两种测量泡沫沥青黏度方法的对比

徐大卫，张 帅

(1.河海大学 土木与交通学院，江苏 南京210098；2.徐州市交通规划设计研究院，江苏 徐州 221006)



两种测量泡沫沥青黏度方法的对比

徐大卫1，张 帅2

(1.河海大学 土木与交通学院，江苏 南京210098；2.徐州市交通规划设计研究院，江苏 徐州 221006)

使用布氏黏度计与改进的布氏黏度计进行测量泡沫沥青黏度试验，选择70#道路石油沥青与SBS改性沥青制备泡沫沥青，对两种泡沫沥青的旋转黏度测量方法进行对比研究。结果表明：测量泡沫沥青时须考虑沥青泡对转子剪切力的影响，70#道路石油泡沫沥青产生的沥青泡对其旋转黏度影响较大，其改进的旋转黏度小于70#道路石油沥青的旋转黏度，未改进的旋转黏度大于70#道路石油沥青的旋转黏度；SBS改性泡沫沥青由于其旋转黏度较大，产生的规则椭球形沥青泡，对旋转黏度的测量影响不大，其改进的旋转黏度与未改进的旋转黏度均小于SBS沥青的旋转黏度。为了更加准确测得泡沫沥青的旋转黏度，建议对布氏旋转黏度计进行改进，增大盛样筒的口径来避免沥青泡对转子剪切力的影响。

道路工程；泡沫沥青；旋转黏度；对比试验；剪切力；沥青泡

泡沫温拌沥青路面技术是一门新兴的筑路技术，与传统的热拌沥青路面相比，泡沫温拌沥青可以有效降低20～30 ℃混合料的施工温度，使沥青混合料在120～140 ℃拌和均匀，从而降低了沥青胶结料在生产过程中的老化，延长沥青路面寿命，并且可以节约能源30%左右，大幅度减少CO2、SO2等气体的排放，所以泡沫温拌是一种大有可为的温拌方式，泡沫温拌技术受到越来越多的关注。泡沫温拌沥青的黏度与混合料的施工温度及施工和易性密切相关，泡沫沥青由于含有泡沫，其黏度的测试方式以及其发泡前后的黏度的变化是大家关注的主要问题。目前测定沥青黏度的方法有：毛细管法、道路石油沥青标准黏度计法、恩格拉黏度计法、布洛克菲尔德黏度计法，考虑到泡沫沥青黏度测试要求，毛细管法、道路石油沥青标准黏度计法、恩格拉黏度计法不适合测量泡沫沥青的黏度[1]，因此选择布洛克菲尔德黏度计(布氏黏度计)法作为测量泡沫沥青黏度的试验方法。考虑到泡沫沥青中存有沥青泡以及体积膨胀，对布氏黏度计的盛样筒进行改进，测量所得黏度称其为改进的旋转黏度。

1 试验调查

1.1 原材料

选择韩国AK-70#道路石油沥青与SBS改性沥青作为试验原材料，其性能如表1，沥青发泡时用水直接采用洁净的自来水。

表1 沥青的性能指标试验结果

1.2 泡沫沥青的制备

室内沥青发泡试验选择德国维特根WLB10发泡试验机，主要由沥青加热桶、压缩空气罐、压力调节器、沥青泵、水流量计等组成。泡沫沥青制备好后立即进行旋转黏度试验，结合国内外研究[2-3]，选择的发泡参数如表2。

表2 沥青发泡参数

1.3 试验方法

美国SHRP计划以来，布洛克菲尔德DV-Ⅱ型旋转黏度计被广泛用来测量沥青黏度，这种方法可直接测得旋转黏度，且具有测量精度高、操作方便简单，常用于测量60～180 ℃之间各种温度下的沥青旋转黏度。为了测量泡沫沥青的旋转黏度，选择如下两种测试方法：第1种选用美国布洛克菲尔德DV-Ⅱ型旋转黏度计，如图1。考虑到泡沫沥青在加热时体积膨胀，会产生沥青泡，可能影响旋转黏度的测定，所以对布氏黏度计进行改进，将黏度计的盛样筒改为杯口直径更大的瓷杯(将瓷杯放在油浴里进行控温，杯口直径约为10 cm)，来避免沥青泡膨胀对读数产生的影响，如图2。将改进的布氏黏度计作为第2种测量泡沫沥青旋转黏度的方法。

图1 布洛克菲尔德DV-Ⅱ型旋转黏度仪

图2 两种方法盛样筒对比 Fig.2 Containing sample compared with porcelain

旋转黏度是由流体内部分子结构之间的引力形成内摩擦，从而在外部表现为抵抗流体流动的能力，间接地反应了流体分子及其分布状态。沥青结合料旋转黏度与结合料类型、剪变率和仪器参数有关，其计算方法中考虑3个仪器参数[4]，计算如式(1)～式(3)：

(1)

S=nk3

(2)

F′=k1k2k3T/10

(3)

式中：η为旋转黏度，cp；n为转速，r/min；k1为扭矩常数；k2为转子体积常数；S为剪变率；k3为转子剪变率常数；F′为剪应力，N/m2；T为扭矩百分数，%。

可以看出，旋转黏度与转子转速、扭矩常数、转子体积常数、扭矩百分数有关，试验时统一选择27#转子，转速为50 r/min，同时为了保证读数的有效性，控制布氏黏度计的扭矩读数在10 %～98 %之间[5]。布氏黏度计测量控制温度分别为110，120，130 ℃。

