王文涛　罗　蓉　冯光乐　王丽静

(武汉理工大学交通学院1)　武汉　430063)　(湖北省交通厅工程质量监督局2)　武汉　430014) (湖北长江路桥股份有限公司3)　武汉　430212)

旋转粘度试验影响因素与粘温曲线绘制研究*

王文涛1)罗蓉1)冯光乐2)王丽静3)

(武汉理工大学交通学院1)武汉430063)(湖北省交通厅工程质量监督局2)武汉430014) (湖北长江路桥股份有限公司3)武汉430212)

摘要：为研究旋转粘度试验各参数变化及试验关键操作对沥青粘度的影响，通过采用旋转粘度计，对SBS改性沥青和70#基质沥青用不同转子、不同转速在不同温度下进行旋转粘度试验，并比选2种粘温曲线绘制方法，探究试验温度点个数及参数变化对粘温曲线的影响.结果表明，线性对数函数能更好拟合粘温曲线，且2个试验温度点即可较好确定粘温曲线，转子型号及转速等参数改变对曲线绘制影响不大.

关键词：道路工程；旋转粘度；粘温曲线；影响因素；改性沥青

0引言

旋转粘度试验用于测定道路沥青的表观粘度，由此绘制的粘温曲线可确定适用于沥青混合料的拌和温度及压实温度，从而为沥青面层施工以及质量保障提供数据参考.因此，粘温曲线所确定施工温度的精确性是与旋转粘度试验准确性紧密相关.

旋转粘度试验测得粘度属条件性指标，其结果受试验条件影响较大.影响因素主要有2个部分：(1) 试验操作性因素；(2) 转子型号、转速等试验可调控参数(简称“可控参数”).文献[1]提出：“在整个测试沥青旋转粘度过程中，不得随意改变设定的转速，并且要求设备转矩百分比应在10%～98%范围内”，但实际操作中发现，部分转子在较低温度(如135 ℃)能够满足转矩范围要求，却在较高温度(如175 ℃)无论怎样调节转速均无法满足要求.因此，有必要就转子型号、转速等对旋转粘度试验的具体影响展开深入研究，为确保试验顺利开展，以及获得准确粘温数据提供依据.

此外，文献[2-3]针对粘温曲线的绘制提出了线性对数函数、指数函数2种方法，却未对二者拟合效果作比选.由于沥青在较低温度(如135 ℃)时的粘度受温度影响较大，因此思考仅通过2个试验温度点绘制粘温曲线是否能够准确真实反映出沥青的粘温变化规律，还有转子型号及转速改变对粘温曲线的影响程度，这些问题对绘制沥青粘温曲线以及确定准确施工温度至关重要.

1试验方案

为探究转子型号、转速等可控参数对旋转粘度试验结果产生的影响规律，本文分别选用潜江至石首高速公路(简称“潜石高速”)SBS改性沥青和谷城至竹溪高速公路(简称“谷竹高速”)70#基质沥青进行试验.分别采用21#，27#，28#，29#转子，依次在135，155，175 ℃试验温度下进行旋转粘度试验，转速为20 r/min和50 r/min，每种转子均设置对照组试验.

2可控参数变化影响程度分析

2.1温度对沥青粘度的影响分析

图1～2分别为各转子在不同转速下，温度变化对SBS改性沥青和70#基质沥青粘度的影响.从图中可看出，在某一转速下，各转子的沥青粘度随着温度升高而降低，且转子型号、转速对粘度的影响相较于温度的影响程度要小很多.此外，观察斜率可以发现，粘度随温度升高的减小程度是逐渐变弱的，说明当温度上升到一定值时，改性沥青的粘度值改变量将逐步减小，说明改性沥青非牛顿性质逐渐减弱.

图1　SBS改性沥青粘度随温度变化情况(20 r·min-1)

图2　70#基质沥青粘度随温度变化情况(50 r·min-1)

2.2转速对沥青粘度的影响分析

以27#转子为例，分析转速在不同试验温度下对两种沥青粘度的影响，见图3～4.从图中可知：(1) 转速增大，对各温度下沥青粘度大致呈下降趋势，并能明显增大转矩百分比.(2) 135 ℃与155 ℃间隔远大于155 ℃与175 ℃间隔，即明显说明随着温度的升高，温度对粘度的影响程度逐渐降低.

图3　SBS改性沥青粘度随转速变化情况(27#)

图4　70#基质沥青粘度随转速变化情况(27#)

2.3转子型号对沥青粘度的影响分析

分析转子型号在不同试验温度下对2种沥青粘度的影响，见图5～6.从图中可知，在某一转速水平下，沥青粘度在各温度下随转子型号的增大而大致呈上升趋势，但其对沥青粘度影响程度不是太大[4]，且转矩百分比随转子型号增大而呈明显减小趋势.

