对沥青低温粘度的研究

摘 要 :沥青的粘度表征了沥青抵抗流动和变形的能力 ,低温下沥青的粘度越小 ,沥青的低温性能越好 。 通过实测沥青在低温下的粘度值 ,来评价沥青的低温性能 。对沥青在载作用下的粘度进行了分析 ,用动态 粘度来研究沥青的低温性能 。 关键词 :低温粘度 ;复数粘度 ;动粘度 ;动态剪切流变仪 中图分类号 :U4161217 文献标识码 :C 文章编号 :1008 - 3383 (2006) 07 - 0001 - 02
3 试验测试的结果与分析 311 静载粘度
一般采用剪切方式测定沥青材料的流动变形曲 线 ,施加一定的剪应力 ,即产生相应的剪变率 ,根据 剪应力和剪变率的比值 ,即可以求得沥青的粘度 。 低温时沥青表现为非牛顿体时 ,不同剪变率和不同 剪应力水平时的表观粘度值是不同的 ,通常所指沥
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总第 149 期
模拟了路面实际承受的反复施加的交通荷载 ,更接
近强迫振动的方式 ,所以本文采用的是这种加载方
法。
给沥青材料一个正弦变化的交变应力 ,必然由
此产生一个正弦变化的交变应变 ,平板的转动角速
度为 ω ,应力和应变公式如下 :
σ=σ0 sinωt
γ=γ0 sin (ωt +δ)
式中 :0 <δ<πΠ2 ,δ为相位角 。
收稿日期 :2006 - 03 - 30
落柱 式 粘 度 计 是 由 R1J 1Schmidt 和 L1 E1Sa2
nt ucci 于 1963 年提出的 , 1966 年 ASTM 曾经一度 作为沥青的粘度测定方法的提案列入标准 ,提出后 为不少国家所采用 。它是利用一个双筒圆柱体 ,间 隙中装入沥青试样 ,在荷载作用下由筒徐徐落下 ,使 试样与固定的外筒间产生剪切变形 ,通过荷载与变 位的测定求解沥青粘度的装置 ,其目的是为了测定 较低温度 (软化点以下至 10 ℃左右的范围内) 的粘 度 ,粘度范围约 102 ～109 Pa·s 。由于此温度范围是 路面使用期的温度 ,所以其流变性能有重要价值 。
1 粘度的概念
粘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 。最 简单或者说最理想的流动是以牛顿定律描述的牛顿 流体 ,牛顿流体流动时内部抵抗产生的阻力即剪应 力与剪变率之间具有线性的比例关系 ,根据牛顿定 律描述 ,剪应力与剪变率的比值定义为粘度 。显然 , 牛顿流体粘度是常数 ,与剪应力和剪变率无关 ,在测 定粘度时 ,变化不同的剪切速率 ,测定结果不变 。粘 度的大小可以用数值来比较 ,粘度越大的液体 ,流动 所需的力就越大 ,流动时产生得内部抵抗也就越大 , 取消外力后流动停止的也就越快 。
沥青的复数粘度和动粘度是在动态荷载作用下 的粘度值 ,其中动粘度反映由沥青的粘性抵抗造成 试验过程中的能量损失 ,因此 ,动粘度与复数粘度的 比值可以表明沥青的粘性比例 。从表 2 可以看出 , 随着温度的降低 ,沥青的粘性成分逐渐减小 ,表明沥 青变硬 ,抵抗低温开裂的能力降低 。随着标号的增 大 ,沥青的粘性比例增加 ,说明高标号的沥青粘性成 分较大 ,抵抗低温开裂的性能更好 。
2006 年 第 7 期 (总第 149 期)
道路工程
黑龙江交通科技 HEILONGJ IANG J IAOTONG KEJ I
No . 7 ,2006 ( Sum No . 149)
对沥青低温粘度的研究
曾明鸣1 ,詹小丽2
(11 黑龙江省交通科学研究所 ;21 哈尔滨工业大学交通科学与工程学院)
90 #
110 #
46
47
85
110
14
39
140 # 35 140 116
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314 试验结果
采用动态剪切流变仪在低温下用静载和动载两 种方式加载 ,得到沥青的表观粘度值和复数粘度 。 表观粘度采用的是等剪切功的方法 ,计算当剪切功 为 100JΠ(s·m3 ) 时的粘度 。本文选用 0 ℃粘度来评 价沥青的低温性能 ,试验结果见图 1 :
线与此等功线的交点处的 S 及 D 求得表观粘度 。
312 动载粘度
(1) 用一个固定的振动频率测定沥青的振动扭 矩 ,称为强制振动法 ;
(2) 荷载频率在一个范围内变化 ,寻求发生最大
位移时的共振频率 ,称为共振法 ;
(3) 试验时给定初始荷载使试样自由衰减的方
法。
由于强制振动法的测定方法比较简单 ,同时也
(2) 计算等剪应力时的表观粘度 ,例如比利时的
一位研究者在研究粘度与针入度的关系 ,用滑板式 粘度计测定低温粘度时 ,用剪应力 S = 5 ×104 Pa 时
的表观粘度作为标准பைடு நூலகம்件的表观粘度 。
(3) 计算等剪切功时的等功粘度 ,例如 Romberg
