動(dòng)態(tài)剪切流變儀試驗(yàn)影響因素研究

1、第30卷, 第2期2 005年6月中南公路工程V ol. 30,N o. 2Jun . , 2005動(dòng)態(tài)剪切流變儀試驗(yàn)影響因素研究陳華鑫, 袁迎捷, 張爭(zhēng)奇, 胡長(zhǎng)順(長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西西安710064摘要?jiǎng)討B(tài)剪切流變儀是美國(guó)SHRP 計(jì)劃中用以測(cè)試瀝青結(jié)合料的中、高溫性能的重要測(cè)試設(shè)備, 其試驗(yàn)測(cè)試精度對(duì)瀝青的PG 分級(jí)至關(guān)重要。而在測(cè)試過程中, 往往因忽略了一些限制條件而對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成很大的影響。闡述了動(dòng)態(tài)剪切流變儀的測(cè)試原理及使用限制條件、溫度、金屬平行板的選擇、高度控制等方面, 為正確使用該設(shè)備測(cè)試瀝青結(jié)合料性能提供指導(dǎo)性建議。關(guān)鍵詞動(dòng)態(tài)剪切流變儀; 線粘

2、彈性; 測(cè)試原理; 控制方法中圖分類號(hào)U 414. 1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 04I nfluencing T ests, , ZH ANG Zhengqi , HU Changshun(K ey pecial Area Highway Engineering of Ministry of Education , Chang an University , X i an710064, China Abstract The dynamic shear rheometer has been used to measure the middle and high tem perature per forman

3、ce of the asphalt binders in the US SHRP , and the results precision is very im portant to the asphalt PG grade. But in the course of test , s ome limits are often ignored and this causes serious ill influence. This paper discusses the test principle , limitations , tem perature in fluence , choice

4、of the parallel plates and height control in order to give the proper guidance of the asphalt DSR test.K ey w ords dynamic shear rheometer ; linear viscoelasticity ; test principle ; control method 動(dòng)態(tài)剪切流變儀是用來分析高分子材料流變性質(zhì)的儀器, 早在SHRP 計(jì)劃將其標(biāo)準(zhǔn)化之前, 就有人將其用來測(cè)試的瀝青流變性能。美國(guó)SHRP 計(jì)劃自1993年向全世界公布以來, 該測(cè)試方法以其良好的試驗(yàn)精度和縝

5、密的工作原理受到公路行業(yè)的普遍歡迎。然而國(guó)內(nèi)有些試驗(yàn)工作者由于不熟悉該設(shè)備試驗(yàn)限制條件, 往往使所測(cè)試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性很差。為此, 從DSR 測(cè)試原理、線粘彈性限制條件、溫度與高度控制、剪變速率和測(cè)試平行板的選擇等方面進(jìn)行分析, 為DSR 試驗(yàn)正確進(jìn)行提供必要的指導(dǎo)。圖1動(dòng)態(tài)剪切流變儀工作示意圖Figure 1W orking illustration of dynamic shear rheometer角速度而變的函數(shù), 只要剪應(yīng)力擺幅0在足夠小的范圍內(nèi), 試樣將呈線性粘彈性行為(Linear Viscoelas 2tic Behavior , 也就是說, 試樣產(chǎn)生的剪應(yīng)變, 將呈相同的擺動(dòng)

6、狀態(tài):= t -0sin (間t 微分可得剪應(yīng)變率:= cos (t -0d t(3 (21工作原理DSR 試驗(yàn)中, 將瀝青試樣置于兩金屬圓盤之間,上盤在空氣驅(qū)動(dòng)下由精密馬達(dá)控制, 以產(chǎn)生固定角速度為的擺動(dòng), 下盤則固定不動(dòng), 如圖1所示。由此對(duì)試樣產(chǎn)生的剪力為一角速度為的正弦應(yīng)力:=t 0sin (1為相位差角; 若將式(2 按時(shí)式中0為應(yīng)變振幅,在穩(wěn)定的周期性擺動(dòng)下, 試樣所受的應(yīng)力為依收稿日期20031102若試樣為完全彈性體, 設(shè)G 為其剪力模數(shù), 則:作者簡(jiǎn)介陳華鑫(1973 , 男, 安徽太湖人, 博士生, 從事公路材料檢測(cè)、試驗(yàn)研究。第2期陳華鑫, 等:動(dòng)態(tài)剪切流變儀試驗(yàn)影響因素

