瀝青材料的粘度與粘附性研究

目錄第一章緒論（1）11瀝青材料概述（1）12瀝青材料的粘性與粘附性（3）13瀝青粘度與粘附性的研究現(xiàn)狀（6）14關(guān)于本課題研究（9）第二章瀝青與集料粘附性的評(píng)價(jià)方法（10）21瀝青與集料粘附性基本理論（10）22影響瀝青與集料粘附性的因素（13）23瀝青與集料粘附性的評(píng)價(jià)方法（15）第三章試驗(yàn)材料基本分析（21）31瀝青材料試驗(yàn)分析（22）32集料性質(zhì)試驗(yàn)分析（24）33水煮法粘附性試驗(yàn)（25）第四章瀝青的粘度試驗(yàn)分析（28）41試驗(yàn)原理（28）42BROOKFIELD粘度試驗(yàn)設(shè)備與規(guī)程（32）43BROOKFIELD粘度試驗(yàn)結(jié)果（34）第五章瀝青的組分試驗(yàn)分析（39）51瀝青的組分分析概述（39）52瀝青的四組分試驗(yàn)設(shè)備與規(guī)程（44）53瀝青的化學(xué)組分試驗(yàn)結(jié)果（47）第六章試驗(yàn)結(jié)果分析（51）61瀝青的粘度與粘附性試驗(yàn)結(jié)果分析（51）62瀝青的化學(xué)組分與粘附性試驗(yàn)結(jié)果分析（56）63對(duì)瀝青粘附性的認(rèn)識(shí)（62）第七章結(jié)論與建議（65）參考文獻(xiàn)（67）致謝（69）第一章緒論11瀝青材料概述瀝青作為一種非常重要的土工材料，被廣泛應(yīng)用于道路工程和建筑防水工程中。據(jù)歷史記載，最早的瀝青路面建成于公元前600年前的巴比倫王國(guó)，但這種技術(shù)不久便失傳了。一直到19世紀(jì)，人們才又開始用瀝青來(lái)筑路。1833年，在英國(guó)開始進(jìn)行煤瀝青碎石路面鋪裝；1854年，在巴黎首次用碾壓法進(jìn)行瀝青路面鋪裝；1870年前后在倫敦、華盛頓、紐約等地采用瀝青作路面鋪裝。時(shí)至今日，瀝青路面已成為道路路面中占主要地位的路面結(jié)構(gòu)。在我國(guó)已建成的和正在興建的高速公路中幾乎全部都是瀝青混凝土路面。隨著公路建設(shè)的飛速發(fā)展，瀝青的需求量也逐年增加。以1997年我國(guó)的公路建設(shè)為例，僅新建的1400KM高速公路、3000KM一級(jí)公路和15萬(wàn)公里二級(jí)公路，估計(jì)使用了道路瀝青達(dá)250萬(wàn)噸，其中進(jìn)口瀝青達(dá)76萬(wàn)噸，加上其他新建中低級(jí)道路和鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路使用的瀝青，以及30多萬(wàn)公里已建瀝青路面的養(yǎng)護(hù)維修用瀝青，我國(guó)瀝青的年使用量已突破400萬(wàn)噸6。從世界范圍來(lái)看，全世界每年瀝青總用量為7500萬(wàn)噸，其中80用于道路工程，約6000萬(wàn)噸【9】。瀝青作為石油能源的一種重要產(chǎn)品，并非取之不盡、用之不竭的，況且，適合煉制道路瀝青的原油更加有限，因此，深入研究道路瀝青的性能對(duì)合理利用資源有重要意義。在我國(guó)，公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)近年來(lái)一直呈飛速上升趨勢(shì)。1988年10月，我國(guó)第一條高速公路滬嘉高速建成通車，到2002年底，僅僅十幾年時(shí)間，我國(guó)高速公路總里程已超過(guò)25萬(wàn)公里，公路等級(jí)不斷提高，路網(wǎng)密度不斷增大，“五縱七橫”的主骨架已經(jīng)形成，四通八達(dá)的公路網(wǎng)日趨完善。然而，由于建設(shè)速度快，技術(shù)水平低，經(jīng)驗(yàn)不成熟，我國(guó)的公路出現(xiàn)問(wèn)題的現(xiàn)象比較普遍。調(diào)查表明【4】，通車僅23年的個(gè)別高速公路的瀝青路面就出現(xiàn)大面積破壞；某高速公路通車僅9個(gè)月，瀝青路面就出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，不到一年，由于大面積破壞嚴(yán)重，不得不把原瀝青面層銑刨重新鋪面層。瀝青路面的早期破壞，如水損害、轍槽、泛油、裂縫、抗滑性下降、平整度較快變差等日益成為專業(yè)人士關(guān)注的重點(diǎn)。新建高速公路產(chǎn)生早期損壞的原因，除了設(shè)計(jì)、施工方面的原因外，材料的合理選擇是很重要的因素之一，路面的早期水損害就與瀝青的粘附性密切相關(guān)。瀝青與集料的粘附性取決于瀝青、集料各自的性質(zhì)以及它們之間相互作用的程度。粘附性的好壞直接影響著瀝青路面的使用質(zhì)量和耐久性。選擇粘附性良好的瀝青與集料成型瀝青混合料可以明顯避免瀝青路面的早期破壞現(xiàn)象。所以，深入研究瀝青與集料的粘附性對(duì)瀝青路面的使用有重大的現(xiàn)實(shí)意義。瀝青材料是由一些極其復(fù)雜的高分子碳?xì)浠衔锖瓦@些碳?xì)浠衔锏姆墙饘伲ㄑ酢⒘?、氮）的衍生物所組成的混合物。瀝青按照它在自然界中獲得方式的不同可分為許多種類，如天然瀝青、石油瀝青、煤瀝青、木瀝青、頁(yè)巖瀝青等。道路工程中常用的是石油瀝青、煤瀝青和天然湖瀝青。石油瀝青是石油經(jīng)各種煉制工藝的加工而得到的瀝青產(chǎn)品。它的組成主要是碳（8087）、氫（1015），其次是非烴元素，如氧、硫、氮等（BS,集料表面被水潤(rùn)濕的程度比瀝青潤(rùn)濕的要好，所以集料表面的瀝青容易被水剝離；當(dāng)90，集料表面的瀝青不易被水剝離。四、分子定向理論分子定向理論認(rèn)為，瀝青與集料之間的粘附性是由于瀝青中的表面活性物質(zhì)對(duì)集料表面的定向吸附而形成的。表面活性物質(zhì)的分子是由極性基和非極性基組成的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，極性基帶有偶極矩，故能表現(xiàn)出力場(chǎng)。瀝青的活性部分可能會(huì)有下列元素，如OH、COOH、NH2等，那么瀝青可視為表面活性物質(zhì)在非極性化合物中的溶液，根據(jù)所含表面活性物質(zhì)數(shù)量的不同而具有不同的活性。瀝青粘附在集料表面后，瀝青在石料表面首先發(fā)生極性分子定向排列而形成吸附層，與此同時(shí)，在極性力場(chǎng)中的非極性分子，由于得到極性的感應(yīng)而獲得額外的定向能力，從而構(gòu)成致密的表面吸附層。因此認(rèn)為，瀝青的極性是粘附的本性，是導(dǎo)致集料吸附瀝青的根本原因。由于水是極性分子且含有氫鍵，比瀝青的極性大的多，因此水分子易于從集料表面擠走被吸附的瀝青分子而與集料的表面活性中心發(fā)生吸附。以上四種理論，從不同的角度對(duì)瀝青與集料的粘附機(jī)理予于解釋，每一理論都有其獨(dú)特之處，又相互關(guān)聯(lián)。瀝青和集料都是組成和結(jié)構(gòu)都極其復(fù)雜的混合物，所以單一的某個(gè)理論并不能完全解釋清楚瀝青與集料之間的粘附過(guò)程。力學(xué)理論偏重于瀝青與集料的物理作用過(guò)程，根據(jù)這一理論可以推斷出，表面粗糙、微孔隙較多的集料容易吸附瀝青，形成穩(wěn)定的混合料結(jié)構(gòu)。但是對(duì)比石灰?guī)r與花崗巖的表面特征會(huì)發(fā)現(xiàn)石灰?guī)r表面大多致密，花崗巖表面粗糙多孔，然而對(duì)于同種瀝青石灰?guī)r與之的粘附性比花崗巖要好。由此可見，物理作用在粘附過(guò)程中并不占重要地位?；瘜W(xué)反應(yīng)理論側(cè)重于瀝青與集料界面上發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。瀝青分子與集料分子以化學(xué)鍵相結(jié)合，鍵力較強(qiáng)，不易被水分子破壞。