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摘要 沥青胶结料稠度试验方法及应用研究 摘要 研究生：陈俊 导师：黄晓明 ( 东南大学交通学院江苏南京2 1 0 0 9 6 ) 沥青路面以其优越的使用性能在世界范围内得到了广泛应用，但随着我国国民经济的高速发展， 交通量迅速增长，车辆大型化、重载化、交通渠化等问题日益严重，部分沥青路面出现了早期的破 坏。其中，沥青面层永久变形是路面早期损坏的主要类型之一，而沥青胶结料的高温性能差是导致 沥青路面车辙的重要因素。虽然目前我国公路沥青路面施工技术规范对沥青高温性能有软化点、 针入度等指标和标准的要求，但分析结果表明其与路面高温性能的相关性较差。因此，进行沥青高 温新指标的研究对提高路面高温性能具有重要的现实意义。 本文利用我国自行研发的沥青稠度测试仪，从表征沥青高温状态的粘稠度入手，围绕着沥青稠 度测试方法、稠度和粘度关系以及纯粘性稠度和稠度一温度指数指标和标准的提出等方面进行了研 究。 首先，论文根据牛顿液体粘稠度测试原理，分析了沥青稠度测试仪的设计原理，以及测试设备 的特点和优点：对稠度测试仪各系统进行精度标定，研究了稠度测试仪的稳定性；由误差传递的路 径，分析稠度测试误差的来源，并提出了误差消除的措施。 其次，通过大量的沥青稠度试验。分析各试验步骤对稠度测试结果的影响，在此基础上提出了 适合我国沥青稠度仅的稠度测试方法。主要分析内容包括：试模的选择沥青浇模温度的确定、平 行试件个数的选择、冷却方式和冷却温度的确定、沥青试件在水浴中恒温时间的确定、稠度试验温 度的选择以及稠度试验时剪切速度和位移的确定等7 个主要方面。 第三，在分析沥青剪切过程中剪应力和剪变率分布规律的基础上，从稠度计算假定入手，研究 了稠度本质特性，通过分析稠度、旋转粘度、毛细管粘度的测试和计算差别，研究稠度与粘度的关 系。 第四，由沥青粘弹特性的分析，提出了沥青纯粘性稠度指标；对沥青纯粘性稠度与常规高温指 标和沥青混合料动稳定度的进行了相关性分析，验证了纯粘性稠度作为沥青高温指标的合理性。通 过常规高温指标的标准和对沥青混合料高温性能的要求，推荐了纯粘性稠度标准的建议值。 最后，在沥青稠度和温度的关系分析的基础上，提出了表征沥青感温性的稠度一温度指数及其 计算方法。从测试误差和测试温度两个方面对稠度一温度指数与针入度指数的稳定性进行了评价， 验证了稠度一温度指数作为感温指标的合理性。最后，给出了沥青稠度一温度指数标准的建议值。 本文通过试验分析研究，对沥青稠度试验方法以及稠度在高温性能和感温性能方面的应用进行 了定的探讨，为高温和温度敏感性新指标的应用提供了一定的依据。 关键词：稠度纯粘性稠度稠度一温度指数粘度混合科 a b s t r a c t a p p l i c a l i o mo f a s p h a l tp a v e m e n ta l es p r e a di nt h ef a l 喈eo f t h ew o r l d 勰i 担s u p e r i o rm a dp e r f o r m a n c e b u t , s o m ec a l l $ o w i n gt od e v e l o p i n gn a t i o n a le c o n o m yi n c l u d i n gt h et e n d e n c yo fl a r g e a l e d ， o v e r l o a d e dv e h i c l e 锄dn 蚵cc h a m m l i z a t j o nb r o u g h ta b o u tas e ”j f ec h a l l e n g ef o ra s p h a tp a v e m e n t p e r m a n e n td e f o r m a t i o ni so n eo f t h em o s tp r i m a i yd i s e a s e so f a s p h a l tp a v e m e n lp e r f o r m a n c eo f a s p h a l t 砒 h i g ht e m p e r a u mi st h em a j o rc a o s co fm t c i n 舀b u th i g h - t e m p e r a t u r ei n d e x e ss u c h p e n e t r a t i o na n d s o a e n i l l gp o i i 吐i nt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n sf o rc o n s t r u c t i o no fh i g h w a ya s p h a l tp a v e m e n th a v eb e e n p r o v e dt ok l v i 】f i gap o o rr e l a t i o n s h i pw i t hp