兩種測量泡沫瀝青黏度方法的對比

徐大衛(wèi)，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(guī)劃設計研究院，江蘇 徐州 221006)

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兩種測量泡沫瀝青黏度方法的對比

徐大衛(wèi)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(guī)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(zhuǎn)黏度測量方法進行對比研究。結(jié)果表明：測量泡沫瀝青時須考慮瀝青泡對轉(zhuǎn)子剪切力的影響，70#道路石油泡沫瀝青產(chǎn)生的瀝青泡對其旋轉(zhuǎn)黏度影響較大，其改進的旋轉(zhuǎn)黏度小于70#道路石油瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度，未改進的旋轉(zhuǎn)黏度大于70#道路石油瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度；SBS改性泡沫瀝青由于其旋轉(zhuǎn)黏度較大，產(chǎn)生的規(guī)則橢球形瀝青泡，對旋轉(zhuǎn)黏度的測量影響不大，其改進的旋轉(zhuǎn)黏度與未改進的旋轉(zhuǎn)黏度均小于SBS瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度。為了更加準確測得泡沫瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度，建議對布氏旋轉(zhuǎn)黏度計進行改進，增大盛樣筒的口徑來避免瀝青泡對轉(zhuǎn)子剪切力的影響。

道路工程；泡沫瀝青；旋轉(zhuǎn)黏度；對比試驗；剪切力；瀝青泡

泡沫溫拌瀝青路面技術(shù)是一門新興的筑路技術(shù)，與傳統(tǒng)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(jié)料在生產(chǎn)過程中的老化，延長瀝青路面壽命，并且可以節(jié)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(shù)受到越來越多的關(guān)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(guān)，泡沫瀝青由于含有泡沫，其黏度的測試方式以及其發(fā)泡前后的黏度的變化是大家關(guān)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?？紤]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(zhuǎn)黏度。

1 試驗調(diào)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(fā)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(jié)果

1.2 泡沫瀝青的制備

室內(nèi)瀝青發(fā)泡試驗選擇德國維特根WLB10發(fā)泡試驗機，主要由瀝青加熱桶、壓縮空氣罐、壓力調(diào)節(jié)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(zhuǎn)黏度試驗，結(jié)合國內(nèi)外研究[2-3]，選擇的發(fā)泡參數(shù)如表2。

表2 瀝青發(fā)泡參數(shù)

1.3 試驗方法

美國SHRP計劃以來，布洛克菲爾德DV-Ⅱ型旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)黏度。為了測量泡沫瀝青的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)黏度計，如圖1?？紤]到泡沫瀝青在加熱時體積膨脹，會產(chǎn)生瀝青泡，可能影響旋轉(zhuǎn)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(shù)產(chǎn)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(zhuǎn)黏度的方法。

圖1 布洛克菲爾德DV-Ⅱ型旋轉(zhuǎn)黏度儀

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

旋轉(zhuǎn)黏度是由流體內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)之間的引力形成內(nèi)摩擦，從而在外部表現(xiàn)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(tài)。瀝青結(jié)合料旋轉(zhuǎn)黏度與結(jié)合料類型、剪變率和儀器參數(shù)有關(guān)，其計算方法中考慮3個儀器參數(shù)[4]，計算如式(1)～式(3)：

(1)

S=nk3

(2)

F′=k1k2k3T/10

(3)

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

可以看出，旋轉(zhuǎn)黏度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、扭矩常數(shù)、轉(zhuǎn)子體積常數(shù)、扭矩百分數(shù)有關(guān)，試驗時統(tǒng)一選擇27#轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為50 r/min，同時為了保證讀數(shù)的有效性，控制布氏黏度計的扭矩讀數(shù)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(jié)果與討論

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

表3 不同溫度下未發(fā)泡瀝青的布氏旋轉(zhuǎn)黏度

測量瀝青旋轉(zhuǎn)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(xiàn)出復雜的形態(tài)特征。低旋轉(zhuǎn)黏度流體中，氣泡表現(xiàn)出強烈的振蕩形變現(xiàn)象，具有無規(guī)則的形狀特征，當流體旋轉(zhuǎn)黏度較大時，氣泡振蕩現(xiàn)象減弱，得到規(guī)則的橢球形氣泡外觀[6]。兩種方法測量泡沫瀝青旋轉(zhuǎn)黏度時的狀態(tài)對比如圖3。

