不同測(cè)試方法下瀝青黏度特性研究

洪嶺嶺， 馮國(guó)杰， 孫雪陽(yáng)

(1.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 河南 鄭州 451450；2.石家莊市軌道交通有限責(zé)任公司， 河北 石家莊 437400；3.徐輝設(shè)計(jì)股份有限公司， 河南 鄭州 450016)

瀝青溫度敏感性強(qiáng)弱直接影響其路用性能。從工程應(yīng)用角度，瀝青是一種黏彈性材料，黏度是其一項(xiàng)重要指標(biāo)。由于瀝青路面施工中不同階段溫差較大，其隨溫度變化的敏感程度會(huì)嚴(yán)重影響瀝青混合料施工溫度、和易性和壓實(shí)度，有必要深入探究瀝青黏度特性，從而更好地控制瀝青混合料性能。常用瀝青黏度測(cè)試方法有瀝青布氏旋轉(zhuǎn)黏度測(cè)試、動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)測(cè)試(瀝青剪切黏度)和動(dòng)力黏度測(cè)試。已有研究建立了布氏旋轉(zhuǎn)黏度和瀝青剪切黏度與黏附性的關(guān)系，但仍存在一些不足，主要表現(xiàn)為瀝青布氏旋轉(zhuǎn)黏度大小和轉(zhuǎn)速、溫度有較大關(guān)系，而研究中一般只測(cè)定單一參數(shù)指標(biāo)下黏度，以此建立瀝青旋轉(zhuǎn)黏度與黏附性的相關(guān)關(guān)系沒(méi)有說(shuō)服力；DSR試驗(yàn)中黏度掃描軟件對(duì)瀝青測(cè)試時(shí)需設(shè)置轉(zhuǎn)速、剪切力等指標(biāo)，而以往研究沒(méi)有考慮這些因素對(duì)瀝青黏度的影響，得出的瀝青黏度與黏附性相關(guān)性的結(jié)論是片面的；動(dòng)力黏度的測(cè)試條件一般為60 ℃，實(shí)際上夏季高溫季節(jié)瀝青遠(yuǎn)不止60 ℃，導(dǎo)致60 ℃瀝青動(dòng)力黏度試驗(yàn)的測(cè)試效果不好，工程項(xiàng)目上使用率低，有必要探索更高溫度下瀝青動(dòng)力黏度性能。為此，該文著重討論不同測(cè)試方法(布氏旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、DSR、真空減壓毛細(xì)管法)下不同參數(shù)指標(biāo)的3種SBS改性瀝青黏度特性變化規(guī)律。

1 瀝青材料及其性能

采用SBS改性瀝青，其中SBS改性劑為星型結(jié)構(gòu)，摻量為4.5%。SBS改性瀝青的基本性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 SBS改性瀝青的基本性能指標(biāo)

按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)薄膜試驗(yàn)(RTFOT)和壓力老化試驗(yàn)(PAV)，制備短期老化瀝青和長(zhǎng)期老化瀝青，并對(duì)3種不同老化程度瀝青進(jìn)行三大指標(biāo)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 3種SBS改性瀝青的三大指標(biāo)

2 瀝青黏度特性分析

2.1 瀝青旋轉(zhuǎn)黏度特性測(cè)試與分析

參照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中瀝青旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)方法，考慮不同溫度(95、135、175 ℃)、轉(zhuǎn)子(29#、27#、21#，其瀝青用量分別為13.5、10.4和7.1 g)、轉(zhuǎn)速(2、4、6、8、20、40、60、80 r/min)對(duì)瀝青旋轉(zhuǎn)黏度的影響，使用布洛克菲爾德黏度計(jì)對(duì)原樣、RTFOT和PAV后SBS改性瀝青進(jìn)行旋轉(zhuǎn)黏度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3。對(duì)3種不同老化程度瀝青在3種溫度下的旋轉(zhuǎn)黏度進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)圖1～3。

表3 SBS改性瀝青旋轉(zhuǎn)黏度測(cè)試結(jié)果

圖1 不同溫度下SBS改性瀝青旋轉(zhuǎn)黏度擬合結(jié)果

圖2 不同溫度下RTFOT后SBS改性瀝青旋轉(zhuǎn)黏度擬合結(jié)果

圖3 不同溫度下PAV后SBS改性瀝青旋轉(zhuǎn)黏度擬合結(jié)果

由圖1～3可知：不同老化程度SBS改性瀝青在相同溫度下表現(xiàn)出的旋轉(zhuǎn)黏度特性有很大區(qū)別，同一種SBS改性瀝青在不同溫度下的旋轉(zhuǎn)黏度也有差別。不同函數(shù)對(duì)不同瀝青旋轉(zhuǎn)黏度的擬合結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同瀝青旋轉(zhuǎn)黏度擬合結(jié)果

由表4可知：原樣、RTFOT和PAV后SBS改性瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度在某一溫度出現(xiàn)線性相關(guān)性較低或擬合曲線函數(shù)不同的現(xiàn)象，表明SBS改性劑分子在該溫度下達(dá)到不穩(wěn)定狀態(tài)，導(dǎo)致瀝青表現(xiàn)的性能不穩(wěn)定，出現(xiàn)無(wú)規(guī)律變化；瀝青旋轉(zhuǎn)黏度無(wú)規(guī)律時(shí)的溫度不同(原樣瀝青為175 ℃，RTFOT后瀝青為135 ℃，PAV后瀝青為135 ℃)，表明老化讓SBS改性劑分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了損傷，使其分解等變化提前；不同老化狀態(tài)瀝青旋轉(zhuǎn)黏度擬合曲線的函數(shù)也不同，說(shuō)明經(jīng)過(guò)RTFOT、PAV老化后SBS改性瀝青中SBS改性劑分子鏈段的長(zhǎng)度和分子間作用力發(fā)生了變化；RTFOT后SBS改性瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度在不同溫度下的函數(shù)擬合結(jié)果差異性比PAV后的大，表明RTFOT老化使SBS改性瀝青中物質(zhì)處于極其不穩(wěn)定的狀態(tài)，而PAV后SBS改性瀝青的SBS改性劑分子的變化已達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 瀝青剪切黏度特性測(cè)試與分析

