一种基于流变学试验的橡胶沥青黏度敏感性与储存稳定性评价方法

摘要

本发明公开了一种基于流变学试验的橡胶沥青黏度敏感性与储存稳定性评价方法，包括以下步骤：(1)通过不同频率下对试验样品进行动态剪切流变温度扫描试验和频率扫描试验，得到流变性能指标复数黏度η

说明书

技术领域

本发明涉及橡胶沥青技术领域，尤其涉及一种基于流变学试验的橡胶沥青黏度敏感性与储存稳定性评价方法。

背景技术

活化胶粉与基质沥青相容性的好坏直接影响橡胶沥青的储存稳定性和施工和易性。传统橡胶沥青在高温储存和转运过程中，胶粉和基质沥青的离析属于相分离过程。当前研究储存稳定性方法有离析试验和英冠显微镜观测手段，此分析方法仅为宏观相分离表征，实验过程费时费工，难以追踪相分离的动态过程。改性剂和橡胶沥青在相对分子量、微观结构、宏观黏度上均存在较大差别，导致聚合物改性剂和基质沥青在热力学上存在不相容现象，而聚合物改性剂和橡胶沥青的相容性对产业化生产及工程影响影响重大。现有的研究手段对聚合物与橡胶沥青相容性的研究检测不敏感，导致相容性研究处于困难。建立判定橡胶沥青多相体系相容性的流变学方法，利用该方法研究其施工和易性和储存稳定性对推动橡胶沥青的产业化升级和深入研究具有重大作用。

王涛博士采用荧光显微镜手段和存储稳定性实验考察了PE-SBS、PP-SBS、PE-SBS和PP-SBR橡塑复合改性沥青的存储稳定性，得到制备存储稳定的改性沥青的最低橡塑比例。

于新采用针入度指数PI、针入度黏度指数PVN、黏温指数VTS、复数模量指数GTS法对基质沥青、SBS改性沥青及橡胶沥青的温度敏感性进行评价，得出基于存储模量及损耗模量温度敏感性的复数指数CNI法评价橡胶沥青的温度敏感性更为实用。

季节采用针入度指数PI、针入度黏度指数PVN、黏温指数VTS、复数模量指数GTS和蠕变劲度指数STS等指标综合评价THFS改性沥青的感温特性。

杨永强利用机械力-化学法制备的活化胶粉研究短期老化对活化胶粉/SBS复合改性沥青性能影响，得出其复合改性橡胶沥青的低温抗裂性、黏韧性和储存稳定性相关性能均超越普通橡胶沥青。

梁明博士采用DSR动态剪切流变仪、BBR弯曲梁流变仪结合FM荧光显微镜、相场理论等研究聚合物改性沥青多相体系的黏弹性、相态、相容性和储存稳定性，提出采用流变曲线研究改性沥青相容性的适用性。

由此可知，研究者大多采用常规指标研究橡胶沥青等材料的温度敏感性，而对橡胶沥青施工和易性至关重要的指标黏度敏感性很少涉及，而施工黏度是橡胶沥青储存稳定和施工和易性的直观表征。传统研究缺乏定量化研究橡胶沥青黏度敏感性特性，未系统采用流变学手段对橡胶沥青相容特性、储存稳定性等进行研究，因此有必要建立相容性与橡胶沥青黏弹响应之间的关系一种评价手段和方法。

本发明研究聚合物橡胶改性沥青的流变特性，阐明橡胶沥青流变学测试方法的实用性，建立评估橡胶沥青多相体系相容性的流变学分析方法，通过提出CVI黏度敏感性复数指数指标体系判断橡胶沥青相容性的效率和灵敏度，阐明不同基质沥青/活化胶粉多相体系存储稳定性对应的黏弹性响应，为橡胶沥青基质沥青配伍性的选择、适宜粉胶比的确定及生产提供科学依据。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是利用流变学理论提供一种基于流变学试验的橡胶沥青黏度敏感性与储存稳定性评价方法。选取基质沥青、改性沥青、复合改性橡胶沥青及橡胶沥青胶浆体系等的黏度敏感性和Cole-Cole曲线图进行研究，根据动态剪切流变仪试验(DSR)得到不同加载条件下(如：温度-频率谱)基质沥青、改性沥青、复合改性橡胶沥青及橡胶沥青胶浆体系的黏度敏感性复数指数CVI及Cole-Cole抛物曲线对称特性，对橡胶沥青进行施工和易性、相容特性和储存稳定性进行综合评价，并提供理论指导。

