测试条件对SBS改性沥青表观黏度影响研究

徐鸥明，韩 森，牛冬瑜，刘亚敏

(1.长安大学 交通铺面材料教育部工程研究中心，陕西 西安 710061； 2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064)

测试条件对SBS改性沥青表观黏度影响研究

徐鸥明1，韩 森2，牛冬瑜1，刘亚敏2

(1.长安大学 交通铺面材料教育部工程研究中心，陕西 西安 710061； 2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064)

黏度是沥青的一项重要性质，与沥青混合料施工温度和施工和易性密切相关，为了评价测试条件对黏度的影响，采用布洛克菲尔德黏度计，研究了不同时间、温度和转速条件下SBS改性沥青表观黏度变化情况.结果表明：SBS改性沥青表观黏度值随时间增加逐渐趋于稳定，温度越高、剪切速率(转速)越大，黏度趋于稳定的时间越短，且初始黏度与稳定黏度之间的差值越小；当温度超过150 ℃时，黏度与转速无关；不同温度下进行SBS改性沥青黏度测定时，转速应不小于20 r/min.

SBS改性沥青；表观黏度；时间；温度；转速

0 引言

国民经济持续快速发展促使了交通量迅猛增加，车辆重载和大型化比例显著提高，以及气候因素影响对沥青路面提出了高性能要求，高质量的公路沥青需求量呈上升趋势[1].苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)改性沥青由于具有优良的高、低温性能而在工程中得到了广泛应用.沈金安[2]认为，SBS改性沥青是我国改性沥青发展的主要方向.黄卫东等[3]从微观角度研究了SBS改性沥青的储存稳定性和结构之间关系，发现改性剂粒子的分布状态有重要贡献.张玉贞[4]通过沥青四组分试验，研究了基质沥青成分对SBS改性沥青效果的影响.王仕峰等[5]采用光学显微镜、动态力学分析对SBS与基质沥青间的相互作用进行了研究.梁晓丽[6]对SBS改性沥青的试验特性进行了研究，探讨了SBS改性沥青各项指标影响因素和变化规律.耿九光等[7]和原健安等[8]应用凝胶色谱对改性沥青的改性机理及交联结构进行了分析，解释了SBS改性沥青的高低温性能改善机理.郝培文[9]和梁乃兴等[10]对SBS改性沥青相容性和配伍性、SBS改性沥青贮存稳定性进行了研究，发现芳香分含量高的基质沥青与SBS相容性较好.综上所述，目前对SBS改性剂、基质沥青配伍性、SBS改性沥青贮存稳定性、SBS改性沥青性能以及SBS改性沥青机理等研究较多，但对于不同条件下SBS改性沥青表观黏度特性研究较少.因此，笔者选择一种沥青和SBS改性剂，研究不同温度、转速、时间的SBS改性沥青黏度变化规律，对于进一步正确认识和应用SBS改性沥青具有积极的意义.

1 材料制备与试验方法

1.1 原材料

试验采用的基质沥青为针入度等级为90号道路沥青，其主要技术性质如表1所示.

表1 基质沥青主要技术性质Tab.1 The main technical properties of base asphalt

试验采用的聚合物改性剂为星型结构SBS改性剂，外观呈白色，其物理力学性能指标如表2所示.

1.2 SBS改性沥青制备

先将基质沥青加热到160 ℃～170 ℃，将高速剪切分散乳化机的剪切头浸入基质沥青液面下3 cm左右；将调速旋钮调至3～4档之间，剪切速率控制为2 500～3 750 r/min，缓慢加入称量好的SBS改性剂(4%质量分数)，同时用玻璃棒搅拌，使SBS在基质沥青中形成回流；待剪切5 min后，将调速旋钮调至5～6档之间，控制剪切速率为5 000～6 000 r/min，再剪切10 min后，加入适量稳定剂，继续剪切30 min，完成剪切工作，制备好的SBS改性沥青留待试验.

表2 SBS改性剂技术性质Tab.2 The technical properties of SBS

1.3 试验方法

试验采用Brookfield 公司生产的RV.DV-II+Pro型布氏黏度计，将制备好的SBS改性沥青加热制样，分别测试不同时间、温度和转速条件下SBS改性沥青黏度值.

2 试验结果与讨论

2.1 时间对SBS改性沥青黏度试验结果的影响

对于非牛顿流体，在不同的测试时间，所测得的黏度不同.在试验过程中，通过软件自动采集数据，记录黏度随时间的变化规律.图1为基质沥青与SBS改性沥青在135 ℃和20 r/min条件下测得的黏度值随时间增加的变化曲线.

