兩種測量泡沫瀝青黏度方法的對比

徐大衛，張 帥

(1.河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京210098；2.徐州市交通規劃設計研究院，江蘇 徐州 221006)

?

兩種測量泡沫瀝青黏度方法的對比

徐大衛1，張 帥2

(1.河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京210098；2.徐州市交通規劃設計研究院，江蘇 徐州 221006)

使用布氏黏度計與改進的布氏黏度計進行測量泡沫瀝青黏度試驗，選擇70#道路石油瀝青與SBS改性瀝青制備泡沫瀝青，對兩種泡沫瀝青的旋轉黏度測量方法進行對比研究。結果表明：測量泡沫瀝青時須考慮瀝青泡對轉子剪切力的影響，70#道路石油泡沫瀝青產生的瀝青泡對其旋轉黏度影響較大，其改進的旋轉黏度小于70#道路石油瀝青的旋轉黏度，未改進的旋轉黏度大于70#道路石油瀝青的旋轉黏度；SBS改性泡沫瀝青由于其旋轉黏度較大，產生的規則橢球形瀝青泡，對旋轉黏度的測量影響不大，其改進的旋轉黏度與未改進的旋轉黏度均小于SBS瀝青的旋轉黏度。為了更加準確測得泡沫瀝青的旋轉黏度，建議對布氏旋轉黏度計進行改進，增大盛樣筒的口徑來避免瀝青泡對轉子剪切力的影響。

道路工程；泡沫瀝青；旋轉黏度；對比試驗；剪切力；瀝青泡

泡沫溫拌瀝青路面技術是一門新興的筑路技術，與傳統的熱拌瀝青路面相比，泡沫溫拌瀝青可以有效降低20～30 ℃混合料的施工溫度，使瀝青混合料在120～140 ℃拌和均勻，從而降低了瀝青膠結料在生產過程中的老化，延長瀝青路面壽命，并且可以節約能源30%左右，大幅度減少CO2、SO2等氣體的排放，所以泡沫溫拌是一種大有可為的溫拌方式，泡沫溫拌技術受到越來越多的關注。泡沫溫拌瀝青的黏度與混合料的施工溫度及施工和易性密切相關，泡沫瀝青由于含有泡沫，其黏度的測試方式以及其發泡前后的黏度的變化是大家關注的主要問題。目前測定瀝青黏度的方法有：毛細管法、道路石油瀝青標準黏度計法、恩格拉黏度計法、布洛克菲爾德黏度計法，考慮到泡沫瀝青黏度測試要求，毛細管法、道路石油瀝青標準黏度計法、恩格拉黏度計法不適合測量泡沫瀝青的黏度[1]，因此選擇布洛克菲爾德黏度計(布氏黏度計)法作為測量泡沫瀝青黏度的試驗方法。考慮到泡沫瀝青中存有瀝青泡以及體積膨脹，對布氏黏度計的盛樣筒進行改進，測量所得黏度稱其為改進的旋轉黏度。

1 試驗調查

1.1 原材料

選擇韓國AK-70#道路石油瀝青與SBS改性瀝青作為試驗原材料，其性能如表1，瀝青發泡時用水直接采用潔凈的自來水。

表1 瀝青的性能指標試驗結果

1.2 泡沫瀝青的制備

室內瀝青發泡試驗選擇德國維特根WLB10發泡試驗機，主要由瀝青加熱桶、壓縮空氣罐、壓力調節器、瀝青泵、水流量計等組成。泡沫瀝青制備好后立即進行旋轉黏度試驗，結合國內外研究[2-3]，選擇的發泡參數如表2。

表2 瀝青發泡參數

1.3 試驗方法

美國SHRP計劃以來，布洛克菲爾德DV-Ⅱ型旋轉黏度計被廣泛用來測量瀝青黏度，這種方法可直接測得旋轉黏度，且具有測量精度高、操作方便簡單，常用于測量60～180 ℃之間各種溫度下的瀝青旋轉黏度。為了測量泡沫瀝青的旋轉黏度，選擇如下兩種測試方法：第1種選用美國布洛克菲爾德DV-Ⅱ型旋轉黏度計，如圖1。考慮到泡沫瀝青在加熱時體積膨脹，會產生瀝青泡，可能影響旋轉黏度的測定，所以對布氏黏度計進行改進，將黏度計的盛樣筒改為杯口直徑更大的瓷杯(將瓷杯放在油浴里進行控溫，杯口直徑約為10 cm)，來避免瀝青泡膨脹對讀數產生的影響，如圖2。將改進的布氏黏度計作為第2種測量泡沫瀝青旋轉黏度的方法。

圖1 布洛克菲爾德DV-Ⅱ型旋轉黏度儀

圖2 兩種方法盛樣筒對比 Fig.2 Containing sample compared with porcelain

旋轉黏度是由流體內部分子結構之間的引力形成內摩擦，從而在外部表現為抵抗流體流動的能力，間接地反應了流體分子及其分布狀態。瀝青結合料旋轉黏度與結合料類型、剪變率和儀器參數有關，其計算方法中考慮3個儀器參數[4]，計算如式(1)～式(3)：