利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀中黏度掃描軟件測(cè)試瀝青的剪切黏度，掃描溫度為50～190 ℃。為研究不同轉(zhuǎn)速對(duì)瀝青剪切黏度的影響，試驗(yàn)中轉(zhuǎn)速分別采用20、40、60和80 r/min，其他參數(shù)為默認(rèn)值。數(shù)據(jù)采集為每0.5 min采集一個(gè)點(diǎn)，同時(shí)溫度升高1 ℃，共采集141個(gè)點(diǎn)。4個(gè)特殊溫度下瀝青剪切黏度見(jiàn)表5～7。以原樣SBS改性瀝青在20 r/min時(shí)的剪切黏度為例進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見(jiàn)圖4。

由表5～7、圖4可知：同樣轉(zhuǎn)速下，隨著溫度升高，瀝青的剪切黏度逐漸降低，瀝青剪切黏度滿足冪函數(shù)關(guān)系(y=ax-b)；同樣溫度下，隨著轉(zhuǎn)速升高，瀝青的剪切黏度在95 ℃時(shí)變化無(wú)規(guī)律，在其他溫度下表現(xiàn)為逐漸升高或逐漸降低的趨勢(shì)，其關(guān)系擬合曲線沒(méi)有明顯的函數(shù)關(guān)系。

表5 原樣SBS改性瀝青剪切黏度測(cè)試結(jié)果

表6 RTFOT后SBS改性瀝青剪切黏度測(cè)試結(jié)果

表7 PAV后SBS改性瀝青剪切黏度測(cè)試結(jié)果

圖4 轉(zhuǎn)速為20 r/min時(shí)原樣SBS改性瀝青剪切黏度擬合結(jié)果

2.3 瀝青動(dòng)力黏度特性測(cè)試與分析

參照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中瀝青動(dòng)力黏度試驗(yàn)方法，使用真空減壓毛細(xì)管黏度計(jì)對(duì)3種不同狀態(tài)SBS改性瀝青進(jìn)行瀝青動(dòng)力黏度測(cè)試，測(cè)定溫度為60、65、70、75、80 ℃，采用400R和200R 2種毛細(xì)管，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表8。對(duì)3種瀝青在不同溫度下的動(dòng)力黏度進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見(jiàn)圖5～7。

表8 3種不同老化程度瀝青動(dòng)力黏度測(cè)試結(jié)果

由表8可知：隨著溫度的升高，3種改性瀝青的動(dòng)力黏度逐漸下降，其中原樣SBS改性瀝青的動(dòng)力黏度下降速度最快，RTFOT后瀝青次之，PAV后瀝青最慢；溫度為80 ℃時(shí)，瀝青動(dòng)力黏度大小排序?yàn)镻AV后瀝青>RTFOT后瀝青>原樣瀝青，表明瀝青老化后，瀝青動(dòng)力黏度受溫度的影響較小。

由圖5～7可知：不同狀態(tài)SBS改性瀝青的動(dòng)力黏度均呈指數(shù)函數(shù)(y=Ae-Bx)關(guān)系，相關(guān)性較好。隨著SBS改性瀝青老化程度的加重，其指數(shù)函數(shù)擬合曲線的A值和B的絕對(duì)值逐漸減小。A代表60 ℃初始黏度值，A值越大，瀝青的性能越好；B代表瀝青的老化程度，B的絕對(duì)值越小，瀝青的老化程度越嚴(yán)重，其黏度受溫度的影響小。

圖5 原樣SBS改性瀝青動(dòng)力黏度擬合結(jié)果

圖6 RTFOT后SBS改性瀝青動(dòng)力黏度擬合結(jié)果

圖7 PAV后SBS改性瀝青動(dòng)力黏度擬合結(jié)果

3 結(jié)論

(1) 原樣、RTFOT和PAV后SBS改性瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度隨轉(zhuǎn)速不同分別呈冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和二次項(xiàng)函數(shù)、二次項(xiàng)函數(shù)關(guān)系，表明3種瀝青結(jié)構(gòu)內(nèi)部分子狀態(tài)不同，RTFOT后瀝青狀態(tài)最不穩(wěn)定。

(2) 不同狀態(tài)SBS改性瀝青的剪切黏度滿足冪函數(shù)關(guān)系(y=ax-b)。

(3) 不同狀態(tài)SBS改性瀝青的動(dòng)力黏度均呈指數(shù)函數(shù)(y=Ae-Bx)關(guān)系，相關(guān)性較好。A代表60 ℃初始黏度值，A值越大，瀝青的性能越好；B代表瀝青的老化程度，B的絕對(duì)值越小，瀝青的老化程度越嚴(yán)重，其黏度受溫度的影響小。

(4) 原樣、RTFOT和PAV后SBS改性瀝青動(dòng)力黏度的指數(shù)函數(shù)回歸曲線的A值表明瀝青性能高低排序?yàn)樵瓨訛r青>PAV后瀝青>RTFOT后瀝青，表明RTFOT后瀝青內(nèi)部結(jié)構(gòu)分子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，性能較差，與旋轉(zhuǎn)黏度特性呈現(xiàn)的結(jié)果相一致；B的絕對(duì)值越小老化越嚴(yán)重，瀝青老化程度高低排序?yàn)樵瓨訛r青