e r f o r m a n c eo fp a v e m e n t s ot h e r ei sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo f n e wi n d e x e sw h i c he me v a l u a t eh i g ht e m p e r a t u r ep e r f o m m c ea c c u r a t e l y t h es t u d ys t a r t e dw i t hv i s c o s i t yo fa s p h a l ta n dt h ed e v e l o p m e n to fc o n s i s t e n c yt e s t i n gs y s t e m , t e s t m e t h o do fc o n s i s t e n c y , r e l a t i o n s h i pb c t w e nc o n s i s t e n c ya n dv i s c o s i t y , c o n s i s t e n c yo fv i s c o s i t ya n d c o n s i s t e n c y - t e m p e r a t ei n d e xw f f r d i s c u s s e d f i r s t l y , t h ep a p e rg a v et h ep r e s e n t a t i o no fd e v e l o p m e n tp r o c e s so fc o m i s t 血c yt e s t i n gs y s t e m p r i n c i p l eo fe o m i s t e n e yt e s ta n da d v a n t a g e so v e ro t h e rt e s ta p p a r a t u s e sw e r ea n a l y z e db a s e d0 1 1n e w t o n f i q u i dt h e o r ya n dl l i g ht e m p e 咖wp e r f o r m a n c eo fa s p h a l t p r e c i s i o na n ds t a b i l i t yw e d i s c u s s e da n d m e a s u t e sf o re l i m i n a t i n g t o i sw e r ea d v a n c e db ya n a l y s i so f s o u r c eo f e r r o r s s e c o n d l y , t e s tm e t h o do fc o n s i s t e n c yw a sg a m e da f t e ri n v e s t i g a t i o no ri n f l u e n c eo ft e s ts t e p so n r e s u l t so fc o n s i s t e n c y m a j o rt e s ts t b p si n c l u d e dc h o i c eo ft e s tm o u l d s ，t e m p e r a t u r eo fa s p h a l tc a s t i n g , n u m b e ro f p a r a l l e lt e s t s ，f a s h i o na n dm n p e r a t u r eo f c o o l i n gf o rm o l l l d s 。t h et i m ef r o mm o 山d si m m e r g i n g w a t e rt os t a r a n gs h e a r i n g , t e m p e r a ：c i l l e ，s p e e da n dd i s p l a c e m e ma d o p t e di ns h e a r i n g t h i r d l y , t h ep a p e rd i s c u s s e dd i s t r i b u t i n gr u l eo fs t a i na n ds t r e s si np r d c & 硒o fs h e a r i n gs t a r t e dw i t h a s s n i b eo fc a l c u l a t i n gc o n s i s t e n c y t h e n , t h e8 s c n c eo fa s p h a l te o m i s t e n e yw a sg a i n e d t h er e l a t i o n s h i p b 矗w e e nc o n s i s t e n c ya n dv i s