(1)

S=nk3

(2)

F′=k1k2k3T/10

(3)

式中：η為旋轉黏度，cp；n為轉速，r/min；k1為扭矩常數；k2為轉子體積常數；S為剪變率；k3為轉子剪變率常數；F′為剪應力，N/m2；T為扭矩百分數，%。

可以看出，旋轉黏度與轉子轉速、扭矩常數、轉子體積常數、扭矩百分數有關，試驗時統一選擇27#轉子，轉速為50 r/min，同時為了保證讀數的有效性，控制布氏黏度計的扭矩讀數在10 %～98 %之間[5]。布氏黏度計測量控制溫度分別為110，120，130 ℃。

2 結果與討論

為了對比發泡前后瀝青旋轉黏度的變化，同時測量了未發泡瀝青的旋轉黏度，表3為未發泡瀝青的旋轉黏度。

表3 不同溫度下未發泡瀝青的布氏旋轉黏度

測量瀝青旋轉黏度時泡沫瀝青屬于非牛頓體，非牛頓流體的氣泡上升過程中氣泡呈現出復雜的形態特征。低旋轉黏度流體中，氣泡表現出強烈的振蕩形變現象，具有無規則的形狀特征，當流體旋轉黏度較大時，氣泡振蕩現象減弱，得到規則的橢球形氣泡外觀[6]。兩種方法測量泡沫瀝青旋轉黏度時的狀態對比如圖3。

圖3 兩種測量泡沫瀝青黏度試驗方法狀態對比

從圖3可以看出，對于布氏黏度計，由于盛樣筒較小，造成了不規則的瀝青泡對盛樣筒內壁與轉子側面的擠壓，影響轉子剪切力，進而影響扭矩，對讀數產生影響[7-8]，而改進的旋轉黏度計使用了口徑比較大的瓷杯，避免了瀝青泡對轉子剪切力的影響。

2.1 道路石油瀝青

對于70#道路石油瀝青，使用上述兩種方法測量其在不同溫度下泡沫瀝青及未發泡瀝青的旋轉黏度如圖4。

圖4 不同發泡條件下泡沫瀝青旋轉黏度兩種測量方法對比

從圖4(a)可以看出，使用改進的方法測量泡沫瀝青旋轉黏度時，在不同發泡條件下的泡沫瀝青的旋轉黏度均小于未發泡的道路石油瀝青的旋轉黏度，這說明制備的泡沫瀝青與70#道路石油瀝青相比，體積膨脹，且瀝青泡對盛樣筒杯壁以及轉子剪切力基本上沒有受到不規則瀝青氣泡的影響，所以泡沫瀝青旋轉黏度小于70#道路石油瀝青旋轉黏度。從圖4(b)可以看出，使用布氏旋轉黏度計時，測量的泡沫瀝青旋轉黏度均大于70#道路石油瀝青的旋轉黏度，與泡沫瀝青體積膨脹，測得旋轉黏度與應小于70#道路石油瀝青相反，主要是由于在使用布氏黏度計盛樣筒條件下，不規則的瀝青泡對轉子產生擠壓，對轉子的剪切力產生了影響，使其變大，進而造成了測量泡沫瀝青旋轉黏度時結果偏大。由圖中數據分析得，在相同發泡溫度下，旋轉黏度隨著用水量的增加而減小。

2.2 SBS改性瀝青

對于SBS改性瀝青，使用上述兩種方法測量其在不同溫度下泡沫瀝青的旋轉黏度及其未發泡瀝青旋轉黏度，如圖5。

圖5 不同發泡條件下SBS改性瀝青旋轉黏度兩種測量方法對比

從圖5(a)可以看出，改進的旋轉黏度與旋轉黏度均小于未發泡的SBS改性瀝青，在相同溫度下，SBS泡沫瀝青的旋轉黏度小于SBS改性瀝青的旋轉黏度，對此與70#道路石油瀝青不同，究其原因，是由于SBS改性瀝青旋轉黏度比普通瀝青大，氣泡振蕩現象微弱，且大多為橢球形氣泡外觀。通過試驗時的觀察，產生的瀝青泡數要遠小于70#道路石油瀝青，膨脹率也小于70#道路石油瀝青，SBS瀝青泡對轉子剪切力的影響程度小于70#道路石油瀝青泡。對比圖5知，使用改進的黏度計測量的旋轉黏度總體上小于布氏旋轉黏度計測量的旋轉黏度，由上述分析得，盛樣筒體積較小，瀝青泡對轉子側面與盛樣筒的內壁產生擠壓，進而影響轉子的剪切力，使得布氏黏度計測得旋轉黏度大于改進的旋轉黏度計。對圖中數據進行分析，與布氏黏度計測得的旋轉黏度相比，改進的旋轉黏度計測得的旋轉黏度降低率約19.8 %～47.1 %。