瀝青與集料發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)多種多樣，生成物也復(fù)雜多變，難以準(zhǔn)確界定，只能進(jìn)行理論推斷及定性的描述。表面能理論是從能量的角度描述瀝青集料的粘附作用過(guò)程。它能很好的解釋水使瀝青從集料表面剝離的過(guò)程，并使這一過(guò)程定量化通過(guò)測(cè)定瀝青與集料之間的接觸角來(lái)評(píng)定粘附性能的好壞。原西安公路交通大學(xué)采用毛細(xì)管柱法測(cè)定瀝青甲苯溶液及水對(duì)集料的潤(rùn)濕角，結(jié)果見表21。集料與瀝青及水的接觸角的差值越小則粘附性能越好。分子定向理論側(cè)重于從瀝青與集料所帶的表面電荷角度解釋問(wèn)題。帶電表面有相互吸引或排斥的作用，作用力的大小要看表面電荷的多少。用電滲儀測(cè)定集料的表面電荷，可以定量評(píng)價(jià)不同集料與同種瀝青的粘附能力。表21集料與瀝青甲苯溶液及水接觸角測(cè)定結(jié)果【6】石料品種石灰?guī)r安山巖玄武巖片麻巖花崗巖礦料與瀝青甲苯溶液的接觸角（料與水的接觸角（）9786875555礦料與瀝青及水的接觸角（）434963125135綜上所述，四種理論各有所長(zhǎng)，從不同的角度提出了研究瀝青集料體系粘附性的方法。同時(shí)，這四種理論又是相互關(guān)聯(lián)的。無(wú)論力學(xué)理論、化學(xué)反應(yīng)理論，還是分子定向理論都是從瀝青分子與集料分子之間的相互作用著手的，這種固體表面和與它接觸的液態(tài)物質(zhì)分子的粘結(jié)和吸著現(xiàn)象稱為吸附。吸附作用分為物理吸附和化學(xué)吸附兩種形態(tài)。當(dāng)吸附物質(zhì)與被吸附物質(zhì)之間僅有分子力（即范德華力）作用時(shí)，產(chǎn)生物理吸附；當(dāng)接觸的界面形成化合物時(shí)，則產(chǎn)生化學(xué)吸附。在引力作用下發(fā)生物理吸附作用，會(huì)在集料表面形成瀝青的定向?qū)?，此時(shí)被吸附的瀝青不會(huì)發(fā)生任何化學(xué)變化；在化學(xué)吸附的情況下，瀝青與集料表面的礦物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)?；瘜W(xué)吸附作用僅觸及被吸附物質(zhì)的一層分子，而物理吸附實(shí)際上可能形成幾個(gè)分子厚度的吸附層。但是發(fā)生化學(xué)吸附時(shí)，瀝青與集料的粘結(jié)較為牢固。當(dāng)碳酸巖或堿性巖石與含有足夠數(shù)量酸性表面活性物質(zhì)的瀝青粘結(jié)時(shí)，會(huì)發(fā)生化學(xué)吸附過(guò)程，在瀝青與集料的接觸面上形成不溶于水的化合物，使集料表面形成的瀝青層具有較高的抗水害能力。而瀝青與酸性石料粘結(jié)時(shí)只發(fā)生物理吸附，所以易被水剝離。因此，可以說(shuō)吸附作用是瀝青與集料粘附的本質(zhì)。在對(duì)瀝青集料體系的粘附性進(jìn)行研究時(shí)，需把這些理論綜合起來(lái)應(yīng)用才能相得益彰。22影響瀝青與集料粘附性的因素影響瀝青與集料粘附性的因素可歸納為瀝青、集料等內(nèi)因及水、荷載等外因。見表22。一、集料的性質(zhì)集料是由礦物質(zhì)組成的，而每種礦物均有其獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)。對(duì)于剝落而言，關(guān)鍵是集料對(duì)水的吸附能力的大小，親水性集料對(duì)水的吸附能力比瀝青大，而憎水性集料恰好相反。我國(guó)的公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范對(duì)集料的吸水率要求限制不大于2。表22影響瀝青與集料粘附性的因素【6】集料性質(zhì)瀝青性質(zhì)瀝青混合料性質(zhì)環(huán)境條件礦物成分；表面構(gòu)造；多孔性；含土量；耐久性；表面積；吸收性；含水率；形狀；干燥程度；風(fēng)化程度等。粘度；流變性；耐久性；電荷極性成分；是否使用抗剝落劑等?？障堵剩粷B透性；瀝青含量；瀝青膜厚度；填料類型；礦料級(jí)配；混合料類型等。雨量；濕度；水的PH值；鹽分；溫度；溫度循環(huán)；交通量設(shè)計(jì)；施工質(zhì)量；路基路面排水；地下水位等。集料的表面化學(xué)性質(zhì)、表面積、孔隙大小等均對(duì)粘附性有影響。集料表面含有鐵、鈣、鎂、鋁等高價(jià)陽(yáng)離子時(shí)與瀝青產(chǎn)生化學(xué)吸附時(shí)形成穩(wěn)定的吸附層；而含有鈉、鉀等低價(jià)陽(yáng)離子時(shí)，與瀝青產(chǎn)生化學(xué)吸附時(shí)形成的吸附層極不穩(wěn)定，遇水后易被乳化。集料的比表面積大有助于形成牢固的瀝青吸附層。集料表面的潔凈程度對(duì)集料與瀝青的粘附性影響很大，泥土、粉塵將成為粘附瀝青的隔離劑，如果遇水，水分濕潤(rùn)泥土，更加容易造成剝落。在我國(guó)，集料臟的問(wèn)題特別嚴(yán)重，一方面是采石廠的覆蓋層沒有認(rèn)真清理，混進(jìn)了土和雜物；另一方面，許多拌和廠的集料堆放場(chǎng)地沒有進(jìn)行硬化處理，就堆放在土地上，裝載機(jī)很容易將底下的土鏟起來(lái)混在集料中，污染集料。集料加蓋篷頂防雨的要求在大部分拌和廠都沒有認(rèn)真執(zhí)行，雨后污染集料的問(wèn)題更加嚴(yán)重，這是影響粘附性的重要原因。二、瀝青的性質(zhì)由于煉制瀝青的原油品種及煉油工藝的不同，瀝青中所含的酸性及堿性化合物也不一樣，如果瀝青中含有多量的地瀝青酸或地瀝青酸酐等極性大的組分，則瀝青就具有較強(qiáng)的表面活性且呈酸性，易與集料中的堿性礦物形成很強(qiáng)的粘結(jié)力。瀝青的表面活性大小用瀝青酸值來(lái)表示，酸值越大，與集料的粘附性越好。粘度是瀝青流變性質(zhì)的重要指標(biāo)，粘性大的瀝青對(duì)于抵抗水的置換要比粘性小的瀝青好，這是由于在粘性大的瀝青中存在有較多的極性物質(zhì)，并具有良好的潤(rùn)濕性。瀝青的表面張力反映其內(nèi)部分子之間的作用力的大小，在與集料粘附時(shí)，瀝青的表面張力越大，其吸附力越大。瀝青是一種相當(dāng)復(fù)雜的高分子化合物，所以在與集料的粘附過(guò)程中的作用也非常復(fù)雜，單一的物理指標(biāo)不能全面的描述這種影響，相互之間也存在許多內(nèi)在的聯(lián)系，在以后的章節(jié)里一一敘述。三、水及荷載的作用影響瀝青與集料粘附性的因素除了瀝青、集料本身的性質(zhì)等內(nèi)因外，還包括水和荷載等外因。瀝青失去對(duì)集料的附著力從粘著的集料表面脫落的過(guò)程即所謂瀝青混合料的剝離。水及交通荷載的存在是瀝青與集料發(fā)生粘附性破壞而剝離的先決條件。潔凈的集料在干燥條件下與瀝青粘附良好，然而水在瀝青路面施工過(guò)程中，以及在以后的服務(wù)期內(nèi)都是不可避免的。首先，集料在瀝青與拌和前可能未被充分干燥，尤其是多孔性石料，水分容易滲透到骨料內(nèi)部的毛細(xì)管中。這些水分在瀝青與集料作用的當(dāng)時(shí)可能并不明顯，但在以后會(huì)慢慢滲出進(jìn)到瀝青與集料的界面之間，使其相互分離。其次，在雨季，尤其是在梅雨季節(jié)，盡管雨量不大，但持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，可能達(dá)數(shù)月之久。瀝青混合料長(zhǎng)時(shí)間處于水的包圍之中，水分就很容易浸潤(rùn)到集料與瀝青的界面上，導(dǎo)致瀝青膜被水置換，發(fā)生剝離。交通荷載的反復(fù)作用是加速水損害進(jìn)程的重要因素。