[科普中国]-黏度试验

黏度一直是沥青的一个很重要的性能指标，从上世纪 60 年代就开始了分析黏度作为控制沥青工作性能指标的研究。黏度的测试方法就是黏度试验。任何黏度指标和黏度的限制范围都是相对于指定的测试方法和测试过程而言的。

简介由于黏度是个条件性指标，不同测试方法、不同的温度、不同的测试时间甚至具体的测试过程都影响到黏度的大小，也影响到黏度结果的可比性。因此为了客观的测试沥青的黏度，各国甚至各种规程都严格规定黏度的测试条件和相应的测量过程。任何黏度指标和黏度的限制范围都是相对于指定的测试方法和测试过程而言的。当前国际上代表性的黏度试验方法有：使用旋转（Brookfield）黏度计测定非牛顿材料流变特性的测试方法（ASTM D2196-99）；使用旋转黏度计测定黏度的标准方法 （AASHTO TP48-97）；Brookfield黏度计测定非填充沥青的黏度试验方法 （ASTM D4402） 等。

一些研究部门针对以上黏度试验方法开展了大量的试验研究，SHRP研究的结果建议采用SC4-27号转子，PG分级的黏度试验标准建议SC4-21号转子测定沥青的黏度。ASTM规范建议须采用两个以上的转速测定液体的黏度，AASHTO沥青黏度的测定方法，建议测定20rmp的黏度。

从以上研究成果看来，尽管黏度的相关研究和规范已经有很多，但黏度的影响因素很多，统一的试验方法不能使用于所有的沥青，而不统一的试验方法又会导致不同的试验结果缺乏可比性，从而使黏度的控制指标失去实际意义。

目前国内对沥青动力粘度的测试仪器主要为美国产的BROOK FILED旋转粘度计，由于该仪器在国内同类产品市场上占有近90% 的份额，国内多数大学和公路交通工程研究所及其他单位都使用该仪器测试沥青动力粘度。因此，沥青动力粘度测试的同行们对沥青测试结果有了可比性。1

Brookfield黏度计测定橡胶沥青黏度方法（1） 选取SC4－27号转子。

（2） 在橡胶沥青保温达到30min以后，进行试验选用尽量大的转速，在扭矩为70%以下时，改选用较大转速，直到橡胶沥青的黏度相对稳定，一般需要10min左右。

（3） 在橡胶沥青的黏度稳定后，改变转子的转速，测定扭矩在10%～100%范围内的四个以上转速的黏度。由于转数对黏度有一定的影响，在选用转速时，先测试较大的转速然后慢慢减小转子的转速。

（4） 每选用一个转速，须稳定3min以上，并观察黏度值的变化趋势，如果数据继续减小须延长稳定时间。在黏度稳定后，取采集的最后6个点 （间隔15或10s） 的平均值 （最后1min的平均值） 作为测试的黏度值。

（5） 分别求取每个转速下黏度的对数、转速的对数和扭矩对数，绘制对数黏度－对数扭矩；对数黏度－对数转速关系曲线，并进行直线回归，相关系数在0.96以上。根据需要用插值法求取20rmp时黏度和50%扭矩的黏度。2

沥青黏度试验结果的影响因素研究大量的试验结果和沥青流变的特性表明，沥青的黏度和测量的条件有很大的关系。对黏度计本身来说转子的型号也会影响到沥青的黏度。同时沥青在不同温度下的流变特性并不一样，当前规范中测试的为沥青的表观黏度，即在特定的条件下，剪切应力和剪切速率的比值。

为了确定规范化的橡胶沥青黏度试验测试方法，参考国际上当前的黏度试验方法，本文采用Brookfield黏度计进行了不同参数对橡胶沥青黏度结果的影响规律分析，确定橡胶沥青表观黏度的测试条件和测试方法。

影响沥青旋转粘度测试的几个主要因素大致为：沥青数量、转子型号与转速、温度控制以及操作等。

2.1转数和黏度的关系

对触变性液体，转子在黏度计中转动的转数会影响到液体的黏度，或者说转子搅动的时间会影响到液体的黏度，因此ASTM标准规定在黏度测试时要求读取10转后的黏度作为黏度结果。

