鄒海軍，李 超，覃 悅，孟勇軍，3，4

（1.中交路橋華南工程有限公司，廣東 中山528403；2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧530004；3.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧530004；4.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧530004）

0 引言

傳統(tǒng)的瀝青混合料攪拌過(guò)程通常采用高溫環(huán)境降低瀝青的黏度，達(dá)到瀝青對(duì)礦料的裹附效果，但這種方式能耗大且易導(dǎo)致瀝青老化，既浪費(fèi)能源也影響瀝青混合料的耐久性。振動(dòng)力場(chǎng)是振動(dòng)作用產(chǎn)生的一種力場(chǎng)，一方面振動(dòng)力場(chǎng)能夠降低工業(yè)聚合物黏度的機(jī)理已經(jīng)有較為全面的研究[1-4]，另一方面在普通拌和中加入振動(dòng)力場(chǎng)作用的振動(dòng)攪拌技術(shù)，近些年在水泥穩(wěn)定碎石上獲得了良好的工程應(yīng)用[5-7]，這使得將振動(dòng)力場(chǎng)引入瀝青混合料拌和過(guò)程成為了可能。

目前國(guó)內(nèi)研究者大部分是從提高石油采收率角度研究振動(dòng)力場(chǎng)對(duì)瀝青原油黏度的影響[8，9]，從拌和工藝角度對(duì)振動(dòng)力場(chǎng)作用下SBS 改性瀝青黏度變化規(guī)律的研究尚不多見(jiàn)。鑒于此，本文通過(guò)改變振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅值，探究瀝青膠結(jié)料黏度的變化規(guī)律，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)知識(shí)分析振動(dòng)參數(shù)對(duì)瀝青黏度性能影響的微觀(guān)作用機(jī)理，可為振動(dòng)拌和工藝引入瀝青混合料領(lǐng)域提供理論支撐。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文采用的瀝青為SBS 改性瀝青，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 SBS 改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)測(cè)定振動(dòng)及非振動(dòng)條件下SBS 改性瀝青180℃旋轉(zhuǎn)黏度，在振動(dòng)條件下黏度測(cè)試步驟如下：

（1）將布式黏度計(jì)容器部分與北京波譜世紀(jì)科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的WS-Z30 小型精密振動(dòng)臺(tái)固定，同時(shí)黏度計(jì)顯示部分架空，不與振動(dòng)臺(tái)接觸，見(jiàn)圖1；

（2）備好瀝青試樣并選擇轉(zhuǎn)子，將試樣和轉(zhuǎn)子放入烘箱，在180℃下加熱1.5 h；

（3）將瀝青試樣放入黏度計(jì)容器內(nèi)，通過(guò)振動(dòng)臺(tái)配套的Vib’CTR 軟件控制試驗(yàn)需要的頻率和幅值，開(kāi)啟振動(dòng)開(kāi)關(guān)，對(duì)瀝青試樣施加振動(dòng)作用20 min后，參照試驗(yàn)規(guī)程測(cè)量瀝青黏度。

圖1 黏度測(cè)試裝置

2 基于振動(dòng)參數(shù)SBS 改性瀝青黏度影響研究

2.1 振動(dòng)幅值對(duì)SBS 改性瀝青黏度的影響

由于SBS 改性瀝青黏度較高，為獲的較好流動(dòng)性，試驗(yàn)溫度選取180℃，測(cè)得瀝青原始黏度值為425 MPa·s，基于探索的目的，本試驗(yàn)的振動(dòng)頻率選取范圍及間距都較大，頻率范圍10 ～60 Hz，間距10 Hz，振動(dòng)幅值由軟件反算得出，試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)圖2～圖7。

