基于橡膠瀝青黏度損失性能的室內(nèi)試驗(yàn)分析

摘要 借助旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)獲得180 ℃下橡膠瀝青表觀黏度指標(biāo)，用以評(píng)估其性能。通過室內(nèi)試驗(yàn)探究?jī)?chǔ)存條件、儲(chǔ)存溫度變化及機(jī)械攪拌不同外界條件變化，以50%扭矩的黏度為標(biāo)準(zhǔn)利用Brookfield黏度計(jì)的測(cè)量結(jié)果為基準(zhǔn)，探究橡膠瀝青黏度損失規(guī)律。橡膠瀝青制備完畢后，隨著時(shí)間和溫度變化，其黏度逐漸降低，基于此，文章以ASTMD2196的要求為基準(zhǔn)，結(jié)合Brookfield黏度計(jì)探究了儲(chǔ)存溫度、儲(chǔ)存時(shí)間、機(jī)械攪拌等外界條件變化情況下，橡膠瀝青的黏度變化，并采用微觀解釋構(gòu)建了橡膠瀝青黏度變化模型，期望為項(xiàng)目施工中橡膠瀝青性能的合理控制提供參考、借鑒。

關(guān)鍵詞 公路工程項(xiàng)目；橡膠瀝青；黏度損失；室內(nèi)試驗(yàn)

中圖分類號(hào) U416.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）13-0099-03

0 引言

橡膠瀝青與普通瀝青、改性瀝青相比，瀝青與廢胎膠粉之間的作用機(jī)理存在本質(zhì)區(qū)別，故其性質(zhì)差異顯著?，F(xiàn)階段，評(píng)估瀝青性能的3大指標(biāo)包括軟化點(diǎn)、延度和針入度，但由于橡膠瀝青與普通瀝青的差異顯著，上述指標(biāo)不可直接用于橡膠瀝青的性能評(píng)價(jià)，多以黏度為基準(zhǔn)，輔以彈性恢復(fù)、軟化點(diǎn)、針入度等指標(biāo)作為評(píng)價(jià)橡膠瀝青性能的參數(shù)。針對(duì)橡膠瀝青進(jìn)行黏度指標(biāo)研究，可提高現(xiàn)場(chǎng)施工的控制標(biāo)準(zhǔn)，為產(chǎn)品施工生產(chǎn)提供參考，是促進(jìn)廢胎膠粉廣泛應(yīng)用于公路項(xiàng)目，提升綠色效益的重要舉措。

1 試驗(yàn)方案介紹

1.1 原材料

廢胎膠粉為某公司生產(chǎn)的40目細(xì)度的產(chǎn)品，基質(zhì)瀝青型號(hào)為SK-90，控制反應(yīng)溫度為190 ℃，反應(yīng)時(shí)間為60 min，按照廢胎膠粉外摻量23%的標(biāo)準(zhǔn)將廢胎膠粉與基質(zhì)瀝青混合均勻并高速攪拌，完成橡膠瀝青的制備，詳細(xì)技術(shù)性能如表1所示：

1.2 試驗(yàn)方法

按照上述制備條件制備橡膠瀝青，并儲(chǔ)存于130～

180 ℃環(huán)境中，靜置1～48 h，分別對(duì)不同儲(chǔ)存環(huán)境溫度與靜置條件下橡膠瀝青充分?jǐn)嚢瑁訠rookfield黏度計(jì)測(cè)量其黏度值，以SC4-27型號(hào)轉(zhuǎn)子進(jìn)行試驗(yàn)，檢測(cè)轉(zhuǎn)速5～100 r/min條件下的黏度和扭矩值[1]。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 橡膠瀝青黏度選取

黏度為條件性指標(biāo)，相鄰流層間存在流速差的情況下，快速流層作用下使慢速流層速度加快，慢速流層作用下使快速流層速度變慢，兩者相互作用，隨著流層速度差增加而加大，出現(xiàn)在兩個(gè)流層間的作用力即黏性力[2]。分子力是導(dǎo)致流體黏度的關(guān)鍵，流體流動(dòng)的情況下，快速流動(dòng)層的分子攜帶慢速流動(dòng)的分子向前運(yùn)動(dòng)，分子間相互作用力逐層傳遞，表現(xiàn)為流層間黏性。作為評(píng)估橡膠瀝青性能的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，黏度與瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度關(guān)系密切，相同荷載的情況下橡膠瀝青剪切變形，有效降低了瀝青路面的永久變形概率[3]。