本发明采取以下技术方案实现上述目的：

一种基于流变学试验的橡胶沥青黏度敏感性与储存稳定性评价方法，包括以下步骤：

步骤S1，制备沥青胶结料试验样品并将所述沥青胶结料试验样品加热至融化状态，然后浇制橡胶沥青试样；

步骤S2，在定值应力-应变水平下，固定频率，对浇制的所述橡胶沥青试样进行温度扫描流变试验，获得流变性能测试数据复数黏度η

步骤S3，将得到的流变性能测试数据实部黏度η'和温度T取双对数，绘制lgT～lgη'双对数线性回归图；

步骤S4，将得到的流变性能测试数据虚部黏度η”和温度T取双对数，绘制lgT～lgη”双对数线性回归图；

步骤S5，将得到的流变性能测试数据复数黏度η

步骤S6，取步骤S3和步骤S4中回归线斜率的绝对值分别作为实部黏度敏感性指数和虚部黏度敏感性指数，根据公式计算得到沥青胶结料黏度敏感性复数指数；

步骤S7，在定值应力-应变水平下，固定温度，对浇制的所述橡胶沥青试样进行频率扫描流变试验，获得流变性能测试数据复数黏度η

步骤S8，将步骤S7得到的流变性能测试数据复数黏度η

步骤S9，观察步骤S8得到的η

优选地，步骤S1中，所述沥青胶结料试验样品包括基质沥青、改性沥青、复合改性橡胶沥青及橡胶沥青胶浆体系。

优选地，步骤S1中，所述沥青胶结料试验样品加热的温度不超过160℃；所述橡胶沥青试样为扁平圆形试样，浇制所述扁平圆形试样前，将待测的沥青胶结料试验样品搅拌均匀，并将气泡赶出。

优选地，步骤S2中，复数黏度η

式中，E'为动弹性模量或贮存弹性模量；E”为损失模量或动摩擦；ω为加载角频率，i为自变量。

优选地，步骤S2中，所述温度扫描流变试验使用动态剪切流变仪(Dynamic shearrheometer，DSR)对所述橡胶沥青试样进行分析，采用应变控制模式，进行温度扫描试验。

优选地，步骤S6中，所述沥青胶结料黏度敏感性复数指数计算公式如下：

CVI＝V'TS+V”TS·i

式中：CVI—沥青胶结料黏度敏感性复数指数(Complex Viscosity Index)；V'TS—实部黏度温度敏感性指数，为实部黏度对数与温度(绝对温度)对数线性回归斜率绝对值；V”TS—虚部黏度温度敏感性指数，为虚部黏度对数与温度(绝对温度)对数线性回归斜率绝对值；i为自变量。

优选地，步骤S7中，所述频率扫描流变试验使用动态剪切流变仪(Dynamic shearrheometer，DSR)对所述橡胶沥青试样进行分析，采用应变控制模式，进行频率扫描试验。

本发明是一种基于流变学试验的橡胶沥青黏度敏感性与储存稳定性评价方法，即通过动态剪切流变温度扫描试验下的橡胶沥青黏度敏感性复数指数CVI给出评价橡胶沥青黏度在温度条件下的敏感特性，间接给出橡胶沥青施工和易性的预测公式模型；并通过相同温度条件下的动态剪切流变频率扫描试验下橡胶沥青胶结料体系的Cole-Cole变化曲线图，以η