c o s i t yw a se d u c e db ya n a l y s i so f d i f f e l _ e n c e sb e t w e e nc o m i s t e n c ya n dr o t a t i n g v i s c o s i t ya n dt h ec u r v eo f c o n s i s t e n c y f o u r t h l y , t h ev i s c o - c o n s i s t e n c yo fb i n d e rw a si n t r o d u c e db ya n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i co f v i s c oe l a s t i c i t y c o n n e c t i o nb e 咐e v i s c o - c o n s i s t c m c ya n do t h e rh i g ht e m p e r a m r ep 目f o m 脚i n d e x e so f a s p h a l ta n dr e l a t i o nb e t w e e nv i s c o - o o n s i s t e n e ya n dh i 曲t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo fn f i x t u r ew e r e r e s e a r c h e d t h es t a n d a r d v a l u eo f v i s c o - c o m i s t e n c y w a ss u g g e s t e db ya n a l y s i so f s t a n d a r d v a l u eo fo t h 目 h i g h t e m p e r a t u r e p e r f o r m a n c e i n d e x e s a n dr e q u i r e m e n t f o r h i g h t e m p e r a t u r e p e d o n n a n c e o f m i x t u r e l a s t l y , t h ep a p e rd i s c u s s e dr e l a t i o nb e n 舢c o n s i s t e n c ya n dm n p e r a t u r ea n dc o m p u t a t i o n a lm e t h o d o fc o n s i s t e n c y - t e m p e r a t u r ei n d e xw a s a d v a n c e d a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a m a g c s o f p i a n d c o n s i s t e n c y - t c m p e r a t m ei n d e xw r ed i s c u s s e da tt w oa s p e e l so f t e s t 1 t o t sa n dt e m p e r a t u r e t h r o u g ht e s ta n da n a l y s i s ，t h et e s tm e t h o d so fc o n s i s t e n c ya n dt h ea p p f i c a t i o n so na s p h a l th i g h p e r f o r m a n c ea n dt e m p e r a t u r es u s c c p d b f i i t yw e l x ：d i s c u s s e d t h i si sab a s i sf o rt h eu 靼o fn e wi 1 1 出鼹i n o u tc ，i 加鳃 k e yw o d s ：c o n s i s t e n c y v i s c o - c o o s i s t e n c yc o n s 咖- t e m p c a a t u r ei n d e xy m c m i t y m b e m r e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 期：壹1 21 ：，7期：叟! 么 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 第一章绪论 随着国民经济的持续高速发展，交通量迅速增长，车辆大型化、超载严重、交通渠化等现象， 使沥青混凝土路面面l 临严峻的考验，导致沥青路面出现种种问题，其中车辙等沥青路面的高温流动 变形是世界各国普遍关注的路面损坏形式之一。据国际上的统计资料，在高速公路及城市干线道路 上，车辙是路面使用性能降低、导致损坏的最主要原因。