硫磺(摻Thiopave顆粒)改性瀝青高溫穩(wěn)定性能的研究

楊洪生，宇德忠，于立澤

(黑龍江省交通科學(xué)研究所)

1 試驗(yàn)儀器及方法

瀝青流變測(cè)定采用我所引進(jìn)的美國(guó)TA公司生產(chǎn)的CSAⅡ型瀝青動(dòng)態(tài)剪切流變儀。由于硫磺在低濃度時(shí)對(duì)瀝青改性效果較好，因此在試樣制備時(shí)，分別選取基質(zhì)瀝青(基質(zhì)瀝青選用盤錦90#瀝青)和改性后的瀝青試樣(Thiopave占瀝青總質(zhì)量的5%)，反映溫度為140℃，反映時(shí)間為1 h。

試驗(yàn)采用直徑20 mm的圓盤測(cè)量。主要曲線的測(cè)定條件為：測(cè)定溫度為恒溫25℃，頻率變化范圍0.01～100 Hz，恒定荷載1 000 Pa。等時(shí)曲線測(cè)定條件為：測(cè)試溫度由0℃升至75℃，升溫速率均為8℃/3 min，恒定頻率1 Hz，恒定載荷1 000 Pa。在試驗(yàn)前要對(duì)瀝青材料進(jìn)行應(yīng)力掃描，從而確定試驗(yàn)中適當(dāng)?shù)妮d荷應(yīng)力。

2 試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)方法與分析

2.1 隨溫度變化測(cè)定結(jié)果的分析

隨溫度變化的等時(shí)曲線結(jié)果分別如圖1～圖4所示。

圖1～圖4是在恒定交變載荷頻率和恒定荷載應(yīng)力為1 000 Pa下，改性前后瀝青的損失模量、相位角、存儲(chǔ)模量、復(fù)合模量隨溫度變化的曲線，試驗(yàn)中溫度的變化范圍為0～75℃。

圖1 復(fù)合模量隨溫度變化結(jié)果

圖2 相位角隨溫度變化結(jié)果

圖1的數(shù)據(jù)表明，在低溫條件下，A、B樣品改性后的復(fù)合模量要小于改性前的復(fù)合模量但二者相差較小，隨著溫度的升高，改性后的復(fù)合模量要大于改性前的復(fù)合模量，這表明硫磺改性瀝青在高溫時(shí)的抗變形能力強(qiáng)。從圖中還可以看出A樣品在大于40℃時(shí)，改性后瀝青性能要明顯強(qiáng)于改性前。結(jié)合圖2可以看出，瀝青硫化后高溫情況下改性后瀝青的相位角小于改性前，說明應(yīng)變基本與載荷應(yīng)力同步，同時(shí)還說明抗車轍因子G*/sin(δ)改性后遠(yuǎn)高于改性前。從圖3的結(jié)果分析，當(dāng)試驗(yàn)溫度升高時(shí)，基質(zhì)瀝青的存儲(chǔ)彈性模量降低速度較快，但硫化后瀝青的彈性模量的下降幅度要小于基質(zhì)瀝青。圖4是瀝青的損失模量曲線，當(dāng)試驗(yàn)溫度升高時(shí)，硫化后瀝青的損失模量下降趨勢(shì)小于基質(zhì)瀝青。

圖3 存儲(chǔ)彈性模量隨溫度變化結(jié)果

圖4 損失模量隨溫度變化結(jié)果

2.2 隨頻率變化的測(cè)定結(jié)果分析

隨頻率變化測(cè)定主要曲線結(jié)果分別如圖5～圖8所示。

由圖5～圖7的結(jié)果分析可知，在低頻下改性瀝青的損失模量、彈性模量和復(fù)合模量均高于基質(zhì)瀝青，從材料學(xué)角度分析，低頻相當(dāng)于高溫此條件下的試驗(yàn)結(jié)果與等時(shí)曲線測(cè)定結(jié)果大致相同。圖6中試驗(yàn)結(jié)果表明，在低頻條件下改性瀝青的彈性模量要優(yōu)于基質(zhì)瀝青，這也說明了低頻高溫下硫磺改性瀝青具有較好的彈性和較高的高溫穩(wěn)定性。圖8顯示的是硫磺改性瀝青和基質(zhì)瀝青在室溫(25℃)條件下相位角對(duì)載荷頻率變化的響應(yīng)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出硫磺改性瀝青在整個(gè)頻率范圍內(nèi)的相位角都小于基質(zhì)瀝青。當(dāng)加載荷的時(shí)間較短時(shí)(即施載荷頻率較大時(shí))，硫磺改性瀝青和基質(zhì)瀝青的相位角都較小，也即載荷施加時(shí)間較短時(shí)基質(zhì)瀝青表現(xiàn)出很好的彈性，此時(shí)有比較好的高溫穩(wěn)定性;當(dāng)載荷施加時(shí)間變長(zhǎng)時(shí)(即載荷頻率變小)，硫磺改性瀝青和基質(zhì)瀝青對(duì)載荷的響應(yīng)增加，彈性變差，相位角增大說明高溫穩(wěn)定性能力降低。但硫磺改性瀝青相位角隨頻率變化均小于同頻率下基質(zhì)瀝青，這表明了硫化后瀝青的抗疲勞能力增強(qiáng)。

圖5 復(fù)合模量隨頻率變化結(jié)果

圖6 彈性模量隨頻率變化結(jié)果

3 結(jié)論

與傳統(tǒng)的環(huán)球法測(cè)定瀝青軟化點(diǎn)相比較，采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀做試驗(yàn)可以準(zhǔn)確地測(cè)定出改性瀝青的高溫性能;通過上述試驗(yàn)分析可以得出Thiopave改性瀝青與基質(zhì)瀝青相比充分發(fā)揮了硫磺的改性作用，提高了瀝青的彈性性能，增強(qiáng)了其抗車轍能力，使瀝青路面壽命延長(zhǎng)、高溫穩(wěn)定性能及抗疲勞性得到顯著改善。

圖7 損失模量隨頻率變化結(jié)果

圖8 相位角隨頻率變化結(jié)果

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