本发明的有益效果是：

本发明的基于流变学试验的橡胶沥青黏度敏感性与储存稳定性评价方法，前期准备工作简单，测试时间短，物理力学理论明确，数据处理较为简单，再现性好，结合CVI黏度敏感性复数指数和Cole-Cole曲线图理论对橡胶沥青及其胶浆体系进行施工和易性定量评价与储存稳定性定性判断，探索一种橡胶沥青改性工厂化和工程施工和易性综合评价方法，以促进橡胶沥青大面积推广应用。

附图说明

图1为本发明提供的基于流变学试验的橡胶沥青黏度敏感性与储存稳定性评价方法的流程图；

图2为实施例1中两组试验样品温度扫描下实部黏度η'对数与温度T对数线性回归图；

图3为实施例1中两组试验样品温度扫描下虚部黏度η”对数与温度T对数线性回归图；

图4为实施例1中两组试验样品温度扫描下复数黏度η*对数与温度T对数线性回归图；

图5为实施例1中两组试验样品频率扫描下的Cole-Cole曲线图；

图6为实施例2中六组试验样品温度扫描下实部黏度η'对数与温度T对数线性回归图；

图7为实施例2中六组试验样品温度扫描下虚部黏度η”对数与温度T对数线性回归图；

图8为实施例2中六组试验样品温度扫描下复数黏度η*对数与温度T对数线性回归图；

图9为实施例2中六组试验样品频率扫描下的Cole-Cole曲线图；

图10为实施例3中四组试验样品温度扫描下实部黏度η'对数与温度T对数线性回归图；

图11为实施例3中四组试验样品温度扫描下虚部黏度η”对数与温度T对数线性回归图；

图12为实施例3中四组试验样品温度扫描下复数黏度η*对数与温度T对数线性回归图；

图13为实施例3中四组试验样品频率扫描下的Cole-Cole曲线图。

具体实施方式

下面结合附图1-13和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

请同时参见图1～图5，本实施例提供一种基于流变学试验的橡胶沥青黏度敏感性与储存稳定性评价方法，包括以下步骤：

步骤S1，制备沥青胶结料试验样品，在本实施例中，所选沥青样品是样品I(泰普克基质沥青)和样品II(泰普克基质沥青+5％岩沥青)。分别将样品I和样品II加热至融化状态，加热的温度不宜超过160℃，以防止沥青老化，然后分别浇制得到样品I橡胶沥青试样和样品II橡胶沥青试样，样品I橡胶沥青试样和样品II橡胶沥青试样均为25mm扁平圆形试样，浇制25mm扁平圆形试样前，将待测的沥青胶结料试验样品充分搅拌均匀，并将气泡赶出。其中，泰普克基质沥青的25℃针入度为69.0dmm，软化点为49.3℃，蜡质量分数为1.064％。

步骤S2，在定值应力-应变水平下，固定频率，分别对浇制的样品I橡胶沥青试样和样品II橡胶沥青试样进行温度扫描流变试验，获得流变性能测试数据复数黏度η

式中，E'为动弹性模量或贮存弹性模量；E”为损失模量或动摩擦；ω为加载角频率ω＝2πf，i为自变量。实部黏度η'又称动黏度。

步骤S3，将得到的流变性能测试数据实部黏度η'和温度T取双对数，绘制lgT～lgη'双对数线性回归图，如图2；表1为本实施例两组试验样品在温度扫描条件下的沥青胶结料实部黏度对数与温度(绝对温度)对数线性回归模型：

表1

步骤S4，将得到的流变性能测试数据虚部黏度η”和温度T取双对数，绘制lgT～lgη”双对数线性回归图，如图3；表2为本实施例两组试验样品在温度扫描条件下的沥青胶结料虚部黏度对数与温度(绝对温度)对数线性回归模型：

表2

步骤S5，将得到的流变性能测试数据复数黏度η

步骤S6，取步骤S3和步骤S4中回归线斜率的绝对值分别作为实部黏度敏感性指数和虚部黏度敏感性指数，根据公式计算得到沥青胶结料黏度敏感性复数指数；沥青胶结料黏度敏感性复数指数计算公式如下：

