于瀝青試樣溫度散失較快，以此來控制試樣加入量不太現(xiàn)實(shí).因此，有必要形成統(tǒng)一的控制標(biāo)準(zhǔn)，以方便試驗(yàn)操作.

實(shí)際上，可按轉(zhuǎn)子浸入瀝青試樣的體積大小來控制，即每次操作時(shí)都將轉(zhuǎn)子浸入至某一刻度位置，轉(zhuǎn)子浸入直至其桿刻度處于盛樣筒頂部平齊，此時(shí)瀝青試樣液面正好達(dá)至盛樣筒外壁刻度處左右(非盛樣筒溢流槽口).

3.2溫度校核

考慮到旋轉(zhuǎn)粘度主機(jī)與加熱爐控制器的顯示屏均有溫度顯示，為確保試驗(yàn)控溫準(zhǔn)確，對(duì)于新設(shè)備或者長(zhǎng)時(shí)間未用的設(shè)備，有必要用標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)進(jìn)行溫度校核.將標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)插入加熱爐進(jìn)行測(cè)溫，達(dá)到設(shè)定溫度后，以標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)讀數(shù)與加熱爐控制器顯示溫度的差值，作為溫度補(bǔ)償值.標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)讀數(shù)與加熱爐控制器設(shè)定溫度值均為135 ℃，說明本試驗(yàn)所采用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)具有較好的控溫精度.

3.3初選轉(zhuǎn)子

對(duì)于未知粘度的待測(cè)試樣，可先用29#轉(zhuǎn)子大概測(cè)得其粘度值，在參考各轉(zhuǎn)子的滿量程來選擇合適的轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速，見表1.例如，用29#轉(zhuǎn)子測(cè)本試驗(yàn)SBS改性瀝青在50 r·min-1、135 ℃的粘度值為2 465 mPa·s，觀察表1中50 r·min-1所在行可知，21#轉(zhuǎn)子會(huì)超量程，27#轉(zhuǎn)子約占用50%量程，28#轉(zhuǎn)子約占用25%量程，因此在50 r·min-1、135 ℃條件下可考慮選用27#轉(zhuǎn)子.

表1　各型號(hào)轉(zhuǎn)子在各轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的滿量程

3.4其他因素

瀝青樣品倒入盛樣筒前需進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，以避免瀝青樣品由于在烘箱內(nèi)久置而出現(xiàn)上下層組分分離[5-6].試驗(yàn)開始前，需將試驗(yàn)主機(jī)及加熱爐調(diào)整水平，避免試驗(yàn)過程中，轉(zhuǎn)子與盛樣皿內(nèi)壁碰撞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)波動(dòng)較大而影響試驗(yàn)結(jié)果.此外，需注意將盛樣筒底部對(duì)準(zhǔn)插入加熱爐凹槽內(nèi)固定，避免容器在加熱爐內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng).

4粘溫曲線繪制研究

4.1粘溫曲線擬合方程比選

國(guó)內(nèi)外規(guī)范對(duì)于瀝青粘溫曲線繪制總體上來說有兩種方法，具體如下.

1) 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)和ASTM D2493/D2493M-09均采用直線進(jìn)行回歸擬合.其中，縱坐標(biāo)為粘度取雙對(duì)數(shù)(Pa·s)，橫坐標(biāo)為溫度轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃W(xué)溫度后取對(duì)數(shù)(℃)，擬合方程如下.

lglg(η×1 000)=n-m×lg(t+273.13)

式中：m為斜率；n為截距.

2) 《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范實(shí)施手冊(cè)》(JTG F40-2004)示例中是采用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行回歸擬合.其中，縱坐標(biāo)即為粘度(Pa·s)，橫坐標(biāo)即為溫度(℃)，擬合方程如下.

擬合方程待確定系數(shù)為系數(shù)b，底數(shù)m，其中m=en.