图1 基质沥青与SBS改性沥青黏度-时间曲线Fig.1 Relationship between viscosity and time of base asphalt and SBS modified asphalt

由图可以看出，SBS改性沥青的黏度远高于基质沥青的黏度.对于基质沥青的黏度，除了在开始旋转的瞬间有轻微波动外，随着时间的增长，黏度值趋近为一条直线.这是因为，基质沥青在135 ℃时属于典型的牛顿流体，对时间没有依赖性，因而黏度是一个常量[11].对于SBS改性沥青的黏度，在开始旋转阶段，黏度值会急速增加，大约经10 s达最大值，然后又迅速减小，经过600 s后达到相对稳定，此后黏度值虽然随时间增长继续降低，但降低幅度非常小.这是因为SBS的加入，改变了基质沥青的胶体结构：一方面，SBS吸附了基质沥青中轻质组分，使得沥青内部相对运动变得困难；另一方面，SBS吸附基质沥青中的轻质组分后会自身发生溶胀，当溶胀到一定程度时，SBS会形成交联结构，成为连续相，此时沥青的运动会受到网状结构的SBS滞留作用，从而使SBS改性沥青的的黏度较基质沥青高很多；同时，SBS改性沥青属于不均匀触变性流体，对时间有依赖性，虽然SBS在沥青中形成物理交联的网状结构，提高了SBS改性沥青的结构黏度，但随着剪切时间的增加，流体中沥青相与SBS相在界面力、氢键等相互作用下，产生局部扰动，造成物理交联结构不稳定的部分被破坏，又会导致黏度下降[12].

图2是转速为20 r/min时SBS改性沥青在不同温度下黏度值随时间的测试结果.

图2 不同温度SBS改性沥青黏度-时间曲线Fig.2 Relationship between viscosity and time under different temperatures

由图可以看出，随着时间的增加，除180 ℃时黏度，其他温度下的黏度值都有明显下降趋势；且温度越高，黏度达到稳定阶段所需的时间越短.这是因为，温度越高，对SBS改性沥青的假塑性的破坏也越快.120 ℃黏度在1 200 s时仍未趋于稳定，仍然呈明显的下降趋势；135 ℃黏度约在700 s时趋于稳定，150 ℃黏度约在600 s时趋于稳定，165 ℃黏度约在400 s时趋于稳定，而180 ℃黏度随时间变化曲线近乎于一条直线，表明此时的SBS改性沥青已经趋于牛顿流体，剪切时间的长短，对黏度没有影响.

图3列出了135 ℃时SBS改性沥青在不同转速时黏度随时间的变化曲线.

图3 不同转速SBS改性沥青黏度-时间曲线Fig.3 Relationship between viscosity and time under different shear rates

从图中可以看出，随着时间增加，不同转速时SBS改性沥青的黏度值都呈下降趋势；转速越高，黏度越小，黏度值达到稳定阶段的时间越短.转速为5 r/min时黏度最高，趋于稳定的时间最长，大约需800 s；而转速100 r/min时黏度稳定时间约为600 s.这表明，SBS改性沥青交联结构对转速敏感，转速越高，剪切力越大，胶体结构中不稳定部分破坏越快，则黏度重新趋于稳定的时间越短.

由此可见，黏度值的稳定时间与温度和转速有关.SBS改性沥青是由沥青相和SBS相组成，其分子量以及组成成分都有很大的差别，SBS改性沥青的内部结构非常复杂，与基质沥青的结构有很大的差异，SBS具有不同于基质沥青的空间结构，这种结构随着时间、温度、速率趋于稳定，温度越高、速度越大，趋于稳定的时间越短，且初始黏度与稳定黏度之间的差值越小.稳定后SBS改性沥青的黏度远高于基质沥青的黏度，这表明SBS的加入提高了沥青总分子量，增加了分子间的相互吸引力，流层相对运动时内摩擦阻力也随之增加，从而使黏度值升高.

2.2 温度对SBS改性沥青黏度试验结果的影响

对于一般流体，随着温度升高，分子热运动加剧，流体内部分子间的相对摩擦阻力减小，流动性增强，黏度降低，沥青材料也具有相似的变化规律[13]. 图4和图5分别为基质沥青与SBS改性沥青在不同转速下的黏温曲线.

