动态剪切流变仪试验影响因素研究

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动态剪切流变仪试验影响因素研究陈华鑫, 袁迎捷, 张争奇, 胡长顺(长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室, 陕西西安710064摘要动态剪切流变仪是美国SHRP 计划中用以测试沥青结合料的中、高温性能的重要测试设备, 其试验测试精度对沥青的PG 分级至关重要。而在测试过程中, 往往因忽略了一些限制条件而对试验结果造成很大的影响。阐述了动态剪切流变仪的测试原理及使用限制条件、温度、金属平行板的选择、高度控制等方面, 为正确使用该设备测试沥青结合料性能提供指导性建议。关键词动态剪切流变仪; 线粘

2、弹性; 测试原理; 控制方法中图分类号U 414. 1文献标识码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 动态剪切流变仪是用来分析高分子材料流变性质的仪器, 早在SHRP 计划将其标准化之前, 就有人将其用来测试的沥青流变性能。美国SHRP 计划自1993年向全世界公布以来, 该测试方法以其良好的试验精度和缜

5、密的工作原理受到公路行业的普遍欢迎。然而国内有些试验工作者由于不熟悉该设备试验限制条件, 往往使所测试的试验数据可靠性很差。为此, 从DSR 测试原理、线粘弹性限制条件、温度与高度控制、剪变速率和测试平行板的选择等方面进行分析, 为DSR 试验正确进行提供必要的指导。图1动态剪切流变仪工作示意图Figure 1W orking illustration of dynamic shear rheometer角速度而变的函数, 只要剪应力摆幅0在足够小的范围内, 试样将呈线性粘弹性行为(Linear Viscoelas 2tic Behavior , 也就是说, 试样产生的剪应变, 将呈相同的摆动

6、状态:= t -0sin (间t 微分可得剪应变率:= cos (t -0d t(3 (21工作原理DSR 试验中, 将沥青试样置于两金属圆盘之间,上盘在空气驱动下由精密马达控制, 以产生固定角速度为的摆动, 下盘则固定不动, 如图1所示。由此对试样产生的剪力为一角速度为的正弦应力:=t 0sin (1为相位差角; 若将式(2 按时式中0为应变振幅,在稳定的周期性摆动下, 试样所受的应力为依收稿日期20031102若试样为完全弹性体, 设G 为其剪力模数, 则:作者简介陈华鑫(1973 , 男, 安徽太湖人, 博士生, 从事公路材料检测、试验研究。第2期陈华鑫, 等:动态剪切流变仪试验影响因素

7、研究 143=G(4从而:=Gsin (t (5数年以后, 因此对先后经过RTFOT 和PAV 老化的沥青, 用DSR 测试中温(Intermediate T em perature 时的性能, 这里的中等试验温度为路面使用最低与最高温度的平均值加4得到。SHRP 研究认为此时3G 较低或其粘性分量较低, 则沥青具有较强的流动性而消散聚集应力, 是抗疲劳龟裂的重要条件, 因此3选定G sin 为控制参数, 此值必需在5MPa 以下。将式(5 与式(2 比较由于完全弹性特性, 0=G, 故相位角为0, 即对完全弹性体, 在该实验状态下, 应力与应变同步, 没有相位差。若试样为不含任何弹性的牛顿流

8、体, 则=(, 那么将式1代入可得:= (6 sin (t =cos (t -2将式(6 与式(3 ,2试验影响因素2. 1线粘弹性限制(Linear , 所有的流变学指标, 如果试验条件, 则不能采用SHRP 的指标体系。所谓线粘弹性条件, 对DSR 而言是指通过测量, 保证复数模量下降幅度不超过5%范围的区域。美国的大量试验表明, 大多数基质沥青和部分改性沥青通过采用相应的试验控制条件是完全可以满足这一条件的。为了满足上述要求, 在进行动态剪切流变试验(DSR 时, 克服沥青试样边界效应的影响, 一般沥青的载物板不宜采用圆锥等不规则形状, 而是采用上下两个平行的金属板。同时试验还发现试样高

9、度不宜过小, 如果沥青约束限制过大, 则其线粘弹性范围就不再存在。最后比较试验表明选择12mm 是合适的。另外, 试验的剪变速率增大, 沥青的复数模量减小, 其线粘弹性特性也将下降。因此, 试验时采用较低的剪变率是保证沥青处于线粘弹性范围的必要条件之一; 振幅频率增大, 复数模量也相应降低。为此通过大量试验SHRP 计划中采用的振动频率=10rad s , 对原样沥青、短期老化和PAV 老化后的沥相位差为90。090之间。除相位角外, 试验中另一重要的测量值为剪应力与剪应变的振幅比, 类似于一般静态试验的应力与应变的比值, 为区别起见, 此参数称之为动剪力模数(Dynamic Shear M

