旋轉粘度試驗影響因素與粘溫曲線繪制研究*

王文濤　羅　蓉　馮光樂　王麗靜

(武漢理工大學交通學院1)　武漢　430063)　(湖北省交通廳工程質量監督局2)　武漢　430014) (湖北長江路橋股份有限公司3)　武漢　430212)

旋轉粘度試驗影響因素與粘溫曲線繪制研究*

王文濤1)羅蓉1)馮光樂2)王麗靜3)

(武漢理工大學交通學院1)武漢430063)(湖北省交通廳工程質量監督局2)武漢430014) (湖北長江路橋股份有限公司3)武漢430212)

摘要：為研究旋轉粘度試驗各參數變化及試驗關鍵操作對瀝青粘度的影響，通過采用旋轉粘度計，對SBS改性瀝青和70#基質瀝青用不同轉子、不同轉速在不同溫度下進行旋轉粘度試驗，并比選2種粘溫曲線繪制方法，探究試驗溫度點個數及參數變化對粘溫曲線的影響.結果表明，線性對數函數能更好擬合粘溫曲線，且2個試驗溫度點即可較好確定粘溫曲線，轉子型號及轉速等參數改變對曲線繪制影響不大.

關鍵詞：道路工程；旋轉粘度；粘溫曲線；影響因素；改性瀝青

0引言

旋轉粘度試驗用于測定道路瀝青的表觀粘度，由此繪制的粘溫曲線可確定適用于瀝青混合料的拌和溫度及壓實溫度，從而為瀝青面層施工以及質量保障提供數據參考.因此，粘溫曲線所確定施工溫度的精確性是與旋轉粘度試驗準確性緊密相關.

旋轉粘度試驗測得粘度屬條件性指標，其結果受試驗條件影響較大.影響因素主要有2個部分：(1) 試驗操作性因素；(2) 轉子型號、轉速等試驗可調控參數(簡稱“可控參數”).文獻[1]提出：“在整個測試瀝青旋轉粘度過程中，不得隨意改變設定的轉速，并且要求設備轉矩百分比應在10%～98%范圍內”，但實際操作中發現，部分轉子在較低溫度(如135 ℃)能夠滿足轉矩范圍要求，卻在較高溫度(如175 ℃)無論怎樣調節轉速均無法滿足要求.因此，有必要就轉子型號、轉速等對旋轉粘度試驗的具體影響展開深入研究，為確保試驗順利開展，以及獲得準確粘溫數據提供依據.

此外，文獻[2-3]針對粘溫曲線的繪制提出了線性對數函數、指數函數2種方法，卻未對二者擬合效果作比選.由于瀝青在較低溫度(如135 ℃)時的粘度受溫度影響較大，因此思考僅通過2個試驗溫度點繪制粘溫曲線是否能夠準確真實反映出瀝青的粘溫變化規律，還有轉子型號及轉速改變對粘溫曲線的影響程度，這些問題對繪制瀝青粘溫曲線以及確定準確施工溫度至關重要.

1試驗方案

為探究轉子型號、轉速等可控參數對旋轉粘度試驗結果產生的影響規律，本文分別選用潛江至石首高速公路(簡稱“潛石高速”)SBS改性瀝青和谷城至竹溪高速公路(簡稱“谷竹高速”)70#基質瀝青進行試驗.分別采用21#，27#，28#，29#轉子，依次在135，155，175 ℃試驗溫度下進行旋轉粘度試驗，轉速為20 r/min和50 r/min，每種轉子均設置對照組試驗.

2可控參數變化影響程度分析

2.1溫度對瀝青粘度的影響分析

圖1～2分別為各轉子在不同轉速下，溫度變化對SBS改性瀝青和70#基質瀝青粘度的影響.從圖中可看出，在某一轉速下，各轉子的瀝青粘度隨著溫度升高而降低，且轉子型號、轉速對粘度的影響相較于溫度的影響程度要小很多.此外，觀察斜率可以發現，粘度隨溫度升高的減小程度是逐漸變弱的，說明當溫度上升到一定值時，改性瀝青的粘度值改變量將逐步減小，說明改性瀝青非牛頓性質逐漸減弱.

圖1　SBS改性瀝青粘度隨溫度變化情況(20 r·min-1)

圖2　70#基質瀝青粘度隨溫度變化情況(50 r·min-1)

2.2轉速對瀝青粘度的影響分析

以27#轉子為例，分析轉速在不同試驗溫度下對兩種瀝青粘度的影響，見圖3～4.從圖中可知：(1) 轉速增大，對各溫度下瀝青粘度大致呈下降趨勢，并能明顯增大轉矩百分比.(2) 135 ℃與155 ℃間隔遠大于155 ℃與175 ℃間隔，即明顯說明隨著溫度的升高，溫度對粘度的影響程度逐漸降低.