图4 基质沥青黏度-温度曲线Fig.4 Relationship between viscosity and temperature of base asphalt under different shear rates

图5 SBS改性沥青黏度-温度曲线Fig.5 Relationship between viscosity and temperature of SBS modified asphalt under different shear rates

由图4、图5可以看出，基质沥青在120 ℃以上是牛顿流体，黏度只与温度有关，与剪切速率无关，且随着温度的变化，黏度值变化范围减小.SBS改性沥青的黏度随温度改变会发生显著变化，随着温度的升高，黏度值明显下降，SBS改性沥青的黏度值的下降幅度较基质沥青黏度值的下降幅度大得多.这表明，加入SBS改变了基质沥青胶体结构，能够大幅提升SBS改性沥青的低温区域黏度；但随着温度升高，SBS改性沥青的结构发生变化，沥青的流变性能也随之改变，非牛顿流体特性逐渐减弱， SBS改性沥青趋近于牛顿流体，其黏度值与基质沥青的黏度值越来越接近.

对于SBS改性沥青，120 ℃黏度值与135 ℃黏度值相差最大，135 ℃的黏度值与150 ℃的黏度值相差次之， 165 ℃黏度值与180 ℃黏度值相差不大.这表明，温度越低，SBS改性沥青的结构性越明显，相对运动时引起的滞留能力越高；随着温度升高，SBS改性沥青的黏度趋近于基质沥青的黏度，这对于工程实践具有重要意义，低温较高的黏度可以保证路面使用时的高温性能，而高温较低的黏度有助于施工的顺利进行.

2.3 转速对SBS改性沥青黏度试验结果的影响

对于高分子材料，当某个分子链段置于速度梯度流场时，由于分子链两端剪切速率不同，会使分子链两端产生相对移动，导致分子发生伸直和取向；剪切速率越大，分子取向就会越明显，这种取向作用会在一定程度上影响黏度的大小.

不同温度时的基质沥青与SBS改性沥青的黏度-速度曲线如图6和图7所示.

由图可以看出，温度不同时，转速对基质沥青几乎没有影响.这是因为，当温度高于120 ℃时，基质沥青近似为牛顿流体，不受剪切速率的影响.对于SBS改性沥青，不同温度时，剪切速率的影响不同；低温(120 ℃、135 ℃)时，随着转速的增加，黏度降低，温度越低，降低幅度越大；当温度高于150 ℃时，转速对黏度的影响减弱，165 ℃和180 ℃时，转速对黏度几乎没有影响，此时SBS改性沥青也已接近于牛顿流体.这是因为，温度较低时，SBS改性沥青是典型的非牛顿流体，SBS改性沥青具有基质沥青所不具有的结构[14].这种结构是由分散在沥青中的SBS改性剂微粒之间的相互作用力所形成，微粒之间的性质和结构与微粒的性质和结构不一样，微粒会在外力的作用下发生变形取向，在SBS改性沥青结构内，因此形成层流.转速反映了剪切应力，随着转速的增加，外力作用下发生变形取向的程度增加，宏观表现为黏度值的下降.同时，微粒之间的作用力也会随着转速的增加而破坏，也会导致黏度值的下降.

图6 不同温度时基质沥青黏度-速度曲线Fig.6 Relationship between viscosity and shear rate of base asphalt under different temperatures

图7 不同温度时SBS改性沥青黏度-转速曲线Fig.7 Relationship between viscosity and shear rate of SBS modified asphalt under different temperatures

在黏度测试过程中，靠近转子的区域，转速较快；而靠近管壁的区域，转速较慢，从而使 SBS改性沥青处于具有速度梯度的流场中.SBS属于高分子材料，转速越高，剪切速率越大，流场中速度梯度越大，SBS分子发生应力取向的作用越明显.当转速较低时，由于分子的布朗运动影响，取向不明显.当转速超出一定值后，布朗运动的影响可以忽略，分子进一步取向，随着转速的继续升高，取向稳定，黏度值也逐渐稳定，因此，转速超过20 r/min后，黏度值趋于稳定.

3 结论

(1)SBS改性沥青黏度值的稳定时间与温度和转速有关，温度越高、速率越大，趋于稳定的时间越短，且初始黏度与稳定黏度之间的差值越小.

(2)温度低于135 ℃时，不同转速下测得的SBS改性沥青黏度差异较大；继续升高温度到135 ℃，由于分子热运动效应，部分不稳定交联结构逐渐解离，SBS对沥青相滞阻效应逐渐减弱，表现为不同转速下测得的黏度差异逐渐减小；当温度达到150 ℃后，SBS改性沥青黏度与剪切速率无关.

(3)温度较低时(120 ℃)，SBS改性沥青黏度在低转速区(<20 r/min)对转速变化较敏感，转速越高，SBS交联结构破坏越厉害，黏度降低越多；当转速超过20 r/min后，分子的布朗运动可以忽略，取向作用增强，继续提高转速，则分子取向逐步趋向稳定，黏度值也逐渐趋于稳定.

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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

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2013G1211007)

徐鸥明(1979-),男, 安徽巢湖人，长安大学副教授, 博士，主要从事路面结构与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