顧帥

摘要：使用布氏粘度計(jì)對(duì)不同狀態(tài)下的橡膠瀝青試樣表觀粘度進(jìn)行測(cè)定，通過(guò)分析測(cè)試時(shí)間、轉(zhuǎn)速、扭矩等因素對(duì)粘度的影響，驗(yàn)證了轉(zhuǎn)速與粘度、扭矩與粘度之間的雙對(duì)數(shù)相關(guān)關(guān)系，對(duì)目前常用粘度值確定方法進(jìn)行了驗(yàn)證和改進(jìn)，可為橡膠瀝青生產(chǎn)和制定相關(guān)規(guī)范提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：橡膠瀝青;粘度;影響因素;轉(zhuǎn)速;50%扭矩

1 研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

粘度是條件性指標(biāo)，不同的測(cè)試條件會(huì)影響粘度的大小，也影響到粘度結(jié)果的可比性。由于橡膠顆粒的存在，橡膠瀝青粘度的測(cè)試方法和普通瀝青有所不同。縱觀各國(guó)現(xiàn)有橡膠瀝青粘度測(cè)試方法，存在以下問(wèn)題。

（1）測(cè)試溫度不統(tǒng)一。AST M2196方法A規(guī)定測(cè)定175℃橡膠瀝青表觀粘度;佛羅里達(dá)州橡膠瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)則要求測(cè)定150℃旋轉(zhuǎn)粘度; 中國(guó)則建議測(cè)定180℃旋轉(zhuǎn)粘度。

（2）測(cè)試過(guò)程不明確。采用的轉(zhuǎn)速大小、順序、測(cè)試時(shí)間缺乏統(tǒng)一的參照標(biāo)準(zhǔn)。

（3）粘度代表值確定不統(tǒng)一。國(guó)外常用SC4-27號(hào)轉(zhuǎn)子在20 r/ min 時(shí)的粘度作為代表粘度值，該方法準(zhǔn)確性已受到質(zhì)疑。另一種方法是采用50%扭矩粘度，該方法需要測(cè)試較多轉(zhuǎn)速下的粘度，延誤時(shí)間且計(jì)算較復(fù)雜。

2 測(cè)試影響因素

影響橡膠瀝青粘度測(cè)試的主要因素有采用的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)速、扭矩以及測(cè)試時(shí)間等。根據(jù)SHRP研究的結(jié)果，測(cè)試橡膠瀝青的粘度統(tǒng)一采用SC4-27轉(zhuǎn)子。

此次試驗(yàn)使用NDJ-1D型加熱式布氏旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，測(cè)試橡膠瀝青180℃粘度指標(biāo)。測(cè)試前，將試樣在180℃下保溫0.5～1h。對(duì)橡膠瀝青（基質(zhì)瀝青為SK90，膠粉為40目，摻量20%）生產(chǎn)過(guò)程中不同時(shí)間的取樣（發(fā)育45min時(shí)取第一次樣，記為0、1、2、4h后各取一次樣） 和采用不同參數(shù)生產(chǎn)的橡膠瀝青進(jìn)行粘度測(cè)試，分析各因素的影響。

2.1 測(cè)試時(shí)間

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間會(huì)影響到觸變性液體的粘度。為了確定讀數(shù)時(shí)間， 對(duì)試樣（以2h時(shí)的取樣為例）進(jìn)行20、50、100r/min 3種轉(zhuǎn)速下的粘度試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可見(jiàn)，橡膠瀝青粘度隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸減小后趨于穩(wěn)定。隨轉(zhuǎn)速的不同，粘度值減小的速率不同，穩(wěn)定的時(shí)間也有區(qū)別。100r/min轉(zhuǎn)速下粘度達(dá)到穩(wěn)定的速率最快。

這是由于橡膠瀝青受到攪動(dòng)時(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變致使粘度減小。在結(jié)構(gòu)改變的同時(shí)，存在著結(jié)構(gòu)的重新形成。結(jié)構(gòu)改變的速率隨時(shí)間而減小，結(jié)構(gòu)形成的速率則隨時(shí)間而增大。當(dāng)改變與形成的速率相同時(shí)，便達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡，粘度達(dá)到最小并穩(wěn)定不變。因此，讀取粘度值時(shí)必須保證橡膠瀝青內(nèi)部結(jié)構(gòu)重組已經(jīng)形成，即粘度值基本穩(wěn)定。

