徐鷗明，韓 森，牛冬瑜，劉亞敏

(1.長安大學(xué) 交通鋪面材料教育部工程研究中心，陜西 西安 710061； 2.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064)

測試條件對SBS改性瀝青表觀黏度影響研究

徐鷗明1，韓 森2，牛冬瑜1，劉亞敏2

(1.長安大學(xué) 交通鋪面材料教育部工程研究中心，陜西 西安 710061； 2.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064)

黏度是瀝青的一項重要性質(zhì)，與瀝青混合料施工溫度和施工和易性密切相關(guān)，為了評價測試條件對黏度的影響，采用布洛克菲爾德黏度計，研究了不同時間、溫度和轉(zhuǎn)速條件下SBS改性瀝青表觀黏度變化情況.結(jié)果表明：SBS改性瀝青表觀黏度值隨時間增加逐漸趨于穩(wěn)定，溫度越高、剪切速率(轉(zhuǎn)速)越大，黏度趨于穩(wěn)定的時間越短，且初始黏度與穩(wěn)定黏度之間的差值越小；當(dāng)溫度超過150 ℃時，黏度與轉(zhuǎn)速無關(guān)；不同溫度下進(jìn)行SBS改性瀝青黏度測定時，轉(zhuǎn)速應(yīng)不小于20 r/min.

SBS改性瀝青；表觀黏度；時間；溫度；轉(zhuǎn)速

0 引言

國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展促使了交通量迅猛增加，車輛重載和大型化比例顯著提高，以及氣候因素影響對瀝青路面提出了高性能要求，高質(zhì)量的公路瀝青需求量呈上升趨勢[1].苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)改性瀝青由于具有優(yōu)良的高、低溫性能而在工程中得到了廣泛應(yīng)用.沈金安[2]認(rèn)為，SBS改性瀝青是我國改性瀝青發(fā)展的主要方向.黃衛(wèi)東等[3]從微觀角度研究了SBS改性瀝青的儲存穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)之間關(guān)系，發(fā)現(xiàn)改性劑粒子的分布狀態(tài)有重要貢獻(xiàn).張玉貞[4]通過瀝青四組分試驗，研究了基質(zhì)瀝青成分對SBS改性瀝青效果的影響.王仕峰等[5]采用光學(xué)顯微鏡、動態(tài)力學(xué)分析對SBS與基質(zhì)瀝青間的相互作用進(jìn)行了研究.梁曉麗[6]對SBS改性瀝青的試驗特性進(jìn)行了研究，探討了SBS改性瀝青各項指標(biāo)影響因素和變化規(guī)律.耿九光等[7]和原健安等[8]應(yīng)用凝膠色譜對改性瀝青的改性機(jī)理及交聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，解釋了SBS改性瀝青的高低溫性能改善機(jī)理.郝培文[9]和梁乃興等[10]對SBS改性瀝青相容性和配伍性、SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)芳香分含量高的基質(zhì)瀝青與SBS相容性較好.綜上所述，目前對SBS改性劑、基質(zhì)瀝青配伍性、SBS改性瀝青貯存穩(wěn)定性、SBS改性瀝青性能以及SBS改性瀝青機(jī)理等研究較多，但對于不同條件下SBS改性瀝青表觀黏度特性研究較少.因此，筆者選擇一種瀝青和SBS改性劑，研究不同溫度、轉(zhuǎn)速、時間的SBS改性瀝青黏度變化規(guī)律，對于進(jìn)一步正確認(rèn)識和應(yīng)用SBS改性瀝青具有積極的意義.

1 材料制備與試驗方法

1.1 原材料

試驗采用的基質(zhì)瀝青為針入度等級為90號道路瀝青，其主要技術(shù)性質(zhì)如表1所示.

表1 基質(zhì)瀝青主要技術(shù)性質(zhì)Tab.1 The main technical properties of base asphalt

試驗采用的聚合物改性劑為星型結(jié)構(gòu)SBS改性劑，外觀呈白色，其物理力學(xué)性能指標(biāo)如表2所示.

1.2 SBS改性瀝青制備

先將基質(zhì)瀝青加熱到160 ℃～170 ℃，將高速剪切分散乳化機(jī)的剪切頭浸入基質(zhì)瀝青液面下3 cm左右；將調(diào)速旋鈕調(diào)至3～4檔之間，剪切速率控制為2 500～3 750 r/min，緩慢加入稱量好的SBS改性劑(4%質(zhì)量分?jǐn)?shù))，同時用玻璃棒攪拌，使SBS在基質(zhì)瀝青中形成回流；待剪切5 min后，將調(diào)速旋鈕調(diào)至5～6檔之間，控制剪切速率為5 000～6 000 r/min，再剪切10 min后，加入適量穩(wěn)定劑，繼續(xù)剪切30 min，完成剪切工作，制備好的SBS改性瀝青留待試驗.