7、研究 143=G(4從而:=Gsin (t (5數(shù)年以后, 因此對(duì)先后經(jīng)過RTFOT 和PAV 老化的瀝青, 用DSR 測(cè)試中溫(Intermediate T em perature 時(shí)的性能, 這里的中等試驗(yàn)溫度為路面使用最低與最高溫度的平均值加4得到。SHRP 研究認(rèn)為此時(shí)3G 較低或其粘性分量較低, 則瀝青具有較強(qiáng)的流動(dòng)性而消散聚集應(yīng)力, 是抗疲勞龜裂的重要條件, 因此3選定G sin 為控制參數(shù), 此值必需在5MPa 以下。將式(5 與式(2 比較由于完全彈性特性, 0=G, 故相位角為0, 即對(duì)完全彈性體, 在該實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下, 應(yīng)力與應(yīng)變同步, 沒有相位差。若試樣為不含任何彈性的牛頓流

8、體, 則=(, 那么將式1代入可得:= (6 sin (t =cos (t -2將式(6 與式(3 ,2試驗(yàn)影響因素2. 1線粘彈性限制(Linear , 所有的流變學(xué)指標(biāo), 如果試驗(yàn)條件, 則不能采用SHRP 的指標(biāo)體系。所謂線粘彈性條件, 對(duì)DSR 而言是指通過測(cè)量, 保證復(fù)數(shù)模量下降幅度不超過5%范圍的區(qū)域。美國(guó)的大量試驗(yàn)表明, 大多數(shù)基質(zhì)瀝青和部分改性瀝青通過采用相應(yīng)的試驗(yàn)控制條件是完全可以滿足這一條件的。為了滿足上述要求, 在進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)(DSR 時(shí), 克服瀝青試樣邊界效應(yīng)的影響, 一般瀝青的載物板不宜采用圓錐等不規(guī)則形狀, 而是采用上下兩個(gè)平行的金屬板。同時(shí)試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)試樣高

9、度不宜過小, 如果瀝青約束限制過大, 則其線粘彈性范圍就不再存在。最后比較試驗(yàn)表明選擇12mm 是合適的。另外, 試驗(yàn)的剪變速率增大, 瀝青的復(fù)數(shù)模量減小, 其線粘彈性特性也將下降。因此, 試驗(yàn)時(shí)采用較低的剪變率是保證瀝青處于線粘彈性范圍的必要條件之一; 振幅頻率增大, 復(fù)數(shù)模量也相應(yīng)降低。為此通過大量試驗(yàn)SHRP 計(jì)劃中采用的振動(dòng)頻率=10rad s , 對(duì)原樣瀝青、短期老化和PAV 老化后的瀝相位差為90。090之間。除相位角外, 試驗(yàn)中另一重要的測(cè)量值為剪應(yīng)力與剪應(yīng)變的振幅比, 類似于一般靜態(tài)試驗(yàn)的應(yīng)力與應(yīng)變的比值, 為區(qū)別起見, 此參數(shù)稱之為動(dòng)剪力模數(shù)(Dynamic Shear M

10、odulus 或復(fù)剪切模數(shù)(量 (C om 23plex Shear M odulus , 以G 表示:G3=0(7為此, 應(yīng)力和應(yīng)變可用數(shù)學(xué)上的復(fù)數(shù)平面的向量或下面式子來表示:t i=(8 =t +sin t 0e 0(cos i (t -= +=t -0e 0cos(sin (t -3(9試驗(yàn)中只需得到復(fù)數(shù)模量G 和相位角即可, 由此可得復(fù)數(shù)模量在復(fù)數(shù)平面內(nèi)的兩個(gè)量G 和G , 即:33=G +iG (10 G =G (cos +i sin 3式中:彈性部分(儲(chǔ)存模數(shù) G =cos =G cos 。03粘性部分(損失模數(shù) G =sin =G sin 。0對(duì)于瀝青材料大都含有延遲特性, 不能

