淺析橡膠瀝青粘度值確定方法及影響因素

顧帥

摘要：使用布氏粘度計對不同狀態下的橡膠瀝青試樣表觀粘度進行測定，通過分析測試時間、轉速、扭矩等因素對粘度的影響，驗證了轉速與粘度、扭矩與粘度之間的雙對數相關關系，對目前常用粘度值確定方法進行了驗證和改進，可為橡膠瀝青生產和制定相關規范提供參考依據。

關鍵詞：橡膠瀝青;粘度;影響因素;轉速;50%扭矩

1 研究現狀及存在的問題

粘度是條件性指標，不同的測試條件會影響粘度的大小，也影響到粘度結果的可比性。由于橡膠顆粒的存在，橡膠瀝青粘度的測試方法和普通瀝青有所不同。縱觀各國現有橡膠瀝青粘度測試方法，存在以下問題。

（1）測試溫度不統一。AST M2196方法A規定測定175℃橡膠瀝青表觀粘度;佛羅里達州橡膠瀝青技術標準則要求測定150℃旋轉粘度; 中國則建議測定180℃旋轉粘度。

（2）測試過程不明確。采用的轉速大小、順序、測試時間缺乏統一的參照標準。

（3）粘度代表值確定不統一。國外常用SC4-27號轉子在20 r/ min 時的粘度作為代表粘度值，該方法準確性已受到質疑。另一種方法是采用50%扭矩粘度，該方法需要測試較多轉速下的粘度，延誤時間且計算較復雜。

2 測試影響因素

影響橡膠瀝青粘度測試的主要因素有采用的轉子、轉速、扭矩以及測試時間等。根據SHRP研究的結果，測試橡膠瀝青的粘度統一采用SC4-27轉子。

此次試驗使用NDJ-1D型加熱式布氏旋轉粘度計，測試橡膠瀝青180℃粘度指標。測試前，將試樣在180℃下保溫0.5～1h。對橡膠瀝青（基質瀝青為SK90，膠粉為40目，摻量20%）生產過程中不同時間的取樣（發育45min時取第一次樣，記為0、1、2、4h后各取一次樣） 和采用不同參數生產的橡膠瀝青進行粘度測試，分析各因素的影響。

2.1 測試時間

轉子轉動的時間會影響到觸變性液體的粘度。為了確定讀數時間， 對試樣（以2h時的取樣為例）進行20、50、100r/min 3種轉速下的粘度試驗，結果如圖1所示。

由圖1可見，橡膠瀝青粘度隨轉子轉動時間的增長逐漸減小后趨于穩定。隨轉速的不同，粘度值減小的速率不同，穩定的時間也有區別。100r/min轉速下粘度達到穩定的速率最快。

這是由于橡膠瀝青受到攪動時，內部結構發生改變致使粘度減小。在結構改變的同時，存在著結構的重新形成。結構改變的速率隨時間而減小，結構形成的速率則隨時間而增大。當改變與形成的速率相同時，便達到了動態平衡，粘度達到最小并穩定不變。因此，讀取粘度值時必須保證橡膠瀝青內部結構重組已經形成，即粘度值基本穩定。

考慮到發育時間（即轉數）對測試的影響，調整轉速順序，先進行大轉速，后進行小轉速，觀察粘度穩定的規律，結果見圖2。

由圖2可見，100r/min轉速時，粘度值先下降后逐漸穩定，其余的轉速下粘度很快就達到穩定狀態。說明剛開始的攪動對試樣內部結構產生的影響很大。為了使粘度盡快穩定下來，測試時應先選擇較大的轉速，再采用較小轉速，保證橡膠瀝青在最短時間內達到結構的穩定。同時，為了保證試驗結果的客觀性，盡量減小人為因素的影響，試驗中每調換一個轉速時，需先將試樣靜置至少3min，然后方可繼續下一轉速的測試。

2.2 轉速

橡膠瀝青是非牛頓液體，轉速將會直接影響到瀝青表觀粘度。圖3為生產過程中不同取樣時間下橡膠瀝青粘度隨轉速的變化趨勢。

如圖3所示，橡膠瀝青粘度值隨轉速增大而減小。當轉速由20 r/min提高到50r/min，粘度值平均減小21.26%，當轉速由50r/min提高到100r/min，粘度值平均減小14.09%。