當(dāng)路面上有水時(shí)，汽車的通過(guò)會(huì)形成一種水力沖刷現(xiàn)象，在輪胎前面的水受輪胎擠壓擠入路表面的空隙中，造成水壓力，輪胎通過(guò)后在輪胎的后方又形成負(fù)壓，將空隙中的水吸出，這種擠入和吸出的反復(fù)循環(huán)，便形成了水力沖刷，使集料松散、掉粒、繼而成為坑槽而造成路面破壞。破壞的進(jìn)程與荷載的大小、頻率有關(guān)。混合料的類型以及路基路面的結(jié)構(gòu)，尤其是排水設(shè)施等都對(duì)瀝青與集料的粘附性有著重要的影響，在這里不再一一贅述。23瀝青與集料粘附性的評(píng)價(jià)方法一、常用的粘附性評(píng)價(jià)方法自二十世紀(jì)30年代以來(lái)，人們就相繼提出了許多評(píng)定瀝青與集料粘附性的試驗(yàn)方法，最簡(jiǎn)單直觀的就是將瀝青裹覆在集料表面，浸入水中，判斷瀝青從集料表面剝落的數(shù)量，從而確定瀝青的粘附等級(jí)。每一種方法都力求模擬自然和交通荷載條件下產(chǎn)生剝落的過(guò)程和剝落破壞的情況。由于剝落形成過(guò)程影響因素較多，機(jī)理復(fù)雜，至今尚沒有一種公認(rèn)的準(zhǔn)確的試驗(yàn)方法。國(guó)際上通行的試驗(yàn)方法有水煮法、水浸法、光電比色法、攪動(dòng)水凈吸附法等,然而各國(guó)根據(jù)實(shí)際情況又各有不同的規(guī)定。下面對(duì)幾種方法簡(jiǎn)單介紹如下（1）水煮法水煮法是用粒徑大于132MM的粗集料，經(jīng)150左右的瀝青浸潤(rùn)，取出冷卻后在沸水中煮3MIN，觀察碎石表面瀝青膜被水移動(dòng)剝落的程度，分5個(gè)等級(jí)評(píng)定其粘附性。水煮法的試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，操作方便，觀察碎石表面瀝青被沸水剝落的情況比較直觀，可以較快地確定瀝青對(duì)集料的粘附性，因而目前無(wú)論在研究工作中還是在工程實(shí)踐中，使用都比較廣泛。但由于該方法評(píng)定結(jié)果受到人為因素的影響，帶有一定的經(jīng)驗(yàn)性。（2）水浸法水浸法是選用粒徑介于95132MM的粗集料20顆，用瀝青拌合成混合料，浸泡在80的恒溫水槽中30MIN，然后評(píng)定瀝青膜剝落面積百分率。原西安公路交通大學(xué)在“八五”國(guó)家科技攻關(guān)課題研究時(shí)，制作了一套不同剝落率的樣本照片，評(píng)定粘附性等級(jí)時(shí)可對(duì)照照片進(jìn)行，一定程度上避免了人為因素的影響。（3）光電比色法由于水煮法和水浸法都是半定量的測(cè)定方法，不能得出確切的瀝青膜剝落率數(shù)值，因此光電比色法被作為剝落率的定量測(cè)定方法被提出。試驗(yàn)通常采用721型光電分光光度計(jì)測(cè)定，染色液采用001G/L的酚藏紅花生物染料溶液。它的基本原理是基于物質(zhì)在光的激發(fā)下，對(duì)光波長(zhǎng)的選擇性吸收，而有各自的吸收光帶，當(dāng)以色散后的光譜通過(guò)某一溶液時(shí)，某些波長(zhǎng)的光線會(huì)被溶液吸收，在通過(guò)溶液的光譜中出現(xiàn)相應(yīng)的黑暗譜帶。根據(jù)波爾（BEER）定律，在一定的波長(zhǎng)下，溶液中某一種物質(zhì)的濃度與光的吸收效應(yīng)存在一定關(guān)系，即有色溶液的吸光度與溶液的濃度、液層厚度成正比。光電分光光度計(jì)就是將透過(guò)溶液的光線通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器將光能轉(zhuǎn)換為電能，從指示器上讀出相應(yīng)的吸光度，根據(jù)事先標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)曲線，即可推算出溶液的濃度。試驗(yàn)時(shí)，用規(guī)定數(shù)量的瀝青混合料樣品在已知濃度的染料水溶液中，于60浸置2H后，因水浸而使瀝青膜剝落，裸露的石料表面將吸附染料，使水溶液中染料濃度下降。染料濃度的變化用分光光度計(jì)測(cè)定，從而準(zhǔn)確推算出瀝青與集料的粘附性。（4）攪動(dòng)水凈吸附法該方法是美國(guó)SHRP計(jì)劃推出的定量測(cè)定瀝青與集料粘附性的方法。它是基于礦料表面對(duì)瀝青有吸附作用，以及遇水后對(duì)瀝青膜的置換作用，即水使瀝青膜剝落的特性，將一定粒級(jí)的集料放在瀝青甲苯溶液中一段時(shí)間進(jìn)行循環(huán)回流，則會(huì)有一部分瀝青吸附到集料表面，之后，向?yàn)r青甲苯溶液中加入一定量的水，讓水對(duì)吸附在集料表面的瀝青進(jìn)行置換。這一系列過(guò)程便會(huì)使瀝青甲苯溶液中瀝青的濃度發(fā)生改變，利用光電分光光度計(jì)測(cè)定溶液的吸光度，即可計(jì)算出集料對(duì)瀝青的吸附劑量、加水后瀝青的剝落量，以及計(jì)算出自集料表面剝落的瀝青剝落率或吸附率。二、間接的粘附性評(píng)價(jià)方法以上介紹的都是直接評(píng)定瀝青與集料粘附性的方法，除此之外采用瀝青混合料水穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法也可間接評(píng)價(jià)瀝青與集料的粘附性。瀝青混合料在浸水條件下，由于瀝青與集料的粘附力降低，導(dǎo)致?lián)p壞，最終表現(xiàn)為混合料的整體力學(xué)強(qiáng)度降低，因此，瀝青混合料的水穩(wěn)定性最終是由浸水條件下瀝青混合料物理力學(xué)性能降低的程度來(lái)表征的。目前國(guó)內(nèi)外水穩(wěn)定性試驗(yàn)的評(píng)價(jià)方法多種多樣，試驗(yàn)條件各異，評(píng)價(jià)指標(biāo)也不相同，但大致可分為兩類一是靜荷載試驗(yàn)，二是動(dòng)荷載試驗(yàn)。靜荷載試驗(yàn)如浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融后劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、浸水劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、浸水抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，通過(guò)浸水前后試件的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度之比來(lái)評(píng)價(jià)水造成的損失。如常用的浸水馬歇爾試驗(yàn)，用浸水前后的馬歇爾穩(wěn)定度之比評(píng)價(jià)；美國(guó)AASHTOT283規(guī)定的洛特曼（LOTTMAN）試驗(yàn)將試件進(jìn)行真空飽水或凍融循環(huán)，測(cè)定試驗(yàn)前后的劈裂抗拉強(qiáng)度或者回彈模量比評(píng)價(jià)；TUNNICLIFF、ROOT等人在總結(jié)LOTTMAN法的不足的基礎(chǔ)上改進(jìn)了試驗(yàn)的試驗(yàn)條件，提出了TUNNICLIFFROOT法，通過(guò)試驗(yàn)前后的間接抗拉強(qiáng)度比評(píng)價(jià)水穩(wěn)性。在本課題的第一階段研究中【11】提出了用瀝青與石料之間的抗剪強(qiáng)度來(lái)評(píng)價(jià)瀝青與石料之間的剪切粘附性，并作出這樣一個(gè)假設(shè)剪切破壞不是發(fā)生在瀝青膜內(nèi)部，而是發(fā)生在瀝青和石料剪切的界面層上。因此，剪切粘附試驗(yàn)中剪切強(qiáng)度的大小，即可反應(yīng)瀝青與石料間粘附性的大小。剪切試驗(yàn)結(jié)果與水煮試驗(yàn)結(jié)果之間有良好的相符性，并達(dá)到了定量分析的目的。