浅析橡胶沥青粘度值确定方法及影响因素

顾帅

摘要：使用布氏粘度计对不同状态下的橡胶沥青试样表观粘度进行测定，通过分析测试时间、转速、扭矩等因素对粘度的影响，验证了转速与粘度、扭矩与粘度之间的双对数相关关系，对目前常用粘度值确定方法进行了验证和改进，可为橡胶沥青生产和制定相关规范提供参考依据。

关键词：橡胶沥青;粘度;影响因素;转速;50%扭矩

1 研究现状及存在的问题

粘度是条件性指标，不同的测试条件会影响粘度的大小，也影响到粘度结果的可比性。由于橡胶颗粒的存在，橡胶沥青粘度的测试方法和普通沥青有所不同。纵观各国现有橡胶沥青粘度测试方法，存在以下问题。

（1）测试温度不统一。AST M2196方法A规定测定175℃橡胶沥青表观粘度;佛罗里达州橡胶沥青技术标准则要求测定150℃旋转粘度; 中国则建议测定180℃旋转粘度。

（2）测试过程不明确。采用的转速大小、顺序、测试时间缺乏统一的参照标准。

（3）粘度代表值确定不统一。国外常用SC4-27号转子在20 r/ min 时的粘度作为代表粘度值，该方法准确性已受到质疑。另一种方法是采用50%扭矩粘度，该方法需要测试较多转速下的粘度，延误时间且计算较复杂。

2 测试影响因素

影响橡胶沥青粘度测试的主要因素有采用的转子、转速、扭矩以及测试时间等。根据SHRP研究的结果，测试橡胶沥青的粘度统一采用SC4-27转子。

此次试验使用NDJ-1D型加热式布氏旋转粘度计，测试橡胶沥青180℃粘度指标。测试前，将试样在180℃下保温0.5～1h。对橡胶沥青（基质沥青为SK90，胶粉为40目，掺量20%）生产过程中不同时间的取样（发育45min时取第一次样，记为0、1、2、4h后各取一次样） 和采用不同参数生产的橡胶沥青进行粘度测试，分析各因素的影响。

2.1 测试时间

转子转动的时间会影响到触变性液体的粘度。为了确定读数时间， 对试样（以2h时的取样为例）进行20、50、100r/min 3种转速下的粘度试验，结果如图1所示。

由图1可见，橡胶沥青粘度随转子转动时间的增长逐渐减小后趋于稳定。随转速的不同，粘度值减小的速率不同，稳定的时间也有区别。100r/min转速下粘度达到稳定的速率最快。

这是由于橡胶沥青受到搅动时，内部结构发生改变致使粘度减小。在结构改变的同时，存在着结构的重新形成。结构改变的速率随时间而减小，结构形成的速率则随时间而增大。当改变与形成的速率相同时，便达到了动态平衡，粘度达到最小并稳定不变。因此，读取粘度值时必须保证橡胶沥青内部结构重组已经形成，即粘度值基本稳定。

考虑到发育时间（即转数）对测试的影响，调整转速顺序，先进行大转速，后进行小转速，观察粘度稳定的规律，结果见图2。

由图2可见，100r/min转速时，粘度值先下降后逐渐稳定，其余的转速下粘度很快就达到稳定状态。说明刚开始的搅动对试样内部结构产生的影响很大。为了使粘度尽快稳定下来，测试时应先选择较大的转速，再采用较小转速，保证橡胶沥青在最短时间内达到结构的稳定。同时，为了保证试验结果的客观性，尽量减小人为因素的影响，试验中每调换一个转速时，需先将试样静置至少3min，然后方可继续下一转速的测试。

2.2 转速

橡胶沥青是非牛顿液体，转速将会直接影响到沥青表观粘度。图3为生产过程中不同取样时间下橡胶沥青粘度随转速的变化趋势。

如图3所示，橡胶沥青粘度值随转速增大而减小。当转速由20 r/min提高到50r/min，粘度值平均减小21.26%，当转速由50r/min提高到100r/min，粘度值平均减小14.09%。

