CN101782494A - 一种高粘度改性沥青的路用粘度性能测定方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高粘度改性沥青的路用粘度性能测定方法及其应用，包括以下步骤：A、利用剪切速率扫描试验，获得高粘度改性沥青60℃下的粘度-剪切速率流动曲线；B、对步骤A所得曲线进行拟合，获得60℃零剪切粘度。该方法获得的60℃零剪切粘度可用于评价高粘度改性沥青在路面结构中的粘度性能。本发明的依据为：高粘度改性沥青在剪切速率1.25×10^-5s^-1～1250s^-1范围内表现为伪塑性流体特性，在第一牛顿区内粘度趋于零剪切粘度，第一牛顿区域共同范围与沥青在路面结构中所受剪切速率范围在数量级上完全吻合，故60℃零剪切粘度可以有效的反映高粘度改性沥青在路面结构中的粘性特征。

Description

一种高粘度改性沥青的路用粘度性能测定方法及其应用

技术领域

本发明属于道路工程领域，涉及一种高粘度改性沥青路用粘度性能测定方法及其应用。

背景技术

粘度是评价道路沥青材料粘结特性的重要技术指标，也是条件性指标，其大小取决于测试方法和测试条件。目前，主要利用真空减压毛细管法测定高粘度改性沥青的60℃毛细管粘度，用以反映沥青的路用粘性特征。

真空减压毛细管方法评价沥青的粘度存在的主要问题为：高粘度改性沥青材料在60℃属于非牛顿流体，不同剪切速率下的粘度不同，真空减压毛细管法无法测定毛细管粘度对应的剪切速率，因而无法确定毛细管粘度是否真正反映了高粘度改性沥青在路面结构中的粘性特征，不同剪切速率条件下的毛细管粘度也不存在比较的实际意义。此外，利用真空减压毛细管进行粘度测量，存在试验过程繁琐，测量结果离散性大，试验后毛细管不易清洗等缺点。

目前，高粘度改性沥青多应用于排水性沥青路面，以提高排水性沥青混合料的耐久性能。在路面结构中，沥青受到行车荷载作用，在一定的剪切速率下变形。因此，应根据高粘度改性沥青的粘性行为特征以及沥青在路面结构中的受力状态，选择合适的测试方法与评价指标，以有效的评价高粘度改性沥青的路用粘性特征。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高粘度改性沥青的路用粘度性能测定方法，该方法可以有效评价高粘度改性沥青在路面结构中的粘性特征，具有试验方法简单，试验结果精确可信，评价指标力学意义明确等特点。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：

一种高粘度改性沥青的路用粘度性能测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、利用剪切速率扫描试验，获得高粘度改性沥青60℃下的粘度-剪切速率流动曲线；

B、对步骤A所得曲线进行拟合，获得60℃零剪切粘度。

较佳的，所述高粘度改性沥青的60℃零剪切粘度范围为10⁴Pa·s～10⁶Pa·s。

较佳的，步骤A中，所述粘度-剪切速率实测流动曲线由流动状态剪切速率扫描试验获得。

较佳的，所述流动状态剪切速率扫描试验，采用动态剪切流变仪进行，试验夹具为圆形双平板夹具，所述夹具的直径为25mm，所述双平板夹具间沥青的厚度为1000μm。

较佳的，所述流动状态剪切速率扫描试验，采用稳定流动加载模式，试验温度为60℃，剪切速率扫描范围为1.25×10^-5s^-1～1250s^-1，在所述剪切速率的每个数量级范围内测量粘度点个数为10个，稳定流动加载模式如图1所示。

较佳的，步骤B中，利用Carreau模型对步骤A所得曲线进行拟合，获得60℃零剪切粘度；Carreau模型见式(1)。

$\frac{(\mathrm{\η}-{\mathrm{\η}}_{\∞})}{(\mathrm{\η}-{\mathrm{\η}}_{\∞})}=\frac{1}{{(1+{\left(\mathrm{KD}\right)}^2)}^{n/2}}---\left(1\right)$

