基于振動力場作用下瀝青黏度影響研究

鄒海軍，李 超，覃 悅，孟勇軍，3，4

（1.中交路橋華南工程有限公司，廣東 中山528403；2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧530004；3.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室，廣西 南寧530004；4.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點實驗室，廣西 南寧530004）

0 引言

傳統(tǒng)的瀝青混合料攪拌過程通常采用高溫環(huán)境降低瀝青的黏度，達到瀝青對礦料的裹附效果，但這種方式能耗大且易導(dǎo)致瀝青老化，既浪費能源也影響瀝青混合料的耐久性。振動力場是振動作用產(chǎn)生的一種力場，一方面振動力場能夠降低工業(yè)聚合物黏度的機理已經(jīng)有較為全面的研究[1-4]，另一方面在普通拌和中加入振動力場作用的振動攪拌技術(shù)，近些年在水泥穩(wěn)定碎石上獲得了良好的工程應(yīng)用[5-7]，這使得將振動力場引入瀝青混合料拌和過程成為了可能。

目前國內(nèi)研究者大部分是從提高石油采收率角度研究振動力場對瀝青原油黏度的影響[8，9]，從拌和工藝角度對振動力場作用下SBS 改性瀝青黏度變化規(guī)律的研究尚不多見。鑒于此，本文通過改變振動頻率和振動幅值，探究瀝青膠結(jié)料黏度的變化規(guī)律，運用動力學(xué)知識分析振動參數(shù)對瀝青黏度性能影響的微觀作用機理，可為振動拌和工藝引入瀝青混合料領(lǐng)域提供理論支撐。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

本文采用的瀝青為SBS 改性瀝青，其技術(shù)指標見表1。

表1 SBS 改性瀝青技術(shù)指標

1.2 試驗方法

本試驗測定振動及非振動條件下SBS 改性瀝青180℃旋轉(zhuǎn)黏度，在振動條件下黏度測試步驟如下：

（1）將布式黏度計容器部分與北京波譜世紀科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的WS-Z30 小型精密振動臺固定，同時黏度計顯示部分架空，不與振動臺接觸，見圖1；

（2）備好瀝青試樣并選擇轉(zhuǎn)子，將試樣和轉(zhuǎn)子放入烘箱，在180℃下加熱1.5 h；

（3）將瀝青試樣放入黏度計容器內(nèi)，通過振動臺配套的Vib’CTR 軟件控制試驗需要的頻率和幅值，開啟振動開關(guān)，對瀝青試樣施加振動作用20 min后，參照試驗規(guī)程測量瀝青黏度。

圖1 黏度測試裝置

2 基于振動參數(shù)SBS 改性瀝青黏度影響研究

2.1 振動幅值對SBS 改性瀝青黏度的影響

由于SBS 改性瀝青黏度較高，為獲的較好流動性，試驗溫度選取180℃，測得瀝青原始黏度值為425 MPa·s，基于探索的目的，本試驗的振動頻率選取范圍及間距都較大，頻率范圍10 ～60 Hz，間距10 Hz，振動幅值由軟件反算得出，試驗數(shù)據(jù)結(jié)果見圖2～圖7。

圖2 10Hz 振動頻率的瀝青降黏率

圖3 20Hz 振動頻率的瀝青降黏率

圖4 30Hz 振動頻率的瀝青降黏率

圖5 40Hz 振動頻率的瀝青降黏率

圖6 50Hz 振動頻率的瀝青降黏率

圖7 60Hz 振動頻率的瀝青降黏率

分析圖2～圖5，當振動頻率固定在10 ～40 Hz時，隨著振幅的增大，瀝青降黏率不斷增大，說明振動力場能夠降低SBS 改性瀝青的黏度，振幅越大，瀝青黏度降低程度越高。分析認為由于SBS 改性瀝青屬于高分子聚合物，大分子之間由各種分子鏈連接，產(chǎn)生相互約束力，同時分子鏈之間又相互作用，導(dǎo)致瀝青分子處于糾纏狀態(tài)，約束了分子的流動。引入振動力場后，振動力場提供的振動剪切力導(dǎo)致原本由分子鏈連接的分子的間距增大，分子間的引力減弱，同時分子鏈被拉長，糾纏狀態(tài)有所改善，分子間約束力由此減小，流動性提高。根據(jù)動力學(xué)知識，振動加速度與振動幅值成正比，當頻率不變幅值增大時，振動加速度增大，產(chǎn)生的剪切力提高，同時剪切力的作用距離更長，分子間引力變?nèi)酰肿渔溄饫p更佳，瀝青黏度越低。

此外，當振動頻率固定值不同時，隨著振幅的增加，降黏效果也不同。當振動頻率固定值為20 Hz時，降黏率最高，接近20%，這可能與瀝青的固有頻率有關(guān)，當振動頻率接近瀝青固有頻率時，瀝青分子及分子鏈產(chǎn)生共振現(xiàn)象，提高了瀝青的流動性及解纏效果。