表2 SBS改性劑技術(shù)性質(zhì)Tab.2 The technical properties of SBS

1.3 試驗方法

試驗采用Brookfield 公司生產(chǎn)的RV.DV-II+Pro型布氏黏度計，將制備好的SBS改性瀝青加熱制樣，分別測試不同時間、溫度和轉(zhuǎn)速條件下SBS改性瀝青黏度值.

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 時間對SBS改性瀝青黏度試驗結(jié)果的影響

對于非牛頓流體，在不同的測試時間，所測得的黏度不同.在試驗過程中，通過軟件自動采集數(shù)據(jù)，記錄黏度隨時間的變化規(guī)律.圖1為基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青在135 ℃和20 r/min條件下測得的黏度值隨時間增加的變化曲線.

圖1 基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青黏度-時間曲線Fig.1 Relationship between viscosity and time of base asphalt and SBS modified asphalt

由圖可以看出，SBS改性瀝青的黏度遠(yuǎn)高于基質(zhì)瀝青的黏度.對于基質(zhì)瀝青的黏度，除了在開始旋轉(zhuǎn)的瞬間有輕微波動外，隨著時間的增長，黏度值趨近為一條直線.這是因為，基質(zhì)瀝青在135 ℃時屬于典型的牛頓流體，對時間沒有依賴性，因而黏度是一個常量[11].對于SBS改性瀝青的黏度，在開始旋轉(zhuǎn)階段，黏度值會急速增加，大約經(jīng)10 s達(dá)最大值，然后又迅速減小，經(jīng)過600 s后達(dá)到相對穩(wěn)定，此后黏度值雖然隨時間增長繼續(xù)降低，但降低幅度非常小.這是因為SBS的加入，改變了基質(zhì)瀝青的膠體結(jié)構(gòu)：一方面，SBS吸附了基質(zhì)瀝青中輕質(zhì)組分，使得瀝青內(nèi)部相對運動變得困難；另一方面，SBS吸附基質(zhì)瀝青中的輕質(zhì)組分后會自身發(fā)生溶脹，當(dāng)溶脹到一定程度時，SBS會形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，成為連續(xù)相，此時瀝青的運動會受到網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的SBS滯留作用，從而使SBS改性瀝青的的黏度較基質(zhì)瀝青高很多；同時，SBS改性瀝青屬于不均勻觸變性流體，對時間有依賴性，雖然SBS在瀝青中形成物理交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高了SBS改性瀝青的結(jié)構(gòu)黏度，但隨著剪切時間的增加，流體中瀝青相與SBS相在界面力、氫鍵等相互作用下，產(chǎn)生局部擾動，造成物理交聯(lián)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的部分被破壞，又會導(dǎo)致黏度下降[12].

圖2是轉(zhuǎn)速為20 r/min時SBS改性瀝青在不同溫度下黏度值隨時間的測試結(jié)果.

圖2 不同溫度SBS改性瀝青黏度-時間曲線Fig.2 Relationship between viscosity and time under different temperatures

由圖可以看出，隨著時間的增加，除180 ℃時黏度，其他溫度下的黏度值都有明顯下降趨勢；且溫度越高，黏度達(dá)到穩(wěn)定階段所需的時間越短.這是因為，溫度越高，對SBS改性瀝青的假塑性的破壞也越快.120 ℃黏度在1 200 s時仍未趨于穩(wěn)定，仍然呈明顯的下降趨勢；135 ℃黏度約在700 s時趨于穩(wěn)定，150 ℃黏度約在600 s時趨于穩(wěn)定，165 ℃黏度約在400 s時趨于穩(wěn)定，而180 ℃黏度隨時間變化曲線近乎于一條直線，表明此時的SBS改性瀝青已經(jīng)趨于牛頓流體，剪切時間的長短，對黏度沒有影響.

圖3列出了135 ℃時SBS改性瀝青在不同轉(zhuǎn)速時黏度隨時間的變化曲線.

圖3 不同轉(zhuǎn)速SBS改性瀝青黏度-時間曲線Fig.3 Relationship between viscosity and time under different shear rates

從圖中可以看出，隨著時間增加，不同轉(zhuǎn)速時SBS改性瀝青的黏度值都呈下降趨勢；轉(zhuǎn)速越高，黏度越小，黏度值達(dá)到穩(wěn)定階段的時間越短.轉(zhuǎn)速為5 r/min時黏度最高，趨于穩(wěn)定的時間最長，大約需800 s；而轉(zhuǎn)速100 r/min時黏度穩(wěn)定時間約為600 s.這表明，SBS改性瀝青交聯(lián)結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)速敏感，轉(zhuǎn)速越高，剪切力越大，膠體結(jié)構(gòu)中不穩(wěn)定部分破壞越快，則黏度重新趨于穩(wěn)定的時間越短.

