不同測試方法下瀝青黏度特性研究

洪嶺嶺， 馮國杰， 孫雪陽

(1.河南省交通規劃設計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任公司， 河北 石家莊 437400；3.徐輝設計股份有限公司， 河南 鄭州 450016)

瀝青溫度敏感性強弱直接影響其路用性能。從工程應用角度，瀝青是一種黏彈性材料，黏度是其一項重要指標。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嚴重影響瀝青混合料施工溫度、和易性和壓實度，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。常用瀝青黏度測試方法有瀝青布氏旋轉黏度測試、動態剪切流變儀(DSR)測試(瀝青剪切黏度)和動力黏度測試。已有研究建立了布氏旋轉黏度和瀝青剪切黏度與黏附性的關系，但仍存在一些不足，主要表現為瀝青布氏旋轉黏度大小和轉速、溫度有較大關系，而研究中一般只測定單一參數指標下黏度，以此建立瀝青旋轉黏度與黏附性的相關關系沒有說服力；DSR試驗中黏度掃描軟件對瀝青測試時需設置轉速、剪切力等指標，而以往研究沒有考慮這些因素對瀝青黏度的影響，得出的瀝青黏度與黏附性相關性的結論是片面的；動力黏度的測試條件一般為60 ℃，實際上夏季高溫季節瀝青遠不止60 ℃，導致60 ℃瀝青動力黏度試驗的測試效果不好，工程項目上使用率低，有必要探索更高溫度下瀝青動力黏度性能。為此，該文著重討論不同測試方法(布氏旋轉黏度計、DSR、真空減壓毛細管法)下不同參數指標的3種SBS改性瀝青黏度特性變化規律。

1 瀝青材料及其性能

采用SBS改性瀝青，其中SBS改性劑為星型結構，摻量為4.5%。SBS改性瀝青的基本性能指標見表1。

表1 SBS改性瀝青的基本性能指標

按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》對其進行旋轉薄膜試驗(RTFOT)和壓力老化試驗(PAV)，制備短期老化瀝青和長期老化瀝青，并對3種不同老化程度瀝青進行三大指標測試，試驗結果見表2。

表2 3種SBS改性瀝青的三大指標

2 瀝青黏度特性分析

2.1 瀝青旋轉黏度特性測試與分析

參照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中瀝青旋轉黏度試驗方法，考慮不同溫度(95、135、175 ℃)、轉子(29#、27#、21#，其瀝青用量分別為13.5、10.4和7.1 g)、轉速(2、4、6、8、20、40、60、80 r/min)對瀝青旋轉黏度的影響，使用布洛克菲爾德黏度計對原樣、RTFOT和PAV后SBS改性瀝青進行旋轉黏度測試，結果見表3。對3種不同老化程度瀝青在3種溫度下的旋轉黏度進行擬合，結果見圖1～3。

表3 SBS改性瀝青旋轉黏度測試結果

圖1 不同溫度下SBS改性瀝青旋轉黏度擬合結果

圖2 不同溫度下RTFOT后SBS改性瀝青旋轉黏度擬合結果

圖3 不同溫度下PAV后SBS改性瀝青旋轉黏度擬合結果

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出的旋轉黏度特性有很大區別，同一種SBS改性瀝青在不同溫度下的旋轉黏度也有差別。不同函數對不同瀝青旋轉黏度的擬合結果見表4。

表4 不同瀝青旋轉黏度擬合結果

由表4可知：原樣、RTFOT和PAV后SBS改性瀝青的旋轉黏度在某一溫度出現線性相關性較低或擬合曲線函數不同的現象，表明SBS改性劑分子在該溫度下達到不穩定狀態，導致瀝青表現的性能不穩定，出現無規律變化；瀝青旋轉黏度無規律時的溫度不同(原樣瀝青為175 ℃，RTFOT后瀝青為135 ℃，PAV后瀝青為135 ℃)，表明老化讓SBS改性劑分子結構產生了損傷，使其分解等變化提前；不同老化狀態瀝青旋轉黏度擬合曲線的函數也不同，說明經過RTFOT、PAV老化后SBS改性瀝青中SBS改性劑分子鏈段的長度和分子間作用力發生了變化；RTFOT后SBS改性瀝青的旋轉黏度在不同溫度下的函數擬合結果差異性比PAV后的大，表明RTFOT老化使SBS改性瀝青中物質處于極其不穩定的狀態，而PAV后SBS改性瀝青的SBS改性劑分子的變化已達到相對穩定狀態。