考慮到發(fā)育時(shí)間（即轉(zhuǎn)數(shù)）對(duì)測(cè)試的影響，調(diào)整轉(zhuǎn)速順序，先進(jìn)行大轉(zhuǎn)速，后進(jìn)行小轉(zhuǎn)速，觀察粘度穩(wěn)定的規(guī)律，結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可見(jiàn)，100r/min轉(zhuǎn)速時(shí)，粘度值先下降后逐漸穩(wěn)定，其余的轉(zhuǎn)速下粘度很快就達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。說(shuō)明剛開(kāi)始的攪動(dòng)對(duì)試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響很大。為了使粘度盡快穩(wěn)定下來(lái)，測(cè)試時(shí)應(yīng)先選擇較大的轉(zhuǎn)速，再采用較小轉(zhuǎn)速，保證橡膠瀝青在最短時(shí)間內(nèi)達(dá)到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。同時(shí)，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的客觀性，盡量減小人為因素的影響，試驗(yàn)中每調(diào)換一個(gè)轉(zhuǎn)速時(shí)，需先將試樣靜置至少3min，然后方可繼續(xù)下一轉(zhuǎn)速的測(cè)試。

2.2 轉(zhuǎn)速

橡膠瀝青是非牛頓液體，轉(zhuǎn)速將會(huì)直接影響到瀝青表觀粘度。圖3為生產(chǎn)過(guò)程中不同取樣時(shí)間下橡膠瀝青粘度隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)。

如圖3所示，橡膠瀝青粘度值隨轉(zhuǎn)速增大而減小。當(dāng)轉(zhuǎn)速由20 r/min提高到50r/min，粘度值平均減小21.26%，當(dāng)轉(zhuǎn)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(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)速對(duì)數(shù)的回歸公式，其相關(guān)系數(shù)除了2h組略低一點(diǎn)，其余都在0.999以上，表明對(duì)數(shù)粘度和對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)速有非常好的線性相關(guān)性。

2.3 扭矩

Brookfield的扭矩反映的是測(cè)定粘度的轉(zhuǎn)子所處的測(cè)量能力的范圍，控制了粘度計(jì)的量程范圍。根據(jù)Brookfield粘度計(jì)合理有效的測(cè)量范圍一般為扭矩的10%～98%，當(dāng)扭矩過(guò)大或過(guò)小時(shí)，測(cè)量值都不準(zhǔn)確。與轉(zhuǎn)速和粘度的相關(guān)關(guān)系一樣，扭矩和粘度之間也存在良好的相關(guān)性。圖4反映的是同一樣品在同一轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的扭矩與粘度的關(guān)系。

由圖4可知，對(duì)同一個(gè)樣品的測(cè)試中，相同的轉(zhuǎn)速下，隨扭矩的增大，粘度值呈增大趨勢(shì)。根據(jù)回歸系數(shù)R=1，可知相同測(cè)試條件下， 粘度和扭矩之間存在非常好的線性相關(guān)性。

然而，對(duì)于同一樣品，不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的扭矩與粘度的關(guān)系是不同的，這也間接反映了轉(zhuǎn)速與扭矩的關(guān)系。

圖5為20、50、100r/min下的扭矩與粘度對(duì)應(yīng)關(guān)系。此時(shí)的扭矩是粘度值穩(wěn)定下來(lái)的對(duì)應(yīng)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(shì)。當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)?0 r/min提高到50r/min，扭矩平均增大98.47%，粘度平均減小20.72%; 當(dāng)轉(zhuǎn)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(duì)數(shù)和扭矩對(duì)數(shù)的回歸公式，其相關(guān)系數(shù)除了2h組略低一點(diǎn)，其余都在0.999以上，這表明同一樣品，采用不同轉(zhuǎn)速測(cè)試時(shí)，每種轉(zhuǎn)速下的對(duì)數(shù)粘度和對(duì)數(shù)扭矩之間也存在非常好的線性相關(guān)性。