11、簡(jiǎn)單用的G 和G 分別代表其彈性和粘性分量。為此SHRP 研究認(rèn)為瀝青材料復(fù)數(shù)模量較高和粘性分量3較低, 是抗永久變形的重要條件, 因此選定G sin 為抗車轍性能的主要參數(shù)。對(duì)原始瀝青和RTFOT青殘?jiān)湓囼?yàn)的剪變率分別采用12%、10%和1%。研究表明, 目前的SHRP 規(guī)范體系不適用于改性瀝青, 甚至于對(duì)一些通過氧化等復(fù)雜工藝加工的“復(fù)雜瀝青”, 該指標(biāo)體系也不能滿足實(shí)際的需要。根據(jù)上面的分析, 不難發(fā)現(xiàn)對(duì)于改性瀝青等復(fù)雜瀝青, 其流變特性已發(fā)生了改變, 如果再按照原來的實(shí)驗(yàn)方法去進(jìn)行試驗(yàn), 顯然是不能滿足瀝青線粘彈性范圍要求的。這可以通過加大瀝青膜間距(asphalt gaps 或減小

12、剪變速率等措施來改善現(xiàn)有試驗(yàn)缺陷。2. 2平行金屬板的選擇在選擇金屬平板時(shí), 目前通常采用的方法是:當(dāng)試驗(yàn)溫度高于52采用直徑為25mm 的金屬板, 瀝青膜厚度控制在1mm ; 當(dāng)試驗(yàn)溫度在734的低溫時(shí), 則采用直徑為8mm 的金屬板, 瀝青厚度22后的瀝青進(jìn)行DSR 試驗(yàn), 在預(yù)計(jì)的高溫下測(cè)得G sin 要求該值在1. 0kPa (原始瀝青 和2. 2kPa (RT 2FOT 后瀝青 以上。疲勞破壞一般發(fā)生在路面使用3144中南公路工程第30卷。但這一規(guī)定對(duì)有些瀝青未必合適。由于動(dòng)態(tài)剪切流變儀測(cè)試原理是建立在線粘彈性條件基礎(chǔ)上的, 當(dāng)瀝青處于較高溫度時(shí), 較易接近mm1平行板做試驗(yàn), 復(fù)數(shù)

13、模量166kPa , 按美國(guó)SHRP 規(guī)定應(yīng)宜于采用8mm 平行板, 瀝青厚度用2mm 控制為好。因此, 在試驗(yàn)中除了要考慮試驗(yàn)測(cè)試溫度外, 尚需考慮復(fù)數(shù)模量的測(cè)試范圍。2. 3瀝青膜厚度控制如上所述, 試驗(yàn)中應(yīng)滿足線粘彈性范圍的要求, 其中控制瀝青膜間距(asphalt gaps 是一項(xiàng)有效的措施之一。因?yàn)楫?dāng)測(cè)試瀝青膜厚度過小, 由于金屬平行板的邊界條件影響, 測(cè)試的并不是瀝青自身的特性, ; 當(dāng)瀝青膜厚度, , 所以控制瀝青膜厚度至關(guān)重要。為討論瀝青膜厚度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響, 選擇兩種原樣基質(zhì)瀝青和兩種改性瀝青采用應(yīng)變控制模式進(jìn)行試驗(yàn), =12%, =10%, 采用25mm 的平行板, 改變

14、瀝青膜厚度, 結(jié)果見表1。由圖2、圖3所示, 在不同的溫度下, 瀝青的復(fù)線粘彈性條件, 但在低溫或中等溫度時(shí)屬于完全彈性或粘塑性。同時(shí)普通瀝青處于線粘彈性的溫度下, 改性瀝青卻仍處于粘塑性狀態(tài)。所以一概采用試驗(yàn)溫度來確定金屬平板和瀝青厚度顯然是不合適的。美國(guó)SHRP 計(jì)劃中, 除了由溫度來確定平板直徑和瀝青厚度外, 還有一種方法:用材料的模量來控制。首先根據(jù)試驗(yàn)溫度, 初選平行板尺寸, 即當(dāng)溫度在535時(shí), 采用8mm 的平行板; 溫度高于35時(shí), 則采用25mm 的平行板, 5在1101; 模量值在135510110Pa 時(shí)用25mm 的平板。顯然由這種方法確定平板尺寸要合理得多。在改性瀝青

15、中等溫度試驗(yàn)中, 如46時(shí), 某S BS 改性瀝青采用25mm表1瀝青膜厚度與DSR 試驗(yàn)參數(shù)間的關(guān)系T able 1Relationship between asphalt film thickness and DSR test parameters試樣d mm40G 3526476( 77. 676. 976. 376. 376. 175. 972. 270. 367. 573. 172. 568. 3G 3( 82. 982. 281. 975. 880. 778. 974. 577. 876. 179. 378. 876. 8G 3( 86. 385. 885. 685. 184. 8

16、85. 377. 582. 981. 683. 983. 882. 5G 3( 88. 488. 588. 987. 587. 588. 487. 28685. 686. 086. 385. 8 克拉瑪依0. 5120. 5120. 5120. 51299. 931. 614. 6216. 973. 229. 1014963. 2530. 111529. 4518. 719. 362. 6746. 916. 97. 2333. 710. 86. 5825. 76. 984. 054. 731. 450. 6810. 73. 531. 408. 642. 651. 647. 081. 791.