10、odulus 或复剪切模数(量 (C om 23plex Shear M odulus , 以G 表示:G3=0(7为此, 应力和应变可用数学上的复数平面的向量或下面式子来表示:t i=(8 =t +sin t 0e 0(cos i (t -= +=t -0e 0cos(sin (t -3(9试验中只需得到复数模量G 和相位角即可, 由此可得复数模量在复数平面内的两个量G 和G , 即:33=G +iG (10 G =G (cos +i sin 3式中:弹性部分(储存模数 G =cos =G cos 。03粘性部分(损失模数 G =sin =G sin 。0对于沥青材料大都含有延迟特性, 不能

11、简单用的G 和G 分别代表其弹性和粘性分量。为此SHRP 研究认为沥青材料复数模量较高和粘性分量3较低, 是抗永久变形的重要条件, 因此选定G sin 为抗车辙性能的主要参数。对原始沥青和RTFOT青残渣其试验的剪变率分别采用12%、10%和1%。研究表明, 目前的SHRP 规范体系不适用于改性沥青, 甚至于对一些通过氧化等复杂工艺加工的“复杂沥青”, 该指标体系也不能满足实际的需要。根据上面的分析, 不难发现对于改性沥青等复杂沥青, 其流变特性已发生了改变, 如果再按照原来的实验方法去进行试验, 显然是不能满足沥青线粘弹性范围要求的。这可以通过加大沥青膜间距(asphalt gaps 或减小

12、剪变速率等措施来改善现有试验缺陷。2. 2平行金属板的选择在选择金属平板时, 目前通常采用的方法是:当试验温度高于52采用直径为25mm 的金属板, 沥青膜厚度控制在1mm ; 当试验温度在734的低温时, 则采用直径为8mm 的金属板, 沥青厚度22后的沥青进行DSR 试验, 在预计的高温下测得G sin 要求该值在1. 0kPa (原始沥青 和2. 2kPa (RT 2FOT 后沥青 以上。疲劳破坏一般发生在路面使用3144中南公路工程第30卷。但这一规定对有些沥青未必合适。由于动态剪切流变仪测试原理是建立在线粘弹性条件基础上的, 当沥青处于较高温度时, 较易接近mm1平行板做试验, 复数

13、模量166kPa , 按美国SHRP 规定应宜于采用8mm 平行板, 沥青厚度用2mm 控制为好。因此, 在试验中除了要考虑试验测试温度外, 尚需考虑复数模量的测试范围。2. 3沥青膜厚度控制如上所述, 试验中应满足线粘弹性范围的要求, 其中控制沥青膜间距(asphalt gaps 是一项有效的措施之一。因为当测试沥青膜厚度过小, 由于金属平行板的边界条件影响, 测试的并不是沥青自身的特性, ; 当沥青膜厚度, , 所以控制沥青膜厚度至关重要。为讨论沥青膜厚度对测试结果的影响, 选择两种原样基质沥青和两种改性沥青采用应变控制模式进行试验, =12%, =10%, 采用25mm 的平行板, 改变

14、沥青膜厚度, 结果见表1。由图2、图3所示, 在不同的温度下, 沥青的复线粘弹性条件, 但在低温或中等温度时属于完全弹性或粘塑性。同时普通沥青处于线粘弹性的温度下, 改性沥青却仍处于粘塑性状态。所以一概采用试验温度来确定金属平板和沥青厚度显然是不合适的。美国SHRP 计划中, 除了由温度来确定平板直径和沥青厚度外, 还有一种方法:用材料的模量来控制。首先根据试验温度, 初选平行板尺寸, 即当温度在535时, 采用8mm 的平行板; 温度高于35时, 则采用25mm 的平行板, 5在1101; 模量值在135510110Pa 时用25mm 的平板。显然由这种方法确定平板尺寸要合理得多。在改性沥青

15、中等温度试验中, 如46时, 某S BS 改性沥青采用25mm表1沥青膜厚度与DSR 试验参数间的关系T able 1Relationship between asphalt film thickness and DSR test parameters试样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 克拉玛依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兰炼S BS 改性S BR 改性数模量均随沥青厚度的增加而降低, 但减小的幅度不断减弱, 由图2可见, 当厚度在1mm 左右其复数模量出现了明显的转折区, 表明对原沥青(本研究仅对原样沥青进行了测试 采用1mm 的沥青厚度时复数模量趋于稳定。试验结果还表明, 相位角在低温时, 沥青厚度增大, 普通沥青和改性沥青的相位角均有所减小; 而在高温时, 普通沥青的相位角有增大的趋势, 改性沥青变化规律不明确。相位角只是弹性和粘性的相对指标 , 值越大, 粘性越大, 弹性越小。沥青