在许多国家，高速公路路面维修、罩砸的 原因中，车辙的比率高达8 0 以上。与开裂、水损坏等路面其它病害相比，车辙的危害性最大， 直接危害到行车安全，而且车辙不仅发生在路面结构表层，还经常危急中下面层，给维修带来困难， 因此，世界各国历来把防治车辙放在路面建设的首要位置。 导致路面车辙的因素虽然很多，但作为沥青混合料重要组成部分的沥青胶结料对此有着重要的 影响。在通常情况下，矿料级配的贡献率占到6 0 ，沥青胶结料提供4 0 的抗车辙能力“1 ，可见合 理评价沥青胶结料的高温性能有助于改善路面的高温稳定性。因此，对沥青高温性能和指标的研究 显得极为必要。 1 2 国内外沥青高温指标分析 1 2 1 国内沥青常规高温指标分析 ( 1 ) “七五”专题研究 在我国，沥青高温性能一直受到道路工作者关注的重点，不同时期关于沥青高温性能的要求以 及高温指标有所不同。“重交通道路石油沥青技术要求”和“中、轻交通量道路沥青技术要求”是根 据“七五”国家科技攻关专题“重交通道路沥青在高等级公路工程中的实用技术”，对原规范“重交 通道路沥青技术要求”修改后提出的，其中以沥青针入度和环球法软化点作为高温指标。 但研究发现，由于当时国产沥青质量不高，尤其是沥青中蜡含量较高，经常出现“软化点虽高， 但高温稳定性不好”的现象。此外，试验操作过程对软化点测量结果也存在较大的影响，在试验规 程规定的水浴升温速度范围内，同一沥青的软化点测试值能相差1 6 c 左右”j 。对于同标号沥青软化 点本身就相差不大的情况，1 6 已经很大了，这就很可能导致对不同沥青的高温性能判断错误。因 此，有研究认为软化点并不能真实的反映沥青高温性能，不适宜作为高温指标。 ( 2 ) “八五”专题建议稿 针对沥青技术要求存在的不足，我国在“八五”期间确立了国家重点科技项目( 攻关) “道路沥 青及沥青混合料路用性能的研究”专题。该专题充分吸收国外先进技术，尤其是s h r p 的最新成果， 并考虑现状，在对国内广泛使用的七种代表性道路沥青的使用性能进行深入研究的基础上，首次提 出了道路沥青路用性能气候分区，优选出反映沥青各种路用性能的关键性技术指标，研制了配套的 仪器设备及试验方法1 4 j 。其中，针对我国多蜡沥青比其他国家突出和软化点的使用问题，提出了采 用修正软化点替代实测的环球法软化点，并将修正软化点称为当量软化点9 1 。 当量软化点t 8 。是通过测试3 0 以下的3 个温度的针入度进行回归得到针入度一温度曲线的斜 率，再延伸与针入度为8 0 0 的横线相交得到t s o o ，由于针入度的测试温度低于3 0 ，此时蜡保持在 结晶状态，冈而克服了蜡的影响。但是，由于斜率是由3 个温度的针入度回归得到的，因此针入度 测量的准确性对t 1 1 0 0 的影响很大，且回归曲线的非线性对t 8 也具有较大影响。研究表明，对针入 东南大学硕士学位论文 度相当的沥青来说，当量软化点的高低能够反映其高温性能，但是对于两种针入度相差较大的沥青， 仅仅由当量软化点的高低来确定高温性能的好坏是不合适的。 ( 3 ) 我国新的沥青指标体系 经过十多年的高等级公路建设，目前我国已对现代交通条件下的沥青性能要求有了比较深刻的 认识，在借鉴国内外研究成果的基础上，于2 0 0 5 年提出了一套新的沥青指标体系。新的沥青指标体 系在高温指标方面考虑到了当量软化点的缺点以及目前国产沥青含蜡量得到有效控制的现实，剔除 了当量软化点作为高温指标；同时，考虑到夏季沥青路面的温度可达5 0 7 0 c 。6 0 粘度一直被 认为是反映沥青在盛夏季节耐热性能最理想的指标，新指标体系对于a 级沥青增加了6 0 c 的动力粘 度作为高温性能的评价指标。 但是目前有研究发现，印粘度测试比较麻烦，主要体现在采用真空减压毛细管测试6 0 粘度 时，应严格控制沥青流出的时间，时间过短会影响测试精度，过长会影响试验的进行，还需要选择 合适的毛细管型号，型号的合适与否对测定未知沥青粘度影响最大；此外，真空减压毛细管比较昂 贵、标定繁琐、操作复杂。因此，6 0 粘度目前在我国大面积推广应用还存在困难。 通过以上分析发现，我国常规高温指标有的受到沥青材料特点( 蜡含量) 的影响大，有的对计 算和测试误差的极敏感，有的指标测试困难，有必要研究和引入新的沥青高温指标。 1 2 2 国外沥青高温指标分析 ( 1 ) s h r p 沥青高温指标 1 9 8 7 年美国国会建立了一项为期五年、耗资1 5 亿美元的美国公路战略研究计翔s 珏碑 ( s t r a t e g i ch i g h w a yr e s e a r c hp r o g r a m ) 计划，s h r p 计划的研究成果之一是提出了按性能分级 ( p e r f o r m a n c eg r a d e d ) 的道路沥青技术规范。在其提出的沥青标准中，沥青高温性能指标是原样沥 青及短期老化后的车辙因子g * s i n 8 ，规定在高温设计温度、剪切速度1 0 r a d s 下的原样沥青g * s i n 8 不小于1 0 k p a ，短期老化后残留沥青g 。