橡膠瀝青的黏度值明顯高于普通瀝青，因此其黏度測(cè)試方法與普通瀝青存在明顯差異，結(jié)合上文所述方法對(duì)不同轉(zhuǎn)速條件下橡膠瀝青黏度、扭矩值進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)數(shù)回歸，最終結(jié)果如表2所示。

對(duì)轉(zhuǎn)速扭矩和轉(zhuǎn)速黏度結(jié)果進(jìn)行對(duì)數(shù)回歸，詳見圖1。通過圖1分析可知轉(zhuǎn)速扭矩、轉(zhuǎn)速黏度的數(shù)值之間具備較好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均大于0.9。選定對(duì)數(shù)回歸50%扭矩和20 r/min對(duì)普通瀝青黏度進(jìn)行測(cè)試，研究結(jié)果顯示兩者之間的差距明顯，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，扭矩為50%情況下不同溫度條件時(shí)均可成功測(cè)得瀝青黏度值，且黏度較低情況下瀝青黏度與轉(zhuǎn)速、扭矩間相關(guān)性較小[4]。但是在20 r/min情況下采取的多種測(cè)量方法獲得的黏度值是不可取的，尤其是溫度高且黏度低的情況下，20 r/min條件下測(cè)得的黏度值超出了精度范圍，而溫度低黏度高的情況下測(cè)得的黏度數(shù)據(jù)超出了20 r/min的量程。因此，從選定的黏度代表值的角度分析，瀝青黏度值較低的情況下，20 r/min情況下計(jì)算的黏度值，小于50%扭矩情況下所得結(jié)果，而瀝青黏度較高的情況下，20 r/min時(shí)計(jì)算的黏度值大于50%扭矩時(shí)黏度[5]。為提高橡膠瀝青黏度試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，該文選定了50%扭矩情況下測(cè)得的黏度值作為瀝青黏度的試驗(yàn)代表值[6]。

2.2 不同儲(chǔ)存時(shí)間與溫度下的橡膠瀝青黏度變化

根據(jù)試驗(yàn)條件和相關(guān)參數(shù)分別將制備完成的橡膠瀝青按照1～48 h和135～185 ℃的條件靜置并儲(chǔ)存于黏度計(jì)盛樣筒中，按照50%扭矩使用Brookfield黏度計(jì)，對(duì)其180 ℃旋轉(zhuǎn)黏度值進(jìn)行檢測(cè)，詳見圖2。

旋轉(zhuǎn)黏度變化趨勢(shì)

從儲(chǔ)存時(shí)間的角度分析，橡膠瀝青膠結(jié)料制備完畢后，隨著儲(chǔ)存時(shí)間的增加，橡膠瀝青的黏度值表現(xiàn)為先增加后減小，膠結(jié)料儲(chǔ)存3～4 h時(shí)橡膠瀝青的黏度值最大，隨后逐漸降低，且衰減期間3 h內(nèi)的衰減速度最大[7]。從儲(chǔ)存溫度的角度分析，橡膠瀝青黏度值隨著溫度的增加遞增隨后衰減，高溫環(huán)境下儲(chǔ)存的橡膠瀝青黏度值衰減速度高于低溫條件下儲(chǔ)存的衰減速度，一般情況下儲(chǔ)存7 d后橡膠瀝青的黏度值小于初始黏度水平[8]。