動(dòng)荷載試驗(yàn)如浸水車轍試驗(yàn)及浸水環(huán)道試驗(yàn)，力求模擬汽車行駛狀態(tài)下路面的受損狀態(tài)。浸水車轍試驗(yàn)試件尺寸300MM300MM50MM，按試驗(yàn)規(guī)程的標(biāo)準(zhǔn)方法用輪碾法成型。試件在25水中浸泡20MIN，然后在009MPA浸水抽真空15MIN，再放到18冰箱中放置16H，而后放在40水中融化4H后進(jìn)行浸水車轍試驗(yàn)，碾壓速度42次/MIN，碾壓4000次后測(cè)定其剝落率。浸水環(huán)道試驗(yàn)比浸水車轍試驗(yàn)的規(guī)模要大，但更接近實(shí)際狀態(tài)，用達(dá)到剝落指數(shù)破壞的次數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。三、上述方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較上述評(píng)價(jià)粘附性的試驗(yàn)方法，不論直接還是間接，都各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選用。水煮法試驗(yàn)簡(jiǎn)單易行，用于鑒別粗集料與瀝青的粘附性時(shí)比較直觀，在工程及科研中應(yīng)用都很廣泛。但水煮試驗(yàn)樣品少，試驗(yàn)條件不甚嚴(yán)格，且分級(jí)較粗，人為因素影響較大。水浸法試驗(yàn)樣品較多，可以避免以偏概全錯(cuò)誤的發(fā)生，而且水浸法有標(biāo)準(zhǔn)的剝落率圖對(duì)照評(píng)定，可以減少人為因素的影響。試驗(yàn)過(guò)程較水煮法復(fù)雜一些，但結(jié)果更可靠一些。光電比色法通過(guò)酚藏紅花溶液濃度的改變確定剝落率，使瀝青與集料的粘附率定量化，可用于確定抗剝落劑的最佳添加量【25】，克服了水煮和水浸法分級(jí)較粗的缺點(diǎn)，適用于科學(xué)研究中。有資料顯示【6】，光電比色法的測(cè)定結(jié)果對(duì)不同石料的差別較小，剝落率普遍偏大，這可能是光電比色法不僅記入了瀝青膜剝落影響的溶液濃度，也包括了從瀝青膜上溶解但并未剝落的瀝青對(duì)溶液濃度的影響。攪動(dòng)水凈吸附法較光電比色法有很大改進(jìn)，它不再使用染料示蹤，直接用瀝青甲苯溶液的濃度改變量計(jì)算瀝青在集料表面的吸附和剝落，試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況較相符【6】，用于定量研究瀝青與集料的粘附性更加可靠。但它的技術(shù)難度較大，試驗(yàn)儀器設(shè)備方面目前還不可能全面推廣，現(xiàn)在多在科研項(xiàng)目中使用。浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)等混合料的水穩(wěn)性試驗(yàn)通過(guò)浸水、凍融循環(huán)等環(huán)境條件的改變來(lái)模擬瀝青路面的實(shí)際工作狀況，加速成型混合料的破壞進(jìn)程，可以反應(yīng)瀝青路面在較長(zhǎng)的服務(wù)期內(nèi)瀝青與集料的性質(zhì)。但混合料試驗(yàn)在成型試件時(shí)很難統(tǒng)一，空隙率和飽水率較難控制，而瀝青混合料的水穩(wěn)性與進(jìn)入試件中的水量關(guān)系很大，因此有些數(shù)據(jù)的離散性較大。而且通過(guò)混合料的試驗(yàn)評(píng)定粘附性擴(kuò)大了試驗(yàn)的影響因素，如果要確定單一因素如瀝青的粘度、某一組分對(duì)粘附性的影響難以達(dá)到目的。四、本論文采用的粘附性評(píng)定方法本論文通過(guò)對(duì)比不同的試驗(yàn)方法，并結(jié)合實(shí)際的試驗(yàn)條件和工程實(shí)際選用公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程（JTJ0522000）“瀝青與粗集料的粘附性試驗(yàn)”（T06161993）中的水煮法作為評(píng)定方法。試驗(yàn)步驟與規(guī)范相同，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)1、進(jìn)行水煮試驗(yàn)時(shí)，首先應(yīng)選擇具有代表性的5個(gè)集料，規(guī)范要求“粒徑13219MM形狀接近立方體的規(guī)則集料”。試驗(yàn)時(shí)作者發(fā)現(xiàn)表面不均勻的集料（某些部分富含礦物質(zhì)，顏色發(fā)亮）水煮時(shí)剝落情況與表面均勻的集料有明顯差異。所以，在選擇代表性集料時(shí)要盡量選擇表面均勻的顆粒，外觀表現(xiàn)為表面顏色一致。2、控制瀝青被加熱的溫度在150左右，保證瀝青與加熱的集料相接觸發(fā)生相互作用時(shí)瀝青的粘度屬同一溫度下，增加數(shù)據(jù)的可比性。3、水煮過(guò)程在潔凈透明的大玻璃杯中進(jìn)行，墊石棉網(wǎng)，人為控制水的“微沸”程度相當(dāng)。為了有個(gè)量化的標(biāo)準(zhǔn)，特將“微沸”定義如下【22】微沸為容器中的液體表面局部區(qū)域有滾動(dòng)，間或有大氣泡由容器底部上升至液體表面后破裂的現(xiàn)象。水煮時(shí)還不時(shí)有瀝青從集料表面脫落漂浮在液面上，為避免集料在取出時(shí)“脫落物”又粘回去，應(yīng)及時(shí)用報(bào)紙將其粘走。4、水煮3MIN后關(guān)火，并及時(shí)在水中觀察瀝青膜剝落情況，評(píng)定等級(jí)。如果將裹有瀝青的集料取出后再觀察，就會(huì)使一些聚集成團(tuán)的瀝青又鋪展開，造成沒有剝落的假相，特別對(duì)于花崗巖，水煮3MIN后，在水中時(shí)，只有零星的瀝青聚集在集料富含活性物質(zhì)的點(diǎn)上，幾乎沒有成片的瀝青膜。但一旦從水中取出，瀝青又鋪展成薄層，似乎沒有剝落。5、對(duì)5個(gè)集料分別評(píng)定等級(jí)，求其平均值，取接近的整數(shù)作為最后結(jié)果。同時(shí)，找有經(jīng)驗(yàn)的同學(xué)一同評(píng)定，將人為誤差降到最低。水煮法只能粗略地評(píng)定瀝青與集料的粘附性，為了將試驗(yàn)結(jié)果定量化，作者借鑒太原理工大學(xué)劉祖愉【24】等人提出的改進(jìn)水煮法，即用水煮前后石料表面吸附瀝青的質(zhì)量差表示粘附性的大小，作者稱其為稱重水煮法。該方法在其他文獻(xiàn)【14、20、21】如石油瀝青抗剝落劑對(duì)瀝青在石料與鋼鐵上的粘附影響研究【21】中也有應(yīng)用。試驗(yàn)步驟如下1、按公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程（JTJ0522000）（T06161993）規(guī)范的水煮法程序準(zhǔn)備集料和瀝青樣品。但是由于稱重法測(cè)定粘附率數(shù)據(jù)離散性較大，所以作者將集料的個(gè)數(shù)增加為10個(gè)，選取結(jié)果相近的幾個(gè)求取平均值。2、用軟鐵絲將集料在中部系牢，用精度為萬(wàn)分之一的電子天平稱重，質(zhì)量為W1。清潔干凈的集料，以及裹覆有瀝青的集料不能直接放在天平托盤上稱重，因此，自制了稱重支架，將集料掛起來(lái)稱重。3、按規(guī)范的水煮法程序使集料表面裹覆瀝青、水煮、觀察瀝青膜的剝落情況。所不同的是裹覆有瀝青的集料在水煮前應(yīng)冷卻至室溫，大概需靜置20MIN左右（比水煮法靜置時(shí)間稍長(zhǎng)），然后稱重，瀝青與集料的質(zhì)量為W2，精確到00001G。因集料裹覆瀝青后在室溫下放置時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致瀝青與集料之間粘附性的提高，使不同瀝青之間的結(jié)果無(wú)明顯區(qū)別。