CVI＝V'TS+V”TS·i

式中：CVI—沥青胶结料黏度敏感性复数指数(Complex Viscosity Index)；V'TS—实部黏度温度敏感性指数，为实部黏度对数与温度(绝对温度)对数线性回归斜率绝对值；V”TS—虚部黏度温度敏感性指数，为虚部黏度对数与温度(绝对温度)对数线性回归斜率绝对值；i为自变量。表3为本实施例两组试验样品的温度扫描条件下的沥青胶结料的黏度敏感性复数指数：

表3

实践证明:《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)规定的沥青路面施工温度由粘温曲线确定，但粘温曲线对改性沥青不适用。按照粘温曲线采用相同的等粘温度确定改性沥青的施工温度较实际温度高。由表3可知：相对于泰普克基质沥青样品，岩沥青改性剂的加入使得沥青胶结料的V'TS和V”TS均有明显下降，说明岩沥青改性剂能改善基质沥青胶结料黏度敏感性。沥青胶结料黏度敏感性复数指数CVI不仅可以对沥青胶结料黏度敏感性进行整体表征，同时还对胶结料实部黏度η'和虚部黏度η”的温度敏感特性分别进行量化表征。可见，CVI法可有效反映沥青胶结料粘弹性力学特性，可在宽温度域内评价沥青胶结料的黏度敏感性，且其粘性与弹性力学组成随着温度的变化而变化，该评价指标可直接反映出沥青胶结料施工和易性，可作为量化改性沥青施工和易性的评价指标供工程应用参考使用。

步骤S7，在定值应力-应变水平下，固定温度，分别对浇制的样品I橡胶沥青试样和样品II橡胶沥青试样进行频率扫描流变试验，获得流变性能测试数据复数黏度η

步骤S8，将步骤S7得到的流变性能测试数据复数黏度η

步骤S9，观察步骤S8得到的η

具体地，图5为频率扫描流变试验下的样品I和样品II的Cole-Cole曲线图。Cole-Cole曲线图可直观观测沥青的相容特性，聚合物与沥青相容性较好可形成顺滑连贯对称曲线。Cole-Cole曲线图中η

实施例2

请同时参见图1、图6～图9，本实施例提供一种基于流变学试验的橡胶沥青黏度敏感性与储存稳定性评价方法，包括以下步骤：

步骤S1，制备沥青胶结料试验样品，为有效分析不同加工工艺和不同基质沥青种类对橡胶沥青储存稳定性的影响，本案例选取埃索、壳牌和泰普克三种不同厂家生产的基质沥青，并采用搅拌和剪切两种常见加工工艺制备橡胶沥青试验样品，试验加工样品具体为：样品I(埃索牌基质沥青+搅拌工艺+20％掺量活化胶粉)；样品II(埃索牌基质沥青+剪切工艺+20％掺量活化胶粉)；样品III(壳牌基质沥青+搅拌工艺+20％掺量活化胶粉)；样品IV(壳牌基质沥青+剪切工艺+20％掺量活化胶粉)；样品V(泰普克基质沥青+搅拌工艺+20％掺量活化胶粉)；样品VI(泰普克基质沥青+搅拌工艺+20％掺量活化胶粉+10％PP改性剂)。室内将上述六种沥青胶结料试验样品均放入160℃烘箱中加热1个小时，待所制备的橡胶沥青试验样品完全融化之后，分别用玻璃棒将其充分搅拌，赶走沥青中的气泡，然后分别浇制橡胶沥青试样。在本实施例中，橡胶沥青试样均为25mm扁平圆形试样。