17、011. 460. 440. 194. 831. 180. 702. 680. 790. 482. 480. 580. 32蘭煉S BS 改性S BR 改性數(shù)模量均隨瀝青厚度的增加而降低, 但減小的幅度不斷減弱, 由圖2可見, 當(dāng)厚度在1mm 左右其復(fù)數(shù)模量出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折區(qū), 表明對(duì)原瀝青(本研究?jī)H對(duì)原樣瀝青進(jìn)行了測(cè)試 采用1mm 的瀝青厚度時(shí)復(fù)數(shù)模量趨于穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果還表明, 相位角在低溫時(shí), 瀝青厚度增大, 普通瀝青和改性瀝青的相位角均有所減小; 而在高溫時(shí), 普通瀝青的相位角有增大的趨勢(shì), 改性瀝青變化規(guī)律不明確。相位角只是彈性和粘性的相對(duì)指標(biāo) , 值越大, 粘性越大, 彈性越小。瀝青

18、膜厚度較薄時(shí), 受平行板的限制, 測(cè)試的不是瀝青自身的流變性能, 無論是粘性還是彈性都受到制約, 而在溫度較低時(shí), 瀝青則以彈性性質(zhì)為主, 所以厚度增加后, 瀝青的彈性優(yōu)勢(shì)立即得以恢復(fù), 表現(xiàn)為相位角隨厚度增加而減小; 而在高溫時(shí), 相反瀝青的粘性占主要, 厚度增加, 粘性性能得以最大釋放, 所以一般情況相位角隨瀝青膜厚度增大而稍有增加, 但增加幅度并不明顯。高溫時(shí)對(duì)改性瀝青由于有高圖240、76時(shí)復(fù)數(shù)模量同瀝青膜厚度間的關(guān)系Figure 2Relationship between com plex m odulus and asphaltfilm thickness at 40and 76

19、第2期陳華鑫, 等:動(dòng)態(tài)剪切流變儀試驗(yàn)影響因素研究145改性對(duì)瀝青作用的結(jié)果, 具體應(yīng)根據(jù)改性劑在瀝青2中的分散結(jié)構(gòu)來定。由試驗(yàn)可知, 厚度對(duì)復(fù)數(shù)模量影響最明顯, 而對(duì)相位角影響較小, 為此對(duì)sin 的影響也就更小。因此試驗(yàn)中主要考慮瀝青膜厚度對(duì)復(fù)數(shù)模量的影響, 且應(yīng)嚴(yán)格控制瀝青膜厚度。2. 4剪變速率的影響為了考察剪變速率的影響, 分別測(cè)試了改性瀝青和普通瀝青的流變指標(biāo)隨著剪變率變化的情況, 結(jié)果如表2所示, 圖4與圖564時(shí)改性瀝, 其圖340和76時(shí)相位角同瀝青膜厚度間的關(guān)系Figure 3Relationship between phase angle and asphaltfilm

20、thickness at 40and 76聚物的存在, 其彈性作用對(duì)瀝青的性質(zhì)影響較明顯, 厚度增加后, 其粘、彈兩方面性能同時(shí)得到釋放, 但要看二者的共同效果, 故其變化規(guī)律不明確, 溫度與瀝青與參數(shù)S BSG40K LMY 17872. 918716973. 517616274. 116815574. 716013775. 3141S BS 47. 470. 150. 44671. 248. 64572. 247. 343. 5 73. 245. 542. 274. 143. 916667. 617916417668. 516169. 517215470. 516414171. 21495

21、2K LMY 30. 978. 331. 529. 878. 530. 529. 378. 729. 928. 87929. 428. 379. 328. 8S BS 13. 772. 314. 313. 373. 913. 81375. 213. 412. 576. 412. 812. 277. 212. 564K LMY 9. 0482. 49. 127. 8782. 87. 937. 7482. 97. 87. 6783. 17. 727. 5983. 37. 65S BS 6. 9262. 57. 86. 0865. 46. 695. 6968. 36. 125. 3970. 65.