表1列出了橡膠瀝青粘度對數和轉速對數的回歸公式，其相關系數除了2h組略低一點，其余都在0.999以上，表明對數粘度和對數轉速有非常好的線性相關性。

2.3 扭矩

Brookfield的扭矩反映的是測定粘度的轉子所處的測量能力的范圍，控制了粘度計的量程范圍。根據Brookfield粘度計合理有效的測量范圍一般為扭矩的10%～98%，當扭矩過大或過小時，測量值都不準確。與轉速和粘度的相關關系一樣，扭矩和粘度之間也存在良好的相關性。圖4反映的是同一樣品在同一轉速下對應的扭矩與粘度的關系。

由圖4可知，對同一個樣品的測試中，相同的轉速下，隨扭矩的增大，粘度值呈增大趨勢。根據回歸系數R=1，可知相同測試條件下， 粘度和扭矩之間存在非常好的線性相關性。

然而，對于同一樣品，不同轉速對應的扭矩與粘度的關系是不同的，這也間接反映了轉速與扭矩的關系。

圖5為20、50、100r/min下的扭矩與粘度對應關系。此時的扭矩是粘度值穩定下來的對應的扭矩平均值。

由圖5可知，隨扭矩的增大，粘度值呈減小趨勢。當轉速從20 r/min提高到50r/min，扭矩平均增大98.47%，粘度平均減小20.72%; 當轉速由50r/min提高到100r/min，扭矩平均增大73.44%，粘度平均減小13.32%。

表2列出了粘度對數和扭矩對數的回歸公式，其相關系數除了2h組略低一點，其余都在0.999以上，這表明同一樣品，采用不同轉速測試時，每種轉速下的對數粘度和對數扭矩之間也存在非常好的線性相關性。

3 代表值確定方法

AASHTO瀝青粘度的測定方法建議使用SC4-27轉子測試20r/min時的粘度。試驗表明：當轉速在20r/min時，其扭矩值比較小，一般在20%左右。當粘度值較小時，扭矩甚至超出測量范圍，影響測量準確度。

另一種方法推薦采用50%扭矩粘度作為代表值，因為當扭矩取到50%中值時，粘度值是最準確的。

本人將試樣在20、50、100r/min時的粘度和50%扭矩粘度進行了對比，如圖6所示。

由圖6可知，20、50 r/min時粘度變化規律與50%扭矩粘度值變化規律一致。20r/min粘度比50%扭矩粘度平均大28.09%，100r/min粘度比50%扭矩粘度平均小13.57%，而50r/min粘度值與50%扭矩值非常接近，折線圖幾乎完全重合，數值上相差0.7%。觀察不同轉速下的扭矩值如表3所示。

由表3可見，50r/min對應的扭矩均接近于50%，這說明在該試樣粘度范圍內（2～3Pa·s），可利用50r/min粘度值來代替50%扭矩粘度反映橡膠瀝青的粘度狀況。

為了找到不同轉速粘度值與50%扭矩粘度值的相關性，進行了大量室內試驗，結果如表4所示。

綜合圖6與表3，對比表4中各轉速下粘度值與50%扭矩粘度值，發現：

（1）當粘度值≤1Pa·s時，50%扭矩粘度值與150r/min時粘度值對應良好。

（2）當1Pa·s<粘度值≤2 Pa·s 時，50%扭矩粘度值與100 r/min 時粘度值對應良好。

（3）當粘度值>2Pa·s時，50%扭矩粘度值與50r/min時粘度值對應良好。

4 結論

研究改進了現有的橡膠瀝青粘度測試過程，提高了測試的效率和精度，對指導生產和制定相關技術規范有重要的現實意義和參考價值。

（1）橡膠瀝青Brookfield粘度與測試時間、轉速和扭矩等因素有較大的關系，建議在選用SC4-27轉子的情況下：1）測試時轉速宜從大到小（較大的轉速可縮短粘度穩定時間），注意試驗運行時顯示扭矩百分數在10%～98%之間，扭矩大于98%，需調小轉速;扭矩小于10%，需調大轉速;待粘度穩定后，方可讀取粘度值;2）粘度和轉速以及扭矩都有良好的雙對數線性相關性。

（2）在試驗研究中，宜以雙對數回歸后，50%扭矩計算粘度值作為代表值。

（3）在生產現場和工程施工中，可根據預估粘度范圍直接測試相應轉速下粘度值，代替50%扭矩粘度值作為粘度代表值：1）當粘度值≤1Pa·s時，可直接測定150r/min時粘度值;2）當1Pa·s<粘度值≤2Pa·s時，可測定100r/min時粘度值;3）當粘度值>2 Pa·s時，可測定50r/min時粘度值。

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