步骤S2，在定值应力-应变水平下，固定频率，分别对上述六组试验样品进行温度扫描流变试验，获得流变性能测试数据复数黏度η

式中，E'为动弹性模量或贮存弹性模量；E”为损失模量或动摩擦；ω为加载角频率ω＝2πf，i为自变量。实部黏度η'又称动黏度

步骤S3，将得到的流变性能测试数据实部黏度η'和温度T取双对数，绘制lgT～lgη'双对数线性回归图，如图6；表4为本实施例中六组试验样品在温度扫描条件下的橡胶沥青胶结料实部黏度对数与温度(绝对温度)对数线性回归模型：

表4

步骤S4，将得到的流变性能测试数据虚部黏度η”和温度T取双对数，绘制lgT～lgη”双对数线性回归图，如图7；表5为本实施例中六组试验样品在温度扫描条件下的沥青胶结料虚部黏度对数与温度(绝对温度)对数线性回归模型：

表5

步骤S5，将得到的流变性能测试数据复数黏度η

步骤S6，取步骤S3和步骤S4中回归线斜率的绝对值分别作为实部黏度敏感性指数和虚部黏度敏感性指数，根据公式计算得到沥青胶结料黏度敏感性复数指数；沥青胶结料黏度敏感性复数指数计算公式如下：

CVI＝V'TS+V”TS·i

式中：CVI—沥青胶结料黏度敏感性复数指数(Complex Viscosity Index)；V'TS—实部黏度温度敏感性指数，为实部黏度对数与温度(绝对温度)对数线性回归斜率绝对值；V”TS—虚部黏度温度敏感性指数，为虚部黏度对数与温度(绝对温度)对数线性回归斜率绝对值；i为自变量。表6为本实施例中六组试验样品在温度扫描条件下的沥青胶结料的黏度敏感性复数指数：

表6

由表6可知：对于样品I、样品II、样品III和样品IV相同基质沥青条件不同加工工艺(搅拌和剪切)条件下制备橡胶沥青，剪切加工工艺使得橡胶沥青胶结料的V'TS和V”TS均有明显升高，说明剪切加工工艺能改善基质沥青胶结料黏度敏感性。对于样品V和样品VI，在相同基质沥青和搅拌加工工艺制备条件下，改性剂PP的加入可以使得复合改性橡胶沥青胶结料的V'TS和V”TS均有明显升高，说明PP改性剂的加入对橡胶沥青胶结料的实部黏度η'和虚部黏度η”温度敏感性的改善较大。橡胶沥青胶结料黏度敏感性复数指数CVI不仅可以对沥青胶结料黏度敏感性进行整体表征，橡胶沥青胶结料黏度敏感性复数指数CVI也可对沥青胶结料实部黏度η'和虚部黏度η”的温度敏感特性分别进行量化表征。该评价指标可直接反映出橡胶沥青胶结料施工和易性，可作为量化橡胶沥青施工和易性的评价指标供工程应用参考使用。

步骤S7，在定值应力-应变水平下，固定温度，分别对上述六组试验样品进行频率扫描流变试验，获得流变性能测试数据复数黏度η

步骤S8，将步骤S7得到的流变性能测试数据复数黏度η

步骤S9，观察步骤S8得到的η

具体地，图9为频率扫描流变试验下的试验样品I～试验样品VI的Cole-Cole曲线图。Cole-Cole曲线图可直观观测沥青的相容特性，聚合物与沥青相容性较好可形成顺滑连贯对称抛物曲线。六种试验样品的Cole-Cole曲线图中η

实施例3

请同时参见图1、图10～13，本实施例提供一种基于流变学试验的橡胶沥青黏度敏感性与储存稳定性评价方法，包括以下步骤：

步骤S1，制备沥青胶结料试验样品，为进一步分析上述理论对橡胶沥青胶结料体系的适用性，本实施例选用一种活化胶粉，分别与一种矿粉制备不同胶粉比(0.6/0.8/1.0/1.2)下的橡胶沥青胶浆体系，共制备四种试验样品分别为：橡胶沥青胶浆体系I(活化胶粉、粉胶比0.6)、橡胶沥青胶浆体系II(活化胶粉、粉胶比0.8)、橡胶沥青胶浆体系III(活化胶粉、粉胶比1.0)、橡胶沥青胶浆体系IV(活化胶粉、粉胶比1.2)。室内将上述四种沥青胶结料试验样品放入160℃烘箱中加热1个小时，待沥青胶结料试验样品加热至融化状态，分别用玻璃棒将沥青充分搅拌，赶走沥青中的气泡，然后分别浇制橡胶沥青试样。在本实施例中，橡胶沥青试样均为25mm扁平圆形试样。