圖3 兩種測量泡沫瀝青黏度試驗方法狀態(tài)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(guī)則的瀝青泡對盛樣筒內(nèi)壁與轉(zhuǎn)子側(cè)面的擠壓，影響轉(zhuǎn)子剪切力，進而影響扭矩，對讀數(shù)產(chǎn)生影響[7-8]，而改進的旋轉(zhuǎn)黏度計使用了口徑比較大的瓷杯，避免了瀝青泡對轉(zhuǎn)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(fā)泡瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度如圖4。

圖4 不同發(fā)泡條件下泡沫瀝青旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)黏度時，在不同發(fā)泡條件下的泡沫瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度均小于未發(fā)泡的道路石油瀝青的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子剪切力基本上沒有受到不規(guī)則瀝青氣泡的影響，所以泡沫瀝青旋轉(zhuǎn)黏度小于70#道路石油瀝青旋轉(zhuǎn)黏度。從圖4(b)可以看出，使用布氏旋轉(zhuǎn)黏度計時，測量的泡沫瀝青旋轉(zhuǎn)黏度均大于70#道路石油瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度，與泡沫瀝青體積膨脹，測得旋轉(zhuǎn)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(guī)則的瀝青泡對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生擠壓，對轉(zhuǎn)子的剪切力產(chǎn)生了影響，使其變大，進而造成了測量泡沫瀝青旋轉(zhuǎn)黏度時結(jié)果偏大。由圖中數(shù)據(jù)分析得，在相同發(fā)泡溫度下，旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)黏度及其未發(fā)泡瀝青旋轉(zhuǎn)黏度，如圖5。

圖5 不同發(fā)泡條件下SBS改性瀝青旋轉(zhuǎn)黏度兩種測量方法對比

從圖5(a)可以看出，改進的旋轉(zhuǎn)黏度與旋轉(zhuǎn)黏度均小于未發(fā)泡的SBS改性瀝青，在相同溫度下，SBS泡沫瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度小于SBS改性瀝青的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)黏度比普通瀝青大，氣泡振蕩現(xiàn)象微弱，且大多為橢球形氣泡外觀。通過試驗時的觀察，產(chǎn)生的瀝青泡數(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)黏度總體上小于布氏旋轉(zhuǎn)黏度計測量的旋轉(zhuǎn)黏度，由上述分析得，盛樣筒體積較小，瀝青泡對轉(zhuǎn)子側(cè)面與盛樣筒的內(nèi)壁產(chǎn)生擠壓，進而影響轉(zhuǎn)子的剪切力，使得布氏黏度計測得旋轉(zhuǎn)黏度大于改進的旋轉(zhuǎn)黏度計。對圖中數(shù)據(jù)進行分析，與布氏黏度計測得的旋轉(zhuǎn)黏度相比，改進的旋轉(zhuǎn)黏度計測得的旋轉(zhuǎn)黏度降低率約19.8 %～47.1 %。

3 結(jié) 論

1) 泡沫瀝青加熱時由于體積膨脹，旋轉(zhuǎn)黏度減小，而用布氏黏度計測量的70#道路石油瀝青旋轉(zhuǎn)黏度卻增大，主要是不規(guī)則的瀝青泡與盛樣筒內(nèi)壁產(chǎn)生擠壓，使得剪切力增大，旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)黏度，這樣規(guī)避了不規(guī)則氣泡對旋轉(zhuǎn)黏度的影響，所以，使用大一點的盛樣筒進行測量旋轉(zhuǎn)黏度更適合，即用改進的布氏黏度計適合泡沫瀝青的選轉(zhuǎn)黏度測量。

2) 對于SBS改性瀝青，使用兩種方法測量的旋轉(zhuǎn)黏度均小于未發(fā)泡的旋轉(zhuǎn)黏度。使用改進的黏度計測量不同條件下的旋轉(zhuǎn)黏度小于使用布氏黏度計測量的旋轉(zhuǎn)黏度，SBS改性瀝青發(fā)泡時，瀝青泡的振蕩現(xiàn)象較70#道路石油瀝青小，大多為橢球形外觀，對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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。

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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(wèi)(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