圖2 10Hz 振動(dòng)頻率的瀝青降黏率

圖3 20Hz 振動(dòng)頻率的瀝青降黏率

圖4 30Hz 振動(dòng)頻率的瀝青降黏率

圖5 40Hz 振動(dòng)頻率的瀝青降黏率

圖6 50Hz 振動(dòng)頻率的瀝青降黏率

圖7 60Hz 振動(dòng)頻率的瀝青降黏率

分析圖2～圖5，當(dāng)振動(dòng)頻率固定在10 ～40 Hz時(shí)，隨著振幅的增大，瀝青降黏率不斷增大，說(shuō)明振動(dòng)力場(chǎng)能夠降低SBS 改性瀝青的黏度，振幅越大，瀝青黏度降低程度越高。分析認(rèn)為由于SBS 改性瀝青屬于高分子聚合物，大分子之間由各種分子鏈連接，產(chǎn)生相互約束力，同時(shí)分子鏈之間又相互作用，導(dǎo)致瀝青分子處于糾纏狀態(tài)，約束了分子的流動(dòng)。引入振動(dòng)力場(chǎng)后，振動(dòng)力場(chǎng)提供的振動(dòng)剪切力導(dǎo)致原本由分子鏈連接的分子的間距增大，分子間的引力減弱，同時(shí)分子鏈被拉長(zhǎng)，糾纏狀態(tài)有所改善，分子間約束力由此減小，流動(dòng)性提高。根據(jù)動(dòng)力學(xué)知識(shí)，振動(dòng)加速度與振動(dòng)幅值成正比，當(dāng)頻率不變幅值增大時(shí)，振動(dòng)加速度增大，產(chǎn)生的剪切力提高，同時(shí)剪切力的作用距離更長(zhǎng)，分子間引力變?nèi)酰肿渔溄饫p更佳，瀝青黏度越低。

此外，當(dāng)振動(dòng)頻率固定值不同時(shí)，隨著振幅的增加，降黏效果也不同。當(dāng)振動(dòng)頻率固定值為20 Hz時(shí)，降黏率最高，接近20%，這可能與瀝青的固有頻率有關(guān)，當(dāng)振動(dòng)頻率接近瀝青固有頻率時(shí)，瀝青分子及分子鏈產(chǎn)生共振現(xiàn)象，提高了瀝青的流動(dòng)性及解纏效果。

分析圖6 和圖7 發(fā)現(xiàn)，當(dāng)振動(dòng)頻率較高時(shí)（大于等于50 Hz），降黏率曲線(xiàn)隨振幅變化呈現(xiàn)非規(guī)律性，甚至出現(xiàn)了黏度比原始值更大的現(xiàn)象。分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)振動(dòng)頻率較高時(shí)，WS-Z30 小型精密振動(dòng)臺(tái)所能產(chǎn)生的振動(dòng)幅值基本在0.5 mm 以下，振動(dòng)力場(chǎng)產(chǎn)生的剪切力較小，剪切力的作用距離也較短，瀝青分子間約束力減小效果不明顯，同時(shí)可能導(dǎo)致分子鏈糾纏更加復(fù)雜，瀝青黏度因此變得更復(fù)雜。

2.2 振動(dòng)頻率對(duì)SBS 改性瀝青黏度的影響

由2.1 節(jié)發(fā)現(xiàn)振動(dòng)頻率較高時(shí)，瀝青黏度變化不大且較為復(fù)雜，故本試驗(yàn)振動(dòng)頻率選取10～35 Hz，溫度控制180℃，振動(dòng)幅值選取1 mm、1.5 mm 和2.0 mm。

分析圖8 發(fā)現(xiàn)，當(dāng)振動(dòng)幅值分別固定為1.0 mm、1.5 mm 和2.0 mm 時(shí)，隨著振動(dòng)頻率的不斷提高，SBS 改性瀝青降黏率都呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，這說(shuō)明瀝青的黏度與振動(dòng)頻率密切相關(guān)，頻率越高，瀝青黏度下降越明顯。由動(dòng)力學(xué)理論可知，當(dāng)幅值不變頻率增加時(shí)，振動(dòng)加速度提高，產(chǎn)生的振動(dòng)剪切力變大，導(dǎo)致瀝青分子間距增大，分子鏈有的被拉長(zhǎng)，有的可能被拉斷，同時(shí)剪切力方向變化更頻繁，瀝青分子及分子鏈運(yùn)動(dòng)更劇烈，宏觀(guān)上表現(xiàn)為瀝青流動(dòng)性提升，黏度降低。