步骤S2，在定值应力-应变水平下，固定频率，分别对上述四组试验样品进行温度扫描流变试验，获得流变性能测试数据复数黏度η

式中，E'为动弹性模量或贮存弹性模量；E”为损失模量或动摩擦；ω为加载角频率ω＝2πf，i为自变量。实部黏度η'又称动黏度

步骤S3，将得到的流变性能测试数据实部黏度η'和温度T取双对数，绘制lgT～lgη'双对数线性回归图，如图10；表7为本实施例中四组试验样品在温度扫描条件下的橡胶沥青胶浆体系实部黏度对数与温度(绝对温度)对数线性回归模型：

表7

步骤S4，将得到的流变性能测试数据虚部黏度η”和温度T取双对数，绘制lgT～lgη”双对数线性回归图，如图11；表8为本实施例中四组试验样品在温度扫描条件下的沥青胶结料虚部黏度对数与温度(绝对温度)对数线性回归模型；

表8

步骤S5，将得到的流变性能测试数据复数黏度η

步骤S6，取步骤S3和步骤S4中回归线斜率的绝对值分别作为实部黏度敏感性指数和虚部黏度敏感性指数，根据公式计算得到沥青胶结料黏度敏感性复数指数；沥青胶结料黏度敏感性复数指数计算公式如下：

CVI＝V'TS+V”TS·i

式中：CVI—沥青胶结料黏度敏感性复数指数(ComplexViscosity Index)；V'TS—实部黏度温度敏感性指数，为实部黏度对数与温度(绝对温度)对数线性回归斜率绝对值；V”TS—虚部黏度温度敏感性指数，为虚部黏度对数与温度(绝对温度)对数线性回归斜率绝对值；i为自变量。表9为本实施例中四组试验样品在温度扫描条件下的沥青胶结料的黏度敏感性复数指数：

表9

由表9可知：对于不同胶粉比(0.6、0.8、1.0、1.2)条件下的橡胶沥青胶浆体系，随着粉胶比由0.6增大到1.2，橡胶沥青胶浆体系的V'TS和V”TS呈现先增大后减小趋势，说明粉胶比对橡胶沥青胶浆体系的黏度敏感性影响显著。综合分析当粉胶比为0.8时，橡胶沥青胶浆体系的V'TS和V”TS呈现最大值，可作为最佳粉胶比确定的方法依据之一。橡胶沥青胶浆体系的黏度敏感性复数指数CVI可对胶浆体系实部黏度η'和虚部黏度η”的温度敏感特性分别进行量化表征。该评价指标可直接反映出橡胶沥青胶结料施工和易性，可作为量化橡胶沥青施工和易性的评价指标供工程应用参考使用。

步骤S7，在定值应力-应变水平下，固定温度，分别对本实施例中四组试验样品进行频率扫描流变试验，获得流变性能测试数据复数黏度η

步骤S8，将步骤S7得到的流变性能测试数据复数黏度η

步骤S9，观察步骤S8得到的η

具体地，图13为频率扫描流变试验下的橡胶沥青胶浆体系试验样品I～橡胶沥青胶浆体系试验样品IV的Cole-Cole曲线图。四种橡胶沥青胶浆体系试验样品的Cole-Cole曲线图中η

综上所述，本发明提供的一种基于流变学试验的橡胶沥青黏度敏感性与储存稳定性评价方法，通过在不同温度和不同频率下对试验样品进行动态剪切流变试验，得到流变性能指标复数黏度η

虽然，上文中已经用具体实施方式，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。