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系統識別號 U0002-2407200609303900
中文論文名稱 同軸圓筒流變儀應用於改質瀝青之探討
英文論文名稱 Application of Coaxial Cylinders Rheometer on Modified Asphalts
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士在職專班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 94
學期 2
出版年 95
研究生中文姓名 高台強
研究生英文姓名 Tai-Chiang Kao
學號 790310063
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2006-06-28
論文頁數 143頁
口試委員 指導教授-劉明仁
委員-沈得縣
委員-陳裕新
中文關鍵字 同軸圓筒流變儀  黏度  剪應變率  擬塑性  膨脹性 
英文關鍵字 Coaxial Cylinders Rheometer  viscosity  shear rate  pseudo-plastic  dilatant 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 隨著鋪面工程的發展以來,用於柔性路面之瀝青膠結材,即一直扮演著重要角色,國內隨交通量之增長需求,除傳統瀝青材之使用外,現高速公路北部路段,也己經全面使用改質瀝青材,做為路面整修材料。對瀝青黏度的量測,目前國內普遍採用DV-II黏度儀,因瀝青材之高黏稠特性,其樣品量之控制,無法以體積控制,實際上係將瀝青材之密度當成1 g/㎝3,以稱重方式操作控制,並未考量不同溫度條件下之體積變化,有違黏度儀之同軸圓筒裝置操作定義。黏度儀之黏度量測係將瀝青材簡化成牛頓流體,無法有效反應出其流變特性,為進一步了解瀝青材之工程性質及工作性,有必要了解其不同剪應變率下之變化,求出其完整剪應力-剪應變率變化關係,補其不足。近來高黏度之改質瀝青應用於國內高速公路,對路面車轍、破損情況己有之改善成效,唯其工作(拌合及夯壓)溫度之決定,仍參考傳統馬歇爾法,其拌合及夯壓溫度可分別高達190及180℃以上,就實務面而言,其高溫將造成瀝青拌合廠設備無法承擔,路面滾壓困難,就理論面而言,將對改質瀝青之基底瀝青材造成高溫老化之疑慮。本文就前述的各種需求與困擾,進行研討,研究結果顯示,瀝青材在60℃時,其密度約等於1g/㎝3(與水4℃時相當),雖將樣品以稱重(非體積)控制之作法,應屬可接受狀況。瀝青材在不同條件下,呈非牛頓流體現象,影響瀝青流變性因子,除「溫度」外,「剪應變率」之高低,亦為一重要因子。改質瀝青材(8K、30K)於高溫低剪應變率時,因呈膨脹性行為,促使其於高溫低剪應變率時黏度變小,有較佳之工作性,不需以高剪應變率時之高黏度決定其工作(拌合、夯壓)溫度,可免除基底瀝青材因高溫老化之疑慮。
英文摘要 Along with since Pavement engineering development, be used for the Flexible Pavement the material of Asphalt agglutination, then has been playing to emphasize the important role. With the need of growth of the traffic volume of Taiwan, in addition to the usage of the traditional material of asphalt, the north road zone in freeway, the complete usage Modified Asphalts, is used as the Pavement material now.
At current measurement in Taiwan asphalt viscosity widespread adoption DV- II Viscometer. Because of the characteristics of the high consistency in asphalt with the result that the test sample volume controls the difficulty. Adopt the platform scale method control in nature. Did not consider the change of the temperature and volumes takes Asphalt density as 1(g/㎝3). Not agreeing with the Coaxial Cylinders apparatus operation of the instrument of viscosity defines.
The viscosity measurement of the Viscometer is simplifying Newtonian fluids of the asphalt material, can't respond its Rheological Properties effectively. For the engineering property and workability of the further understanding asphalt material, have the necessity to understand its different shear rate under its change of fixed cost, beg its complete shear stress- shear rate change of fixed cost to relate to, repair its inadequacy.
The Modified Asphalts appliance of the recently high viscosity improves to the Pavement Rutting, distress condition effectively in the native freeway. But the selected of the work (mixing and compaction) of temperature range still consults the traditional Marshall method. Its mixing and compaction of temperatures can be up to 190 and 180℃. The high temperatures will cause the asphalt hot-mix facilities to not bear and the construction of Pavement rolls the trouble in regard to actual situation. In regard to theory cause the qualm of the heat degrade to the base Asphalts of the Modified Asphalts.
The research result shows. The material of asphalt at 60℃ of density be equal to about 1 g/㎝3 (the water 4℃density is equal), Viscometer operation although sample with the method of the platform scale(non-volumes) control, should belong to the condition of admissibility. The asphalt under the different condition has the non-Newtonian fluids phenomena. Effecting Rheological Properties factor "temperature" is not only factor "shear rate" is another an important factor. The Modified Asphalts (8K,30K) expresses the dilatant behavior in the high temperatures-low shear rate condition. At high temperatures-low shear rate the viscosity diminishes the better workability. Asphalts concrete work (mixing and compaction) temperatures select, don't adopt the high viscosity of the high shear rate. Can relieve the qualm of the base Asphalt heat degrade.
論文目次 目 錄