式中：η-实测粘度，Pa·s；

η₀-零剪切粘度，Pa·s；

η_∞-无穷剪切速率粘度，Pa·s；

K-剪切速率系数，s；

n-Carreau模型速率指数，无量纲。

本发明还提供了一种上述高粘度改性沥青的路用粘度性能测定方法的用途，即该方法可用于评价高粘度改性沥青在路面结构中的粘度性能。

本发明中，所述高粘度改性沥青的路用粘度性能，是指沥青在路面结构中的粘度性能。为验证60℃零剪切粘度可真实反映出高粘度改性沥青在路面结构中的粘度性能，本发明选用12种国内外典型沥青结合料进行粘度-剪切速率流动曲线测试，确定了这些沥青第一牛顿共同区域所对应的剪切速率范围，并首次通过力学计算确定了沥青在排水路面结构中所受的剪切速率范围。

首先，本发明选用12种国内外典型沥青结合料进行粘度-剪切速率流动曲线测试，在双对数坐标下，采用上述方法获得的高粘度改性沥青典型粘度-剪切速率流动曲线如图2所示。流动曲线显示，沥青流动曲线表现为伪塑性流体特性，其粘度随剪切速率的增大而减小。在剪切速率非常小或非常大的极限情况下，伪塑性流体的粘度接近于常数。这两个粘度不随剪切速率而改变的区域称为第一牛顿流区和第二牛顿流区。在第一牛顿流区，沥青粘度趋于最大值，这个粘度称为零剪切粘度η₀；在第二牛顿流区，沥青粘度趋于最小值，称为无穷剪切速率粘度η_∞。

本发明首次将第一牛顿区定量化，定义第一牛顿区为在对数坐标系下，粘度lg(η₀)～0.80lg(η₀)对应剪切速率范围。上述12种沥青零剪切粘度拟合结果见表1。

表1  零剪切粘度及第一牛顿区拟合结果

10	高粘度沥青	61.6	82.5	26.6	4.6×10-5～1.98	49360	0.905
								11	高粘度沥青	47.0	95.6	29.3	2.9×10-5～1.98	41630	0.967
12	高粘度沥青	51.0	85.1	33.2	5.1×10-6～1.25	72580	0.999

由拟合结果可知，不同粘度性质沥青的第一牛顿区域差别不大，第一牛顿共同区域范围所对应的剪切速率范围为1.0×10^-3s^-1～1.25s^-1。

其次，本发明利用BISAR软件计算沥青路面结构内部剪应力，结合“四元、五参数”模型计算路面结构内部剪切速率。计算过程为：

①采用BISAR软件计算排水路面上面层不同深度和位置的剪应力大小，计算结果为3.58×10²Pa～2.28×10⁵Pa，路面结构及荷载参数见图3。

②采用“四元、五参数”模型计算排水路面上面层剪切速率，得到剪切速率范围为1.38×10^-3s^-1～4.64s^-1。

“四元、五参数”蠕变模型见图4，计算公式见式(2)、式(3)，计算参数与结果见表2。表2中加载时间由行车速度60km/h换算求得，模型参数由室内试验结果获取；所述室内试验结果参照文献：徐世法，朱照宏.按粘弹性理论预估沥青路面车辙[J].同济大学学报，1990，18(3)：299-304。

$\mathrm{\γ}\left(t\right)={\mathrm{\τ}}_0[\frac{1}{E_1}+\frac{t}{A\·e^{B\·t}}+\frac{1}{E_2}(1-e^{-t{E}_2/{\mathrm{\η}}_2})]---\left(2\right)$

${\mathrm{\γ}}^{\′}\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\τ}}_0}{A\·e^{B\·t}}(1-B\·t)+\frac{{\mathrm{\τ}}_0}{{\mathrm{\η}}_2}{e}^{-t{E}_2/{\mathrm{\η}}_2}---\left(3\right)$

式中：τ₀-模型所受剪应力；

γ-模型的剪应变响应；

γ′-模型的剪切速率响应；

E₁、η₁-串联部分麦克斯韦模型弹性模量、黏性系数，η₁＝A·e^B·t；

E₂、η₂-并联部分开尔文模型弹性模量、黏性系数；

A、B-麦克斯韦模型的粘壶性能参数；

t-加载时间。

表2  排水性沥青路面上面层剪切速率计算表

温度(℃)	剪应力(Pa)	加载时间(s)	E1×10-3(Pa)	E2×10-2(Pa)	A×10-5(Pa·s)	B×103	η2×10-5(Pa·s)	剪切速率(s-1)
									20	3.58×102	0～0.012	3.50	8.29	7.68	2	3.92	1.38×10-3～0.88
35	～	0～0.012	3.00	7.44	1.61	4	2.27	3.80×10-3～2.42
									50	2.28×105	0～0.012	1.20	11.30	0.73	6	1.49	7.28×10-3～4.64