橡膠瀝青黏度隨著儲(chǔ)存時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，可從以下角度分析：

（1）從黏度指標(biāo)的角度分析，開始階段橡膠瀝青內(nèi)部基質(zhì)瀝青與廢胎膠粉顆粒之間并沒有充分反應(yīng)溶脹，一定的溫度水平條件或儲(chǔ)存條件下，基質(zhì)瀝青中的輕質(zhì)成分減少，廢胎膠粉與基質(zhì)瀝青合理的混合均勻度提升，越來越多的廢胎膠粉顆粒與基質(zhì)瀝青融合，且3～4 h內(nèi)兩者反應(yīng)達(dá)到了極限水平，此時(shí)橡膠瀝青的黏度值達(dá)到了最高水平。隨著橡膠瀝青發(fā)育時(shí)間的延長(zhǎng)，廢胎膠粉出現(xiàn)了脫硫反應(yīng)，其黏度值開始下降。

（2）橡膠瀝青與儲(chǔ)存環(huán)境溫度變化的關(guān)系分析，隨著儲(chǔ)存溫度的增加，橡膠瀝青中的廢胎膠粉與基質(zhì)瀝青的反應(yīng)更充分，達(dá)到黏度最大峰值的速度加快，且黏度達(dá)峰后的脫硫反應(yīng)更為顯著，黏度值下降更加明顯[9]。基于該試驗(yàn)，橡膠瀝青最適宜的儲(chǔ)存時(shí)間為7 h，最佳的儲(chǔ)存溫度為155 ℃。

2.3 考慮靜置與攪拌條件下的橡膠瀝青黏度變化

基于上述分析可知，該研究中選定的橡膠瀝青最適宜的儲(chǔ)存溫度為155 ℃，為便于研究，將橡膠瀝青置于155 ℃溫度環(huán)境下，以小型攪拌機(jī)均勻攪拌，并按照50%扭矩標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定不同時(shí)間下180 ℃情況下橡膠瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度值，詳見圖3所示。

通過圖3分析可知：

（1）靜置條件下橡膠瀝青黏度峰值、達(dá)峰時(shí)間、衰減速率等指標(biāo)與低速攪拌下指標(biāo)水平相當(dāng)，由此可見溫度之外的因素對(duì)橡膠瀝青的黏度值影響較小。

（2）靜置與低速攪拌情況下，橡膠瀝青的黏度水平變化情況基本一致，黏度值達(dá)峰前，攪拌的試樣相比于無攪拌的試樣，黏度增長(zhǎng)率略高，達(dá)峰峰值后也高于無攪拌試樣，而攪拌試樣的黏度衰減速率更大，證實(shí)無攪動(dòng)的情況下橡膠瀝青的脫硫反應(yīng)水平較低，該情況與實(shí)際橡膠瀝青脫硫生產(chǎn)環(huán)節(jié)的變形相一致。

（3）上述不同條件下的橡膠瀝青黏度值水平差異不大，但是考慮到在橡膠瀝青儲(chǔ)存的過程中可能存在離析，故推薦儲(chǔ)存的過程中需要結(jié)合實(shí)際情況對(duì)橡膠瀝青進(jìn)行適度攪拌[10]。

3 橡膠瀝青黏度損失模型研究

儲(chǔ)存過程中，橡膠瀝青的黏度值變化與儲(chǔ)存溫度關(guān)系密切，此外還與橡膠瀝青的制作過程有關(guān)，反應(yīng)溫度、攪拌時(shí)間、膠粉摻量、膠粉粒徑等任何因素變化，都會(huì)影響橡膠瀝青的黏度值，并引起儲(chǔ)存過程中其黏度的變化?；谠撗芯恐信渲频南鹉z瀝青，儲(chǔ)存過程中其黏度值η與時(shí)間t之間為二次多項(xiàng)式關(guān)系，與溫度T之間為指數(shù)型關(guān)系。以前文研究橡膠瀝青與溫度和時(shí)間的變化規(guī)律為基礎(chǔ)，橡膠瀝青儲(chǔ)存過程中黏度值與實(shí)踐和溫度的關(guān)系式詳見公式（1）：

式中，η——180 ℃條件下橡膠瀝青旋轉(zhuǎn)黏度值；T——儲(chǔ)存環(huán)境溫度；t——儲(chǔ)存時(shí)間；X1、X2、X3——變量；a1——常數(shù)項(xiàng)。

