基于橡膠瀝青黏度損失性能的室內試驗分析

摘要 借助旋轉黏度計獲得180 ℃下橡膠瀝青表觀黏度指標，用以評估其性能。通過室內試驗探究儲存條件、儲存溫度變化及機械攪拌不同外界條件變化，以50%扭矩的黏度為標準利用Brookfield黏度計的測量結果為基準，探究橡膠瀝青黏度損失規律。橡膠瀝青制備完畢后，隨著時間和溫度變化，其黏度逐漸降低，基于此，文章以ASTMD2196的要求為基準，結合Brookfield黏度計探究了儲存溫度、儲存時間、機械攪拌等外界條件變化情況下，橡膠瀝青的黏度變化，并采用微觀解釋構建了橡膠瀝青黏度變化模型，期望為項目施工中橡膠瀝青性能的合理控制提供參考、借鑒。

關鍵詞 公路工程項目；橡膠瀝青；黏度損失；室內試驗

中圖分類號 U416.2 文獻標識碼 A 文章編號 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理存在本質區別，故其性質差異顯著。現階段，評估瀝青性能的3大指標包括軟化點、延度和針入度，但由于橡膠瀝青與普通瀝青的差異顯著，上述指標不可直接用于橡膠瀝青的性能評價，多以黏度為基準，輔以彈性恢復、軟化點、針入度等指標作為評價橡膠瀝青性能的參數。針對橡膠瀝青進行黏度指標研究，可提高現場施工的控制標準，為產品施工生產提供參考，是促進廢胎膠粉廣泛應用于公路項目，提升綠色效益的重要舉措。

1 試驗方案介紹

1.1 原材料

廢胎膠粉為某公司生產的40目細度的產品，基質瀝青型號為SK-90，控制反應溫度為190 ℃，反應時間為60 min，按照廢胎膠粉外摻量23%的標準將廢胎膠粉與基質瀝青混合均勻并高速攪拌，完成橡膠瀝青的制備，詳細技術性能如表1所示：

1.2 試驗方法

按照上述制備條件制備橡膠瀝青，并儲存于130～

180 ℃環境中，靜置1～48 h，分別對不同儲存環境溫度與靜置條件下橡膠瀝青充分攪拌，以Brookfield黏度計測量其黏度值，以SC4-27型號轉子進行試驗，檢測轉速5～100 r/min條件下的黏度和扭矩值[1]。

2 試驗結果分析

2.1 橡膠瀝青黏度選取

黏度為條件性指標，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，出現在兩個流層間的作用力即黏性力[2]。分子力是導致流體黏度的關鍵，流體流動的情況下，快速流動層的分子攜帶慢速流動的分子向前運動，分子間相互作用力逐層傳遞，表現為流層間黏性。作為評估橡膠瀝青性能的關鍵技術指標，黏度與瀝青混合料的動穩定度關系密切，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，因此其黏度測試方法與普通瀝青存在明顯差異，結合上文所述方法對不同轉速條件下橡膠瀝青黏度、扭矩值進行檢測，并對試驗結果進行對數回歸，最終結果如表2所示。

對轉速扭矩和轉速黏度結果進行對數回歸，詳見圖1。通過圖1分析可知轉速扭矩、轉速黏度的數值之間具備較好的線性相關性，相關系數均大于0.9。選定對數回歸50%扭矩和20 r/min對普通瀝青黏度進行測試，研究結果顯示兩者之間的差距明顯，根據試驗數據，扭矩為50%情況下不同溫度條件時均可成功測得瀝青黏度值，且黏度較低情況下瀝青黏度與轉速、扭矩間相關性較小[4]。但是在20 r/min情況下采取的多種測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條件下測得的黏度值超出了精度范圍，而溫度低黏度高的情況下測得的黏度數據超出了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情況下計算的黏度值，小于50%扭矩情況下所得結果，而瀝青黏度較高的情況下，20 r/min時計算的黏度值大于50%扭矩時黏度[5]。為提高橡膠瀝青黏度試驗結果的可靠性，該文選定了50%扭矩情況下測得的黏度值作為瀝青黏度的試驗代表值[6]。

2.2 不同儲存時間與溫度下的橡膠瀝青黏度變化

根據試驗條件和相關參數分別將制備完成的橡膠瀝青按照1～48 h和135～185 ℃的條件靜置并儲存于黏度計盛樣筒中，按照50%扭矩使用Brookfield黏度計，對其180 ℃旋轉黏度值進行檢測，詳見圖2。