針對(duì)各轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速下測(cè)得135，155，175 ℃的SBS改性瀝青粘度數(shù)據(jù)進(jìn)行粘溫曲線繪制，分別按照線性對(duì)數(shù)函數(shù)和指數(shù)函數(shù)進(jìn)行回歸擬合，以27#轉(zhuǎn)子為例，將擬合方程參數(shù)以及對(duì)應(yīng)施工溫度匯總于表2.

由表2可見，就擬合程度R2來看，均是線性對(duì)數(shù)函數(shù)相較于指數(shù)函數(shù)具有更好的擬合效果；

表2　2種函數(shù)擬合粘溫曲線數(shù)據(jù)分析匯總

由此可以看出，我國(guó)試驗(yàn)規(guī)程推薦的選取線性對(duì)數(shù)函數(shù)進(jìn)行粘溫曲線擬合能達(dá)到更好的擬合效果.

以27#轉(zhuǎn)子50 r·min-1試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性對(duì)數(shù)函數(shù)回歸擬合所確定施工溫度進(jìn)行分析，得到SBS改性瀝青的拌和溫度為200.5～208.8 ℃，壓實(shí)溫度為184.9～191.5 ℃，明顯超出《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的要求，說明采用布氏旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)方法確定改性瀝青施工溫度是明顯偏高的，針對(duì)改性瀝青施工溫度的具體確定方法還有待作進(jìn)一步研究[7-9].規(guī)范給出的建議是，按照工程經(jīng)驗(yàn)，考慮工程實(shí)際情況，綜合確定改性瀝青混合料的施工溫度.

4.2溫度點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)粘溫曲線影響分析

在較低溫度時(shí)，瀝青粘度對(duì)溫度的依賴性較大，并且該依耐性會(huì)隨著溫度的增加而逐漸降低.據(jù)此，相較于規(guī)范要求的2點(diǎn)確定粘溫曲線，為提高粘溫曲線繪制的準(zhǔn)確度，可考慮將試驗(yàn)溫度測(cè)點(diǎn)增加到3個(gè)以上.選取扭矩百分比滿足10%～98%范圍要求的21#轉(zhuǎn)子試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別采用135，175 ℃ 2點(diǎn)，以及135，155，175 ℃ 3點(diǎn)來繪制粘溫曲線，將線性對(duì)數(shù)擬合方程的擬合參數(shù)以及對(duì)應(yīng)施工溫度匯總見表3.

由表3可見：

1) 就擬合程度R2來看，2點(diǎn)確定粘溫曲線為R2=1，3點(diǎn)所確定R2小于1，說明3點(diǎn)所確定粘溫曲線更能夠比較真實(shí)的反映出瀝青粘度隨溫度的變化情況.

表3　擬合方程的擬合參數(shù)對(duì)應(yīng)的施工溫度匯總表

2) 就施工溫度來看，2點(diǎn)所確定粘溫曲線相較于3點(diǎn)具有稍高的施工溫度，平均高出0.3 ℃左右.

綜合來看，雖然3點(diǎn)確定粘溫曲線相較于兩點(diǎn)能夠更真實(shí)反映瀝青粘度隨溫度變化情況，但是二者所確定的施工溫度相差并不太大.因此，即可采用線性對(duì)數(shù)函數(shù)就2點(diǎn)進(jìn)行粘溫曲線繪制及擬合，以縮短試驗(yàn)時(shí)間，但建議針對(duì)未知瀝青采用3點(diǎn)及以上來進(jìn)行粘溫曲線繪制及擬合.

4.3參數(shù)改變對(duì)粘溫曲線影響分析

為分析轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速對(duì)粘溫曲線的影響，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，分別繪制不同參數(shù)下的粘溫曲線以確定施工溫度.下面主要以21#轉(zhuǎn)子為例，將四種參數(shù)組合方案的線性對(duì)數(shù)擬合參數(shù)以及施工溫度匯總見表4.可以發(fā)現(xiàn)，4種方案所確定的施工溫度相差并不大.

