当沥青遇到流变仪
提及流变仪，很多公路人都会感到很陌生，什么是流变仪？它有哪些用途？其与公路建设有何联系？目前，流变仪在公路工程中的应用并不是十分广泛，但已被证实在沥青和乳化沥青的性能评价中有重要的作用，十分有必要进行进一步的研究与应用。
流变仪是用于测定物质流变性能的仪器，流变性质则是某一种物质对外力表现为弹性和粘性双重特性，即粘弹性。其中，粘性对应物质的流动，与物质本身固有的性质有关，为非可逆变形过程；对某一物体外加压力，其内部各部分的形状和体积发生的变化则为弹性，是可逆的变形过程。
流变仪的“世界”
流变仪分为旋转流变仪、毛细管流变仪、转矩流变仪和界面流变仪。其中，旋转流变仪应用最广，适用于非牛顿流体（不满足牛顿黏性实验定律的流体，即其剪应力与剪切应变之间不是线性关系的流体，如石油、沥青、油漆、涂料）的测试。旋转流变仪是在稳定或变速情况下测量扭矩，用夹具因子将物理量转化为流变学的参数，根据夹具的不同，可以测定不同粘度的样品。
毛细管流变仪和转矩流变仪主要用于测定高聚物的流变性能。毛细管流变仪可测定高聚物熔体的粘度及粘流活化性，转矩流变仪可测定高聚物的热稳定性、剪切稳定性、流动和固化行为，其最大特点是能在类似实际加工过程中，连续、准确、可靠地对体系的流变性能进行测定。这两种流变仪与旋转流变仪相比，可测定样品的范围相对较小。
界面流变仪不同于上述三种流变仪，是用于测定界面粘弹性的仪器。根据工作方式不同可以分为界面扩张流变仪、界面剪切流变仪和界面膨胀流变仪。界面扩张流变仪是通过使用微量注射器，在溶液中注入一个悬挂的气泡或液滴，从而构建气液界面或液液界面，通过气泡或液滴体积的周期变化，将物理量转化为流变学参数，可以得到扩张模量、粘性（弹性）模量、相角。界面剪切流变仪和界面膨胀流变仪则是在一个溶液槽内构建上下两层接触的界面，前者与旋转流变仪类似，通过转子剪切进行测定，后者则是通过吊片在界面上提拉，由吊片重量的变化，转换得到流变学参数。
旋转流变仪和界面流变仪，在沥青和乳化沥青研究中有较为广泛的应用。旋转流变仪除了可以测定美国公路战略研究计划性能指标（以下简称“SHRP性能指标”)中车辙因子和疲劳因子外，通过考察沥青或乳化沥青残留物的复合模量和相角，可以用于评价沥青的改性效果、沥青老化情况，以及乳化沥青的稳定性和施工和易性。界面流变仪在原油乳状液中的应用十分广泛，因此同样适用于相近体系即乳化沥青的测试，根据界面张力、扩张模量和相角的数据，可以得到乳化剂的乳化能力以及乳化沥青的稳定性等信息。
流变仪试验下的沥青
沥青为非牛顿流体，因此可以通过旋转流变仪测定得到复合模量G*、储能模量G’、损耗模量G”和相角δ。G*为沥青总的抵抗变形能力，G’对应弹性（可恢复）性能，而G”对应粘性（不可恢复）性能。δ为形变落后于应变变化的角频率，tanδ为G”与G’的比值，称为损耗因子。G’、G”、δ随温度变化的一般趋势，测定样品为中海90#沥青。可以看到G’和G”在1.6摄氏度处出现交点。该点称为凝胶点。在凝胶点之前，中海90#沥青的储能模量比损耗模量大，此时中海90#沥青主要表现为弹性的性质；凝胶点之后，中海90#沥青的损耗模量更大，此时主要表现为粘性的性质。在整个测试温度范围内，相角随着温度升高而增大，也就是说中海90#沥青的弹性成分越高，相角越小，粘性成分越高则相角越大。根据模量大小、弹性和粘性成分的变化，便可以指示出沥青的力学性能；根据不同的测试温度范围，也可以得到沥青在不同温度区（低温、中温、高温区）的力学性能；根据不同剪切频率的变化，可以看出车速和荷载对沥青性能的影响。