在作双筒旋转式粘度计测定时 ,提出以单位体积的
剪切功 S D = 100 JΠ(s·m3 ) 时的粘度作为等功粘度 。 在流变曲线上 ,等功线为 45°角的斜直线 ,由流变曲
性造成试验过程中的能量贮存 。
313 试验材料
选用三种不同 标 号 的 基 质 沥 青 , 分 别 为 90 # 、 110 # 和 140 # ,沥青的常规指标如表 1 。
表 1 沥青常规指标的试验结果
试验项目 软化点Π℃ 针入度 (25 ℃,100 g ,5 s) (011mm) 延度 (5 cmΠmin ,5 ℃)Πcm
用复数表示时 ,应变为 γ = γ0 ei (ωt - δ) ,应变速率 为 D = iωγ0 ei (ωt - δ) = ωi γ 。
因此 ,沥青的复数粘度为 :
η3
σ =D
=
σ iωγ =
iω 1 G 3
= ωG″-
i ω G′=η′-
iη″
式中 :η′为动粘度 ,反映由沥青的粘性抵抗造成试验
过程中的能量损失 ;η″为储存粘度 ,反映由沥青的弹
图 1 各种沥青的 0 ℃粘度值
结果表明 ,在低温下 ,随着沥青标号的增加 ,沥 青的粘度值减小 ,表明沥青抵抗流动变形的能力降 低 ,容易流动 ,低温性能好 。因此 ,粘度可以用来表 征沥青的低温性能 。并且在动载作用下沥青的粘度 变化规律与静载作用下的相同 ,但是在动载下的粘 度值一般比静载下的粘度值小 ,这表明在动载作用 下的粘度也可以用来评价沥青的低温流变性能 。
4 结 论
沥青是一种典型的流变性材料 ,因此 ,研究沥青 的低温性能可以从低温粘度出发 ,低温下粘度越小 , 沥青的流动性越好 ,低温性能越好 。沥青在动载作 用下的粘度与静载下的粘度相关性较好 ,但是根据 沥青在动载作用下的试验结果 ,可以得出沥青的粘 弹性比例 ,并且动载作用下的加载方式更符合路面 实际情况 ,因此 ,用动载作用下的粘度可以更好的评 价沥青的低温性能 。
具有流动性而其流动特性不能用牛顿定律描述 的流体 ,可以统称为非牛顿流体 。非牛顿流体的流 动变形抵抗已经不再是一个恒定的数值 ,而依赖于 剪应力水平或剪变率水平不断增加或者逐渐减小 , 牛顿定律中粘度的定义对此已经不再适用 。在试验 研究中 ,为了地描述不同剪应力或剪变率水平所对 应的粘性流动抵抗能力 ,一般可将粘度的概念外延 , 将流动曲 线 上 某 一 点 切 线 或 割 线 的 效 率 为 表 观 粘 度 。表观粘度依赖于剪变率 ,因而与时间有关 。
黑龙江交通科技
第7期
青在某温度下的粘度为多少 ,都是指某一定计算条
件下的条件粘度 ,究竟采用的是什么条件 ,现在国际
上并没有统一的规定 ,一般有三种做法 。
(1) 计算等剪变率时的表观粘度 ,例如 1957 年
Grifft h 在研究滑板式粘度计时通常采用剪变率 D
= 5 ×10 - 2 s - 1 时的表观粘度作为等速粘度 。
表 2 动粘度与复数粘度的比值
温度Π℃
90 #
110 #
140 #
10
01848 214
01860 215
01909 091
0
01602 041
01669 371
01727 545
- 10
01336 856
01417 601
01502 033
- 20
01161 006
01209 996
01227 499
2 低温粘度测定方法的研究
由于沥青的使用温度在很大范围内变化 ,当沥 青加热熔融至 200 ℃时 ,沥青粘度小至 10 - 1 Pa·s 数 量级 ,同水差不多 ;而冬天处于严寒状态下的沥青接 近于固体 ,粘度可高达 1011 Pa·s ,因而沥青的粘度变 化范围是非常大的 ,不可能用一种方法测定沥青不 同温度的粘度 。现代的粘度测定仪器种类繁多 ,其 中毛细管粘度计 、旋转粘度计用来测定沥青的高温 粘度 ;双筒式粘度计 、落柱式粘度计用来测定软化点 附近的粘度 ;而锥板式粘度计 、滑板式粘度计测定沥 青的中低温度的粘度 。
由于滑板式粘度计可以测定较高粘度的情况 (约 102 ～108 Pa·s) ,所以它可用测定软化点以下至 接近 0 ℃的沥青以及聚合物改性沥青的粘度 ,并可 测定其弹性恢复性能 。
作用于道路上的行车荷载并非一般的静止荷 载 ,而是连续不断的反复荷载 。路面层内某一点的 上方有车辆通过时 ,经历一个从受压变成受拉 、又变 成受压的循环过程 。因此 ,要研究沥青材料的真正 的力学效应 ,应该先研究它在动载作用下的变形特 性 ,即它的动粘弹性 。前面所述的测定方法都是静 载方法测定沥青的动力粘度 ,即沥青承受恒定的剪 应力产生相应的剪应变 ,求得沥青的绝对粘度 。在 振动荷载下 ,沥青的流变特性受到粘弹性的影响 ,与 静载时有很大不同 ,沥青的粘度通常小于静载时的 粘度 。因此现在已越来越重视测定振动荷载下的粘 度 ,一些流变仪及粘度计也已具有测定振动粘度的 功能了 。