行業(yè)資訊
當(dāng)瀝青遇到流變儀
流變儀是用于測定物質(zhì)流變性能的儀器，流變性質(zhì)則是某一種物質(zhì)對外力表現(xiàn)為彈性和粘性雙重特性，即粘彈性。其中，粘性對應(yīng)物質(zhì)的流動，與物質(zhì)本身固有的性質(zhì)有關(guān)，為非可逆變形過程；對某一物體外加壓力，其內(nèi)部各部分的形狀和體積發(fā)生的變化則為彈性，是可逆的變形過程。
流變儀的“世界”
流變儀分為旋轉(zhuǎn)流變儀、毛細(xì)管流變儀、轉(zhuǎn)矩流變儀和界面流變儀。其中，旋轉(zhuǎn)流變儀應(yīng)用最廣，適用于非牛頓流體（不滿足牛頓黏性實驗定律的流體，即其剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變之間不是線性關(guān)系的流體，如石油、瀝青、油漆、涂料）的測試。旋轉(zhuǎn)流變儀是在穩(wěn)定或變速情況下測量扭矩，用夾具因子將物理量轉(zhuǎn)化為流變學(xué)的參數(shù)，根據(jù)夾具的不同，可以測定不同粘度的樣品。
毛細(xì)管流變儀和轉(zhuǎn)矩流變儀主要用于測定高聚物的流變性能。毛細(xì)管流變儀可測定高聚物熔體的粘度及粘流活化性，轉(zhuǎn)矩流變儀可測定高聚物的熱穩(wěn)定性、剪切穩(wěn)定性、流動和固化行為，其最大特點是能在類似實際加工過程中，連續(xù)、準(zhǔn)確、可靠地對體系的流變性能進(jìn)行測定。這兩種流變儀與旋轉(zhuǎn)流變儀相比，可測定樣品的范圍相對較小。
界面流變儀不同于上述三種流變儀，是用于測定界面粘彈性的儀器。根據(jù)工作方式不同可以分為界面擴張流變儀、界面剪切流變儀和界面膨脹流變儀。界面擴張流變儀是通過使用微量注射器，在溶液中注入一個懸掛的氣泡或液滴，從而構(gòu)建氣液界面或液液界面，通過氣泡或液滴體積的周期變化，將物理量轉(zhuǎn)化為流變學(xué)參數(shù)，可以得到擴張模量、粘性（彈性）模量、相角。界面剪切流變儀和界面膨脹流變儀則是在一個溶液槽內(nèi)構(gòu)建上下兩層接觸的界面，前者與旋轉(zhuǎn)流變儀類似，通過轉(zhuǎn)子剪切進(jìn)行測定，后者則是通過吊片在界面上提拉，由吊片重量的變化，轉(zhuǎn)換得到流變學(xué)參數(shù)。
旋轉(zhuǎn)流變儀和界面流變儀，在瀝青和乳化瀝青研究中有較為廣泛的應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)流變儀除了可以測定美國公路戰(zhàn)略研究計劃性能指標(biāo)（以下簡稱“SHRP性能指標(biāo)”)中車轍因子和疲勞因子外，通過考察瀝青或乳化瀝青殘留物的復(fù)合模量和相角，可以用于評價瀝青的改性效果、瀝青老化情況，以及乳化瀝青的穩(wěn)定性和施工和易性。界面流變儀在原油乳狀液中的應(yīng)用十分廣泛，因此同樣適用于相近體系即乳化瀝青的測試，根據(jù)界面張力、擴張模量和相角的數(shù)據(jù)，可以得到乳化劑的乳化能力以及乳化瀝青的穩(wěn)定性等信息。
流變儀試驗下的瀝青
瀝青為非牛頓流體，因此可以通過旋轉(zhuǎn)流變儀測定得到復(fù)合模量G*、儲能模量G’、損耗模量G”和相角δ。G*為瀝青總的抵抗變形能力，G’對應(yīng)彈性（可恢復(fù)）性能，而G”對應(yīng)粘性（不可恢復(fù)）性能。δ為形變落后于應(yīng)變變化的角頻率，tanδ為G”與G’的比值，稱為損耗因子。G’、G”、δ隨溫度變化的一般趨勢，測定樣品為中海90#瀝青?？梢钥吹紾’和G”在1.6攝氏度處出現(xiàn)交點。該點稱為凝膠點。在凝膠點之前，中海90#瀝青的儲能模量比損耗模量大，此時中海90#瀝青主要表現(xiàn)為彈性的性質(zhì)；凝膠點之后，中海90#瀝青的損耗模量更大，此時主要表現(xiàn)為粘性的性質(zhì)。在整個測試溫度范圍內(nèi)，相角隨著溫度升高而增大，也就是說中海90#瀝青的彈性成分越高，相角越小，粘性成分越高則相角越大。根據(jù)模量大小、彈性和粘性成分的變化，便可以指示出瀝青的力學(xué)性能；根據(jù)不同的測試溫度范圍，也可以得到瀝青在不同溫度區(qū)（低溫、中溫、高溫區(qū)）的力學(xué)性能；根據(jù)不同剪切頻率的變化，可以看出車速和荷載對瀝青性能的影響。
