沥青零剪切黏度试验方法及计算模型研究

巴尔玛　李玉华

(大连理工大学道路工程研究所，辽宁 大连　116024)



沥青零剪切黏度试验方法及计算模型研究

巴尔玛李玉华

(大连理工大学道路工程研究所，辽宁 大连116024)

采用三种应力下的重复蠕变恢复试验得到的恢复柔量，确定了零剪切黏度，并对结果进行了分析，指出对高粘橡胶改性沥青来说，当应力较大时，7.5 s～8 s的恢复时间不够达到恢复柔量的恒定值,且零剪切黏度在60 ℃温度下测量数据与车辙的测量数据是相关的。

零剪切黏度，振荡试验，蠕变恢复试验，Burgers模型，Cross模型

车辙是路面的主要病害之一。近年来，由于轮胎压力和轴重的增加，车辙已成为许多国家柔性路面破坏的主导模式。根据不同层和环境条件的结构的能力，路面会有各种原因的车辙[1]。沥青结合料性能是产生车辙主要原因之一。许多研究人员已经评价过抗车辙沥青结合料，并得出不同的结论。Philips和Robertus[2]认为，车辙过程中的沥青贡献是一种永久变形，仅仅来自耗散过程的黏度。一个逻辑的问题是，要使用哪一种黏度。根据用于路面设计方法的线性假设，他们总结到零剪切黏度(η0)可能是适当的。

1　沥青零剪切黏度

零剪切黏度是一个指标，与车辙相关的两种沥青结合料特性:结合料的刚度;结合料的抗长期加载永久变形能力，沥青结合料的这两种特性对预防沥青路面的永久变形最重要。测量零剪切黏度的方法有很多，比如：振荡试验,用振荡频率接近于非常低时的复合黏度值确定零剪切;蠕变试验,为低剪切应力的“稳态黏度”确定ZSV。根据沥青结合料的类型,短或者很长时间后达到稳定状态；低频率正弦曲线的振荡测定ZSV等等[3]。黏度随剪切速率的变化趋势见图1。

2　蠕变试验确定ZSV的计算

2000年Desmazes C等人[4]提出的简单蠕变和蠕变恢复试验是得到零剪切黏度的比较新的一种方法。蠕变试验使用DSR可以确定剪切变形行为随着加载时间而增加。在低应力水平条件下随着加载时间的增加，蠕变试验中ZSV可以测量一个限制值(稳态黏度)。在沥青试样上长时间施加一个恒定剪切应力，随后卸载试样。长期蠕变试验中，延迟弹性的效果随时间减少。足够的长时间后沥青结合料的流变行为由粘性流动支配。

在蠕变试验中,施加恒量σ0剪切应力，测量应变γ与时间的函数。剪切应变与施加剪切应力之比例定义为蠕变柔量，即：

J(t)=γ(t)/σ0

(1)

图2为蠕变恢复过程中蠕变柔量J(t)与时间的函数图。蠕变和蠕变恢复阶段中，柔量可分为三个部分，其中J0是瞬时弹性阶段，J1是延迟弹性阶段和J2是粘性阶段。在蠕变阶段中得到的剪切应变与稳态部分的施加剪切应力是正比关系，因此，蠕变柔量和应力水平无关。当施加的剪切应力足够低时，黏度值和剪切应力无关。在稳态部分的柔量曲线斜率的倒数值即为ZSV，η0即：

(2)

在蠕变恢复阶段中，剪切应力被卸除，并施加到沥青的一些剪切应变逐渐恢复。从残余的柔量可得到零剪切黏度η0：

η0=tcreep/J2recovery

(3)

3　从蠕变恢复试验得到的恢复柔量确定ZSV

3.1沥青蠕变恢复试验

在60 ℃和三种应力水平条件下对高粘橡胶改性沥青进行了重复蠕变恢复试验，如表1所示为高粘橡胶改性沥青的性能[5]。沥青试件厚度为3 mm，直径为60 mm。蠕变恢复的一个周期时间是10 s，其中加载时间为2 s～2.5 s和卸载时间为7.5 s～8 s。每个试验有20个周期。

表1　沥青的性能指标

3.2沥青零剪切黏度计算

本文使用重复蠕变恢复试验确定了沥青零剪切黏度。所有的试验都是在60 ℃下做的。沥青零剪切黏度是通过蠕变恢复试验的恢复数据来计算的，该方法是由Desmazes C[4]提出。本试验中主要测试扭矩和线位移。依据试验数据，把剪切应力和应变算出来，采用MATLAB软件绘制出蠕变柔量与时间的曲线，然后用恢复柔量计算沥青零剪切黏度。

剪切应力和剪切应变按照式(4)计算：

(4)

