基于振动力场作用下沥青黏度影响研究

邹海军，李 超，覃 悦，孟勇军，3，4

（1.中交路桥华南工程有限公司，广东 中山528403；2.广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁530004；3.工程防灾与结构安全教育部重点实验室，广西 南宁530004；4.广西防灾减灾与工程安全重点实验室，广西 南宁530004）

0 引言

传统的沥青混合料搅拌过程通常采用高温环境降低沥青的黏度，达到沥青对矿料的裹附效果，但这种方式能耗大且易导致沥青老化，既浪费能源也影响沥青混合料的耐久性。振动力场是振动作用产生的一种力场，一方面振动力场能够降低工业聚合物黏度的机理已经有较为全面的研究[1-4]，另一方面在普通拌和中加入振动力场作用的振动搅拌技术，近些年在水泥稳定碎石上获得了良好的工程应用[5-7]，这使得将振动力场引入沥青混合料拌和过程成为了可能。

目前国内研究者大部分是从提高石油采收率角度研究振动力场对沥青原油黏度的影响[8，9]，从拌和工艺角度对振动力场作用下SBS 改性沥青黏度变化规律的研究尚不多见。鉴于此，本文通过改变振动频率和振动幅值，探究沥青胶结料黏度的变化规律，运用动力学知识分析振动参数对沥青黏度性能影响的微观作用机理，可为振动拌和工艺引入沥青混合料领域提供理论支撑。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

本文采用的沥青为SBS 改性沥青，其技术指标见表1。

表1 SBS 改性沥青技术指标

1.2 试验方法

本试验测定振动及非振动条件下SBS 改性沥青180℃旋转黏度，在振动条件下黏度测试步骤如下：

（1）将布式黏度计容器部分与北京波谱世纪科技发展有限公司生产的WS-Z30 小型精密振动台固定，同时黏度计显示部分架空，不与振动台接触，见图1；

（2）备好沥青试样并选择转子，将试样和转子放入烘箱，在180℃下加热1.5 h；

（3）将沥青试样放入黏度计容器内，通过振动台配套的Vib’CTR 软件控制试验需要的频率和幅值，开启振动开关，对沥青试样施加振动作用20 min后，参照试验规程测量沥青黏度。

图1 黏度测试装置

2 基于振动参数SBS 改性沥青黏度影响研究

2.1 振动幅值对SBS 改性沥青黏度的影响

由于SBS 改性沥青黏度较高，为获的较好流动性，试验温度选取180℃，测得沥青原始黏度值为425 MPa·s，基于探索的目的，本试验的振动频率选取范围及间距都较大，频率范围10 ～60 Hz，间距10 Hz，振动幅值由软件反算得出，试验数据结果见图2～图7。

图2 10Hz 振动频率的沥青降黏率

图3 20Hz 振动频率的沥青降黏率

图4 30Hz 振动频率的沥青降黏率

图5 40Hz 振动频率的沥青降黏率

图6 50Hz 振动频率的沥青降黏率

图7 60Hz 振动频率的沥青降黏率

分析图2～图5，当振动频率固定在10 ～40 Hz时，随着振幅的增大，沥青降黏率不断增大，说明振动力场能够降低SBS 改性沥青的黏度，振幅越大，沥青黏度降低程度越高。分析认为由于SBS 改性沥青属于高分子聚合物，大分子之间由各种分子链连接，产生相互约束力，同时分子链之间又相互作用，导致沥青分子处于纠缠状态，约束了分子的流动。引入振动力场后，振动力场提供的振动剪切力导致原本由分子链连接的分子的间距增大，分子间的引力减弱，同时分子链被拉长，纠缠状态有所改善，分子间约束力由此减小，流动性提高。根据动力学知识，振动加速度与振动幅值成正比，当频率不变幅值增大时，振动加速度增大，产生的剪切力提高，同时剪切力的作用距离更长，分子间引力变弱，分子链解缠更佳，沥青黏度越低。