22、725. 1672. 55. 4176K LMY 1. 9686. 11. 971. 9286. 21. 921. 8986. 3 1. 891. 8786. 31. 881. 8586. 41. 866%G sin G12%G sin G18%G sin G24%G sin G30%G sin 瀝青的影響。隨著剪變率的增大, 復(fù)數(shù)模量G 和G sin 均減小, 而相位角卻增大; 這表明瀝青是一非線性材料, 其流變參數(shù), 隨著剪變率是變化的, 而且剪變率越大, 瀝青的粘性成分增強(qiáng)(增大 , 因而在相同荷載作用下, 相位角越大, 則不可恢復(fù)(永久 變形越大。溫度對(duì)流變參數(shù)的影響最大, 如圖8和圖

23、9所示。溫度越高, 參數(shù)對(duì)剪變率的響應(yīng)越明顯, 表明瀝青在高溫時(shí)其非線性特性也越顯著。改性瀝青對(duì)剪變速率的變化反應(yīng)最敏感, 如圖6和圖7所示。其參數(shù)值對(duì)溫度、剪變率的響應(yīng), 實(shí)際表明了改性瀝青的非牛頓液體特性越顯著。瀝青材料只有在高溫時(shí)才可視為牛頓液體, 一般情況下是一種“剪切減弱”的材料, 即剪切速率增大, 瀝青層間剪應(yīng)力卻減小, 為此瀝青隨著增加, 其33圖464時(shí)G 關(guān)系曲線Figure 4Relationship curve of G -at 64圖564時(shí)關(guān)系曲線Figure 5Relationship curve of -at 64(下轉(zhuǎn)第164頁(yè) 164中南公路工程第30卷輛出行

24、總公里數(shù)為各自衡量標(biāo)準(zhǔn)的兩個(gè)目標(biāo)函數(shù), 利用費(fèi)用系數(shù)和工資系數(shù)把兩者統(tǒng)一為單目標(biāo)函數(shù), 并采用時(shí)間步長(zhǎng)法對(duì)公交調(diào)度方案進(jìn)行了模擬仿真。最后運(yùn)用該模型進(jìn)行實(shí)例分析, 驗(yàn)證了模型的實(shí)用性。 該數(shù)學(xué)模型較好地解決了現(xiàn)有公交調(diào)度無法同時(shí)反映乘客和公交公司兩者利益, 為運(yùn)輸部門的公交調(diào)度提供了一種比較好的解決辦法, 具有一定的實(shí)際推廣意義。圖5上下行總分布對(duì)比曲線圖站A0有42輛, 下行發(fā)車起點(diǎn)站A17站有9輛。根據(jù)每趟車的發(fā)車時(shí)間和乘客等待時(shí)間可以計(jì)算出典 型工作日內(nèi)的乘客平均等待時(shí)間, 581壽紀(jì)麟. ,2000, (4 :. :,2003, (1 :315318. . M.成都:西南交通大學(xué)出版社

25、,1999,745結(jié)語(yǔ)(上接第145頁(yè)76. 4揚(yáng)新苗. 公交線路客流模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型J.公路交通科技,2000, (8 .瀝青、短期老化殘?jiān)€是壓力老化的殘?jiān)鼇磉x擇, 而是應(yīng)根據(jù)測(cè)試中復(fù)數(shù)模量的范圍來定, 這樣更加符合線粘彈性要求, 避免邊界效應(yīng)影響, 即當(dāng)模量在15710110Pa 時(shí)選用8mm 平板; 模量值在13510110Pa 時(shí)用25mm 的平板。瀝青膜厚度對(duì)復(fù)數(shù)模量測(cè)試結(jié)果影響很大,為6%圖6時(shí)相位角與溫度關(guān)系曲線Figure 6Relationship curve of phase angle andtem perature when is 6%厚度過薄, 易受平行板的邊界條件限制, 不能真實(shí)反 映瀝青層間作用性能; 對(duì)相位角而言, 瀝青膜厚度變化后對(duì)其有影響, 但不明顯。總之, 試驗(yàn)中應(yīng)嚴(yán)格控制瀝青