2 结果与讨论

为了对比发泡前后沥青旋转黏度的变化，同时测量了未发泡沥青的旋转黏度，表3为未发泡沥青的旋转黏度。

表3 不同温度下未发泡沥青的布氏旋转黏度

测量沥青旋转黏度时泡沫沥青属于非牛顿体，非牛顿流体的气泡上升过程中气泡呈现出复杂的形态特征。低旋转黏度流体中，气泡表现出强烈的振荡形变现象，具有无规则的形状特征，当流体旋转黏度较大时，气泡振荡现象减弱，得到规则的椭球形气泡外观[6]。两种方法测量泡沫沥青旋转黏度时的状态对比如图3。

图3 两种测量泡沫沥青黏度试验方法状态对比

从图3可以看出，对于布氏黏度计，由于盛样筒较小，造成了不规则的沥青泡对盛样筒内壁与转子侧面的挤压，影响转子剪切力，进而影响扭矩，对读数产生影响[7-8]，而改进的旋转黏度计使用了口径比较大的瓷杯，避免了沥青泡对转子剪切力的影响。

2.1 道路石油沥青

对于70#道路石油沥青，使用上述两种方法测量其在不同温度下泡沫沥青及未发泡沥青的旋转黏度如图4。

图4 不同发泡条件下泡沫沥青旋转黏度两种测量方法对比

从图4(a)可以看出，使用改进的方法测量泡沫沥青旋转黏度时，在不同发泡条件下的泡沫沥青的旋转黏度均小于未发泡的道路石油沥青的旋转黏度，这说明制备的泡沫沥青与70#道路石油沥青相比，体积膨胀，且沥青泡对盛样筒杯壁以及转子剪切力基本上没有受到不规则沥青气泡的影响，所以泡沫沥青旋转黏度小于70#道路石油沥青旋转黏度。从图4(b)可以看出，使用布氏旋转黏度计时，测量的泡沫沥青旋转黏度均大于70#道路石油沥青的旋转黏度，与泡沫沥青体积膨胀，测得旋转黏度与应小于70#道路石油沥青相反，主要是由于在使用布氏黏度计盛样筒条件下，不规则的沥青泡对转子产生挤压，对转子的剪切力产生了影响，使其变大，进而造成了测量泡沫沥青旋转黏度时结果偏大。由图中数据分析得，在相同发泡温度下，旋转黏度随着用水量的增加而减小。

2.2 SBS改性沥青

对于SBS改性沥青，使用上述两种方法测量其在不同温度下泡沫沥青的旋转黏度及其未发泡沥青旋转黏度，如图5。

图5 不同发泡条件下SBS改性沥青旋转黏度两种测量方法对比

从图5(a)可以看出，改进的旋转黏度与旋转黏度均小于未发泡的SBS改性沥青，在相同温度下，SBS泡沫沥青的旋转黏度小于SBS改性沥青的旋转黏度，对此与70#道路石油沥青不同，究其原因，是由于SBS改性沥青旋转黏度比普通沥青大，气泡振荡现象微弱，且大多为椭球形气泡外观。通过试验时的观察，产生的沥青泡数要远小于70#道路石油沥青，膨胀率也小于70#道路石油沥青，SBS沥青泡对转子剪切力的影响程度小于70#道路石油沥青泡。对比图5知，使用改进的黏度计测量的旋转黏度总体上小于布氏旋转黏度计测量的旋转黏度，由上述分析得，盛样筒体积较小，沥青泡对转子侧面与盛样筒的内壁产生挤压，进而影响转子的剪切力，使得布氏黏度计测得旋转黏度大于改进的旋转黏度计。对图中数据进行分析，与布氏黏度计测得的旋转黏度相比，改进的旋转黏度计测得的旋转黏度降低率约19.8 %～47.1 %。

3 结 论

1) 泡沫沥青加热时由于体积膨胀，旋转黏度减小，而用布氏黏度计测量的70#道路石油沥青旋转黏度却增大，主要是不规则的沥青泡与盛样筒内壁产生挤压，使得剪切力增大，旋转黏度也相应增大。使用改进的黏度计时，即对布氏黏度计原盛样筒进行改进，增大盛样筒的口径由2 cm达到10 cm，将其放在可控温的油浴中保温进行测量旋转黏度，这样规避了不规则气泡对旋转黏度的影响，所以，使用大一点的盛样筒进行测量旋转黏度更适合，即用改进的布氏黏度计适合泡沫沥青的选转黏度测量。

2) 对于SBS改性沥青，使用两种方法测量的旋转黏度均小于未发泡的旋转黏度。使用改进的黏度计测量不同条件下的旋转黏度小于使用布氏黏度计测量的旋转黏度，SBS改性沥青发泡时，沥青泡的振荡现象较70#道路石油沥青小，大多为椭球形外观，对转子的剪切力影响没有70#道路石油沥青显著，因此对盛样筒口径进行改进，使得测量泡沫沥青的旋转黏度更精确。

3)通过对70#道路石油沥青与SBS改性沥青进行两种黏度方法试验对比，得出测量泡沫沥青的黏度时宜对布氏黏度计的盛样筒进行改进，口径多大比较适合，有待于进一步的研究。

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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

江苏省交通科学研究计划项目(2012Y39)

徐大卫(1988—),男，江苏连云港人，硕士研究生，主要从事路面材料方面的研究。E-mail:xudawei19880607@163.com。

U414

A

1674-0696(2015)01-044-04