SHRP性能指标中的车辙因子G*(sinδ)-1和疲劳因子G*sinδ的测定使用的动态剪切流变仪（DSR）即为旋转流变仪。G*(sinδ)-1代表沥青的高温抗车辙指标，G*sinδ代表沥青的中温耐疲劳指标。然而，对于某些等级较高的沥青和改性沥青不能采用车辙因子进行有效分级。随后，国外的研究者对车辙因子的修正开展了大量研究，陆续出现了粘性劲度模量Gv，60摄氏度零剪切粘度和改进型车辙因子G*(sinδ)-9。长安大学的陈华鑫课题组，考察了这些指标对SBS改性沥青的适用性，结果表明G*(sinδ)-9作为改性沥青高温评价指标更加合理。虽然车辙因子的应用具有局限性，但是由于旋转流变仪所能提供的参数十分丰富，使用该设备仍然可以提供沥青混合料力学性能方面的信息。现在，已有研究者使用旋转流变仪开展了聚合物改性沥青、无机黏土改性沥青的性能研究，考察添加不同改性剂和掺量下，复合模量G*和相角δ随温度的变化，根据模量增大的趋势以及相角的平台区，可得到改性沥青的改性效果以及内部是否形成了网络结构。
不仅如此，旋转流变仪在乳化沥青的相关研究中也得到应用。国外已有报道表明，乳化沥青的性能如稳定性、施工和易性均与其流变性能、界面粘弹性等相关。然而这部分的研究还未全面展开，仅有一些相似体系的研究报道。梅卡多（Mercado）等使用流变仪考察了阳离子型乳液的黏度变化，推测油滴在沙子表面的吸附过程是首先在其表面发生了聚并。努涅斯（Nunez）等研究了乳化剂浓度、油滴粒径大小和分布对流变行为的影响，结果显示油滴粒径成双峰分布的体系具有更好的稳定能力。马拉斯托纽（Marasteanu）和克利尼（Clyne）通过流变测试方法，研究了不同老化时间和方式下乳化沥青残留物的性能，通过对比得到不同老化方式下残留物性能的好坏。由此看出，流变测试方法可有效应用于乳化沥青体系，但其结果对实际应用的指导作用还有待开发。因此，旋转流变仪可以提供的信息不止是几个SHRP指标，而是可以作为一种检测和评价沥青及乳化沥青的有效手段。
“看见”乳化沥青的界面粘弹性
界面流变仪虽然在道路工程中尚未应用，但是在相近领域——石油化工中的应用则十分广泛，可有效用于研究原油乳状液的性能。不同类型乳化剂，在不同原油模拟油水界面上的吸附行为，很好地反映了实际体系中原油乳状液的稳定性及力学性能。施皮克尔（Spiecker）和基尔帕特里克（Kilpatrick）通过沥青质在模拟油水界面上界面膜的粘弹性变化，进行了吸附动力学研究，得到界面膜的力学性能等信息。范（Fan）等使用界面流变和界面张力研究了沥青质和非离子型乳化剂在模拟油水界面上的吸附状态，得到了界面膜结构及其力学强度。康（Kang）等研究了聚合物和乳化剂在原油水界面上的吸附机制，发现乳化剂主要降低界面张力，而聚合物则增强界面膜弹性，聚合物对乳液稳定性的贡献更大。基于原油与沥青、原油乳状液与乳化沥青的相似性，以及两个体系均存在乳化剂，以上研究工作可为道路工程中乳化沥青的研究提供很好的借鉴。
笔者所在的课题组使用界面流变仪开展了探索性试验，测试了乳化剂的界面张力和乳化沥青的界面粘弹性随复配乳化剂配比和浓度的变化趋势。结果显示，乳化剂配比对乳化剂的界面活性、乳化沥青的扩张模量和相角均有显著影响，根据低界面张力，可以确定乳化剂的乳化能力，根据高扩张模量和低相角，可以确定乳化沥青的稳定性强弱，该结果与乳化沥青的乳化效果和储存稳定性的测试结果规律一致。
随着流变仪在道路工程中越来越多地使用，这种测试手段也会逐渐引起大家的重视。其中，旋转流变仪和界面流变仪为科研人员提供了沥青及乳化沥青性能方面的重要信息，可以用于检测、评价其路用性能。然而，这些研究工作仍处于研究初期，倘若通过大量的数据整合，构建流变学参数与路用性能各指标之间的相关性，提出具体的性能指标，那么流变仪的作用将会更好地发挥，可以补充、完善沥青和乳化沥青的性能规范，完成从针入度规范和粘度规范向性能规范的转变。