此外，当振动频率固定值不同时，随着振幅的增加，降黏效果也不同。当振动频率固定值为20 Hz时，降黏率最高，接近20%，这可能与沥青的固有频率有关，当振动频率接近沥青固有频率时，沥青分子及分子链产生共振现象，提高了沥青的流动性及解缠效果。

分析图6 和图7 发现，当振动频率较高时（大于等于50 Hz），降黏率曲线随振幅变化呈现非规律性，甚至出现了黏度比原始值更大的现象。分析发现当振动频率较高时，WS-Z30 小型精密振动台所能产生的振动幅值基本在0.5 mm 以下，振动力场产生的剪切力较小，剪切力的作用距离也较短，沥青分子间约束力减小效果不明显，同时可能导致分子链纠缠更加复杂，沥青黏度因此变得更复杂。

2.2 振动频率对SBS 改性沥青黏度的影响

由2.1 节发现振动频率较高时，沥青黏度变化不大且较为复杂，故本试验振动频率选取10～35 Hz，温度控制180℃，振动幅值选取1 mm、1.5 mm 和2.0 mm。

分析图8 发现，当振动幅值分别固定为1.0 mm、1.5 mm 和2.0 mm 时，随着振动频率的不断提高，SBS 改性沥青降黏率都呈现上升的趋势，这说明沥青的黏度与振动频率密切相关，频率越高，沥青黏度下降越明显。由动力学理论可知，当幅值不变频率增加时，振动加速度提高，产生的振动剪切力变大，导致沥青分子间距增大，分子链有的被拉长，有的可能被拉断，同时剪切力方向变化更频繁，沥青分子及分子链运动更剧烈，宏观上表现为沥青流动性提升，黏度降低。

由图8 还发现，随着振动幅值的递增，振动频率对沥青黏度的影响越大，当振动幅值为1.0 mm、1.5 mm 和2.0 mm 时，沥青降黏率波动范围分别为3%、4%和7%，随着振幅的提高，降黏率波动范围还有继续上升的趋势。此外，振动振幅较小时，提高振动频率对沥青黏度的影响程度较小，在1.0 mm和1.5 mm 振动幅值下，当振动频率由10 Hz 上升到35 Hz 时，降黏率都低于5%，而在2.0 mm 振动幅值下，当振动频率为10 Hz 时，降黏率就轻松超过5%，振动频率上升到30 Hz 时，降黏率甚至接近12%，是其他振动幅值下的两倍以上。这说明只有当振动幅值达到一定值，振动频率对沥青黏度的影响才更加明显，同时也说明降黏效应与振动频率和振动幅值两者密切相关。

此外，不同振动幅值下，沥青降黏率上升最快点对应的振动频率有所差别。当振动幅值为1.0 mm、1.5 mm 和2.0 mm 时，降黏率上升最快点对应的振动频率为分别为20 Hz、30 Hz 和25 Hz，因此考虑到降黏效果和仪器的利用效率时，应当选择合适的振动频率和振动幅值组合。

图8 不同振动幅值的沥青降黏率

3 结论

本文主要基于不同振动条件下，对SBS 改性沥青的黏度进行了探索研究，并基于试验结果从动力学角度分析了振动力场对沥青黏度影响的微观作用机理，并得出以下主要结论：

（1）振动力场能够降低SBS 改性沥青的黏度。

（2）沥青降黏率与振动幅值密切相关。当频率较低时（小于等于40 Hz），随着幅值增大，降黏率逐渐上升；当频率继续升高，降黏率随幅值的变化呈非规律性，主要原因是振动台在较高振动频率下的输出幅值较小；在20 Hz 时，振动幅值对沥青黏度的影响最大，认为这与沥青固有频率相关。

（3）随着振动频率的升高，沥青降黏率不断增大。与振动幅值为1.0 mm 和1.5 mm 时相比，当振动幅值为2.0 mm 时，SBS 改性沥青的降黏率值及变化幅度都提高了将近2 倍，说明沥青降黏率与振动幅值和频率都相关，幅值越大，频率对沥青黏度的影响越大。

（4）从动力学角度分析认为，振动幅值与振动频率对沥青黏度的影响，主要是振动力场产生的剪切力大小、作用距离和方向发生了改变。