第一章 緒論
1.1前言 -----------------------------------------------1
1.2研究動機與目的 ------------------------------------1
1.3研究架構及流程 -------------------------------------2

第二章 文獻回顧
2.1基本流體力學回顧 ----------------------------------4
2.1.1流體黏度 --------------------------------------4
2.1.2牛頓與非牛頓流體 ------------------------------5
2.1.3賓漢與塑性流體 --------------------------------7
2.2剪流變儀之量測概念 ----------------------------------8
2.2.1毛細管流變儀 ----------------------------------9
2.2.2同軸圓筒旋轉流變儀 ---------------------------10
2.2.3圓錐板流變儀 ---------------------------------11
2.2.4平行圓盤流變儀 -------------------------------12
2.2.5動態剪力流變儀 -------------------------------13
2.3 瀝青材規範發展 ------------------------------------14
2.4 瀝青流變及黏彈行為 --------------------------------15
2.5 瀝青流變及黏彈性量測 ------------------------------20
2.6 剪黏度曲線分析模式 --------------------------------23
2.7 瀝青老化行為 --------------------------------------28
2.8 瀝青混凝土拌合與夯壓溫度 --------------------------29
2.9 簡單迴歸分析法 ------------------------------------32

第三章 試驗計畫
3.1試驗配置 -------------------------------------------34
3.1.1 瀝青材料收集 ---------------------------------34
3.1.2 試驗儀器 -------------------------------------37
3.1.3 DV-III流變儀器特 -----------------------------37
3.1.4 Thermosel System溫度控制器特性 ---------------37
3.1.5 RHEOCALC應用軟體特性 -------------------------38
3.2 建立瀝青材之溫度變化與-DV-III HB讀值關係 ---------38
3.2.1 建立瀝青材之溫度-密度關係 -------------------38
3.2.2 建立各轉子之SMC值與樣品體積變化關係資料 -----40
3.3瀝青材量測 -----------------------------------------41
3.4動剪流變参數 ----------------------------------------43

第四章 資料分析
4.1瀝青材之溫度變化與儀器讀值 ------------------------48
4.1.1瀝青材之溫度-密度關係 ------------------------48
4.1.2樣品體積變化與DV-III 讀值與關係 ---------------50
4.1.3瀝青材之溫度變化與DV-III 讀值修正係數 ---------51
4.2瀝青材之流變性質 -----------------------------------53
4.2.1瀝青材之剪應力-剪應變率關係 ------------------54
4.2.2瀝青材之黏度-剪應變率關係 --------------------56
4.2.3 瀝青材之黏度感溫性 --------------------------60
4.2.4 剪應變指數(C值) ----------------------------61
4.2.5 勁度值(St值)與動態剪力模擬 ------------------61
4.2.6 應力鬆弛 -------------------------------------65
4.2.7剪黏度曲線模式分析 ----------------------------66
4.3瀝青混凝土工作溫度之決定探討 -----------------------68