3 結 論

1) 泡沫瀝青加熱時由于體積膨脹，旋轉黏度減小，而用布氏黏度計測量的70#道路石油瀝青旋轉黏度卻增大，主要是不規則的瀝青泡與盛樣筒內壁產生擠壓，使得剪切力增大，旋轉黏度也相應增大。使用改進的黏度計時，即對布氏黏度計原盛樣筒進行改進，增大盛樣筒的口徑由2 cm達到10 cm，將其放在可控溫的油浴中保溫進行測量旋轉黏度，這樣規避了不規則氣泡對旋轉黏度的影響，所以，使用大一點的盛樣筒進行測量旋轉黏度更適合，即用改進的布氏黏度計適合泡沫瀝青的選轉黏度測量。

2) 對于SBS改性瀝青，使用兩種方法測量的旋轉黏度均小于未發泡的旋轉黏度。使用改進的黏度計測量不同條件下的旋轉黏度小于使用布氏黏度計測量的旋轉黏度，SBS改性瀝青發泡時，瀝青泡的振蕩現象較70#道路石油瀝青小，大多為橢球形外觀，對轉子的剪切力影響沒有70#道路石油瀝青顯著，因此對盛樣筒口徑進行改進，使得測量泡沫瀝青的旋轉黏度更精確。

3)通過對70#道路石油瀝青與SBS改性瀝青進行兩種黏度方法試驗對比，得出測量泡沫瀝青的黏度時宜對布氏黏度計的盛樣筒進行改進，口徑多大比較適合，有待于進一步的研究。

[1] JTG E 20—2011 公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規程[S].北京:人民交通出版社,2011. JTG E 20—2011 Standard Test Methods of Bitumen and Bituminous Mixtures for Highway Engineering [S].Beijing:China Communications Press,2011.

[2] Nivedya M K,Lakshmi Roja K,Veeraragavan A,et al.Rheological investigations on foamed bitumen[J].Airfield and Highway Pavement,2013(30):967-976.

[3] 栗關裔,李立寒.瀝青發泡效果與泡沫瀝青混合料性能的相關性[J].建筑材料學報,2008,5(11):555-560. Li Guanyi,Li Lihan.Relationship between asphalt foaming effect and foamed asphalt mixture performance [J].Journal of Building Materials,2008,5(11):555-560.

[4] 孫楊勇,張起森.瀝青黏度測定及其影響因素分析[J].長沙交通學院學報,2002,18(2):67-70. Sun Yangyong,Zhang Qisen.Measurement and analysis of bitumen viscosity [J].Journal of Changsha Communications University,2002,2(6):67-70.

[5] 李平,張爭奇,孫鴻偉,等.瀝青膠漿黏度特性研究[J].交通運輸工程學報,2008,8(2):49-52. Li Ping,Zhang Zhengqi,Sun Hongwei,et al.Research on viscosity property of asphalt mortar [J].Journal of Traffic and Transportation Engineering,2008,8(2):49-52.

[6] 姜韶堃,馬友光,陶志勇.非牛頓體中運動氣泡的形變[J].艦船科學技術,2010,32(12):38-41. Jiang Shaokun,Ma Youguang,Tao Zhiyong.Deformation of moving bubble in non-Newtonian fluid [J].Ship Science and Technology,2010,32(12):38-41.

[7] Heller J P,Kuntamukkula M S .Critical review of the foam rheology literature [J].Industrial Engineering and Chemistry Research,2008(26):318-325.

[8] He Guiping,Wong Winggun.Decay properties of the foamed bitumen [J].Construction and Building Materials,2006(20):866-877.

Comparison for Two Methods of Measurement of Foamed Asphalt Viscosity

Xu Dawei1, Zhang Shuai2

(1. Collge of Civil & Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, China; 2. Xuzhou Communications Planning & Design Institute,Xuzhou 221006,Jiangsu,China)

Brookfield viscometer and improvement of Brookfield viscometer were used to measure foamed asphalt, and 70# conventional asphalt and SBS modified asphalt were selected to produce foamed asphalt. Compared with two kinds of foamed asphalt viscosity measurement method, the results are as follows: asphalt bubbles influencing shear stress should be taken into consideration. Bubbles of 70# conventional asphalt influences viscosity a lot, and improvement of rotation viscosity is less than 70# conventional asphalt, but rotation viscosity is larger than 70# conventional asphalt. Because of larger viscosity of SBS modified asphalt, inerratic bubbles of asphalt have little effect on measurement of viscosity. Improvement of rotation viscosity and rotation viscosity are less than that of SBS modified asphalt. In order to measure the viscosity of foamed asphalt more accurately, it is suggested that the caliber of sample tube should be increased to avoid the influence of asphalt bulbbles on the shear stress.

road engineering;foamed asphalt;viscosity; contrast experiment; shear stress; bubbles of asphalt

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.01.10

2013-10-19；

2013-11-12

江蘇省交通科學研究計劃項目(2012Y39)

徐大衛(1988—),男，江蘇連云港人，碩士研究生，主要從事路面材料方面的研究。E-mail:xudawei19880607@163.com。

U414

A

1674-0696(2015)01-044-04