旋轉黏度變化趨勢

從儲存時間的角度分析，橡膠瀝青膠結料制備完畢后，隨著儲存時間的增加，橡膠瀝青的黏度值表現為先增加后減小，膠結料儲存3～4 h時橡膠瀝青的黏度值最大，隨后逐漸降低，且衰減期間3 h內的衰減速度最大[7]。從儲存溫度的角度分析，橡膠瀝青黏度值隨著溫度的增加遞增隨后衰減，高溫環境下儲存的橡膠瀝青黏度值衰減速度高于低溫條件下儲存的衰減速度，一般情況下儲存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存時間的延長呈現出先增加后減小的趨勢，可從以下角度分析：

（1）從黏度指標的角度分析，開始階段橡膠瀝青內部基質瀝青與廢胎膠粉顆粒之間并沒有充分反應溶脹，一定的溫度水平條件或儲存條件下，基質瀝青中的輕質成分減少，廢胎膠粉與基質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瀝青融合，且3～4 h內兩者反應達到了極限水平，此時橡膠瀝青的黏度值達到了最高水平。隨著橡膠瀝青發育時間的延長，廢胎膠粉出現了脫硫反應，其黏度值開始下降。

（2）橡膠瀝青與儲存環境溫度變化的關系分析，隨著儲存溫度的增加，橡膠瀝青中的廢胎膠粉與基質瀝青的反應更充分，達到黏度最大峰值的速度加快，且黏度達峰后的脫硫反應更為顯著，黏度值下降更加明顯[9]。基于該試驗，橡膠瀝青最適宜的儲存時間為7 h，最佳的儲存溫度為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存溫度為155 ℃，為便于研究，將橡膠瀝青置于155 ℃溫度環境下，以小型攪拌機均勻攪拌，并按照50%扭矩標準測定不同時間下180 ℃情況下橡膠瀝青的旋轉黏度值，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、達峰時間、衰減速率等指標與低速攪拌下指標水平相當，由此可見溫度之外的因素對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，黏度值達峰前，攪拌的試樣相比于無攪拌的試樣，黏度增長率略高，達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，證實無攪動的情況下橡膠瀝青的脫硫反應水平較低，該情況與實際橡膠瀝青脫硫生產環節的變形相一致。

（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存的過程中可能存在離析，故推薦儲存的過程中需要結合實際情況對橡膠瀝青進行適度攪拌[10]。

3 橡膠瀝青黏度損失模型研究

儲存過程中，橡膠瀝青的黏度值變化與儲存溫度關系密切，此外還與橡膠瀝青的制作過程有關，反應溫度、攪拌時間、膠粉摻量、膠粉粒徑等任何因素變化，都會影響橡膠瀝青的黏度值，并引起儲存過程中其黏度的變化。基于該研究中配制的橡膠瀝青，儲存過程中其黏度值η與時間t之間為二次多項式關系，與溫度T之間為指數型關系。以前文研究橡膠瀝青與溫度和時間的變化規律為基礎，橡膠瀝青儲存過程中黏度值與實踐和溫度的關系式詳見公式（1）：

式中，η——180 ℃條件下橡膠瀝青旋轉黏度值；T——儲存環境溫度；t——儲存時間；X1、X2、X3——變量；a1——常數項。

以改進后的最小二乘Levenberg-Marquardt法對上述試驗結果進行擬合回歸，并結合對應關系獲得橡膠瀝青黏度損失模型如下：

結合試驗數據和構建模型分析可知：相關系數值R2為0.958 4，表明模型擬合度較高，數據與模型之間具備較高的相關性。以數理分析顯著性水平為基礎，結果顯示，F0.10=9.16lt;FB=128.734。由此可見，試驗數據與模型之間具備較高的關聯度，模型構建具備現實意義。

4 結論

綜上所述，該文基于特定配比，進行了橡膠瀝青的配置，并探究了不同儲存溫度、儲存時間條件下試樣黏度值，以試驗結果為基礎，結合相關理論，獲得如下結論：

（1）橡膠瀝青制備完畢后，儲存階段前期其黏度不斷增加，且于3～4 h達到黏度峰值，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）儲存溫度會影響橡膠瀝青的黏度值，主要表現為隨著儲存溫度的增加，橡膠瀝青的黏度增加，黏度值達到峰值后開始衰減，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存條件下的黏度情況進行比較可知，橡膠瀝青的黏度達峰峰值、達峰時間、衰減速率等指標無明顯差異。達峰前，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，達峰峰值較高，隨后衰減速度大于未攪拌者。

以該研究試驗結果為基礎構建的橡膠瀝青衰減模型有較好的擬合度，與試驗數據的擬合程度較高，可將其作為橡膠瀝青儲存的技術參考。

參考文獻

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