基于旋转平板粘度测试方法的沥青施工温度预测及粘度特性研究

摘要

目前，我国高等级公路路面越来越多的采用各类改性沥青、温拌-改性沥青作为铺筑材料，但现行的道路沥青测试规范却并未针对改性沥青给出施工温度的预测方法。而广泛使用的布氏旋转粘度测试方法(Brookfield Viscosity Test)由于无法控制测试过程中的剪切速率，其预测得到的改性沥青施工温度会显著偏高15-25℃，带来沥青老化、能耗浪费等问题；该方法也难以反映出改性沥青添加温拌剂后的粘度与施工温度变化，且整个测试操作复杂、效率低下，这与工程测试的实际需求是相矛盾的。　　在大量开展改性及温拌改性沥青施工温度预测试验的基础上，结合对国内外沥青粘度测试设备和施工温度预测方法的广泛调研，本研究认为：要实现改性沥青施工温度的准确快速预测，关键是要有可主动控制剪切速率的粘度测试设备，并在合适的剪切速率下对于改性沥青的粘温曲线进行准确测量。基于此，本研究开展了如下工作：　　(1)提出了一种全新的沥青表观粘度测试方法—旋转平板粘度测试方法(Rotational Plate Viscosity Test, RPV)，其利用应变控制的优势实现了在沥青粘度测试过程中对剪切速率的主动控制。本文系统性的介绍了旋转平板粘度测试的理论原理，设备硬件、程序实现和操作方法，并对其核心参数——剪切速率的确定过程进行了详细介绍。　　(2)利用新的旋转平板粘度测试方法和传统的布氏粘度测试方法分别对8种代表性沥青胶结料的施工温度进行预测，并指导混合料试件制作，结果表明：对基质沥青而言，新方法解决了传统方法中繁琐的转子和转速更换问题，测试效率提升至少3倍以上，试验精度提升近1倍；在SBS、SBR类改性沥青的测试过程中，新方法有效规避了传统方法测试时会出现的剪切变稀效应而导致的施工温度预测偏高问题；在3种温拌SBS改性沥青的测试中，新方法能在保证混合料质量的前提下，充分地反映出温拌剂的降温节能性能。　　(3)除了采用固定剪切速率的施工温度预测试验外，通过丰富测试过程中的剪切速率控制模式，旋转平板粘度测试方法还拓展出了3项与沥青粘度、温度、剪切速率有关的研究性试验，包括反映沥青粘度对温度和剪切速率双重依赖性的粘度-温度-剪切速率综合扫描试验，反映沥青在低剪切速率下触变现象的稳态剪切试验以及表征触变性大小的滞后环试验。这些试验有助于完整展现沥青的粘流性能，也为得到一些常见的沥青性能评价指标，如零剪切粘度η0、无限剪切粘度η∞等提供快速便捷的测试方法。　　(4)利用旋转平板粘度测试方法的拓展试验对70#和SBS改性沥青展开测试，全面展现了两种沥青粘度对温度和剪切速率的双重依赖性，确立了“剪切速率路径”的概念，并对其中的“剪切变稀现象”和“触变现象”展开了深入分析，揭示了传统方法预测施工温度偏高的本质原因，并尝试建立了反映SBS改性沥青粘度的温度-剪切速率二元回归模型，为今后能更加精确地预测沥青施工温度和研究改性沥青的流变性质提供了基础。　　旋转平板粘度测试方法基于目前正在广泛推广使用动态剪切率流变仪及25mm圆形平板夹具进行试验，具备较强的工程推广潜力，其灵活的拓展性能也为深入研究沥青粘度-温度-剪切速率特性提供了一条新的实现途径。

目录

声明

文中出现的物理量注释

文中出现的主要英文缩写

第1章绪论

1.1 研究背景

1.2 研究意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 粘度测试方法的研究现状

1.3.2 沥青施工温度预测理论的研究现状

1.3.3 改性沥青粘度-温度-剪切速率特性的研究现状

1.3.4 综述分析

1.4 主要研究内容

1.5 论文技术路线

第2章旋转平板粘度测试方法的研究

2.1 测试所用的设备

2.2 旋转平板粘度测试核心公式的推导

2.3 旋转平板粘度测试核心参数——剪切速率的选定

2.4 旋转平板粘度测试操作流程

2.5 本章小结

第3章试验方案与试验材料

3.1 试验方案

3.2 试验材料

3.2.1 温拌剂

3.2.2 沥青

3.2.3 矿料

3.3 标准试验

3.4 本章小结

第4章基于旋转平板粘度测试方法的施工温度预测研究

4.1 对于 70#、110#基质沥青的测试结果

4.1.1 70#、110#基质沥青的粘温曲线

4.1.2 70#、110#基质沥青的施工温度

4.2 对于 SBS、SBR改性沥青的测试结果

4.2.1 SBS、SBR改性沥青的粘温曲线

4.2.2 SBS、SBR改性沥青的施工温度

4.3 对于温拌-SBS改性沥青的测试结果

4.3.1 温拌-SBS改性沥青的粘温曲线

4.3.2 温拌-SBS改性沥青的施工温度变化

4.4 通过空隙率检验施工温度预测结果

4.5 旋转平板粘度方法的测试效率

4.6 本章小结

第5章基于旋转平板粘度测试方法的沥青“粘-温-剪” 特性的研究

5.1 粘度关于温度、剪切速率的综合扫描测试

5.1.1 70#基质沥青的粘度综合扫描测试

5.1.2 SBS改性沥青的粘度综合扫描测试

5.2 剪切路径对于沥青施工温度预测值影响的研究

5.2.1 剪切路径对 70#基质沥青施工温度预测值的影响

5.2.2 剪切路径对于 SBS改性沥青施工温度预测值的影响

5.3 沥青触变效应的研究

5.3.1 稳态剪切试验

5.3.2 滞后环试验

5.4 沥青剪切变稀特性的研究

5.4.1 70#基质沥青的剪切变稀现象

5.4.2 SBS改性沥青的剪切变稀现象

5.5 SBS改性沥青粘度-温度-剪切速率综合回归模型的建立

5.5.1 回归模型的建立

5.5.2 回归模型的验证

5.6 本章小结

结论与展望

结论

展望

致谢

参考文献

附录1 旋转平板粘度法固定剪切速率下的粘温曲线测试程序操作步代码

附录2 旋转平板粘度法粘度-温度-剪切速率综合扫描程序操作步代码

附录3 旋转平板粘度法稳态扫描测试程序操作步代码

附录4 旋转平板粘度法滞后环测试程序操作步代码

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果