，s i n 环小于2 2 k p a ，并认为g * s i n 5 对基质沥青和改性沥青 都是适合的”j 。 但是，美国s m a r t 和m o g a w e r 对沥青路面试验段进行加速加载试验的结果否定了这一点，通过 对测得的车辙情况和对应沥青结合料的g * s i n 5 的相关性分析发现，三种基质加速加载试验的结果与 g * s i n 6 序是相同的，而改性沥青的两者排序却刚刚相反”l 。此外，研究还发现，改性沥青车辙因 子并没有表现出与沥青混合科动稳定度良好的相关性，见图1 1 “。 ( 2 ) 加拿大沥青高温指标 加拿大著名学者m c l e o d 长期以来对沥青的性能做了深入的研究，他在以针入度指数p i 作为温 度敏感性指标的基础上，又提出了针入度粘度指数p v n 指标。1 9 9 0 年8 月终于形成了国际上第一 个以温度敏感性为主要指标的沥青新标准i s j 。 图1 1 不同转速时g * s i n 6 与沥青混合料动稳定度的回归曲线 2 第一章绪论 该标准沥青等级仍按2 5 c 针入度分级，在同一标号中又按温度敏感性大小分为a 、b 、c 三级 见表1 1 ，其余指标仍为习惯用的常规指标，但没有软化点、延度、密度、脆点等指标。 表1 1加拿大1 9 9 0 年新沥青标准对粘度的晟小要求嘲 针入度( 2 5 ) 6 07 08 01 0 01 2 01 5 02 0 03 0 04 0 0 6 0 ( p a s )2 1 01 7 5】5 01 1 59 27 05 03 12 1 5 a 级 1 3 5 0 ( m m 2 t s ) 4 0 0 3 6 03 3 02 9 02 5 52 2 51 8 51 4 51 2 0 6 0 ( p a s )1 5 01 2 51 1 08 56 85 33 92 4 51 7 5 b 级 1 3 5 c ( m m )3 1 0 2 8 0 2 6 02 2 52 0 01 7 51 4 51 1 59 5 6 0 ( p a s )1 1 0 9 0 7 55 54 33 22 31 4 58 8 c 级 1 3 5 ( r r a n 2 s ) 2 3 52 0 5 1 8 51 5 0 1 3 0 1 0 7 8 46 04 6 ( 3 ) 欧洲沥青高温指标 继美国s h r p 之后，欧洲也开始了他们的公路战略研究计划e u r o s h r p 。研究认为“s u p e r p a v e 的建立对以路用性能为基础的规范提出了个很好的方法，特别是对改性沥青，然而这些新的试验 方法在正式应用之前必须经过验证；如果没有可靠的s u p e r p a v e 混合科性能分析预测，现在的 s u p e r p a v e 技术不可能比欧洲现行技术好”。以德国、法国及西欧为主的欧洲标准化组织c e n ( c o m i m e u r o p e l md en o r m a l i s a t i o n ) 制定了欧洲统一的沥青标准。c e n 技术委员会t c l 9 ( 石油产品及其试 验方法) 经过多次修改，于1 9 9 9 年提出了一个仍然属于经验性的沥青结合料标准建议的最终稿 c e n l 2 5 9 1 ，其中各项指标仍采用常规指标并按沥青稠度将道路沥青分为三个类型，其中第一类为 常用的道路沥青。以2 5 针入度为分级指标”。 ( 4 ) 澳大利亚沥青高温指标 澳大利亚自1 9 7 0 年起采用稠度作为沥青的分级指标，之后经过多次修改，修改的主要内容是结 合工程，提出主要的沥青指标，并进行深入研究，而不是照顾到全面，所以其沥青分级很简单，主 要考查指标是6 0 。1 2 和1 3 5 c 稠度、针入度、闪点和老化，见表1 2 。 综合以上分析，国外沥青指标体系中高温指标的重要性越来越显著，有的国家甚至把高温指标 作为分级指标。而在高温指标选取方面。各国并不相同，有的国家取消了软化点，只用粘度作为高 温指标，s h r p 成果的车辙因子在评价改性沥青高温性能上并没有被很多国家接受，可见，各国现 有的高温指标存在着种种缺陷。因此，急需研究和引入沥青结合料新的高温指标。 表1 2澳大利亚沥青技术规范 g r a d e p r o p e r t y c l a s s5 0c l a s s1 7 0 c l a s s3 2 0c l a s s 6 0 0 仃u n m “m i n m a x i m nm x咖n n l a x 6 粘度( p a s ) 4 0 6 01 4 02 0 02 6 03 8 05 0 07 0 0 粘度1 3 5 。c ( m m 2 s ) m i n 0 2o 3o 2 50 4 50 4 00 6 50 6 0o 8 5 针入度2 5 。c1 0 0 9 5 s ( o 1 m m )1 3 06 24 02 0 闪点( o c ) 2 5 02 5 02 5 02 5 0 三氯乙烯不溶性物质( ) l 时 流动曲线向上弯曲，m l 时曲线向下弯曲“。 