瀝青零剪切黏度試驗方法及計算模型研究

巴爾瑪　李玉華

(大連理工大學(xué)道路工程研究所，遼寧 大連　116024)

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瀝青零剪切黏度試驗方法及計算模型研究

巴爾瑪李玉華

(大連理工大學(xué)道路工程研究所，遼寧 大連116024)

采用三種應(yīng)力下的重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗得到的恢復(fù)柔量，確定了零剪切黏度，并對結(jié)果進行了分析，指出對高粘橡膠改性瀝青來說，當(dāng)應(yīng)力較大時，7.5 s～8 s的恢復(fù)時間不夠達到恢復(fù)柔量的恒定值,且零剪切黏度在60 ℃溫度下測量數(shù)據(jù)與車轍的測量數(shù)據(jù)是相關(guān)的。

零剪切黏度，振蕩試驗，蠕變恢復(fù)試驗，Burgers模型，Cross模型

車轍是路面的主要病害之一。近年來，由于輪胎壓力和軸重的增加，車轍已成為許多國家柔性路面破壞的主導(dǎo)模式。根據(jù)不同層和環(huán)境條件的結(jié)構(gòu)的能力，路面會有各種原因的車轍[1]。瀝青結(jié)合料性能是產(chǎn)生車轍主要原因之一。許多研究人員已經(jīng)評價過抗車轍瀝青結(jié)合料，并得出不同的結(jié)論。Philips和Robertus[2]認為，車轍過程中的瀝青貢獻是一種永久變形，僅僅來自耗散過程的黏度。一個邏輯的問題是，要使用哪一種黏度。根據(jù)用于路面設(shè)計方法的線性假設(shè)，他們總結(jié)到零剪切黏度(η0)可能是適當(dāng)?shù)摹?/p>

1　瀝青零剪切黏度

零剪切黏度是一個指標，與車轍相關(guān)的兩種瀝青結(jié)合料特性:結(jié)合料的剛度;結(jié)合料的抗長期加載永久變形能力，瀝青結(jié)合料的這兩種特性對預(yù)防瀝青路面的永久變形最重要。測量零剪切黏度的方法有很多，比如：振蕩試驗,用振蕩頻率接近于非常低時的復(fù)合黏度值確定零剪切;蠕變試驗,為低剪切應(yīng)力的“穩(wěn)態(tài)黏度”確定ZSV。根據(jù)瀝青結(jié)合料的類型,短或者很長時間后達到穩(wěn)定狀態(tài)；低頻率正弦曲線的振蕩測定ZSV等等[3]。黏度隨剪切速率的變化趨勢見圖1。

2　蠕變試驗確定ZSV的計算

2000年Desmazes C等人[4]提出的簡單蠕變和蠕變恢復(fù)試驗是得到零剪切黏度的比較新的一種方法。蠕變試驗使用DSR可以確定剪切變形行為隨著加載時間而增加。在低應(yīng)力水平條件下隨著加載時間的增加，蠕變試驗中ZSV可以測量一個限制值(穩(wěn)態(tài)黏度)。在瀝青試樣上長時間施加一個恒定剪切應(yīng)力，隨后卸載試樣。長期蠕變試驗中，延遲彈性的效果隨時間減少。足夠的長時間后瀝青結(jié)合料的流變行為由粘性流動支配。

在蠕變試驗中,施加恒量σ0剪切應(yīng)力，測量應(yīng)變γ與時間的函數(shù)。剪切應(yīng)變與施加剪切應(yīng)力之比例定義為蠕變?nèi)崃浚矗?/p>

J(t)=γ(t)/σ0

(1)

圖2為蠕變恢復(fù)過程中蠕變?nèi)崃縅(t)與時間的函數(shù)圖。蠕變和蠕變恢復(fù)階段中，柔量可分為三個部分，其中J0是瞬時彈性階段，J1是延遲彈性階段和J2是粘性階段。在蠕變階段中得到的剪切應(yīng)變與穩(wěn)態(tài)部分的施加剪切應(yīng)力是正比關(guān)系，因此，蠕變?nèi)崃亢蛻?yīng)力水平無關(guān)。當(dāng)施加的剪切應(yīng)力足夠低時，黏度值和剪切應(yīng)力無關(guān)。在穩(wěn)態(tài)部分的柔量曲線斜率的倒數(shù)值即為ZSV，η0即：

(2)

在蠕變恢復(fù)階段中，剪切應(yīng)力被卸除，并施加到瀝青的一些剪切應(yīng)變逐漸恢復(fù)。從殘余的柔量可得到零剪切黏度η0：

η0=tcreep/J2recovery

(3)

3　從蠕變恢復(fù)試驗得到的恢復(fù)柔量確定ZSV

3.1瀝青蠕變恢復(fù)試驗

在60 ℃和三種應(yīng)力水平條件下對高粘橡膠改性瀝青進行了重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗，如表1所示為高粘橡膠改性瀝青的性能[5]。瀝青試件厚度為3 mm，直徑為60 mm。蠕變恢復(fù)的一個周期時間是10 s，其中加載時間為2 s～2.5 s和卸載時間為7.5 s～8 s。每個試驗有20個周期。

表1　瀝青的性能指標

3.2瀝青零剪切黏度計算

本文使用重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗確定了瀝青零剪切黏度。所有的試驗都是在60 ℃下做的。瀝青零剪切黏度是通過蠕變恢復(fù)試驗的恢復(fù)數(shù)據(jù)來計算的，該方法是由Desmazes C[4]提出。本試驗中主要測試扭矩和線位移。依據(jù)試驗數(shù)據(jù)，把剪切應(yīng)力和應(yīng)變算出來，采用MATLAB軟件繪制出蠕變?nèi)崃颗c時間的曲線，然后用恢復(fù)柔量計算瀝青零剪切黏度。