第五章 結論與建議
5.1結論 -----------------------------------------------74
5.2建議 -----------------------------------------------76

參考文獻

附 錄
一、瀝青材之溫度-密度測試資料 -------------------------87
二、迴歸式之變異分析及參數估算 ------------------------92

三、瀝青材之剪應力-剪應變率關係圖 ---------------------98
四、瀝青材之黏度-剪應變率關係圖 -----------------------115
五、瀝青材剪黏度曲線各分析模式 ------------------------124
六、瀝青材剪黏度-剪應變率回歸曲線比較圖 ---------------127
七、瀝青材之黏度-溫度關係圖 ---------------------------134
八、瀝青材剪黏度-溫度曲線圖(回歸) --------------------136

圖 目 錄
圖1-1 研究流程圖--------------------------------------------3
圖2-1 牛頓流體黏度模式圖------------------------------------4
圖2-2 牛頓流體的特性 --------------------------------------6
圖2-3 擬塑性流體的特性--------------------------------------7
圖2-4 膨脹性流體的特性--------------------------------------7
圖2-5 賓漢與塑性流體的特性----------------------------------8
圖2-6 各種流體的特性----------------------------------------8
圖2-7 毛細管流變儀------------------------------------------9
圖2-8 同軸圓筒旋轉流變儀-----------------------------------10
圖2-9 圓錐板流變儀-----------------------------------------11
圖2-10 平行圓盤流變儀--------------------------------------13
圖2-11 動剪流變儀的配置和負載循環--------------------------14
圖2-12 ASTM D2493黏度溫感圖---------------------------------16
圖2-13 勁度值-負載時間圖(含時間/溫度重疊原理-座標平移)-----18
圖2-14 相位角示意圖----------------------------------------19
圖2-15 動態剪力參數關係圖----------------------------------20
圖2-16 Brookfield DV-II黏度儀------------------------------21
圖2-17 黏度儀同軸圓筒裝置示意------------------------------21
圖2-18 DV-III流變儀----------------------------------------22
圖2-19 DV-III操作軟體畫面----------------------------------22
圖2-20 流量測量裝置(FMD)示意圖-----------------------------23
圖2-21 指數律剪黏度曲線------------------------------------24
圖2-22 IPC黏度曲線-----------------------------------------25
圖2-23賓漢與塑性流體的特性---------------------------------26
圖2-24 Casson之三類型流體行為------------------------------27
圖2-25 Casson模式圖解式的處理------------------------------27
圖2-26 NCA/CMA Cassson黏度曲線-----------------------------28
圖2-27 AI MS-2拌合溫度及夯壓溫度---------------------------30
圖2-28 AI SP-2拌合溫度及夯壓溫度---------------------------30
圖2-29 零剪率黏度示意圖------------------------------------32
圖3-1 多點轉速定比例上升量測法示意圖-----------------------42
圖3-2 多點轉速定比例升降量測法示意圖-----------------------42
圖3-3 固定低剪應變率方式量測剪應力變化示意圖---------------43
圖3-4 固定剪應變率方式量測剪應力變化示意圖-----------------43
圖3-5 DSR試驗裝置示意圖------------------------------------45
圖3-6 DSR應力控制下之剪應力-剪應變率關係-------------------46
圖3-7 DV-III應變控制下之剪應力-剪應變率關係----------------46
圖4-1 瀝青材密度-溫度變化圖(己迴歸)------------------------50
圖4-2 樣品體積變化與DV-III 讀值調整關係圖------------------51
圖4-3 ACI瀝青材150℃剪應力-剪應變率關係圖------------------55
圖4-4 ACI瀝青材165℃剪應力-剪應變率關係圖------------------55
圖4-5 ACI瀝青材180℃剪應力-剪應變率關係圖------------------56
圖4-6 ACI瀝青材195℃剪應力-剪應變率關係圖------------------56
圖4-7 ACI瀝青材120、135℃黏度-剪應變率關係圖----------------57
圖4-8 ACI瀝青材150~195℃黏度-剪應變率關係圖----------------58
圖4-9 8K瀝青材100℃黏度-剪應變率關係圖---------------------58
圖4-10 8K瀝青材120~195℃黏度-剪應變率關係圖----------------59
圖4-11 30K瀝青材120℃黏度-剪應變率關係圖-------------------59
圖4-12 30K瀝青材135~195℃黏度-剪應變率關係圖---------------60
圖4-13 ACI瀝青材勁度值-負載時間關係圖----------------------62
圖4-14 8K瀝青材勁度值-負載時間關係圖-----------------------63
圖4-15 30K瀝青材勁度值-負載時間關係圖----------------------63
圖4-16 25℃瀝青材剪應力-負載時間關係圖----------------------65
圖4-17 40℃瀝青材剪應力-負載時間關係圖----------------------66
圖4-18 60℃瀝青材剪應力-負載時間關係圖----------------------66
圖4-19 ACI瀝青材100℃黏度-剪應變率回歸曲線比較圖-----------67
圖4-20 8K瀝青材80℃黏度-剪應變率回歸曲線比較圖-------------67
圖4-21 30K瀝青材80℃黏度-剪應變率回歸曲線比較圖------------68
圖4-22 ACI瀝青材黏度-溫度關係圖----------------------------70
圖4-23 ACI瀝青材黏度-溫度對數關係圖(AI SP-2)----------------70
圖4-24 8K瀝青材黏度-溫度關係圖(一)-----------------------71
圖4-25 8K瀝青材黏度-溫度關係圖(二)-----------------------71
圖4-26 8K瀝青材黏度-溫度對數關係圖(AI SP-2)-----------------72
圖4-27 30K瀝青材黏度-溫度關係圖(一)-----------------------72
圖4-28 30K瀝青材黏度-溫度關係圖(二)-----------------------73
圖4-29 30K瀝青材黏度-溫度對數關係圖(AI SP-2)----------------73