c a ) s 鳓st c sd ) s 图2 6典型的非牛顿流体 由于改性沥青剪应力与剪变率间的非线性特性，因此以材料的剪应力与剪变率比值定义的粘稠 度依赖于剪应力水平和剪变率，即只有在剪应力或者剪变率一定的情况下讨论改性沥青材料的粘稠 度才具有意义。 通过上面对牛顿流体和非牛顿流体分析可知，粘稠度测试设备要么保持剪应力恒定，要么保持 剪变率恒定，考虑到设备研制和测试的方便，沥青稠度测试仪是在剪变率恒定时对沥青稠度进行测 试的。 2 2 2 稠度测试原理 ( 1 ) 测试原理 根据上述分析的粘稠度测试要求，东南大学联合河南高远公路养护技术有限公司在国内首先研 发了沥青稠度测试仪，其原理为在一目标温度的水浴里以一定的速率剪切环形沥青试样，由剪切过 程中剪应力和剪切应变率的比值定义为稠度，它表征的是沥青的枯稠程度。图2 7 为沥青稠度测试 仪的测试原理图。 固定 外环 内环 沥青 a ) 试件侧视图b ) 试件俯视图 图2 7稠度测试示意图 ( 2 ) 基本假定 连续介质假定：认为沥青的体积完全被沥青充满，沥青中没有气泡、杂质等，力学性质在整 个沥青内部的分布是均匀的； 均质性和各向同性：认为沥青材料任意部位的性质相同，而且材料性质与方向无关； 不可压缩性：沥青在流动过程中体积不变，密度为常数； 内筒和外筒之间沥青的剪应力沿半径方向呈线性分布，与高度无关； 内筒和外筒之间沥青的变形沿半径方向线性分布，与高度无关； 沥青与接触处的试模壁没有相对滑动： 半径中间位置，即沥青试样中间筒柱体为稠度计算位置，反映了整个沥青试样的粘稠程度。 ( 3 ) 稠度计算 分析试模内筒和外筒问隙之间的沥青，在剪切过程中受到内外筒壁的剪力、水的浮力、试样本 身重力等，因此，浮力和重力相互抵消后，测试得到的内外筒擘对沥青的剪力才表现为沥青的粘稠 程度。考虑到浮力和重力方向相反，且水的密度与沥青密度相差不大，可以通过在水浴中添加食盐 1 0 第二章沥青稠度测试仪 的方法，增加水浴密度，使其与沥青密度一致，从而达到水的浮力与沥青试样本身重力相互抵消的 目的。 根据稠度测试原理，稠度值由下式计算得到： f 珂= _ ( 2 5 ) ， 由稠度测试的基本假定，上式中剪切应力是剪切力除以环形被剪切沥青试样的平均面积，即 f = 2 尸刀h p i + 攻) 。剪变率为剪切应变除以沥青试样的环形间隙，即户= s g ，带入稠度计算式 得到： 1 7 = ；2 辆1 i p g ( 2 6 ) 玎2 ；辆i g 2 - 6 其中，f 剪切应力；尹剪切应交率；置试模应力系数：g 一式模厚度；s 拉伸速度：f 最大拉力： 试模高度；吐试模内环外径：如试模外环内径。 2 2 3 测试原理的优势 fpjp 胖薹- 脚i 雾霎 东南大学硕士学位论文 图2 1 1 稠度试验的稠度曲线图2 1 2 稠度试验的弹性恢复曲线 2 2 4 试验参数的计算 试验中可以得到以下参数： ( a ) 弹性恢复率 e l a s t i cr e c o v e r yf 1 = a b 1 0 0 ( 2 7 ) 式中：a 一弹性恢复的位移或应变( r e c o v e r e dd i s p l a c e m e n t ( o rs t r a i n ) ，i nm m ) ： 卜原始的位移或应变( o r i g i n a l d i s p l a c e m e n t ( o r s t r a i n ) i n m m ) 。 恢复时间可根据沥青的品种选用6 0 s 、1 2 0 s 等，以弹性恢复的位移或应变基本不发生变化为准。 ( b ) 剪切应变率 s t r a i nr a t e ( s i ) = s g( 2 8 ) 式中：s 内柱体的拉出速度( s p e e d o f t h e i n n e r c y l m d e r , i n n a n s ) ： o 式模的厚度( a n n u l a rg a po fm o u l d ，i nm m ) 。 ( c ) 剪切应变 s t r a i n = b g( 2 ，9 ) 式中：b - 试件拉出的位移( d i s p l a c e m e n ta tb r e a kp o i n t , i nm m ) ： g 一试模的厚度( a n n u l a r g a p o f m o u l d ，i n n u n ) 。 ( d ) 剪切应力 s t r e s s ( p a ) = kf( 2 1 0 ) 式中：卜- 最大拉力( m a x i m u mf o r c e ，i nn ) ； k - 试模应力系数( m o u l ds t r e s s f a c t o r , i n m 2 ) ，k = 矾h y r ( d 1 + 畋) ； h 试模高度； d 1 ，d 2 试模内径和外径，m 。 ( e ) 稠度 c o n s i s t e n c y ( p a s = s t r e s s ，s w a i nr a t e ( 2 1 1 ) ( f ) 剪切劲度 s t i f f n e s s ( p a l = s t r e s s s w a i n ( 2 1 2 ) 2 3 沥青稠度测试仪的构造 稠度测试仪主要由四大系统组成，分别为：( ”传动系统；( 2 ) 传感系统：( 3 ) 温度控制系统； ( 4 ) 数据采集系统。