以改進(jìn)后的最小二乘Levenberg-Marquardt法對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合回歸，并結(jié)合對(duì)應(yīng)關(guān)系獲得橡膠瀝青黏度損失模型如下：

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和構(gòu)建模型分析可知：相關(guān)系數(shù)值R2為0.958 4，表明模型擬合度較高，數(shù)據(jù)與模型之間具備較高的相關(guān)性。以數(shù)理分析顯著性水平為基礎(chǔ)，結(jié)果顯示，F(xiàn)0.10=9.16lt;FB=128.734。由此可見，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型之間具備較高的關(guān)聯(lián)度，模型構(gòu)建具備現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié)論

綜上所述，該文基于特定配比，進(jìn)行了橡膠瀝青的配置，并探究了不同儲(chǔ)存溫度、儲(chǔ)存時(shí)間條件下試樣黏度值，以試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合相關(guān)理論，獲得如下結(jié)論：

（1）橡膠瀝青制備完畢后，儲(chǔ)存階段前期其黏度不斷增加，且于3～4 h達(dá)到黏度峰值，隨后黏度水平衰減，前期橡膠瀝青的衰減速度較快，7 h后橡膠瀝青的黏度值小于初始水平。

（2）儲(chǔ)存溫度會(huì)影響橡膠瀝青的黏度值，主要表現(xiàn)為隨著儲(chǔ)存溫度的增加，橡膠瀝青的黏度增加，黏度值達(dá)到峰值后開始衰減，溫度越高橡膠瀝青的衰減速度越快。

（3）通過橡膠瀝青試樣在靜置和攪拌兩種儲(chǔ)存條件下的黏度情況進(jìn)行比較可知，橡膠瀝青的黏度達(dá)峰峰值、達(dá)峰時(shí)間、衰減速率等指標(biāo)無明顯差異。達(dá)峰前，攪拌和無攪拌的橡膠瀝青相比，攪拌的試樣年度增加速度快，達(dá)峰峰值較高，隨后衰減速度大于未攪拌者。

以該研究試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)構(gòu)建的橡膠瀝青衰減模型有較好的擬合度，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合程度較高，可將其作為橡膠瀝青儲(chǔ)存的技術(shù)參考。

參考文獻(xiàn)

[1]于曉曉， 楊渭， 路永春， 等. 高摻量橡膠瀝青的結(jié)構(gòu)與性能[J]. 合成橡膠工業(yè)， 2022（4）： 309-313.

[2]周勇， 蔣龍松， 張洪波， 等. 高摻量橡膠瀝青AC-20路用性能試驗(yàn)研究[J]. 四川建材， 2022（11）： 153-154.

[3]陳申廣. 橡膠瀝青制備工藝及橡膠瀝青混合料路用性能研究[J]. 交通世界， 2023（10）： 44-46.

[4]郭承梁. 公路路面上面層瀝青混合料路用性能分析[J]. 交通世界， 2022（29）： 45-47+54.

[5]李陸飛. 橡膠瀝青混凝土路面施工關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 居舍， 2021（21）： 47-48.

[6]李璟. 公路工程中橡膠瀝青路面施工工藝技術(shù)探討[J]. 居舍， 2021（18）： 41-42.

[7]胡玉強(qiáng). 淺析橡膠瀝青在公路改擴(kuò)建工程中的應(yīng)用[J]. 冶金管理， 2020（7）： 24-25.

[8]祁睿. 公路工程中橡膠瀝青路面施工工藝技術(shù)研究[J]. 甘肅科技縱橫， 2020（1）： 58-60.

[9]劉芳， 郝攀. 基于低溫性能的橡膠瀝青指標(biāo)及生產(chǎn)工藝[J]. 黑龍江交通科技， 2019（12）： 66+68.

[10]劉愛華， 李亞麗. 石墨烯對(duì)橡膠瀝青流變性能及老化性能的影響研究[C]//中國(guó)公路學(xué)會(huì)， 世界交通運(yùn)輸大會(huì)執(zhí)委會(huì)， 西安市人民政府， 陜西省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì). 世界交通運(yùn)輸工程技術(shù)論壇（WTC2021）論文集（下）， 2021： 300-308.