由此可見，黏度值的穩(wěn)定時間與溫度和轉(zhuǎn)速有關(guān).SBS改性瀝青是由瀝青相和SBS相組成，其分子量以及組成成分都有很大的差別，SBS改性瀝青的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，與基質(zhì)瀝青的結(jié)構(gòu)有很大的差異，SBS具有不同于基質(zhì)瀝青的空間結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)隨著時間、溫度、速率趨于穩(wěn)定，溫度越高、速度越大，趨于穩(wěn)定的時間越短，且初始黏度與穩(wěn)定黏度之間的差值越小.穩(wěn)定后SBS改性瀝青的黏度遠(yuǎn)高于基質(zhì)瀝青的黏度，這表明SBS的加入提高了瀝青總分子量，增加了分子間的相互吸引力，流層相對運動時內(nèi)摩擦阻力也隨之增加，從而使黏度值升高.

2.2 溫度對SBS改性瀝青黏度試驗結(jié)果的影響

對于一般流體，隨著溫度升高，分子熱運動加劇，流體內(nèi)部分子間的相對摩擦阻力減小，流動性增強(qiáng)，黏度降低，瀝青材料也具有相似的變化規(guī)律[13]. 圖4和圖5分別為基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青在不同轉(zhuǎn)速下的黏溫曲線.

圖4 基質(zhì)瀝青黏度-溫度曲線Fig.4 Relationship between viscosity and temperature of base asphalt under different shear rates

圖5 SBS改性瀝青黏度-溫度曲線Fig.5 Relationship between viscosity and temperature of SBS modified asphalt under different shear rates

由圖4、圖5可以看出，基質(zhì)瀝青在120 ℃以上是牛頓流體，黏度只與溫度有關(guān)，與剪切速率無關(guān)，且隨著溫度的變化，黏度值變化范圍減小.SBS改性瀝青的黏度隨溫度改變會發(fā)生顯著變化，隨著溫度的升高，黏度值明顯下降，SBS改性瀝青的黏度值的下降幅度較基質(zhì)瀝青黏度值的下降幅度大得多.這表明，加入SBS改變了基質(zhì)瀝青膠體結(jié)構(gòu)，能夠大幅提升SBS改性瀝青的低溫區(qū)域黏度；但隨著溫度升高，SBS改性瀝青的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，瀝青的流變性能也隨之改變，非牛頓流體特性逐漸減弱， SBS改性瀝青趨近于牛頓流體，其黏度值與基質(zhì)瀝青的黏度值越來越接近.

對于SBS改性瀝青，120 ℃黏度值與135 ℃黏度值相差最大，135 ℃的黏度值與150 ℃的黏度值相差次之， 165 ℃黏度值與180 ℃黏度值相差不大.這表明，溫度越低，SBS改性瀝青的結(jié)構(gòu)性越明顯，相對運動時引起的滯留能力越高；隨著溫度升高，SBS改性瀝青的黏度趨近于基質(zhì)瀝青的黏度，這對于工程實踐具有重要意義，低溫較高的黏度可以保證路面使用時的高溫性能，而高溫較低的黏度有助于施工的順利進(jìn)行.

2.3 轉(zhuǎn)速對SBS改性瀝青黏度試驗結(jié)果的影響

對于高分子材料，當(dāng)某個分子鏈段置于速度梯度流場時，由于分子鏈兩端剪切速率不同，會使分子鏈兩端產(chǎn)生相對移動，導(dǎo)致分子發(fā)生伸直和取向；剪切速率越大，分子取向就會越明顯，這種取向作用會在一定程度上影響?zhàn)ざ鹊拇笮?

不同溫度時的基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青的黏度-速度曲線如圖6和圖7所示.

由圖可以看出，溫度不同時，轉(zhuǎn)速對基質(zhì)瀝青幾乎沒有影響.這是因為，當(dāng)溫度高于120 ℃時，基質(zhì)瀝青近似為牛頓流體，不受剪切速率的影響.對于SBS改性瀝青，不同溫度時，剪切速率的影響不同；低溫(120 ℃、135 ℃)時，隨著轉(zhuǎn)速的增加，黏度降低，溫度越低，降低幅度越大；當(dāng)溫度高于150 ℃時，轉(zhuǎn)速對黏度的影響減弱，165 ℃和180 ℃時，轉(zhuǎn)速對黏度幾乎沒有影響，此時SBS改性瀝青也已接近于牛頓流體.這是因為，溫度較低時，SBS改性瀝青是典型的非牛頓流體，SBS改性瀝青具有基質(zhì)瀝青所不具有的結(jié)構(gòu)[14].這種結(jié)構(gòu)是由分散在瀝青中的SBS改性劑微粒之間的相互作用力所形成，微粒之間的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)與微粒的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)不一樣，微粒會在外力的作用下發(fā)生變形取向，在SBS改性瀝青結(jié)構(gòu)內(nèi)，因此形成層流.轉(zhuǎn)速反映了剪切應(yīng)力，隨著轉(zhuǎn)速的增加，外力作用下發(fā)生變形取向的程度增加，宏觀表現(xiàn)為黏度值的下降.同時，微粒之間的作用力也會隨著轉(zhuǎn)速的增加而破壞，也會導(dǎo)致黏度值的下降.