實(shí)際上，為確保同一盛樣筒內(nèi)瀝青試樣量保持不變，考慮到更換轉(zhuǎn)子會(huì)使得盛樣筒內(nèi)瀝青試樣量發(fā)生改變，故應(yīng)確保在整個(gè)試驗(yàn)過程中均使用同一轉(zhuǎn)子.因此，為測(cè)得各溫度下瀝青的粘度并確保扭矩百分比滿足10%～98%范圍要求，能夠調(diào)整的可控參數(shù)只有轉(zhuǎn)速.

表4　粘溫曲線不同繪制方案的線性對(duì)數(shù)擬合參數(shù)及施工溫度匯總

5結(jié)論

1) 試驗(yàn)溫度、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子型號(hào)等參數(shù)均會(huì)對(duì)瀝青粘度產(chǎn)生影響.其中，轉(zhuǎn)子型號(hào)、轉(zhuǎn)速對(duì)粘度的影響相較于溫度的影響程度要小很多.隨著溫度升高至一定程度后，溫度對(duì)瀝青粘度和設(shè)備扭矩百分比的影響程度逐漸降低，說明改性瀝青非牛頓性質(zhì)逐漸減弱.

2) 瀝青樣品加入量、試驗(yàn)前溫度校核、設(shè)備調(diào)整水平、瀝青試樣充分?jǐn)嚢韬鬂材?、卡緊盛樣筒、選擇合適的轉(zhuǎn)子等試驗(yàn)操作，需要嚴(yán)格控制，以確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性.

3) 選取試驗(yàn)規(guī)程推薦的線性對(duì)數(shù)函數(shù)進(jìn)行粘溫曲線擬合相較于施工規(guī)范推薦的指數(shù)函數(shù)，能夠達(dá)到更好的擬合效果.可采用線性對(duì)數(shù)函數(shù)就兩點(diǎn)進(jìn)行粘溫曲線繪制擬合以縮短試驗(yàn)時(shí)間，但建議針對(duì)未知瀝青仍采用3點(diǎn)及以上個(gè)數(shù)點(diǎn)來進(jìn)行粘溫曲線繪制及擬合.不同轉(zhuǎn)子型號(hào)和轉(zhuǎn)速的組合，其對(duì)施工溫度的確定影響并不大，但實(shí)際上在試驗(yàn)過程中能調(diào)控的參數(shù)只有轉(zhuǎn)速.

4) 采用旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)方法所確定SBS改性瀝青的施工溫度，會(huì)明顯高于實(shí)際規(guī)范要求，說明采用布氏旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)方法確定改性瀝青施工溫度是明顯偏高的，針對(duì)改性瀝青施工溫度的具體確定方法還有待作進(jìn)一步研究.

參 考 文 獻(xiàn)

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Impact Factors in Rotational Viscosity Tests

WANG Wentao1)LUO Rong1)FENG Guangle2)WANG Lijing3)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(EngineeringQualitySupervisionBureau,TransportationDepartmentofHubeiProvince,Wuhan430014,China)2)(ChangJiangRoadandBridge,Wuhan430212,China)3)

Abstract：The study comprehensively analyzes the test parameters and procedure that significantly affect the rotational viscosity of the SBS-modified asphalt binder and 70# asphalt binder. Two methods of plotting the viscosity-temperature curve are compared to investigate the effects of the number of test temperatures and variations of parameters on the viscosity-temperature curve. Test results show that the linear log function with two temperature points can properly model the viscosity-temperature curve. It is also demonstrated that the shear rate and viscometer size have little effect on the viscosity-temperature curve.

Key words：road engineering; rotational viscosity; viscosity-temperature curve; impact factor; SBS-modified asphalt

收稿日期：2016-04-27

中圖法分類號(hào)：U414

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.025

王文濤(1989- )：男，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)榈缆饭こ?/p>

*湖北省交通運(yùn)輸廳2015年科技項(xiàng)目資助(2014-721-2-6)