其中，τ为沥青试件剪切应力(圆形截面的边缘处)，Pa；Ip为圆形截面的抗扭转惯性矩，mm4；T为沥青试件受到的恒定的旋转扭矩，N·m；R为沥青试件圆形截面的半径(本文R均为30 mm)。在三个不同剪切应力条件下做了蠕变恢复试验，计算过程见表2。

表2　沥青剪切应力的计算过程

应用式(5)把线位移和时间的曲线换算为应变和时间的曲线(见图3，图4)。

(5)

其中，γ为沥青试件剪切应变(圆形截面的边缘处)；S为沥青试件圆形截面的弧长,mm；h为沥青试件的厚度(本文h均为3 mm)。

J(t)=γ(t)/τ0

(6)

用式(6)来算J(t)，绘制出柔量及时间的曲线(见图5)，然后曲线上直接确定蠕变时间tcreep和粘性部分的柔量Jr(t)，并通过第二章解释的蠕变试验确定ZSV的计算方法与式(7)得到零剪切黏度η0。

(7)

表3为计算ZSV相关的参数。

表3　计算ZSV相关的参数

3.3试验结果与分析

在试验过程中，必须达到纯粹的粘性应变/柔量的阶段，被称为稳态流动。当达到这个阶段时，应变率或者柔量趋于恒定值。从

蠕变数据计算零剪切黏度之前检验了线性粘弹性的假设。对于蠕变和恢复测试，在三种应力下的蠕变和恢复测试重复几次，每个测试的柔量与其他试验叠加。从图6可以看出，在较低的应力条件下恢复柔量容易达到恒定值。对高粘橡胶改性沥青来说，应力较大的时候7.5 s～8 s的恢复时间不能达到恢复柔量的恒定值。

从试验结果上看，在相同的应力水平下的零剪切黏度值比较接近。应力水平越高零剪切黏度值也越高。从前5个周期来看,累积柔量值随着应力水平的增加不断增加，随着作用次数的增加而增加。从第5个周期之后试件开始失效。从整体来看τ02=1 966.09 Pa应力下的曲线零剪切黏度随着运行次数的增加而增加。

4　结语

本文对沥青零剪切黏度试验方法和计算模型进行研究,采用大连理工大学道路教研室自主开发的沥青扭转剪切蠕变试验仪进行蠕变恢复试验，并计算了高粘橡胶改性沥青零剪切黏度。得到的结论如下：1)从试验结果上看，在相同的应力水平下的零剪切黏度值比较接近。应力水平越高零剪切黏度值也越高。应力水平对高粘橡胶沥青的累积应变或者柔量都有一定的影响,前5个周期来看,累积柔量值随着应力水平的增加不断增加,并随着作用次数的增加而增加。2)较低的应力水平条件下，恢复柔量容易达到恒定值。对高粘橡胶沥青来说，在应力水平较高时，7.5 s～8 s的恢复时间不能达到恢复柔量的恒定值。3)测试结果的数量仍然是有限的，其他类型的沥青测试应该在未来的研究中。

[1]Morea F,Agnusdei J O,Zerbino R.Comparison of methods for measuring zero shear viscosity in asphalts[J].Materials and Structures,2010(43):499-507.

[2]Philips M C,Robertus C.Binder rheology and asphalt pavement permanent deformation:The zero shear viscosity.Eurobitume and Euroasphalt Workshop,1996.

[3]方伽俐,黄卫东.沥青结合料零剪切黏度简介[J].中外公路,2003(6):83-86.

[4]Desmazes C,Lecomte M,Lesueur D,et al.A Protocol for Reliable Measurement of Zero-Shear-Viscosity in order to Evaluatethe Anti-Rutting Performance of Binders[A].2nd Eurasphalt and Eurobitume Congress Barcelona[C].2000.

[5]郭咏梅,倪富健.几种改性沥青零剪切黏度的测试分析[J].交通运输工程与信息学报,2013(2):42-46.

Research on test methods and calculation models for asphalt zero shear viscosity

BayarmaaLi Yuhua

(InstituteofRoadEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

In this paper, the zero shear viscosity values are determined by the recovery compliance of repeated creep recovery tests at 3 kinds of stresses and the results are analyzed. For high viscosity rubber modified asphalt, when the stress is larger, the recovery time of 7.5～8 seconds is not enough to keep the constant value of compliance. And ZSV measurements at 60 ℃ would facilitate correlation with rutting measurements which are commonly performed at this temperature.

zero shear viscosity, oscillation test, creep recovery test, Burgers model, Cross model

1009-6825(2016)19-0097-02

2016-04-20

巴尔玛(1987- )，女，在读硕士；李玉华(1971- )，男，博士，副教授

TU535

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