不同测试方法下沥青黏度特性研究

洪岭岭， 冯国杰， 孙雪阳

(1.河南省交通规划设计研究院股份有限公司， 河南 郑州 451450；2.石家庄市轨道交通有限责任公司， 河北 石家庄 437400；3.徐辉设计股份有限公司， 河南 郑州 450016)

沥青温度敏感性强弱直接影响其路用性能。从工程应用角度，沥青是一种黏弹性材料，黏度是其一项重要指标。由于沥青路面施工中不同阶段温差较大，其随温度变化的敏感程度会严重影响沥青混合料施工温度、和易性和压实度，有必要深入探究沥青黏度特性，从而更好地控制沥青混合料性能。常用沥青黏度测试方法有沥青布氏旋转黏度测试、动态剪切流变仪(DSR)测试(沥青剪切黏度)和动力黏度测试。已有研究建立了布氏旋转黏度和沥青剪切黏度与黏附性的关系，但仍存在一些不足，主要表现为沥青布氏旋转黏度大小和转速、温度有较大关系，而研究中一般只测定单一参数指标下黏度，以此建立沥青旋转黏度与黏附性的相关关系没有说服力；DSR试验中黏度扫描软件对沥青测试时需设置转速、剪切力等指标，而以往研究没有考虑这些因素对沥青黏度的影响，得出的沥青黏度与黏附性相关性的结论是片面的；动力黏度的测试条件一般为60 ℃，实际上夏季高温季节沥青远不止60 ℃，导致60 ℃沥青动力黏度试验的测试效果不好，工程项目上使用率低，有必要探索更高温度下沥青动力黏度性能。为此，该文着重讨论不同测试方法(布氏旋转黏度计、DSR、真空减压毛细管法)下不同参数指标的3种SBS改性沥青黏度特性变化规律。

1 沥青材料及其性能

采用SBS改性沥青，其中SBS改性剂为星型结构，掺量为4.5%。SBS改性沥青的基本性能指标见表1。

表1 SBS改性沥青的基本性能指标

按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对其进行旋转薄膜试验(RTFOT)和压力老化试验(PAV)，制备短期老化沥青和长期老化沥青，并对3种不同老化程度沥青进行三大指标测试，试验结果见表2。

表2 3种SBS改性沥青的三大指标

2 沥青黏度特性分析

2.1 沥青旋转黏度特性测试与分析

参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中沥青旋转黏度试验方法，考虑不同温度(95、135、175 ℃)、转子(29#、27#、21#，其沥青用量分别为13.5、10.4和7.1 g)、转速(2、4、6、8、20、40、60、80 r/min)对沥青旋转黏度的影响，使用布洛克菲尔德黏度计对原样、RTFOT和PAV后SBS改性沥青进行旋转黏度测试，结果见表3。对3种不同老化程度沥青在3种温度下的旋转黏度进行拟合，结果见图1～3。

表3 SBS改性沥青旋转黏度测试结果

图1 不同温度下SBS改性沥青旋转黏度拟合结果

图2 不同温度下RTFOT后SBS改性沥青旋转黏度拟合结果

图3 不同温度下PAV后SBS改性沥青旋转黏度拟合结果

由图1～3可知：不同老化程度SBS改性沥青在相同温度下表现出的旋转黏度特性有很大区别，同一种SBS改性沥青在不同温度下的旋转黏度也有差别。不同函数对不同沥青旋转黏度的拟合结果见表4。

表4 不同沥青旋转黏度拟合结果

由表4可知：原样、RTFOT和PAV后SBS改性沥青的旋转黏度在某一温度出现线性相关性较低或拟合曲线函数不同的现象，表明SBS改性剂分子在该温度下达到不稳定状态，导致沥青表现的性能不稳定，出现无规律变化；沥青旋转黏度无规律时的温度不同(原样沥青为175 ℃，RTFOT后沥青为135 ℃，PAV后沥青为135 ℃)，表明老化让SBS改性剂分子结构产生了损伤，使其分解等变化提前；不同老化状态沥青旋转黏度拟合曲线的函数也不同，说明经过RTFOT、PAV老化后SBS改性沥青中SBS改性剂分子链段的长度和分子间作用力发生了变化；RTFOT后SBS改性沥青的旋转黏度在不同温度下的函数拟合结果差异性比PAV后的大，表明RTFOT老化使SBS改性沥青中物质处于极其不稳定的状态，而PAV后SBS改性沥青的SBS改性剂分子的变化已达到相对稳定状态。