所以，為了能區(qū)分不同瀝青的差異，作者將水煮時(shí)間延長(zhǎng)到5MIN。4、取10個(gè)潔凈的100ML玻璃小燒杯，編號(hào)并稱重，質(zhì)量記為W3。5、將水煮過(guò)的10個(gè)集料顆粒分別置入10個(gè)小燒杯，置于120的烘箱中加熱除水3H后，移入干燥器冷卻1H，稱重，質(zhì)量為W4。6、瀝青與集料的粘附率P可用式（22）計(jì)算（22）10234W第三章試驗(yàn)材料基本分析本論文屬于瀝青與石料間的剪切粘附性研究課題的第二階段研究，在課題的第一階段【11】中，選擇了國(guó)產(chǎn)克拉瑪依重交90和勝利重交70兩種瀝青，陜西豐?？诘幕◢弾r、陜西銅川的石灰?guī)r兩種石料。試驗(yàn)時(shí)，將石料切割成10CM5CM1CM規(guī)則石片，將一面拋光，使其粗糙度大致相同。試件形狀制成如圖31所示形狀，為兩個(gè)石片中間夾一薄層瀝青，在試驗(yàn)溫度下保溫，然后用自制的試件拉頭夾住石片兩端，在MTS實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行剪切試驗(yàn)，用試件的抗剪強(qiáng)度定量表示瀝青與石料的粘附性。圖31瀝青與石料剪切粘附性研究中的試件形狀本論文在原材料選擇時(shí)想沿用課題第一階段的材料，但找齊這些原材料存在一些困難。勝利煉油廠已不生產(chǎn)重交70瀝青，作者只找到重交90瀝青，但測(cè)定其針入度只達(dá)到70標(biāo)準(zhǔn)，可能是瀝青發(fā)生老化所致。因老化瀝青與原瀝青在組成上有一定差異，所以未使用該瀝青。為了準(zhǔn)備石料，作者曾親往陜西豐裕口地區(qū)，但沒有找到料場(chǎng)，所以作者放棄了沿用的想法，而根據(jù)實(shí)際情況選用。本論文選用的原材料有克拉瑪依90、中海70、中海90、日本90和遼河110五種重交道路瀝青，陜西延安的花崗巖、河南焦作的石灰?guī)r兩種石料。中海瀝青是中國(guó)海洋石油總公司（簡(jiǎn)稱中海公司）利用渤海綏中361海上原油生產(chǎn)的重交道路瀝青。中海公司在遼寧盤錦、山東青島、江蘇泰州、山東濱化設(shè)置分廠，統(tǒng)一生成中海361品牌瀝青，目前，該瀝青在我國(guó)高速公路上得到了廣泛應(yīng)用。31瀝青材料試驗(yàn)分析按照公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程對(duì)五種瀝青進(jìn)行常規(guī)指標(biāo)測(cè)試，包括15、25、30三個(gè)溫度下的針入度，軟化點(diǎn)和15延度。對(duì)五種瀝青的針入度值進(jìn)行回歸分析，并計(jì)算針入度指數(shù)PI值、當(dāng)量軟化點(diǎn)T800和當(dāng)量脆點(diǎn)T12，結(jié)果見表31。表31瀝青技術(shù)指標(biāo)匯總試驗(yàn)項(xiàng)目克拉瑪依90中海70中海90日本90遼河110153423232427825847581801023針入度（5S，100G）（1/10MM30136712371291301607延度（15，5CM/MIN）150150150150150軟化點(diǎn)（環(huán)球法）（）48754854434775471A（回歸常數(shù)）0040100491005060049400516PI值001664131693150142135447162011T80049274627452645684304T12（21151124105511481168塑性溫度范圍（）7042145575132455808357163975472674121416182222415202530溫度（）LGP克拉瑪依90中海70中海90日本90遼河110圖32針入度溫度關(guān)系曲線2151050克拉瑪依90中海70中海90日本90遼河110圖33針入度指數(shù)PI柱狀圖早在1936年，PFEIFFER和JPHANDVANDOORMAAL就通過(guò)大量的瀝青試驗(yàn)證實(shí)，瀝青的針入度和溫度在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中呈直線關(guān)系。LGPATK31式中T不同的試驗(yàn)溫度（）；P相應(yīng)溫度下的針入度（01MM）；A回歸常數(shù)，為針入度溫度關(guān)系直線的斜率，表示了瀝青的溫敏性；K回歸常數(shù)，為針入度溫度關(guān)系直線的截距，表示同溫度條件下不同瀝青的軟硬程度。從圖32針入度回歸直線中可以看出，中海70、中海90、日本90、遼河110四種瀝青的針入度溫度關(guān)系直線幾乎平行，同樣從表31中可以看出這四種瀝青的回歸常數(shù)A值很接近，所以說(shuō)這四種瀝青的溫敏性比較接近。而克拉瑪依90的針入度回歸直線斜率較其他都小，回歸常數(shù)A比其他瀝青都小，說(shuō)明克拉瑪依90的溫敏性最好。把五種瀝青的回歸常數(shù)A進(jìn)行排序如下克拉瑪依902時(shí)，瀝青具有明顯的凝膠特征，瀝青的耐久性不好，它的低溫脆性雖小，但顯示較強(qiáng)的荷載速率感應(yīng)性，與牛頓流體偏離較大，即流變指數(shù)往往較小，所以在大變形條件或變形速率很低時(shí)，抗裂性能變差，這對(duì)溫縮裂縫很重要。從五種瀝青的針入度指數(shù)圖（圖33）中可以看出克拉瑪依90的針入度指數(shù)明顯大于其他四種，說(shuō)明該瀝青對(duì)溫度的敏感性最好，高低溫性能都很好；其他四種瀝青的排序?yàn)橹泻?0日本90中海90遼河110，遼河110瀝青針入度指數(shù)最小，說(shuō)明其溫敏性最差，與回歸常數(shù)A的分析結(jié)果一致。PI值的大小還可以反應(yīng)瀝青的膠體結(jié)構(gòu)，在第五章中將詳細(xì)介紹，從五種瀝青的PI值可知，它們都屬于溶凝膠型結(jié)構(gòu)，均適用于道路工程中。32集料性質(zhì)試驗(yàn)分析在道路與橋梁的建筑中，各種礦質(zhì)集料是與結(jié)合料（水泥或?yàn)r青）組成混合料而使用于結(jié)構(gòu)物中的。早年的研究認(rèn)為，礦質(zhì)集料是一種惰性材料，它在混合料中只起著物理的作用【9】。隨著近代物化力學(xué)研究的發(fā)展，研究認(rèn)為礦質(zhì)集料在混合料中與結(jié)合料起著復(fù)雜的物理化學(xué)作用，礦質(zhì)集料的化學(xué)性質(zhì)在很大程度上影響著混合料的物理力學(xué)性質(zhì)，尤其對(duì)保證瀝青與集料的良好結(jié)合是很重要的。多數(shù)天然集料都是由多種礦物組合而構(gòu)成的。在集料中發(fā)現(xiàn)的最重要的礦物為二氧化硅（石英）、長(zhǎng)石（正長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石）、鐵鎂礦物（白云母、蛭石）、碳酸鹽礦物（方解石、白云石）和粘土礦物（伊里石、高嶺石、蒙脫石）等。對(duì)集料進(jìn)行化學(xué)分析可得到集料化學(xué)組成，通常根據(jù)氧化物給出，典型的集料化學(xué)組成見表32。從表中可以看出，石灰?guī)r和花崗巖在化學(xué)組成上最大的不同在于石灰?guī)r含有氧化鈣成分高，二氧化硅含量少；而花崗巖二氧化硅含量很高，氧化鈣含量很低。按克羅斯的分類方法【5】，巖石化學(xué)組成中二氧化硅含量大于65的集料稱為酸性集料；含有二氧化硅為5265的集料稱為中性集料；二氧化硅含量小于52的集料為堿性集料。表32典型集料的化學(xué)組成（）【5】集料SIO2CAOFE2O3AL2O3MGOMNOSO3石灰?guī)r19557027027006006001花崗巖76721992871789002002015本論文所選用的集料分別為陜西延安的花崗巖，河南焦作的石灰?guī)r。