圖3　SBS改性瀝青粘度隨轉速變化情況(27#)

圖4　70#基質瀝青粘度隨轉速變化情況(27#)

2.3轉子型號對瀝青粘度的影響分析

分析轉子型號在不同試驗溫度下對2種瀝青粘度的影響，見圖5～6.從圖中可知，在某一轉速水平下，瀝青粘度在各溫度下隨轉子型號的增大而大致呈上升趨勢，但其對瀝青粘度影響程度不是太大[4]，且轉矩百分比隨轉子型號增大而呈明顯減小趨勢.

圖5　SBS改性瀝青粘度隨轉子型號變化情況(20 r·min-1)

圖6　70#基質瀝青粘度隨轉子型號變化情況(50 r·min-1)

3試驗操作影響因素分析

3.1瀝青試樣加入量

盛樣筒內瀝青試樣灌入量的不同會影響粘度測量值.瀝青試樣越多，轉子轉動時的摩阻力增大，測定的粘度值增大.有研究對瀝青試樣加入量根據不同轉子的型號給出建議參考值，但在實際操作過程中，通過稱取質量或者量取體積的方法耗費較長時間，由于瀝青試樣溫度散失較快，以此來控制試樣加入量不太現實.因此，有必要形成統一的控制標準，以方便試驗操作.

實際上，可按轉子浸入瀝青試樣的體積大小來控制，即每次操作時都將轉子浸入至某一刻度位置，轉子浸入直至其桿刻度處于盛樣筒頂部平齊，此時瀝青試樣液面正好達至盛樣筒外壁刻度處左右(非盛樣筒溢流槽口).

3.2溫度校核

考慮到旋轉粘度主機與加熱爐控制器的顯示屏均有溫度顯示，為確保試驗控溫準確，對于新設備或者長時間未用的設備，有必要用標準溫度計進行溫度校核.將標準溫度計插入加熱爐進行測溫，達到設定溫度后，以標準溫度計讀數與加熱爐控制器顯示溫度的差值，作為溫度補償值.標準溫度計讀數與加熱爐控制器設定溫度值均為135 ℃，說明本試驗所采用旋轉粘度計具有較好的控溫精度.

3.3初選轉子

對于未知粘度的待測試樣，可先用29#轉子大概測得其粘度值，在參考各轉子的滿量程來選擇合適的轉子和轉速，見表1.例如，用29#轉子測本試驗SBS改性瀝青在50 r·min-1、135 ℃的粘度值為2 465 mPa·s，觀察表1中50 r·min-1所在行可知，21#轉子會超量程，27#轉子約占用50%量程，28#轉子約占用25%量程，因此在50 r·min-1、135 ℃條件下可考慮選用27#轉子.

表1　各型號轉子在各轉速下對應的滿量程

3.4其他因素

瀝青樣品倒入盛樣筒前需進行充分攪拌，以避免瀝青樣品由于在烘箱內久置而出現上下層組分分離[5-6].試驗開始前，需將試驗主機及加熱爐調整水平，避免試驗過程中，轉子與盛樣皿內壁碰撞，導致數據波動較大而影響試驗結果.此外，需注意將盛樣筒底部對準插入加熱爐凹槽內固定，避免容器在加熱爐內轉動.

4粘溫曲線繪制研究

4.1粘溫曲線擬合方程比選

國內外規范對于瀝青粘溫曲線繪制總體上來說有兩種方法，具體如下.

1) 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)和ASTM D2493/D2493M-09均采用直線進行回歸擬合.其中，縱坐標為粘度取雙對數(Pa·s)，橫坐標為溫度轉變為熱力學溫度后取對數(℃)，擬合方程如下.

lglg(η×1 000)=n-m×lg(t+273.13)

式中：m為斜率；n為截距.

2) 《公路瀝青路面施工技術規范實施手冊》(JTG F40-2004)示例中是采用指數函數進行回歸擬合.其中，縱坐標即為粘度(Pa·s)，橫坐標即為溫度(℃)，擬合方程如下.

擬合方程待確定系數為系數b，底數m，其中m=en.

針對各轉子在不同轉速下測得135，155，175 ℃的SBS改性瀝青粘度數據進行粘溫曲線繪制，分別按照線性對數函數和指數函數進行回歸擬合，以27#轉子為例，將擬合方程參數以及對應施工溫度匯總于表2.

由表2可見，就擬合程度R2來看，均是線性對數函數相較于指數函數具有更好的擬合效果；

表2　2種函數擬合粘溫曲線數據分析匯總

由此可以看出，我國試驗規程推薦的選取線性對數函數進行粘溫曲線擬合能達到更好的擬合效果.

以27#轉子50 r·min-1試驗數據進行線性對數函數回歸擬合所確定施工溫度進行分析，得到SBS改性瀝青的拌和溫度為200.5～208.8 ℃，壓實溫度為184.9～191.5 ℃，明顯超出《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)的要求，說明采用布氏旋轉粘度試驗方法確定改性瀝青施工溫度是明顯偏高的，針對改性瀝青施工溫度的具體確定方法還有待作進一步研究[7-9].規范給出的建議是，按照工程經驗，考慮工程實際情況，綜合確定改性瀝青混合料的施工溫度.