表 目 錄
表2-1 剪流變儀分類表----------------------------------------9
表2-2 統計假設檢定之可能後果表-----------------------------33
表3-1 中油公司ACI-20瀝青----------------------------------34
表3-2 CNS 14184改質III型瀝青------------------------------35
表3-3 日本改質瀝青協會-超重交通改質瀝青--------------------35
表3-4 日本改質瀝青協會-高黏度改質瀝青----------------------36
表3-5 行車車速與試驗頻率對照-------------------------------47
表3-6 DSR試驗頻率與DV-III剪應變率對照----------------------47
表4-1 瀝青溫度-密度線性迴歸式------------------------------48
表4-2 瀝青溫度-體積修正係數線性迴歸式----------------------49
表4-3 樣品體積變化與DV-III 讀值調整迴歸式------------------50
表4-4a 瀝青溫度變化與DV-III讀值修正係數表-----------------52
表4-4b 瀝青溫度變化與DV-III讀值修正係數表-----------------52
表4-4c 瀝青溫度變化與DV-III讀值修正係數表-----------------52
表4-4d 瀝青溫度變化與DV-III讀值修正係數表-----------------53
表4-5 剪應變率及溫度對瀝青材流變性能影響-------------------54
表4-6 瀝青材黏度感溫性彙整表-------------------------------60
表4-7 瀝青材剪變率指數(C值)表------------------------------61
表4-8 瀝青材勁度斜率表-------------------------------------64
表4-9 ACI瀝青材剪應力殘留與相位角--------------------------64
表4-10 8K瀝青材剪應力殘留與相位角--------------------------64
表4-11 30K瀝青材剪應力殘留與相位角-------------------------64

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