在長(zhǎng)安大學(xué)應(yīng)用化學(xué)與分析測(cè)試中心測(cè)定兩種石料的SIO2含量，陜西延安的花崗巖為723，河南焦作的石灰?guī)r為256，分別為酸性集料和堿性集料。用肉眼觀察可以發(fā)現(xiàn)陜西延安的花崗巖和河南焦作的石灰?guī)r不同的表面特征石灰石表面致密均勻，顏色一致，較光滑，屬于微晶結(jié)構(gòu)；花崗巖表面粗糙不平，屬巨晶結(jié)構(gòu)，且不均勻含有石英礦物，表面部分點(diǎn)亮晶晶的。集料在環(huán)境因素的影響下，會(huì)發(fā)生氧化、水合、風(fēng)化等變化，使集料表面存在一些有害物質(zhì)【27】，如，粘土、頁(yè)巖、淤泥、鐵氧化物、石膏、水溶鹽等。因此，在進(jìn)行粘附性試驗(yàn)時(shí)要將集料清潔干凈，并使用新破碎的沒有被污染集料，以減少集料性質(zhì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。33水煮法粘附性試驗(yàn)本論文采用水煮法來(lái)評(píng)定瀝青與集料的粘附性，試驗(yàn)步驟按照公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程JTJ0522000“瀝青與粗集料的粘附性試驗(yàn)”（T06161993）進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)的注意事項(xiàng)見23，測(cè)定結(jié)果見表32。表32水煮法測(cè)定瀝青與集料粘附性等級(jí)克拉瑪依90中海70中海90日本90遼河110石灰?guī)r54434花崗巖11111從表中數(shù)據(jù)可以看出，不同瀝青與花崗巖的粘附性等級(jí)普遍較低，都只有一級(jí)，即不管瀝青的性質(zhì)如何，如果集料是親水憎油的，相互之間的粘附力就較弱；而石灰?guī)r與不同瀝青的粘附性等級(jí)有差別，克拉瑪依90達(dá)到最優(yōu)，中海70、中海90、遼河110良，日本90一般。由此可以說(shuō)明，集料的性質(zhì)是決定瀝青與集料粘附性好壞的關(guān)鍵因素。而對(duì)于同種集料，瀝青的性質(zhì)（粘度、酸值等）以及摻加抗剝落劑后瀝青的性質(zhì)對(duì)瀝青與集料的粘附性有很大影響。在本組試驗(yàn)中，花崗巖與五種瀝青的粘附等級(jí)都為一級(jí)，這是試樣水煮后在燒杯中觀察的結(jié)果。裹覆有瀝青的花崗巖在水煮時(shí)瀝青發(fā)生明顯的聚集，以瀝青微滴的形式附著在花崗巖表面吸附性較強(qiáng)的點(diǎn)上，水煮3MIN后根本形不成連續(xù)的瀝青膜。而從水中取出后，聚集的瀝青微滴又鋪展開來(lái)，能覆蓋70左右的集料表面，造成剝落面積小的假相。水煮法評(píng)定瀝青與集料的粘附性等級(jí)，人為因素影響較大，曾做過(guò)一個(gè)試驗(yàn)，讓兩個(gè)瀝青專家做同一組瀝青與集料的水煮粘附試驗(yàn)，一個(gè)評(píng)定為5級(jí)，一個(gè)為3級(jí)。所以，作者又做了半定量測(cè)定瀝青與集料粘附性的試驗(yàn)，水煮稱重法，依照23所述試驗(yàn)步驟，測(cè)定五種瀝青與石灰?guī)r的粘附率，結(jié)果見表33。表33水煮稱重法測(cè)定瀝青與石灰?guī)r的粘附率克拉瑪依90中海70中海90日本90遼河110粘附率92908639878543按照公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程JTJ0522000T06161993給出的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，克拉瑪依90和中海70可以評(píng)為4級(jí)，其余三種評(píng)為3級(jí)。比水煮法評(píng)定的等級(jí)低，這是因?yàn)?，用剝落的重量代表剝落的面積有一定偏差，因?yàn)榧媳砻嫘纬傻臑r青膜有的厚，有的薄。前蘇聯(lián)的JIA列賓捷爾的研究認(rèn)為，瀝青與集料相互作用后，瀝青在集料表面產(chǎn)生化學(xué)組分的重新排列，在集料表面形成一層厚度為的擴(kuò)散結(jié)構(gòu)膜，如圖34所示，在此膜厚度以內(nèi)的瀝青稱為結(jié)構(gòu)瀝青，此膜以外的瀝青稱為自由瀝青。結(jié)構(gòu)瀝青與集料發(fā)生相互作用，并使瀝青的粘度增大，越是靠近集料表面，其粘度越大；而自由瀝青與集料距離較遠(yuǎn)，沒有與集料發(fā)生相互作用，僅將分散的集料粘結(jié)起來(lái)，并保持原來(lái)的性質(zhì)。在水煮試驗(yàn)中，用單顆粒集料裹覆瀝青，也會(huì)形成結(jié)構(gòu)瀝青和自由瀝青，自由瀝青在水煮時(shí)容易脫落，形成水煮前后的質(zhì)量損失，但可能不會(huì)引起集料表面瀝青膜的破裂，所以，稱重法只能評(píng)定瀝青與集料相對(duì)粘附的好壞。用質(zhì)量計(jì)算瀝青的初始吸附量及水煮后的殘留瀝青量（吸附率）比觀察剝落面積更能說(shuō)明瀝青與集料之間的吸附程度即粘附性。但在水煮稱重法中，瀝青的質(zhì)量相對(duì)于集料的質(zhì)量而言所占比例極小，因此，試驗(yàn)誤差較大。雖然將試驗(yàn)的樣品數(shù)量增多至10個(gè)，數(shù)據(jù)的離散性還是很大，只能求取比較接近的幾個(gè)值的平均值作為最終結(jié)果。這種試驗(yàn)方法還有待進(jìn)一步改進(jìn)，不過(guò)，作者認(rèn)為通過(guò)質(zhì)量反映瀝青與集料之間的粘附性是一個(gè)很好的思路。圖34自由瀝青與結(jié)構(gòu)瀝青第四章瀝青的粘度試驗(yàn)分析41試驗(yàn)原理一、牛頓流體與非牛頓流體牛頓在1687年提出了關(guān)于物質(zhì)粘性的假設(shè)，即牛頓粘性定律“在其他條件相同的情況下，液體內(nèi)部層與層之間由于光滑程度不足而產(chǎn)生的阻力與層間相互離開的速度成比例?！比鐖D41所示，距離H的兩個(gè)平行板之間充滿粘性液體，在面積為A的移動(dòng)板上有一個(gè)作用力F，使自由平板以相對(duì)于固定板的速度V移動(dòng)，如果這種移動(dòng)滿足下列條件圖41粘性流動(dòng)原理1、液體之間的剪切流動(dòng)是層流；2、液體與兩平行板之間相互接觸，且無(wú)相對(duì)位移。則接觸移動(dòng)板的液面流速為V，而固定板表面的液面流速為零。在平板之間的液體由于液面層之間的內(nèi)摩擦阻力（即光滑程度不足）的阻礙，越是接近于固定板的液面層流速越小，且呈直線變化。設(shè)距離固定板Y處的液層流速為V，則沿Y軸方向的速度變化梯度TAND當(dāng)H非常小時(shí)HV0由于力F作用于面積為A的平板上，剪應(yīng)力AF按照牛頓假設(shè)，“層與層之間的阻力”即等于克服此阻力的作用力，而“層間相互離開的速度”即速度變化梯度，一般稱為剪變率。于是按牛頓粘性定律41或SD42式中S剪應(yīng)力；D剪變率；流動(dòng)物體的粘性常數(shù)，即粘度，也稱動(dòng)力粘度。凡是符合牛頓定律的稱為牛頓粘性，這樣的液體稱為牛頓液體。牛頓定律描述的是液體的一種理想狀態(tài)，通常的低分子液體如水、硅油（常用作標(biāo)準(zhǔn)粘度液）都屬于牛頓流體。牛頓流體的粘度是一常數(shù)，與速度V無(wú)關(guān)。所以，牛頓流體的流變方程式SD表示的是一條通過(guò)原點(diǎn)的直線，在測(cè)定粘度時(shí)，變化不同的剪切速率，測(cè)定結(jié)果不變。這是鑒別是否屬于牛頓流體的標(biāo)志。