SHRP性能指標(biāo)中的車轍因子G*(sinδ)-1和疲勞因子G*sinδ的測定使用的動態(tài)剪切流變儀（DSR）即為旋轉(zhuǎn)流變儀。G*(sinδ)-1代表瀝青的高溫抗車轍指標(biāo)，G*sinδ代表瀝青的中溫耐疲勞指標(biāo)。然而，對于某些等級較高的瀝青和改性瀝青不能采用車轍因子進(jìn)行有效分級。隨后，國外的研究者對車轍因子的修正開展了大量研究，陸續(xù)出現(xiàn)了粘性勁度模量Gv，60攝氏度零剪切粘度和改進(jìn)型車轍因子G*(sinδ)-9。長安大學(xué)的陳華鑫課題組，考察了這些指標(biāo)對SBS改性瀝青的適用性，結(jié)果表明G*(sinδ)-9作為改性瀝青高溫評價指標(biāo)更加合理。雖然車轍因子的應(yīng)用具有局限性，但是由于旋轉(zhuǎn)流變儀所能提供的參數(shù)十分豐富，使用該設(shè)備仍然可以提供瀝青混合料力學(xué)性能方面的信息。現(xiàn)在，已有研究者使用旋轉(zhuǎn)流變儀開展了聚合物改性瀝青、無機黏土改性瀝青的性能研究，考察添加不同改性劑和摻量下，復(fù)合模量G*和相角δ隨溫度的變化，根據(jù)模量增大的趨勢以及相角的平臺區(qū)，可得到改性瀝青的改性效果以及內(nèi)部是否形成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
不僅如此，旋轉(zhuǎn)流變儀在乳化瀝青的相關(guān)研究中也得到應(yīng)用。國外已有報道表明，乳化瀝青的性能如穩(wěn)定性、施工和易性均與其流變性能、界面粘彈性等相關(guān)。然而這部分的研究還未全面展開，僅有一些相似體系的研究報道。梅卡多（Mercado）等使用流變儀考察了陽離子型乳液的黏度變化，推測油滴在沙子表面的吸附過程是首先在其表面發(fā)生了聚并。努涅斯（Nunez）等研究了乳化劑濃度、油滴粒徑大小和分布對流變行為的影響，結(jié)果顯示油滴粒徑成雙峰分布的體系具有更好的穩(wěn)定能力。馬拉斯托紐（Marasteanu）和克利尼（Clyne）通過流變測試方法，研究了不同老化時間和方式下乳化瀝青殘留物的性能，通過對比得到不同老化方式下殘留物性能的好壞。由此看出，流變測試方法可有效應(yīng)用于乳化瀝青體系，但其結(jié)果對實際應(yīng)用的指導(dǎo)作用還有待開發(fā)。因此，旋轉(zhuǎn)流變儀可以提供的信息不止是幾個SHRP指標(biāo)，而是可以作為一種檢測和評價瀝青及乳化瀝青的有效手段。
“看見”乳化瀝青的界面粘彈性
界面流變儀雖然在道路工程中尚未應(yīng)用，但是在相近領(lǐng)域——石油化工中的應(yīng)用則十分廣泛，可有效用于研究原油乳狀液的性能。不同類型乳化劑，在不同原油模擬油水界面上的吸附行為，很好地反映了實際體系中原油乳狀液的穩(wěn)定性及力學(xué)性能。施皮克爾（Spiecker）和基爾帕特里克（Kilpatrick）通過瀝青質(zhì)在模擬油水界面上界面膜的粘彈性變化，進(jìn)行了吸附動力學(xué)研究，得到界面膜的力學(xué)性能等信息。范（Fan）等使用界面流變和界面張力研究了瀝青質(zhì)和非離子型乳化劑在模擬油水界面上的吸附狀態(tài)，得到了界面膜結(jié)構(gòu)及其力學(xué)強度?？担↘ang）等研究了聚合物和乳化劑在原油水界面上的吸附機制，發(fā)現(xiàn)乳化劑主要降低界面張力，而聚合物則增強界面膜彈性，聚合物對乳液穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)更大?；谠团c瀝青、原油乳狀液與乳化瀝青的相似性，以及兩個體系均存在乳化劑，以上研究工作可為道路工程中乳化瀝青的研究提供很好的借鑒。
筆者所在的課題組使用界面流變儀開展了探索性試驗，測試了乳化劑的界面張力和乳化瀝青的界面粘彈性隨復(fù)配乳化劑配比和濃度的變化趨勢。結(jié)果顯示，乳化劑配比對乳化劑的界面活性、乳化瀝青的擴張模量和相角均有顯著影響，根據(jù)低界面張力，可以確定乳化劑的乳化能力，根據(jù)高擴張模量和低相角，可以確定乳化瀝青的穩(wěn)定性強弱，該結(jié)果與乳化瀝青的乳化效果和儲存穩(wěn)定性的測試結(jié)果規(guī)律一致。
隨著流變儀在道路工程中越來越多地使用，這種測試手段也會逐漸引起大家的重視。其中，旋轉(zhuǎn)流變儀和界面流變儀為科研人員提供了瀝青及乳化瀝青性能方面的重要信息，可以用于檢測、評價其路用性能。然而，這些研究工作仍處于研究初期，倘若通過大量的數(shù)據(jù)整合，構(gòu)建流變學(xué)參數(shù)與路用性能各指標(biāo)之間的相關(guān)性，提出具體的性能指標(biāo)，那么流變儀的作用將會更好地發(fā)揮，可以補充、完善瀝青和乳化瀝青的性能規(guī)范，完成從針入度規(guī)范和粘度規(guī)范向性能規(guī)范的轉(zhuǎn)變。
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