图2 1 3 为稠度测试仪实物图，下面对以上各部分分别进行介绍。 第二章沥青稠度测试仪 图2 1 3 稠度试验设备 ( 1 ) 传动系统 传动系统主要为稠度仪的测力系统和水温控制系统等提供必须的动力。主要包括两个部分： 因沥青材料随着温度的改变其粘度会有很大的变化，在低温状态一方面要考虑到拉力不能超 过传感器的拉力量程；在高温时对于基质沥青，其枯度又较小。在仪器的研制过程中曾经采用步进 电机作为驱动，但在实际使用中发现，低温时速度可以满足要求，但在高温时( 6 0 ) 沥青的拉力很 小，对有些沥青材料不能测出其拉力，而且步迸电机在运行时有较大噪声。最终研究采用额定转速 3 0 0 0 i p m 、速度比为l ：5 0 0 0 的伺服电机，实际使用效果很好。 传动部分起初采用双齿轮传动，材料采用金属加工而成，但在使用中发现在启动和停车时齿 轮会产生较大的撞击声音；后来改用尼龙材料加工，但时间长了会出现齿轮磨损现象，而且两种传 动方式在拉伸速度较高时不能满足要求，最终确定采用滚珠丝杠副和滚珠导套配合使用的传动方式， 既可以满足拉伸时的高速要求，也克服了传动时的噪声，经过试验完全达到实用要求。 ( 2 ) 传感系统 测力传感器系统 测力传感器主要是根据测量和防水等级的要求而选择的，在稠度试验水温较高时会产生水蒸 气，为确保测力传感器的可靠使用和测试精度，采用较高防水等级、较为常用的s 型的拉力传感器。 通过对不同沥青、不同温度条件和不同剪切速度下稠度的测试，分析试验数据后确定测力传感器的 量程为2 0 0 n ，设计系统测力精确度为0 i n 。 位移传感器系统 考虑到接触式位移传感器在的力作用下才能运动，这对测量结果会产生一点的影响，所以选用 差动变压器位移传感器，精确度为5 o 。由于稠度测试仪沥青拉伸位移最大为l o m m 。为确保使用 的可靠性，选定位移传感器量程为1 5 r a m 。 ( 3 ) 温度控制系统 不同温度下沥青的粘稠度往往相差很大稠度试验过程中温度的控制是极为重要的，因此，温 度控制系统是稠度仪重要的部分之一。稠度试验的温度范围为1 5 6 0 ，这就要求试验水温控制 包括加热温度控制和制冷温度控制两部分。 加热温度控制部分，采用普通的电加热方式，考虑到使用介质为水，加热管采用不锈钢材料制 作，为实现温度控制精度达到o 1 设计方案采用两根电加热管，在升温时两根加热管同时工作， 保证升温速率，在恒温时只有一根加热管工作，并且加热功率按照1 5 加热至6 0 的时间不超过l 小时计算，加热管尺寸的确定主要是考虑安装空间及加热效率，为使加热效率得到充分利用及提高 热循环效率，加热管形状设计为“u ”型，每根长度为2 0 0 m m 。 制冷温度控制部分，按照温度从3 0 c 降低到1 5 时间为1 小时进行设计，由此确定的制冷压缩 1 3 东南大学硕士学位论文 机功率为1 8 0 w ，并选取的小型低噪声风冷冷凝器与之配套。 除此以外，为了保证水加热和制冷时水箱内水温的一致和均匀，温度控制系统采用了循环水泵。 由于水流量太小将会导致介质温度不均匀，水流量过大则水流波纹较大，对试验结果会产生影响。 经过对多种循环水泵的调查以及性能分析，选取了使用温度可达到8 0 ，运行平稳无噪声、流量合 适的不锈钢磁力泵。 ( 4 ) 数据采集系统 硬件 采用可编程控制器对信号进行采集和实现相应的控制功能，主要有：对拉力传感器处理的a d 转换模块、对位移传感器信号进行处理的a d 转换模块、控制伺服电机运行的脉冲输出、一些开关 量。 软件 编写可编程控制器程序，对各种信号进行采集和对变频器进行控制，用可编程控制器上r s 4 8 5 与变频器进行通讯。从而控制电机的启停和调节电动机的转速。采用v b 编写了控制程序和控制界 面，编写好的界面如图2 1 4 。 2 4 稠度仪测试精度的控制 图2 1 4 稠度仪操作界面 x 由稠度铡试的原理知，稠度测试过程中温度控制、测力传感器和位移传感器的精度是影响结果 最主要的因素，为此本小节对新研发的沥青稠度测试仪相关系统进行了精度的标定。 ( 1 ) 水浴温度控制精度 加热温度控制精度 在水温1 5 ( 2 、环境温度2 5 c 时，采用精度0 1 c 水银温度计和秒表对稠度仪水浴的加热温度进 行测量，结果见下表。 1 4 第二章沥青稠度测试仪 表2 1水浴上升温度的测量结果 起始温度 目标温度 时间恒温时温度与设定值偏差 测量次数 ( ) ( )( m i n )( ) ( ) 11 5 6 0 5 25 9 9 6 0 10 1 21 5 6 0 5 55 9 9 6 0 1o 1 31 5 6 0 5 35 9 ，9 6 0 ，lo 1 从上表中看出，水温从1 5 上升到6 0 只需要5 0 多分钟小于l 小时，恒温时水浴内各点测 定的温度变化在5 9 9 c 6 0 1 ，水浴温度较为均匀，与目标温度相比，水浴内各点的温度变化不 大，温度的控制精度达到0 1 。 