可是許多物質(zhì)如瀝青在溫度不太高時(shí)，卻并非總是這樣，此時(shí)的流變曲線將表現(xiàn)出兩個(gè)特點(diǎn)1、引起流體流動(dòng)的應(yīng)力與應(yīng)變速率不成直線關(guān)系；2、在固定應(yīng)力作用下，應(yīng)變的變化與時(shí)間不成直線關(guān)系，即剪切速率在變化；反之改變應(yīng)變速率將檢測(cè)出不同的粘性系數(shù)。這樣的流體稱為非牛頓流體。石油瀝青在高溫狀態(tài)下可看作牛頓流體，而在路面的使用溫度時(shí)則為非牛頓流體。二、粘度的測(cè)定方法道路石油瀝青在使用溫度下（3060）顯示的多是非牛頓特性，即粘彈塑性體，其粘性系數(shù)并非常數(shù)。因此，測(cè)定粘度時(shí)，通常固定某一個(gè)條件（如固定剪應(yīng)力、或剪變率）測(cè)定其條件粘度。此時(shí)的剪應(yīng)力與剪變率之比稱為視粘度，或叫表觀粘度。瀝青在溫度高于軟化點(diǎn)不多時(shí)（一般在70以上），其非牛頓性質(zhì)就完全消失，而轉(zhuǎn)變?yōu)榕ｎD瀝青。我國(guó)公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程JTJ0522000根據(jù)測(cè)定瀝青從較低溫度到較高溫度范圍內(nèi)粘度的需要，對(duì)不同類型的粘度計(jì)已分別做了規(guī)定。例如，為測(cè)定瀝青60粘度分級(jí)用的動(dòng)力粘度，世界上都統(tǒng)一采用真空減壓毛細(xì)管粘度計(jì)（規(guī)程T0620）；對(duì)確定施工溫度而測(cè)定135或更高溫度的運(yùn)動(dòng)粘度通常采用T0619的逆流式毛細(xì)管方法、T0623的塞波特粘度計(jì)法；對(duì)其他如乳化瀝青和煤瀝青采用T0622的恩格拉粘度計(jì)法、T0621的標(biāo)準(zhǔn)粘度計(jì)法。美國(guó)SHRP計(jì)劃推出布洛克菲爾德BROOKFIELD粘度計(jì)法ASTMD4402，可以測(cè)定瀝青以及改性瀝青60以上的旋轉(zhuǎn)粘度。該儀器在國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品市場(chǎng)上占有近90的份額，國(guó)內(nèi)多數(shù)大學(xué)和公路交通工程研究所及其他單位都使用該儀器測(cè)定瀝青的動(dòng)力粘度。我國(guó)亦將此法收入瀝青與瀝青混合料規(guī)范，見T0626。量測(cè)瀝青粘度的儀器根據(jù)測(cè)量原理不同可分為以下幾類1、旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，如布洛克菲爾德BROOKFIELD型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)（T0626）及沒有列入我國(guó)試驗(yàn)規(guī)程卻很常用的雙筒旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)、SHRP推出的動(dòng)態(tài)剪切流變儀等。BROOKFIELD和雙筒旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)常用于測(cè)定瀝青的高溫粘度，通常在軟化點(diǎn)以上。動(dòng)態(tài)剪切流變儀通過(guò)測(cè)定瀝青的復(fù)數(shù)剪切彈性模量G和相位角，用GCOS表示瀝青的粘性成分。它的測(cè)量范圍較廣，在2582范圍內(nèi)都可以應(yīng)用。2、毛細(xì)管粘度計(jì)，如真空減壓毛細(xì)管粘度計(jì)（T0620）和逆流式毛細(xì)管粘度計(jì)（T0619）等。毛細(xì)管法是最基本的測(cè)粘方法，不少國(guó)家制定了方法標(biāo)準(zhǔn)，如美國(guó)ASTMD2171、AASHTOT202、英國(guó)IP222、日本JAA001等。3、流出型粘度計(jì)，如塞波特粘度計(jì)（T0623）、恩格拉粘度計(jì)（T0622）、道路瀝青標(biāo)準(zhǔn)粘度計(jì)（T0621）等，它們都是利用瀝青在某一溫度下流過(guò)某一孔徑的孔所需要的時(shí)間來(lái)測(cè)定的，瀝青粘度大，流出阻力大，需要的時(shí)間多，所以它是一個(gè)相對(duì)量。這些粘度計(jì)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，在生產(chǎn)部門被廣泛采用。但流出型粘度計(jì)在操作時(shí)要使流出的瀝青全部沒入接受瓶的肥皂水中而不能粘在瓶壁上有一定的難度。4、滑板粘度計(jì)，如殼牌石油公司研制的兩塊平行板之間夾一薄層瀝青的滑板粘度計(jì)，哈爾濱建筑大學(xué)的譚憶秋、張肖寧等人自行研制的三塊板式滑板粘度計(jì)?；逭扯扔?jì)主要用于測(cè)量瀝青及改性瀝青的低溫粘度（軟化點(diǎn)以下至接近0溫度范圍內(nèi)均可），并可測(cè)定其彈性恢復(fù)性能。5、落柱式粘度計(jì)，由RJSCHMIDT和LESANTUCCI于1963年提出，它是利用一個(gè)雙筒圓柱體，間隙中裝入瀝青試樣，在荷載作用下內(nèi)筒徐徐落下，使試樣與外筒間產(chǎn)生剪切變形，通過(guò)荷載與變位的測(cè)定求解瀝青粘度。落柱式粘度計(jì)測(cè)粘的溫度范圍一般為2040。該儀器的缺點(diǎn)是制作試件困難，由于間隙小，注入試件時(shí)容易帶入氣泡，影響試驗(yàn)結(jié)果。本論文選用布洛克菲爾德旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)定瀝青的高溫粘度（100左右），該粘度計(jì)操作簡(jiǎn)便且試驗(yàn)誤差小。三、旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)的測(cè)粘原理旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)由半徑分別為R2和R1的外筒與內(nèi)筒組成，筒的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，內(nèi)筒與外筒之間裝入瀝青試樣，固定內(nèi)筒并以一定的角速度旋轉(zhuǎn)外筒，或者固定外筒，以旋轉(zhuǎn)內(nèi)筒，使用測(cè)力元件可測(cè)得相應(yīng)于角速度的力矩M并做了以下假設(shè)A）旋轉(zhuǎn)時(shí)兩筒之間的流體為層流，而不是紊流；B）兩個(gè)筒在長(zhǎng)度方向是無(wú)限的，筒底的粘性阻力可以不計(jì)；C）旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，液體內(nèi)部升溫不預(yù)考慮，但如果流體較粘稠，測(cè)定時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，流體內(nèi)部升溫就有影響，剪應(yīng)力隨時(shí)間延長(zhǎng)而降低。圖42旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)粘原理圖則剪應(yīng)力LRM21剪變率214粘度（43）LR421儀器的R1、R2、L均已知，按照選定的轉(zhuǎn)速，則角速度也為已知數(shù)，試驗(yàn)時(shí)測(cè)得不同的旋轉(zhuǎn)力矩M，即可根據(jù)儀器的結(jié)構(gòu)常數(shù)，按照式43計(jì)算得流體的粘度。42BROOKFIELD粘度試驗(yàn)設(shè)備與規(guī)程一、BROOKFIELD粘度計(jì)簡(jiǎn)介BROOKFIELD粘度計(jì)是一種同軸圓柱旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，可以測(cè)量較大范圍內(nèi)不同類型瀝青的粘度（改性瀝青和非改性瀝青），以BROOKFIELDDV型粘度計(jì)為例，主要有兩部分組成布魯克菲爾德粘度計(jì)和保溫系統(tǒng),如圖43所示。