图5　SBS改性沥青粘度随转子型号变化情况(20 r·min-1)

图6　70#基质沥青粘度随转子型号变化情况(50 r·min-1)

3试验操作影响因素分析

3.1沥青试样加入量

盛样筒内沥青试样灌入量的不同会影响粘度测量值.沥青试样越多，转子转动时的摩阻力增大，测定的粘度值增大.有研究对沥青试样加入量根据不同转子的型号给出建议参考值，但在实际操作过程中，通过称取质量或者量取体积的方法耗费较长时间，由于沥青试样温度散失较快，以此来控制试样加入量不太现实.因此，有必要形成统一的控制标准，以方便试验操作.

实际上，可按转子浸入沥青试样的体积大小来控制，即每次操作时都将转子浸入至某一刻度位置，转子浸入直至其杆刻度处于盛样筒顶部平齐，此时沥青试样液面正好达至盛样筒外壁刻度处左右(非盛样筒溢流槽口).

3.2温度校核

考虑到旋转粘度主机与加热炉控制器的显示屏均有温度显示，为确保试验控温准确，对于新设备或者长时间未用的设备，有必要用标准温度计进行温度校核.将标准温度计插入加热炉进行测温，达到设定温度后，以标准温度计读数与加热炉控制器显示温度的差值，作为温度补偿值.标准温度计读数与加热炉控制器设定温度值均为135 ℃，说明本试验所采用旋转粘度计具有较好的控温精度.

3.3初选转子

对于未知粘度的待测试样，可先用29#转子大概测得其粘度值，在参考各转子的满量程来选择合适的转子和转速，见表1.例如，用29#转子测本试验SBS改性沥青在50 r·min-1、135 ℃的粘度值为2 465 mPa·s，观察表1中50 r·min-1所在行可知，21#转子会超量程，27#转子约占用50%量程，28#转子约占用25%量程，因此在50 r·min-1、135 ℃条件下可考虑选用27#转子.

表1　各型号转子在各转速下对应的满量程

3.4其他因素

沥青样品倒入盛样筒前需进行充分搅拌，以避免沥青样品由于在烘箱内久置而出现上下层组分分离[5-6].试验开始前，需将试验主机及加热炉调整水平，避免试验过程中，转子与盛样皿内壁碰撞，导致数据波动较大而影响试验结果.此外，需注意将盛样筒底部对准插入加热炉凹槽内固定，避免容器在加热炉内转动.

4粘温曲线绘制研究

4.1粘温曲线拟合方程比选

国内外规范对于沥青粘温曲线绘制总体上来说有两种方法，具体如下.

1) 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)和ASTM D2493/D2493M-09均采用直线进行回归拟合.其中，纵坐标为粘度取双对数(Pa·s)，横坐标为温度转变为热力学温度后取对数(℃)，拟合方程如下.

lglg(η×1 000)=n-m×lg(t+273.13)

式中：m为斜率；n为截距.

2) 《公路沥青路面施工技术规范实施手册》(JTG F40-2004)示例中是采用指数函数进行回归拟合.其中，纵坐标即为粘度(Pa·s)，横坐标即为温度(℃)，拟合方程如下.

拟合方程待确定系数为系数b，底数m，其中m=en.

针对各转子在不同转速下测得135，155，175 ℃的SBS改性沥青粘度数据进行粘温曲线绘制，分别按照线性对数函数和指数函数进行回归拟合，以27#转子为例，将拟合方程参数以及对应施工温度汇总于表2.

由表2可见，就拟合程度R2来看，均是线性对数函数相较于指数函数具有更好的拟合效果；

表2　2种函数拟合粘温曲线数据分析汇总

由此可以看出，我国试验规程推荐的选取线性对数函数进行粘温曲线拟合能达到更好的拟合效果.

以27#转子50 r·min-1试验数据进行线性对数函数回归拟合所确定施工温度进行分析，得到SBS改性沥青的拌和温度为200.5～208.8 ℃，压实温度为184.9～191.5 ℃，明显超出《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求，说明采用布氏旋转粘度试验方法确定改性沥青施工温度是明显偏高的，针对改性沥青施工温度的具体确定方法还有待作进一步研究[7-9].规范给出的建议是，按照工程经验，考虑工程实际情况，综合确定改性沥青混合料的施工温度.