普通沥青和橡胶沥青都是时间相关性流体，表观黏度随时间增加而减小，达到一定时间后，黏度基本稳定。同时随着橡胶粉掺量的增大，表观黏度随转数的增加而减小的趋势更加显著。

从橡胶沥青的黏度－转数关系曲线看出，在橡胶粉掺量较少，黏度较低时，转数－黏度成平滑的曲线，转数对稳定后的黏度影响较小；随着橡胶粉掺量的增大，橡胶沥青的黏度增大，转数的对黏度的影响更加显著，橡胶沥青的黏度的触变性更加明显，在搅动后迅速减小，在较少的转数内就达到了一种相对稳定平衡的状态。

在试验过程中，为了取得稳定可靠的表观黏度，必须确定要达到稳定时的初始转数。为了使黏度尽快稳定下来，应该尽量选用较大的转速，保证橡胶沥青在最短的时间内达到结构的稳定，尽量减少黏度试验过程中热摩擦导致的沥青黏度减小。2

2.2转子和黏度的关系

Brookfield黏度计对于沥青这种高黏度的液体，有四个标配的转子：SC4-21、SC4-27、SC4-28、SC4-29。对于温度大于135℃的橡胶沥青，其黏度一般不会超出这四种转子的黏度范围。

转子的测量范围越大，黏度越大。根据SHRP研究的结果建议采用SC4-27号转子，文中以SC4-27转子测定的黏度为基数，对比分析不同转子对黏度的影响。发现SC4-21转子测得的黏度显著小于其余3个转子的黏度，由于橡胶沥青中橡胶粉颗粒的天然存在，SC4-21号转子和试模的距离较近，会影响到测试的试验精度，不适合用SC4-21号转子。

对比分析SC4-27、SC4-28号和SC4-29号转子的黏度，发现同一转速下SC4-27转子的黏度比SC4-28小10%左右，而SC4-28号和SC4-29号转子的黏度相近，说明在黏度测量范围大到一定程度后，转子对黏度的影响较小。试验证明转子对黏度的测量结果有一定的影响，并且能够达到10%以上，而且转子的测量范围越大，测得的黏度结果也就越大，但在黏度范围大到一定程度以后，影响逐渐减小。考虑到黏度试验测试的扭矩须在10%～100%的范围内，SC4-27号转子的量程较小，橡胶沥青的黏度容易落在限定的扭矩范围内。同时要与国外试验结果具有可比性，因此在黏度测试中建议采用SC4-27号转子。3

2.3转速和黏度的关系

从“转数-黏度”的关系曲线可以看出，橡胶粉掺量较低，黏度较小时，变化不同的转速测得的“转数-黏度”的关系曲线是一条连续光滑的曲线，转速对黏度的影响不显著。随着橡胶粉掺量的增大，不同转速的黏度在“转数－黏度”曲线上出现波动 （80%～10%），转速对黏度的影响开始逐渐显著。

随着橡胶粉掺量的继续增多，不同转速下的“转数－黏度”不再在同一条曲线上，转速对黏度的影响更加显著，成为不可忽略的因素。3

根据ASTM规范建议须采用两个以上的转速测定液体的黏度，AASHTO建议测定20rmp的黏度。厂家要求的黏度计精度范围须为扭矩在10%～100%的范围内。

SC4 -27号转子在20rmp转速可测定的黏度范围是0～12500MPa·s，根据测量黏度要大于黏度计10%扭矩的精度要求，对黏度小于1250MPa·s时，采用20rmp时试验结果的可靠性已经受到怀疑。同时，转速是反应剪切速率的参数，将会直接影响到橡胶沥青表观黏度。3

2.4扭矩和黏度关系

Brookfield的扭矩反映的是测定黏度的游丝所处的测量能力的范围，控制了黏度计的量程范围。厂家也明确规定黏度计的精度范围须为扭矩在10%～100%的范围内。与转速和黏度的相关关系一样，扭矩和黏度之间也存在良好的相关性。而且随着黏度的增大，黏度计扭矩的对数和黏度的对数呈现的线性关系越明显。3

本词条内容贡献者为:

王强 - 副教授 - 西南大学