布魯克菲爾德粘度計(jì)有馬達(dá)、紡錘體、控制鍵和數(shù)字讀數(shù)器組成。馬達(dá)通過(guò)扭力彈簧驅(qū)動(dòng)紡錘體旋轉(zhuǎn)，扭矩增加時(shí)彈簧卷緊，彈簧扭矩用一旋轉(zhuǎn)式傳感器量測(cè)。紡錘體類似于豎直的垂球，旋轉(zhuǎn)時(shí)受到粘性結(jié)合料的阻礙，旋轉(zhuǎn)粘度即為測(cè)量浸入一定溫度的瀝青結(jié)合料試樣的紡錘體維持其確定的旋轉(zhuǎn)速度所需的扭矩大小。BROOKFIELD粘度計(jì)備有多種型號(hào)紡錘體，可根據(jù)瀝青結(jié)合料的粘度范圍選用。數(shù)字讀數(shù)器可顯示粘度計(jì)自動(dòng)計(jì)算的試驗(yàn)溫度時(shí)的粘度、溫度、剪切速率（轉(zhuǎn)速）、紡錘體編號(hào)和扭矩百分?jǐn)?shù)。若顯示的鈕矩百分?jǐn)?shù)超出1098這一范圍，則需更換轉(zhuǎn)子。控制鍵用于輸入試驗(yàn)參數(shù)如紡錘體編號(hào)，設(shè)定旋轉(zhuǎn)速度和馬達(dá)開關(guān)。保溫系統(tǒng)由試樣室、熱容器和溫度控制器組成。試樣室是不銹鋼或鋁質(zhì)杯狀容器；熱容器裝納試樣室，由用于保持或改變?cè)囼?yàn)溫度的電加熱器件構(gòu)成，溫度控制器可設(shè)置所需的試驗(yàn)溫度。二、試驗(yàn)注意事項(xiàng)瀝青布氏旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)依照公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程JTJ0522000T0625步驟進(jìn)行，作者對(duì)所選的五種瀝青測(cè)定了其80100的高溫粘度，測(cè)定粘度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)總結(jié)如下1、BROOKFIELD粘度計(jì)有兩個(gè)溫度顯示器溫度控制顯示器和粘度計(jì)數(shù)字讀數(shù)器。大多數(shù)情況下這兩個(gè)顯示值是不一樣的。根據(jù)資料和試驗(yàn)顯示【16】，在60時(shí)兩個(gè)溫度顯示值相差達(dá)11，在135時(shí)相差25。另外，兩個(gè)溫度顯示器差值還與環(huán)境溫度有關(guān)。作者在9月份做粘度試驗(yàn)，兩個(gè)溫度顯示值相差04，在一月份相差06。所以，在做瀝青旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)時(shí)，要用標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的顯示值作對(duì)比試驗(yàn)，將標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)放入加熱爐內(nèi)，以標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的顯示值與溫控器顯示值作比較（兩個(gè)溫控器都與此比較），確定其差值，以此來(lái)修正溫控器讀數(shù)，以保證溫度設(shè)定的準(zhǔn)確性和唯一性。2、為了試驗(yàn)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，粘度計(jì)和熱容器必須用氣泡水準(zhǔn)和調(diào)平螺絲調(diào)到水平，每次試驗(yàn)前都應(yīng)檢查。3、測(cè)定粘度前應(yīng)先估計(jì)測(cè)定溫度下瀝青的粘度，選擇適合的轉(zhuǎn)子型號(hào)。對(duì)應(yīng)于每一個(gè)轉(zhuǎn)子型號(hào)，規(guī)范都給出一個(gè)適宜的試樣用量，并要求“裝入的瀝青應(yīng)浸沒轉(zhuǎn)子的筒體，且大約高于轉(zhuǎn)子筒體上部的圓錐面1/8英寸（約32MM）。然而作者在試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，按照給定的瀝青用量裝入盛樣筒，轉(zhuǎn)子下落較深，無(wú)法判定轉(zhuǎn)子的下落高度。其次，若轉(zhuǎn)子下落較深，使懸掛轉(zhuǎn)子的掛鉤正好處于加熱爐爐口，導(dǎo)致加熱爐的蓋子（有的文獻(xiàn)稱之為定位板【16】）蓋不上，致使盛樣筒瀝青溫度不均勻。所以，作者在試驗(yàn)時(shí)一般將試樣量適當(dāng)增多，使轉(zhuǎn)子進(jìn)入瀝青中時(shí)，可清楚地看到瀝青液面的位置，并使掛鉤位置稍高于爐口，加上定位板不至于影響轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)然，試樣的多少會(huì)影響粘度的測(cè)定結(jié)果，試樣多，會(huì)增大轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)阻力，使粘度值偏大，但如果試驗(yàn)時(shí)保持同樣的水平，則系統(tǒng)誤差一致，試驗(yàn)結(jié)論仍有可比性。4、轉(zhuǎn)速的選擇影響瀝青粘度的測(cè)定結(jié)果，溫度越低，瀝青越接近非牛頓體，轉(zhuǎn)速對(duì)瀝青粘度的影響越大。本課題測(cè)定瀝青80以上溫度的粘度，此時(shí)的瀝青已屬牛頓流體，轉(zhuǎn)速對(duì)測(cè)定結(jié)果影響很小。為了誤差一致，選擇規(guī)范試驗(yàn)的20RPM轉(zhuǎn)速。5、測(cè)定瀝青不同溫度的粘度通常由低到高依次測(cè)定。因?yàn)榧訜釥t升溫較快，而降溫緩慢，由低到高可以節(jié)省時(shí)間。6、溫度是影響瀝青粘度的一個(gè)決定性因素，所以為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性一定要確保試樣溫度均衡。因此，對(duì)于每一測(cè)試溫度，均需恒溫半小時(shí)，在粘度讀數(shù)穩(wěn)定的情況下才可讀數(shù)，以一分鐘為間隔記錄3個(gè)粘度值，求取平均值作為最后結(jié)果。圖43BROOKFIELD旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)示意圖43BROOKFIELD粘度試驗(yàn)結(jié)果一、BROOKFIELD粘度試驗(yàn)結(jié)果本論文采用BROOKFIELD旋轉(zhuǎn)粘度儀測(cè)定了五種瀝青80100溫度域的動(dòng)力粘度，目的是確定瀝青在水煮試驗(yàn)溫度下的粘度值，同時(shí)測(cè)定了不同旋轉(zhuǎn)速率下的粘度，結(jié)果相差不大，所以認(rèn)為此時(shí)的瀝青已屬牛頓流體。為了減少系統(tǒng)誤差，試驗(yàn)統(tǒng)一采用20RPM的轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)結(jié)果如表41所示表41瀝青BROOKFIELD旋轉(zhuǎn)粘度（PAS）試驗(yàn)結(jié)果二、粘度試驗(yàn)結(jié)果分析對(duì)瀝青的粘度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，若按指數(shù)形式回歸，即粘溫關(guān)系式為（44）BTEA式中粘度，PAS；80859095100克拉瑪依9012785335252717中海70184511372453037中海901559675622541252737日本9015194136125412813遼河1101