圖6 不同溫度時基質(zhì)瀝青黏度-速度曲線Fig.6 Relationship between viscosity and shear rate of base asphalt under different temperatures

圖7 不同溫度時SBS改性瀝青黏度-轉(zhuǎn)速曲線Fig.7 Relationship between viscosity and shear rate of SBS modified asphalt under different temperatures

在黏度測試過程中，靠近轉(zhuǎn)子的區(qū)域，轉(zhuǎn)速較快；而靠近管壁的區(qū)域，轉(zhuǎn)速較慢，從而使 SBS改性瀝青處于具有速度梯度的流場中.SBS屬于高分子材料，轉(zhuǎn)速越高，剪切速率越大，流場中速度梯度越大，SBS分子發(fā)生應(yīng)力取向的作用越明顯.當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時，由于分子的布朗運動影響，取向不明顯.當(dāng)轉(zhuǎn)速超出一定值后，布朗運動的影響可以忽略，分子進(jìn)一步取向，隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)升高，取向穩(wěn)定，黏度值也逐漸穩(wěn)定，因此，轉(zhuǎn)速超過20 r/min后，黏度值趨于穩(wěn)定.

3 結(jié)論

(1)SBS改性瀝青黏度值的穩(wěn)定時間與溫度和轉(zhuǎn)速有關(guān)，溫度越高、速率越大，趨于穩(wěn)定的時間越短，且初始黏度與穩(wěn)定黏度之間的差值越小.

(2)溫度低于135 ℃時，不同轉(zhuǎn)速下測得的SBS改性瀝青黏度差異較大；繼續(xù)升高溫度到135 ℃，由于分子熱運動效應(yīng)，部分不穩(wěn)定交聯(lián)結(jié)構(gòu)逐漸解離，SBS對瀝青相滯阻效應(yīng)逐漸減弱，表現(xiàn)為不同轉(zhuǎn)速下測得的黏度差異逐漸減??；當(dāng)溫度達(dá)到150 ℃后，SBS改性瀝青黏度與剪切速率無關(guān).

(3)溫度較低時(120 ℃)，SBS改性瀝青黏度在低轉(zhuǎn)速區(qū)(<20 r/min)對轉(zhuǎn)速變化較敏感，轉(zhuǎn)速越高，SBS交聯(lián)結(jié)構(gòu)破壞越厲害，黏度降低越多；當(dāng)轉(zhuǎn)速超過20 r/min后，分子的布朗運動可以忽略，取向作用增強(qiáng)，繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速，則分子取向逐步趨向穩(wěn)定，黏度值也逐漸趨于穩(wěn)定.

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On the Effect of Testing Conditions on the Apparent Viscosity of SBS Modified Asphalt

XU Ou-ming1， HAN Sen2， NIU Dongyu1， LIU Yamin2

(1.Engineering Research Center of Transportation Materials of Ministry of Education, Chang′an University, Xi′an 710061, China; 2.Key Laboratory of Highway Engineering in Special Region of Education Ministry，Chang’an University，Xi’an 710064, China)

Viscosity is an important property of asphalt, and has a close relationship with the construction temperature and workability of the asphalt mixtures. In order to evaluate the effect of testing conditions on the viscosity, the apparent viscosity of SBS modified asphalt under different times, different temperatures, and different shear rates is studied by using Brookfield viscometer. The results shows that the apparent viscosity of SBS modified asphalt is tending towards stability with time increasing gradually. The higher the temperature and the greater the shear rate, the shorter the time for viscosity stabilizing and the smaller the difference between the initial viscosity and stable viscosity. When the testing temperature exceeds 150 ℃, the variation of shear rate has little effect on the viscosity. The shear rate should be no less than 20RPM when the viscosity of SBS modified asphalt is measured at different temperatures.

SBS modified asphalt；apparent viscosity；time；temperature；shear rate

2014-08-30；

2014-11-19

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2013G1211007)

徐鷗明(1979-),男, 安徽巢湖人，長安大學(xué)副教授, 博士，主要從事路面結(jié)構(gòu)與材料研究方面的工作，E-mail:joe52005@126.com.

1671-6833(2015)01-0083-04

U416.214

A

10.3969/j.issn.1671-6833.2015.01.020