2.2 瀝青剪切黏度特性測試與分析

利用動態剪切流變儀中黏度掃描軟件測試瀝青的剪切黏度，掃描溫度為50～190 ℃。為研究不同轉速對瀝青剪切黏度的影響，試驗中轉速分別采用20、40、60和80 r/min，其他參數為默認值。數據采集為每0.5 min采集一個點，同時溫度升高1 ℃，共采集141個點。4個特殊溫度下瀝青剪切黏度見表5～7。以原樣SBS改性瀝青在20 r/min時的剪切黏度為例進行擬合，擬合結果見圖4。

由表5～7、圖4可知：同樣轉速下，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關系(y=ax-b)；同樣溫度下，隨著轉速升高，瀝青的剪切黏度在95 ℃時變化無規律，在其他溫度下表現為逐漸升高或逐漸降低的趨勢，其關系擬合曲線沒有明顯的函數關系。

表5 原樣SBS改性瀝青剪切黏度測試結果

表6 RTFOT后SBS改性瀝青剪切黏度測試結果

表7 PAV后SBS改性瀝青剪切黏度測試結果

圖4 轉速為20 r/min時原樣SBS改性瀝青剪切黏度擬合結果

2.3 瀝青動力黏度特性測試與分析

參照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中瀝青動力黏度試驗方法，使用真空減壓毛細管黏度計對3種不同狀態SBS改性瀝青進行瀝青動力黏度測試，測定溫度為60、65、70、75、80 ℃，采用400R和200R 2種毛細管，測試結果見表8。對3種瀝青在不同溫度下的動力黏度進行擬合，擬合結果見圖5～7。

表8 3種不同老化程度瀝青動力黏度測試結果

由表8可知：隨著溫度的升高，3種改性瀝青的動力黏度逐漸下降，其中原樣SBS改性瀝青的動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，瀝青動力黏度大小排序為PAV后瀝青>RTFOT后瀝青>原樣瀝青，表明瀝青老化后，瀝青動力黏度受溫度的影響較小。

由圖5～7可知：不同狀態SBS改性瀝青的動力黏度均呈指數函數(y=Ae-Bx)關系，相關性較好。隨著SBS改性瀝青老化程度的加重，其指數函數擬合曲線的A值和B的絕對值逐漸減小。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的絕對值越小，瀝青的老化程度越嚴重，其黏度受溫度的影響小。

圖5 原樣SBS改性瀝青動力黏度擬合結果

圖6 RTFOT后SBS改性瀝青動力黏度擬合結果

圖7 PAV后SBS改性瀝青動力黏度擬合結果

3 結論

(1) 原樣、RTFOT和PAV后SBS改性瀝青的旋轉黏度隨轉速不同分別呈冪函數、指數函數和二次項函數、二次項函數關系，表明3種瀝青結構內部分子狀態不同，RTFOT后瀝青狀態最不穩定。

(2) 不同狀態SBS改性瀝青的剪切黏度滿足冪函數關系(y=ax-b)。

(3) 不同狀態SBS改性瀝青的動力黏度均呈指數函數(y=Ae-Bx)關系，相關性較好。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的絕對值越小，瀝青的老化程度越嚴重，其黏度受溫度的影響小。

(4) 原樣、RTFOT和PAV后SBS改性瀝青動力黏度的指數函數回歸曲線的A值表明瀝青性能高低排序為原樣瀝青>PAV后瀝青>RTFOT后瀝青，表明RTFOT后瀝青內部結構分子處于不穩定狀態，性能較差，與旋轉黏度特性呈現的結果相一致；B的絕對值越小老化越嚴重，瀝青老化程度高低排序為原樣瀝青