18、膜厚度较薄时, 受平行板的限制, 测试的不是沥青自身的流变性能, 无论是粘性还是弹性都受到制约, 而在温度较低时, 沥青则以弹性性质为主, 所以厚度增加后, 沥青的弹性优势立即得以恢复, 表现为相位角随厚度增加而减小; 而在高温时, 相反沥青的粘性占主要, 厚度增加, 粘性性能得以最大释放, 所以一般情况相位角随沥青膜厚度增大而稍有增加, 但增加幅度并不明显。高温时对改性沥青由于有高图240、76时复数模量同沥青膜厚度间的关系Figure 2Relationship between com plex m odulus and asphaltfilm thickness at 40and 76

19、第2期陈华鑫, 等:动态剪切流变仪试验影响因素研究145改性对沥青作用的结果, 具体应根据改性剂在沥青2中的分散结构来定。由试验可知, 厚度对复数模量影响最明显, 而对相位角影响较小, 为此对sin 的影响也就更小。因此试验中主要考虑沥青膜厚度对复数模量的影响, 且应严格控制沥青膜厚度。2. 4剪变速率的影响为了考察剪变速率的影响, 分别测试了改性沥青和普通沥青的流变指标随着剪变率变化的情况, 结果如表2所示, 图4与图564时改性沥, 其图340和76时相位角同沥青膜厚度间的关系Figure 3Relationship between phase angle and asphaltfilm

20、thickness at 40and 76聚物的存在, 其弹性作用对沥青的性质影响较明显, 厚度增加后, 其粘、弹两方面性能同时得到释放, 但要看二者的共同效果, 故其变化规律不明确, 温度与沥青与参数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 沥青的影响。随着剪变率的增大, 复数模量G 和G sin 均减小, 而相位角却增大; 这表明沥青是一非线性材料, 其流变参数, 随着剪变率是变化的, 而且剪变率越大, 沥青的粘性成分增强(增大 , 因而在相同荷载作用下, 相位角越大, 则不可恢复(永久 变形越大。温度对流变参数的影响最大, 如图8和图

23、9所示。温度越高, 参数对剪变率的响应越明显, 表明沥青在高温时其非线性特性也越显著。改性沥青对剪变速率的变化反应最敏感, 如图6和图7所示。其参数值对温度、剪变率的响应, 实际表明了改性沥青的非牛顿液体特性越显著。沥青材料只有在高温时才可视为牛顿液体, 一般情况下是一种“剪切减弱”的材料, 即剪切速率增大, 沥青层间剪应力却减小, 为此沥青随着增加, 其33图464时G 关系曲线Figure 4Relationship curve of G -at 64图564时关系曲线Figure 5Relationship curve of -at 64(下转第164页 164中南公路工程第30卷辆出行

24、总公里数为各自衡量标准的两个目标函数, 利用费用系数和工资系数把两者统一为单目标函数, 并采用时间步长法对公交调度方案进行了模拟仿真。最后运用该模型进行实例分析, 验证了模型的实用性。 该数学模型较好地解决了现有公交调度无法同时反映乘客和公交公司两者利益, 为运输部门的公交调度提供了一种比较好的解决办法, 具有一定的实际推广意义。图5上下行总分布对比曲线图站A0有42辆, 下行发车起点站A17站有9辆。根据每趟车的发车时间和乘客等待时间可以计算出典 型工作日内的乘客平均等待时间, 581寿纪麟. ,2000, (4 :. :,2003, (1 :315318. . M.成都:西南交通大学出版社

25、,1999,745结语(上接第145页76. 4扬新苗. 公交线路客流模糊神经网络预测模型J.公路交通科技,2000, (8 .沥青、短期老化残渣还是压力老化的残渣来选择, 而是应根据测试中复数模量的范围来定, 这样更加符合线粘弹性要求, 避免边界效应影响, 即当模量在15710110Pa 时选用8mm 平板; 模量值在13510110Pa 时用25mm 的平板。沥青膜厚度对复数模量测试结果影响很大,为6%图6时相位角与温度关系曲线Figure 6Relationship curve of phase angle andtem perature when is 6%厚度过薄, 易受平行板的边界条件限制, 不能真实反 映沥青层间作用性能; 对相位角而言, 沥青膜厚度变化后对其有影响, 但不明显。总之, 试验中应严格控制沥青