分析圖6 和圖7 發(fā)現(xiàn)，當振動頻率較高時（大于等于50 Hz），降黏率曲線隨振幅變化呈現(xiàn)非規(guī)律性，甚至出現(xiàn)了黏度比原始值更大的現(xiàn)象。分析發(fā)現(xiàn)當振動頻率較高時，WS-Z30 小型精密振動臺所能產(chǎn)生的振動幅值基本在0.5 mm 以下，振動力場產(chǎn)生的剪切力較小，剪切力的作用距離也較短，瀝青分子間約束力減小效果不明顯，同時可能導(dǎo)致分子鏈糾纏更加復(fù)雜，瀝青黏度因此變得更復(fù)雜。

2.2 振動頻率對SBS 改性瀝青黏度的影響

由2.1 節(jié)發(fā)現(xiàn)振動頻率較高時，瀝青黏度變化不大且較為復(fù)雜，故本試驗振動頻率選取10～35 Hz，溫度控制180℃，振動幅值選取1 mm、1.5 mm 和2.0 mm。

分析圖8 發(fā)現(xiàn)，當振動幅值分別固定為1.0 mm、1.5 mm 和2.0 mm 時，隨著振動頻率的不斷提高，SBS 改性瀝青降黏率都呈現(xiàn)上升的趨勢，這說明瀝青的黏度與振動頻率密切相關(guān)，頻率越高，瀝青黏度下降越明顯。由動力學(xué)理論可知，當幅值不變頻率增加時，振動加速度提高，產(chǎn)生的振動剪切力變大，導(dǎo)致瀝青分子間距增大，分子鏈有的被拉長，有的可能被拉斷，同時剪切力方向變化更頻繁，瀝青分子及分子鏈運動更劇烈，宏觀上表現(xiàn)為瀝青流動性提升，黏度降低。

由圖8 還發(fā)現(xiàn)，隨著振動幅值的遞增，振動頻率對瀝青黏度的影響越大，當振動幅值為1.0 mm、1.5 mm 和2.0 mm 時，瀝青降黏率波動范圍分別為3%、4%和7%，隨著振幅的提高，降黏率波動范圍還有繼續(xù)上升的趨勢。此外，振動振幅較小時，提高振動頻率對瀝青黏度的影響程度較小，在1.0 mm和1.5 mm 振動幅值下，當振動頻率由10 Hz 上升到35 Hz 時，降黏率都低于5%，而在2.0 mm 振動幅值下，當振動頻率為10 Hz 時，降黏率就輕松超過5%，振動頻率上升到30 Hz 時，降黏率甚至接近12%，是其他振動幅值下的兩倍以上。這說明只有當振動幅值達到一定值，振動頻率對瀝青黏度的影響才更加明顯，同時也說明降黏效應(yīng)與振動頻率和振動幅值兩者密切相關(guān)。

此外，不同振動幅值下，瀝青降黏率上升最快點對應(yīng)的振動頻率有所差別。當振動幅值為1.0 mm、1.5 mm 和2.0 mm 時，降黏率上升最快點對應(yīng)的振動頻率為分別為20 Hz、30 Hz 和25 Hz，因此考慮到降黏效果和儀器的利用效率時，應(yīng)當選擇合適的振動頻率和振動幅值組合。

圖8 不同振動幅值的瀝青降黏率

3 結(jié)論

本文主要基于不同振動條件下，對SBS 改性瀝青的黏度進行了探索研究，并基于試驗結(jié)果從動力學(xué)角度分析了振動力場對瀝青黏度影響的微觀作用機理，并得出以下主要結(jié)論：

（1）振動力場能夠降低SBS 改性瀝青的黏度。

（2）瀝青降黏率與振動幅值密切相關(guān)。當頻率較低時（小于等于40 Hz），隨著幅值增大，降黏率逐漸上升；當頻率繼續(xù)升高，降黏率隨幅值的變化呈非規(guī)律性，主要原因是振動臺在較高振動頻率下的輸出幅值較?。辉?0 Hz 時，振動幅值對瀝青黏度的影響最大，認為這與瀝青固有頻率相關(guān)。

（3）隨著振動頻率的升高，瀝青降黏率不斷增大。與振動幅值為1.0 mm 和1.5 mm 時相比，當振動幅值為2.0 mm 時，SBS 改性瀝青的降黏率值及變化幅度都提高了將近2 倍，說明瀝青降黏率與振動幅值和頻率都相關(guān)，幅值越大，頻率對瀝青黏度的影響越大。

（4）從動力學(xué)角度分析認為，振動幅值與振動頻率對瀝青黏度的影響，主要是振動力場產(chǎn)生的剪切力大小、作用距離和方向發(fā)生了改變。