表1列出了橡胶沥青粘度对数和转速对数的回归公式，其相关系数除了2h组略低一点，其余都在0.999以上，表明对数粘度和对数转速有非常好的线性相关性。

2.3 扭矩

Brookfield的扭矩反映的是测定粘度的转子所处的测量能力的范围，控制了粘度计的量程范围。根据Brookfield粘度计合理有效的测量范围一般为扭矩的10%～98%，当扭矩过大或过小时，测量值都不准确。与转速和粘度的相关关系一样，扭矩和粘度之间也存在良好的相关性。图4反映的是同一样品在同一转速下对应的扭矩与粘度的关系。

由图4可知，对同一个样品的测试中，相同的转速下，随扭矩的增大，粘度值呈增大趋势。根据回归系数R=1，可知相同测试条件下， 粘度和扭矩之间存在非常好的线性相关性。

然而，对于同一样品，不同转速对应的扭矩與粘度的关系是不同的，这也间接反映了转速与扭矩的关系。

图5为20、50、100r/min下的扭矩与粘度对应关系。此时的扭矩是粘度值稳定下来的对应的扭矩平均值。

由图5可知，随扭矩的增大，粘度值呈减小趋势。当转速从20 r/min提高到50r/min，扭矩平均增大98.47%，粘度平均减小20.72%; 当转速由50r/min提高到100r/min，扭矩平均增大73.44%，粘度平均减小13.32%。

表2列出了粘度对数和扭矩对数的回归公式，其相关系数除了2h组略低一点，其余都在0.999以上，这表明同一样品，采用不同转速测试时，每种转速下的对数粘度和对数扭矩之间也存在非常好的线性相关性。

3 代表值确定方法

AASHTO沥青粘度的测定方法建议使用SC4-27转子测试20r/min时的粘度。试验表明：当转速在20r/min时，其扭矩值比较小，一般在20%左右。当粘度值较小时，扭矩甚至超出测量范围，影响测量准确度。

另一种方法推荐采用50%扭矩粘度作为代表值，因为当扭矩取到50%中值时，粘度值是最准确的。

本人将试样在20、50、100r/min时的粘度和50%扭矩粘度进行了对比，如图6所示。

由图6可知，20、50 r/min时粘度变化规律与50%扭矩粘度值变化规律一致。20r/min粘度比50%扭矩粘度平均大28.09%，100r/min粘度比50%扭矩粘度平均小13.57%，而50r/min粘度值与50%扭矩值非常接近，折線图几乎完全重合，数值上相差0.7%。观察不同转速下的扭矩值如表3所示。

由表3可见，50r/min对应的扭矩均接近于50%，这说明在该试样粘度范围内（2～3Pa·s），可利用50r/min粘度值来代替50%扭矩粘度反映橡胶沥青的粘度状况。

为了找到不同转速粘度值与50%扭矩粘度值的相关性，进行了大量室内试验，结果如表4所示。

综合图6与表3，对比表4中各转速下粘度值与50%扭矩粘度值，发现：

（1）当粘度值≤1Pa·s时，50%扭矩粘度值与150r/min时粘度值对应良好。

（2）当1Pa·s<粘度值≤2 Pa·s 时，50%扭矩粘度值与100 r/min 时粘度值对应良好。

（3）当粘度值>2Pa·s时，50%扭矩粘度值与50r/min时粘度值对应良好。

4 结论

研究改进了现有的橡胶沥青粘度测试过程，提高了测试的效率和精度，对指导生产和制定相关技术规范有重要的现实意义和参考价值。

（1）橡胶沥青Brookfield粘度与测试时间、转速和扭矩等因素有较大的关系，建议在选用SC4-27转子的情况下：1）测试时转速宜从大到小（较大的转速可缩短粘度稳定时间），注意试验运行时显示扭矩百分数在10%～98%之间，扭矩大于98%，需调小转速;扭矩小于10%，需调大转速;待粘度稳定后，方可读取粘度值;2）粘度和转速以及扭矩都有良好的双对数线性相关性。

（2）在试验研究中，宜以双对数回归后，50%扭矩计算粘度值作为代表值。

（3）在生产现场和工程施工中，可根据预估粘度范围直接测试相应转速下粘度值，代替50%扭矩粘度值作为粘度代表值：1）当粘度值≤1Pa·s时，可直接测定150r/min时粘度值;2）当1Pa·s<粘度值≤2Pa·s时，可测定100r/min时粘度值;3）当粘度值>2 Pa·s时，可测定50r/min时粘度值。

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