由圖8 還發(fā)現(xiàn)，隨著振動(dòng)幅值的遞增，振動(dòng)頻率對(duì)瀝青黏度的影響越大，當(dāng)振動(dòng)幅值為1.0 mm、1.5 mm 和2.0 mm 時(shí)，瀝青降黏率波動(dòng)范圍分別為3%、4%和7%，隨著振幅的提高，降黏率波動(dòng)范圍還有繼續(xù)上升的趨勢(shì)。此外，振動(dòng)振幅較小時(shí)，提高振動(dòng)頻率對(duì)瀝青黏度的影響程度較小，在1.0 mm和1.5 mm 振動(dòng)幅值下，當(dāng)振動(dòng)頻率由10 Hz 上升到35 Hz 時(shí)，降黏率都低于5%，而在2.0 mm 振動(dòng)幅值下，當(dāng)振動(dòng)頻率為10 Hz 時(shí)，降黏率就輕松超過(guò)5%，振動(dòng)頻率上升到30 Hz 時(shí)，降黏率甚至接近12%，是其他振動(dòng)幅值下的兩倍以上。這說(shuō)明只有當(dāng)振動(dòng)幅值達(dá)到一定值，振動(dòng)頻率對(duì)瀝青黏度的影響才更加明顯，同時(shí)也說(shuō)明降黏效應(yīng)與振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅值兩者密切相關(guān)。

此外，不同振動(dòng)幅值下，瀝青降黏率上升最快點(diǎn)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率有所差別。當(dāng)振動(dòng)幅值為1.0 mm、1.5 mm 和2.0 mm 時(shí)，降黏率上升最快點(diǎn)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率為分別為20 Hz、30 Hz 和25 Hz，因此考慮到降黏效果和儀器的利用效率時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇合適的振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅值組合。

圖8 不同振動(dòng)幅值的瀝青降黏率

3 結(jié)論

本文主要基于不同振動(dòng)條件下，對(duì)SBS 改性瀝青的黏度進(jìn)行了探索研究，并基于試驗(yàn)結(jié)果從動(dòng)力學(xué)角度分析了振動(dòng)力場(chǎng)對(duì)瀝青黏度影響的微觀(guān)作用機(jī)理，并得出以下主要結(jié)論：

（1）振動(dòng)力場(chǎng)能夠降低SBS 改性瀝青的黏度。

（2）瀝青降黏率與振動(dòng)幅值密切相關(guān)。當(dāng)頻率較低時(shí)（小于等于40 Hz），隨著幅值增大，降黏率逐漸上升；當(dāng)頻率繼續(xù)升高，降黏率隨幅值的變化呈非規(guī)律性，主要原因是振動(dòng)臺(tái)在較高振動(dòng)頻率下的輸出幅值較小；在20 Hz 時(shí)，振動(dòng)幅值對(duì)瀝青黏度的影響最大，認(rèn)為這與瀝青固有頻率相關(guān)。

（3）隨著振動(dòng)頻率的升高，瀝青降黏率不斷增大。與振動(dòng)幅值為1.0 mm 和1.5 mm 時(shí)相比，當(dāng)振動(dòng)幅值為2.0 mm 時(shí)，SBS 改性瀝青的降黏率值及變化幅度都提高了將近2 倍，說(shuō)明瀝青降黏率與振動(dòng)幅值和頻率都相關(guān)，幅值越大，頻率對(duì)瀝青黏度的影響越大。

（4）從動(dòng)力學(xué)角度分析認(rèn)為，振動(dòng)幅值與振動(dòng)頻率對(duì)瀝青黏度的影響，主要是振動(dòng)力場(chǎng)產(chǎn)生的剪切力大小、作用距離和方向發(fā)生了改變。