制冷温度控制 在水温3 0 、环境温度2 5 时，采用精度0 1 水银温度计和秒表对稠度仪水浴的降低温度进 行测量，结果见下表。水浴温度从3 0 下降到1 5 需要5 0 多分钟，相比于水温的上升速率，下降 速率要小很多，东浴温度均匀性和控温耩度较好。 表2 2水浴下降温度的测量结果 起始温度目标温度时间 恒温时温度与设定值偏差 测量次数 ( )( )( r a i n ) ( )( ) l 3 0 1 56 0 1 4 9 1 5 1o 1 2 3 01 55 61 4 9 1 5 1o 1 33 01 5 5 81 4 9 1 5 1o ，l 循环水泵的运行 在设定温度为3 5 的稠度仪水浴内，用精度0 1 水银温度计测量8 个角点的温度以及稠度仪 设定目标温度与水浴达到目标温度的时间差，见表2 3 。 表2 3水浴温度测试结果 测试点 温度( )时间差( s ) 左上角下点 3 5 oo 左上角上点 3 5 o1 0 右上角下点3 5 02 0 右上角上点 3 5 03 0 左下角下点3 5 o2 0 左f 角上点3 5 o3 0 右下角f 点 3 5 o1 l o 右f 角上点 3 5 ，01 2 0 由水浴温度的测试结果在稠度仪显示达到目标温度1 2 0 s 后整个水浴内各点温度即达到目标温 度，1 2 0 s 对于稠度试件的恒温时间来讲是较短的，完全可以接受，可见循环水泵工作正常时的功率 是能够满足要求的，且水泵运行时声音很低，水流量合适，波纹很小，对试验结果没有影响。 “ ( 2 ) 测力传感器信号标定 稠度仪测量的主要参数是沥青试样剪切时施加的力和产生的位移，因而需要对测力传感器进行 标定，保证其精度满足要求。采用2 只精密加工的、每只5 0 n 的负载，对测力传感器单元进行标定， 结果表2 a 。由表中数据可以看到，稠度仪传感器与负载相差较小，只在o ，5 内。 表2 4测力传感器信号标定结果 荷载( n ) 计算机显示值( n ) 偏差值( n )偏差率( ) 4 04 0 2o 2 o 5 2 0 02 0 0 2 0 2 0 1 ( 3 ) 位移传感器信号标定 使用5 m m 和1 0 m m 的测尺标定位移传感器，由于稠度测试的常用的剪切位移为5 m m 和1 0 m m ， 1 5 东南大学硕士学位论文 因此，如果在这两点能够达到要求，则位移传感器最程内每一个点也将能达到要求。将内筒连接于 拉杆上且让此集合体安放于样品支架的底座上，检查位移输出并调整至零。然后升起圆筒并在其下 面插入间距测尺( 塞规) 进行测量。由表2 5 的标定结果，仪器上显示的位移输出与测尺测量的尺 寸相差在o 1 m m 以内。 表2 5位移传感器信号标定结果 测尺测量值( m )计算机显示值( m m )偏差( m m ) 55 0 5n 0 5 1 0l o 0 5o 0 5 通过对水浴温度、测力传感器和位移传感器精度的标定分析，沥青稠度仪各测试和控制系统具 有较高的精度，能保证测试的高准确性。测试仪主要测试参数见表2 6 。 表2 6 稠度测试仪主要参数 型号g y c d l 0 0 a拉伸速度0 5 m m s 1 0 ( h n m $ 测力范围2 0 0 n 位移范围 l o m m 加热功率2 x o 5 k w 制冷功率 0 2 5 k w 控温范围5 6 0 控温精度 0 1 测力精度o 5 位移精度 0 0 5 n l m 2 5 稠度测试稳定性分析 仪器的稳定性直接关系到测试结果的可信度，为了考察试验系统测定结果的稳定性，本文对不 同温度条件和应变率水平下稠度测试结果进行离散性分析。各温度下大子样试验结果共1 3 7 个试验 点，其中4 5 测试温度下共6 5 个试验点，3 5 c 时共7 2 个试验点。 表2 7 3 5 试验结果分析 剪变率稠度平均值稠度变异区间变异系数 ( s ，1 ) 试件个数 标准偏差 ( p a s ) qr n l 。( p a s ) n m n ( p a s ) ( ) n 0 52 04 3 7 1 53 9 0 2 34 8 4 3 22 0 9 7 4 8 o 11 74 0 0 3 5 3 5 3 0 04 5 2 8 72 5 9 06 5 0 5 1 82 6 0 7 3 2 3 5 4 12 8 5 2 01 4 1 35 4 1 o 1 7 1 9 8 5 21 7 5 3 22 2 0 4 01 2 5 56 3 c o l m l s 饷c l c p a a s 图2 1 5某沥青3 5 c 、o 0 5s - 1 下稠度测试结果分布 对表2 7 中剪变率为o 0 5 s 。1 下的试验数据进行回归分析，得到如图2 1 5 所示的回归曲线，可见 试验结果服从正态分布，符合试验测试结果分布的特点。 1 6 第二章沥青稠度测试仪 表2 84 5 c 试验结果分析 稠度平均值 稠度变异区间 变异系数 剪变率( s 1 ) 试件个数标准偏差 ( p a s ) nn f i a ( p a s ) n m a x ( p a s ) ( )