4.2溫度點個數對粘溫曲線影響分析

在較低溫度時，瀝青粘度對溫度的依賴性較大，并且該依耐性會隨著溫度的增加而逐漸降低.據此，相較于規范要求的2點確定粘溫曲線，為提高粘溫曲線繪制的準確度，可考慮將試驗溫度測點增加到3個以上.選取扭矩百分比滿足10%～98%范圍要求的21#轉子試驗數據分別采用135，175 ℃ 2點，以及135，155，175 ℃ 3點來繪制粘溫曲線，將線性對數擬合方程的擬合參數以及對應施工溫度匯總見表3.

由表3可見：

1) 就擬合程度R2來看，2點確定粘溫曲線為R2=1，3點所確定R2小于1，說明3點所確定粘溫曲線更能夠比較真實的反映出瀝青粘度隨溫度的變化情況.

表3　擬合方程的擬合參數對應的施工溫度匯總表

2) 就施工溫度來看，2點所確定粘溫曲線相較于3點具有稍高的施工溫度，平均高出0.3 ℃左右.

綜合來看，雖然3點確定粘溫曲線相較于兩點能夠更真實反映瀝青粘度隨溫度變化情況，但是二者所確定的施工溫度相差并不太大.因此，即可采用線性對數函數就2點進行粘溫曲線繪制及擬合，以縮短試驗時間，但建議針對未知瀝青采用3點及以上來進行粘溫曲線繪制及擬合.

4.3參數改變對粘溫曲線影響分析

為分析轉子和轉速對粘溫曲線的影響，對試驗數據進行組合，分別繪制不同參數下的粘溫曲線以確定施工溫度.下面主要以21#轉子為例，將四種參數組合方案的線性對數擬合參數以及施工溫度匯總見表4.可以發現，4種方案所確定的施工溫度相差并不大.

實際上，為確保同一盛樣筒內瀝青試樣量保持不變，考慮到更換轉子會使得盛樣筒內瀝青試樣量發生改變，故應確保在整個試驗過程中均使用同一轉子.因此，為測得各溫度下瀝青的粘度并確保扭矩百分比滿足10%～98%范圍要求，能夠調整的可控參數只有轉速.

表4　粘溫曲線不同繪制方案的線性對數擬合參數及施工溫度匯總

5結論

1) 試驗溫度、轉子轉速和轉子型號等參數均會對瀝青粘度產生影響.其中，轉子型號、轉速對粘度的影響相較于溫度的影響程度要小很多.隨著溫度升高至一定程度后，溫度對瀝青粘度和設備扭矩百分比的影響程度逐漸降低，說明改性瀝青非牛頓性質逐漸減弱.

2) 瀝青樣品加入量、試驗前溫度校核、設備調整水平、瀝青試樣充分攪拌后澆模、卡緊盛樣筒、選擇合適的轉子等試驗操作，需要嚴格控制，以確保試驗的準確性.

3) 選取試驗規程推薦的線性對數函數進行粘溫曲線擬合相較于施工規范推薦的指數函數，能夠達到更好的擬合效果.可采用線性對數函數就兩點進行粘溫曲線繪制擬合以縮短試驗時間，但建議針對未知瀝青仍采用3點及以上個數點來進行粘溫曲線繪制及擬合.不同轉子型號和轉速的組合，其對施工溫度的確定影響并不大，但實際上在試驗過程中能調控的參數只有轉速.

4) 采用旋轉粘度試驗方法所確定SBS改性瀝青的施工溫度，會明顯高于實際規范要求，說明采用布氏旋轉粘度試驗方法確定改性瀝青施工溫度是明顯偏高的，針對改性瀝青施工溫度的具體確定方法還有待作進一步研究.

參 考 文 獻

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Impact Factors in Rotational Viscosity Tests

WANG Wentao1)LUO Rong1)FENG Guangle2)WANG Lijing3)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(EngineeringQualitySupervisionBureau,TransportationDepartmentofHubeiProvince,Wuhan430014,China)2)(ChangJiangRoadandBridge,Wuhan430212,China)3)

Abstract：The study comprehensively analyzes the test parameters and procedure that significantly affect the rotational viscosity of the SBS-modified asphalt binder and 70# asphalt binder. Two methods of plotting the viscosity-temperature curve are compared to investigate the effects of the number of test temperatures and variations of parameters on the viscosity-temperature curve. Test results show that the linear log function with two temperature points can properly model the viscosity-temperature curve. It is also demonstrated that the shear rate and viscometer size have little effect on the viscosity-temperature curve.

Key words：road engineering; rotational viscosity; viscosity-temperature curve; impact factor; SBS-modified asphalt

收稿日期：2016-04-27

中圖法分類號：U414

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.025

王文濤(1989- )：男，碩士，助理實驗師，主要研究領域為道路工程

*湖北省交通運輸廳2015年科技項目資助(2014-721-2-6)