从表2中可以看出，沥青材料在排水性沥青路面中所受剪切速率范围为1.38×10^-3s^-1～4.64s^-1，这个范围与采用本发明的方法所获得的第一牛顿共同区域所对应的剪切速率范围(1.0×10^-3s^-1～1.25s^-1)在数量级上完全一致。因此，认为60℃零剪切粘度可以较为真实地反映高粘度改性沥青在路面结构中的粘性特征。

附图说明

图1是本发明试验方法稳定流动加载模式示意图。

图2是本发明粘度-剪切速率流动曲线示意图；A为第一牛顿区，B为第二牛顿区，虚线1所对应的粘度为零剪切粘度，虚线2所对应的粘度为无穷剪切速率粘度。

图3是本发明进行排水性沥青路面结构剪应力计算的示意图。

图4是本发明进行排水性沥青路面剪切速率计算的“四元、五参数”模型。

具体实施方式

为了明确高粘度改性沥青60℃零剪切粘度测试方法，现结合一个典型的试验加以说明。

(1)成型试件：将沥青加热至流淌状态，浇注至少3个圆形平行试件，直径约25mm，高度1mm～2mm，沥青试件放置于室温冷却，冷却时间不低于30分钟。

(2)安放试件：选用直径25mm圆形平板夹具，将沥青试件安放于夹具之间，调节上下夹具间距为1050μm，修整试样后将夹具间距调整为1000μm。

(3)保温：将修整好沥青试件与夹具浸入60℃水浴中保温，保温试件不低于10分钟。

(4)进行剪切速率扫描试验：采用稳定流动加载模式，剪切速率扫描范围为1.25×10^-5s^-1～1250s^-1，每个数量级测量粘度点个数10个，采集试验过程中的剪切速率与粘度。

(5)零剪切粘度计算：利用公式(1)计算零剪切粘度，将60℃零剪切粘度作为高粘度改性沥青路用粘度。

$\frac{(\mathrm{\η}-{\mathrm{\η}}_{\∞})}{(\mathrm{\η}-{\mathrm{\η}}_{\∞})}=\frac{1}{{(1+{\left(\mathrm{KD}\right)}^2)}^{n/2}}---\left(1\right)$

式中：η-实测粘度，Pa·s；

η₀-零剪切粘度，Pa·s；

η_∞-无穷剪切速率粘度，Pa·s；

K-剪切速率系数，s；

n-Carreau模型速率指数，无量纲。

Claims (8)

1.一种高粘度改性沥青的路用粘度性能测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、利用剪切速率扫描试验，获得高粘度改性沥青60℃下的粘度-剪切速率流动曲线；

B、对步骤A所得曲线进行拟合，获得60℃零剪切粘度。

2.根据权利要求1所述的高粘度改性沥青的路用粘度性能测定方法，其特征在于：所述高粘度改性沥青的60℃零剪切粘度范围为10⁴Pa·s～10⁶Pa·s。

3.根据权利要求1所述的高粘度改性沥青的路用粘度性能测定方法，其特征在于：所述粘度-剪切速率流动曲线由流动状态剪切速率扫描试验获得。

4.根据权利要求3所述的高粘度改性沥青路用粘度性能测定方法，其特征在于：所述流动状态剪切速率扫描试验，采用动态剪切流变仪进行。

5.根据权利要求3所述的高粘度改性沥青路用粘度性能测定方法，其特征在于：所述流动状态剪切速率扫描试验，采用稳定流动加载模式，剪切速率扫描范围为1.25×10^-5s^-1～1250s^-1。

6.根据权利要求1所述的高粘度改性沥青的路用粘度性能测定方法，其特征在于：步骤B中，利用Carreau模型对步骤A所得曲线进行拟合。

7.根据权利要求1所述的高粘度改性沥青的粘度性能测定方法，其特征在于：所述60℃零剪切粘度对应的剪切速率范围为1.0×10^-3s^-1～1.25s^-1。

8.根据权利要求1-7中任一权利要求所述的高粘度改性沥青的粘度性能测定方法在评价高粘度改性沥青在路面结构中的粘度性能中的应用。

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