3 代表值確定方法

AASHTO瀝青粘度的測(cè)定方法建議使用SC4-27轉(zhuǎn)子測(cè)試20r/min時(shí)的粘度。試驗(yàn)表明：當(dāng)轉(zhuǎn)速在20r/min時(shí)，其扭矩值比較小，一般在20%左右。當(dāng)粘度值較小時(shí)，扭矩甚至超出測(cè)量范圍，影響測(cè)量準(zhǔn)確度。

另一種方法推薦采用50%扭矩粘度作為代表值，因?yàn)楫?dāng)扭矩取到50%中值時(shí)，粘度值是最準(zhǔn)確的。

本人將試樣在20、50、100r/min時(shí)的粘度和50%扭矩粘度進(jìn)行了對(duì)比，如圖6所示。

由圖6可知，20、50 r/min時(shí)粘度變化規(guī)律與50%扭矩粘度值變化規(guī)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(shù)值上相差0.7%。觀察不同轉(zhuǎn)速下的扭矩值如表3所示。

由表3可見(jiàn)，50r/min對(duì)應(yīng)的扭矩均接近于50%，這說(shuō)明在該試樣粘度范圍內(nèi)（2～3Pa·s），可利用50r/min粘度值來(lái)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(zhuǎn)速粘度值與50%扭矩粘度值的相關(guān)性，進(jìn)行了大量室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

綜合圖6與表3，對(duì)比表4中各轉(zhuǎn)速下粘度值與50%扭矩粘度值，發(fā)現(xiàn)：

（1）當(dāng)粘度值≤1Pa·s時(shí)，50%扭矩粘度值與150r/min時(shí)粘度值對(duì)應(yīng)良好。

（2）當(dāng)1Pa·s<粘度值≤2 Pa·s 時(shí)，50%扭矩粘度值與100 r/min 時(shí)粘度值對(duì)應(yīng)良好。

（3）當(dāng)粘度值>2Pa·s時(shí)，50%扭矩粘度值與50r/min時(shí)粘度值對(duì)應(yīng)良好。

4 結(jié)論

研究改進(jìn)了現(xiàn)有的橡膠瀝青粘度測(cè)試過(guò)程，提高了測(cè)試的效率和精度，對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)和制定相關(guān)技術(shù)規(guī)范有重要的現(xiàn)實(shí)意義和參考價(jià)值。

（1）橡膠瀝青Brookfield粘度與測(cè)試時(shí)間、轉(zhuǎn)速和扭矩等因素有較大的關(guān)系，建議在選用SC4-27轉(zhuǎn)子的情況下：1）測(cè)試時(shí)轉(zhuǎn)速宜從大到?。ㄝ^大的轉(zhuǎn)速可縮短粘度穩(wěn)定時(shí)間），注意試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)顯示扭矩百分?jǐn)?shù)在10%～98%之間，扭矩大于98%，需調(diào)小轉(zhuǎn)速;扭矩小于10%，需調(diào)大轉(zhuǎn)速;待粘度穩(wěn)定后，方可讀取粘度值;2）粘度和轉(zhuǎn)速以及扭矩都有良好的雙對(duì)數(shù)線性相關(guān)性。

（2）在試驗(yàn)研究中，宜以雙對(duì)數(shù)回歸后，50%扭矩計(jì)算粘度值作為代表值。

（3）在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和工程施工中，可根據(jù)預(yù)估粘度范圍直接測(cè)試相應(yīng)轉(zhuǎn)速下粘度值，代替50%扭矩粘度值作為粘度代表值：1）當(dāng)粘度值≤1Pa·s時(shí)，可直接測(cè)定150r/min時(shí)粘度值;2）當(dāng)1Pa·s<粘度值≤2Pa·s時(shí)，可測(cè)定100r/min時(shí)粘度值;3）當(dāng)粘度值>2 Pa·s時(shí)，可測(cè)定50r/min時(shí)粘度值。

揚(yáng)州潤(rùn)揚(yáng)路面工程有限公司 江蘇 揚(yáng)州 225000