4.2温度点个数对粘温曲线影响分析

在较低温度时，沥青粘度对温度的依赖性较大，并且该依耐性会随着温度的增加而逐渐降低.据此，相较于规范要求的2点确定粘温曲线，为提高粘温曲线绘制的准确度，可考虑将试验温度测点增加到3个以上.选取扭矩百分比满足10%～98%范围要求的21#转子试验数据分别采用135，175 ℃ 2点，以及135，155，175 ℃ 3点来绘制粘温曲线，将线性对数拟合方程的拟合参数以及对应施工温度汇总见表3.

由表3可见：

1) 就拟合程度R2来看，2点确定粘温曲线为R2=1，3点所确定R2小于1，说明3点所确定粘温曲线更能够比较真实的反映出沥青粘度随温度的变化情况.

表3　拟合方程的拟合参数对应的施工温度汇总表

2) 就施工温度来看，2点所确定粘温曲线相较于3点具有稍高的施工温度，平均高出0.3 ℃左右.

综合来看，虽然3点确定粘温曲线相较于两点能够更真实反映沥青粘度随温度变化情况，但是二者所确定的施工温度相差并不太大.因此，即可采用线性对数函数就2点进行粘温曲线绘制及拟合，以缩短试验时间，但建议针对未知沥青采用3点及以上来进行粘温曲线绘制及拟合.

4.3参数改变对粘温曲线影响分析

为分析转子和转速对粘温曲线的影响，对试验数据进行组合，分别绘制不同参数下的粘温曲线以确定施工温度.下面主要以21#转子为例，将四种参数组合方案的线性对数拟合参数以及施工温度汇总见表4.可以发现，4种方案所确定的施工温度相差并不大.

实际上，为确保同一盛样筒内沥青试样量保持不变，考虑到更换转子会使得盛样筒内沥青试样量发生改变，故应确保在整个试验过程中均使用同一转子.因此，为测得各温度下沥青的粘度并确保扭矩百分比满足10%～98%范围要求，能够调整的可控参数只有转速.

表4　粘温曲线不同绘制方案的线性对数拟合参数及施工温度汇总

5结论

1) 试验温度、转子转速和转子型号等参数均会对沥青粘度产生影响.其中，转子型号、转速对粘度的影响相较于温度的影响程度要小很多.随着温度升高至一定程度后，温度对沥青粘度和设备扭矩百分比的影响程度逐渐降低，说明改性沥青非牛顿性质逐渐减弱.

2) 沥青样品加入量、试验前温度校核、设备调整水平、沥青试样充分搅拌后浇模、卡紧盛样筒、选择合适的转子等试验操作，需要严格控制，以确保试验的准确性.

3) 选取试验规程推荐的线性对数函数进行粘温曲线拟合相较于施工规范推荐的指数函数，能够达到更好的拟合效果.可采用线性对数函数就两点进行粘温曲线绘制拟合以缩短试验时间，但建议针对未知沥青仍采用3点及以上个数点来进行粘温曲线绘制及拟合.不同转子型号和转速的组合，其对施工温度的确定影响并不大，但实际上在试验过程中能调控的参数只有转速.

4) 采用旋转粘度试验方法所确定SBS改性沥青的施工温度，会明显高于实际规范要求，说明采用布氏旋转粘度试验方法确定改性沥青施工温度是明显偏高的，针对改性沥青施工温度的具体确定方法还有待作进一步研究.

参 考 文 献

[1]李福晋,李闯民.公路工程沥青及沥青混合料试验规程释义手册[M].北京:人民交通出版社,2011.

[2]李福晋,沈金安.公路沥青路面施工技术规范实施手册[M].北京:人民交通出版社,2005.

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Impact Factors in Rotational Viscosity Tests

WANG Wentao1)LUO Rong1)FENG Guangle2)WANG Lijing3)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(EngineeringQualitySupervisionBureau,TransportationDepartmentofHubeiProvince,Wuhan430014,China)2)(ChangJiangRoadandBridge,Wuhan430212,China)3)

Abstract：The study comprehensively analyzes the test parameters and procedure that significantly affect the rotational viscosity of the SBS-modified asphalt binder and 70# asphalt binder. Two methods of plotting the viscosity-temperature curve are compared to investigate the effects of the number of test temperatures and variations of parameters on the viscosity-temperature curve. Test results show that the linear log function with two temperature points can properly model the viscosity-temperature curve. It is also demonstrated that the shear rate and viscometer size have little effect on the viscosity-temperature curve.

Key words：road engineering; rotational viscosity; viscosity-temperature curve; impact factor; SBS-modified asphalt

收稿日期：2016-04-27

中图法分类号：U414

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.025

王文涛(1989- )：男，硕士，助理实验师，主要研究领域为道路工程

*湖北省交通运输厅2015年科技项目资助(2014-721-2-6)