2.2 沥青剪切黏度特性测试与分析

利用动态剪切流变仪中黏度扫描软件测试沥青的剪切黏度，扫描温度为50～190 ℃。为研究不同转速对沥青剪切黏度的影响，试验中转速分别采用20、40、60和80 r/min，其他参数为默认值。数据采集为每0.5 min采集一个点，同时温度升高1 ℃，共采集141个点。4个特殊温度下沥青剪切黏度见表5～7。以原样SBS改性沥青在20 r/min时的剪切黏度为例进行拟合，拟合结果见图4。

由表5～7、图4可知：同样转速下，随着温度升高，沥青的剪切黏度逐渐降低，沥青剪切黏度满足幂函数关系(y=ax-b)；同样温度下，随着转速升高，沥青的剪切黏度在95 ℃时变化无规律，在其他温度下表现为逐渐升高或逐渐降低的趋势，其关系拟合曲线没有明显的函数关系。

表5 原样SBS改性沥青剪切黏度测试结果

表6 RTFOT后SBS改性沥青剪切黏度测试结果

表7 PAV后SBS改性沥青剪切黏度测试结果

图4 转速为20 r/min时原样SBS改性沥青剪切黏度拟合结果

2.3 沥青动力黏度特性测试与分析

参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中沥青动力黏度试验方法，使用真空减压毛细管黏度计对3种不同状态SBS改性沥青进行沥青动力黏度测试，测定温度为60、65、70、75、80 ℃，采用400R和200R 2种毛细管，测试结果见表8。对3种沥青在不同温度下的动力黏度进行拟合，拟合结果见图5～7。

表8 3种不同老化程度沥青动力黏度测试结果

由表8可知：随着温度的升高，3种改性沥青的动力黏度逐渐下降，其中原样SBS改性沥青的动力黏度下降速度最快，RTFOT后沥青次之，PAV后沥青最慢；温度为80 ℃时，沥青动力黏度大小排序为PAV后沥青>RTFOT后沥青>原样沥青，表明沥青老化后，沥青动力黏度受温度的影响较小。

由图5～7可知：不同状态SBS改性沥青的动力黏度均呈指数函数(y=Ae-Bx)关系，相关性较好。随着SBS改性沥青老化程度的加重，其指数函数拟合曲线的A值和B的绝对值逐渐减小。A代表60 ℃初始黏度值，A值越大，沥青的性能越好；B代表沥青的老化程度，B的绝对值越小，沥青的老化程度越严重，其黏度受温度的影响小。

图5 原样SBS改性沥青动力黏度拟合结果

图6 RTFOT后SBS改性沥青动力黏度拟合结果

图7 PAV后SBS改性沥青动力黏度拟合结果

3 结论

(1) 原样、RTFOT和PAV后SBS改性沥青的旋转黏度随转速不同分别呈幂函数、指数函数和二次项函数、二次项函数关系，表明3种沥青结构内部分子状态不同，RTFOT后沥青状态最不稳定。

(2) 不同状态SBS改性沥青的剪切黏度满足幂函数关系(y=ax-b)。

(3) 不同状态SBS改性沥青的动力黏度均呈指数函数(y=Ae-Bx)关系，相关性较好。A代表60 ℃初始黏度值，A值越大，沥青的性能越好；B代表沥青的老化程度，B的绝对值越小，沥青的老化程度越严重，其黏度受温度的影响小。

(4) 原样、RTFOT和PAV后SBS改性沥青动力黏度的指数函数回归曲线的A值表明沥青性能高低排序为原样沥青>PAV后沥青>RTFOT后沥青，表明RTFOT后沥青内部结构分子处于不稳定状态，性能较差，与旋转黏度特性呈现的结果相一致；B的绝对值越小老化越严重，沥青老化程度高低排序为原样沥青