剪切應(yīng)力和剪切應(yīng)變按照式(4)計算：

(4)

其中，τ為瀝青試件剪切應(yīng)力(圓形截面的邊緣處)，Pa；Ip為圓形截面的抗扭轉(zhuǎn)慣性矩，mm4；T為瀝青試件受到的恒定的旋轉(zhuǎn)扭矩，N·m；R為瀝青試件圓形截面的半徑(本文R均為30 mm)。在三個不同剪切應(yīng)力條件下做了蠕變恢復(fù)試驗，計算過程見表2。

表2　瀝青剪切應(yīng)力的計算過程

應(yīng)用式(5)把線位移和時間的曲線換算為應(yīng)變和時間的曲線(見圖3，圖4)。

(5)

其中，γ為瀝青試件剪切應(yīng)變(圓形截面的邊緣處)；S為瀝青試件圓形截面的弧長,mm；h為瀝青試件的厚度(本文h均為3 mm)。

J(t)=γ(t)/τ0

(6)

用式(6)來算J(t)，繪制出柔量及時間的曲線(見圖5)，然后曲線上直接確定蠕變時間tcreep和粘性部分的柔量Jr(t)，并通過第二章解釋的蠕變試驗確定ZSV的計算方法與式(7)得到零剪切黏度η0。

(7)

表3為計算ZSV相關(guān)的參數(shù)。

表3　計算ZSV相關(guān)的參數(shù)

3.3試驗結(jié)果與分析

在試驗過程中，必須達到純粹的粘性應(yīng)變/柔量的階段，被稱為穩(wěn)態(tài)流動。當(dāng)達到這個階段時，應(yīng)變率或者柔量趨于恒定值。從

蠕變數(shù)據(jù)計算零剪切黏度之前檢驗了線性粘彈性的假設(shè)。對于蠕變和恢復(fù)測試，在三種應(yīng)力下的蠕變和恢復(fù)測試重復(fù)幾次，每個測試的柔量與其他試驗疊加。從圖6可以看出，在較低的應(yīng)力條件下恢復(fù)柔量容易達到恒定值。對高粘橡膠改性瀝青來說，應(yīng)力較大的時候7.5 s～8 s的恢復(fù)時間不能達到恢復(fù)柔量的恒定值。

從試驗結(jié)果上看，在相同的應(yīng)力水平下的零剪切黏度值比較接近。應(yīng)力水平越高零剪切黏度值也越高。從前5個周期來看,累積柔量值隨著應(yīng)力水平的增加不斷增加，隨著作用次數(shù)的增加而增加。從第5個周期之后試件開始失效。從整體來看τ02=1 966.09 Pa應(yīng)力下的曲線零剪切黏度隨著運行次數(shù)的增加而增加。

4　結(jié)語

本文對瀝青零剪切黏度試驗方法和計算模型進行研究,采用大連理工大學(xué)道路教研室自主開發(fā)的瀝青扭轉(zhuǎn)剪切蠕變試驗儀進行蠕變恢復(fù)試驗，并計算了高粘橡膠改性瀝青零剪切黏度。得到的結(jié)論如下：1)從試驗結(jié)果上看，在相同的應(yīng)力水平下的零剪切黏度值比較接近。應(yīng)力水平越高零剪切黏度值也越高。應(yīng)力水平對高粘橡膠瀝青的累積應(yīng)變或者柔量都有一定的影響,前5個周期來看,累積柔量值隨著應(yīng)力水平的增加不斷增加,并隨著作用次數(shù)的增加而增加。2)較低的應(yīng)力水平條件下，恢復(fù)柔量容易達到恒定值。對高粘橡膠瀝青來說，在應(yīng)力水平較高時，7.5 s～8 s的恢復(fù)時間不能達到恢復(fù)柔量的恒定值。3)測試結(jié)果的數(shù)量仍然是有限的，其他類型的瀝青測試應(yīng)該在未來的研究中。

[1]Morea F,Agnusdei J O,Zerbino R.Comparison of methods for measuring zero shear viscosity in asphalts[J].Materials and Structures,2010(43):499-507.

[2]Philips M C,Robertus C.Binder rheology and asphalt pavement permanent deformation:The zero shear viscosity.Eurobitume and Euroasphalt Workshop,1996.

[3]方伽俐,黃衛(wèi)東.瀝青結(jié)合料零剪切黏度簡介[J].中外公路,2003(6):83-86.

[4]Desmazes C,Lecomte M,Lesueur D,et al.A Protocol for Reliable Measurement of Zero-Shear-Viscosity in order to Evaluatethe Anti-Rutting Performance of Binders[A].2nd Eurasphalt and Eurobitume Congress Barcelona[C].2000.

[5]郭詠梅,倪富健.幾種改性瀝青零剪切黏度的測試分析[J].交通運輸工程與信息學(xué)報,2013(2):42-46.

Research on test methods and calculation models for asphalt zero shear viscosity

BayarmaaLi Yuhua

(InstituteofRoadEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

In this paper, the zero shear viscosity values are determined by the recovery compliance of repeated creep recovery tests at 3 kinds of stresses and the results are analyzed. For high viscosity rubber modified asphalt, when the stress is larger, the recovery time of 7.5～8 seconds is not enough to keep the constant value of compliance. And ZSV measurements at 60 ℃ would facilitate correlation with rutting measurements which are commonly performed at this temperature.

zero shear viscosity, oscillation test, creep recovery test, Burgers model, Cross model

1009-6825(2016)19-0097-02

2016-04-20

巴爾瑪(1987- )，女，在讀碩士；李玉華(1971- )，男，博士，副教授

TU535

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