TPS改性沥青流变性能研究

2015-01-11刘聪慧

山西交通科技 2015年2期

刘聪慧

（山西省交通科学研究院，山西太原 030006）

0 引言

沥青是一种温度敏感性材料，其力学性能会随着温度的变化而改变。随着温度的降低，沥青的强度和劲度会增大，但是柔性降低；而温度升高时，其柔性增大，强度和劲度降低。为了使沥青路面有较好的路用性能，需要添加适当的改性剂，以提高沥青的高低温性能[1]。 TPS（ TAFPACK—Super）是以热塑性橡胶为主要成分，再配以黏结性树脂和增塑剂等其他成分，用机械搅拌混合方式能使普通沥青改良成为排水性沥青路面用的高黏度黏结剂。其主要优点为软化点高、黏度高、延伸性大、石料间凝聚力大、抗剥离性强，具有良好的高温稳定性能、低温抗裂性能及耐久性能[2]。本文采用TPS改性剂，制备了不同掺量的改性沥青胶浆，并用基质沥青和SBS改性沥青作为对比参照，通过DSR剪切流变试验，研究了不同掺量TPS改性沥青的高温抗车辙性和低温抗开裂性[3]。试验前首先用应变扫描试验确定不同沥青样品的线性黏弹性区域，在此区域内通过温度扫描和频率扫描试验研究沥青材料的高温抗车辙性、中温抗疲劳性及低温抗开裂能力[4-5]。

1 试验部分

1.1 原材料制备

本试验所用AH-70基质沥青和SBS改性沥青分别来自广东南粤公司和湖北鄂州壳牌沥青公司，其主要性能指标如表1所示。使用AH-70基质沥青制备TPS改性沥青，TPS改性剂掺量分别为8%、16%、20%。TPS改性沥青采用高速剪切仪制备，剪切搅拌温度为160℃，搅拌时间为2 h。本试验制备的8%TPS、16%TPS、20%TPS 改性沥青针入度分别为：49.4、43.6、40.2。

表1 道路沥青基本性能

1.2 试验装置

本试验使用DSR剪切流变仪测试样品的流变性能，测试指标为复合剪切模量（complex modulus）和相位角（phase angle）。试验温度范围为-20℃～40℃和30℃～80℃。剪切板大小分别为8 mm和25 mm，相对应的上、下剪切板间隙分别为2 mm和1 mm。

2 试验结果及讨论

2.1 应变扫描试验

DSR流变试验前，应首先确定沥青材料的线性黏弹性区域，以确保温度扫描试验和频率扫描试验均在此区域进行。本实验采用应变扫描试验确定线性黏弹性区域，应力与应变的关系如图1所示。

图1为基质沥青AH-70在-20℃ ～40℃时应力与应变的对应关系。通过应变扫描试验，可以明显看出改性沥青的线性黏弹性区域大于基质沥青，并且随着温度的升高，各种沥青的线性黏弹性区域逐渐变宽。

图1 应力与应变关系曲线

由图1可以划分基质沥青的黏弹性区域，并确定温度扫描试验和频率扫描试验中施加的应变等级。表2给出了不同温度下频率扫描试验中对应的应变等级。

表2 不同温度下频率扫描试验应变等级

为了提高试验的可操作性，本次试验中同温度下基质沥青和改性沥青选用相同的应变等级。

2.2 温度扫描试验

温度扫描试验时，对于低温段（-20℃～40℃），应变等级定为0.2%，而对于高温段（30℃～80℃），应变等级定为10%。高、低温段试验频率均设定为10 rad/s。

图2 30℃～80℃时复合模量—温度关系曲线

图3 30℃～80℃时车辙因子—温度关系曲线

由图2和图3可以看出，复合模量和车辙因子随着温度的升高逐渐减小，表明温度升高，沥青材料逐渐“变软”。同时，温度升高时，改性沥青与基质沥青间复合模量和车辙因子差值逐渐增大，并且随着TPS掺量的增大，同温度下车辙因子逐渐增大，表明掺入TPS改性剂可较大地提高沥青高温性能。另外，由图1和图2可以看出，SBS改性沥青的复合模量和车辙因子介于8%TPS和16%TPS之间；温度大于60℃时16%TPS和20%TPS改性沥青的复合模量和车辙因子基本重合。由上述可以推断：为了提高沥青材料抵抗车辙的性能，16%TPS为理想的掺量。

图4 -20℃～40℃时复合模量—温度关系曲线

图5 -20℃～40℃时储存模量—温度关系曲线

由图4和图5可以看出，在低温区段（-20℃～0℃），基质沥青、SBS改性沥青、8%TPS改性沥青的储存模量曲线基本重合，而16%TPS和20%TPS改性沥青的储存模量明显降低，表明16%TPS和20%TPS改性沥青相对于另外3种沥青材料具有更好的抗低温开裂能力。TPS改性剂可增大沥青材料低温时的柔性，阻碍沥青材料“变脆”。同时，低温时SBS改性沥青的储存模量介于8%TPS改性沥青和16%TPS改性沥青之间，16%TPS和20%TPS改性沥青复合模量和储存模量相差不大。因此，16%TPS为提高沥青材料低温抗开裂性的合适掺量。

2.3 频率扫描试验

频率扫描试验中频率范围为100～0.1 rad/s，温度范围为-20℃～70℃。图6为不同温度条件下复合模量和角频率之间的关系，图7为依据“时温等效原则”得出的复合模量主曲线图。依据主曲线图，可以在更宽的频率范围内（10-6～106rad/s）评价沥青材料的性能。

图6 不同温度下复合模量—角频率关系曲线

图7 复合模量主曲线关系图

由图6和图7可以看出，相比于基质沥青，SBS改性沥青和TPS改性沥青复合模量随频率变化较小，即在低频率时，改性沥青具有较高的复合模量，而在高频率时，改性沥青又具有较低的复合模量。依据“时温等效原则”：低频率对应高温，高频率对应低温，可推断出改性沥青相比基质沥青具有更好的高温抗车辙能力和低温抗开裂能力。

同时，随着TPS掺量的增大，TPS改性沥青的复合模量差值逐渐减小，16%TPS和20%TPS改性沥青复合模量主曲线基本重合，因此为了提高沥青的高低温性能，16%TPS为合适掺量。

图8给出了各沥青材料损失模量和角频率之间的关系。损失模量可在一定程度上评价材料的疲劳抵抗特性。由图8可以看出，随着TPS掺量的增大，沥青材料的损失模量逐渐降低，表明TPS有助于提高沥青材料的抗疲劳开裂特性。同时，随着频率的增大（温度降低），各沥青材料的损失模量差值逐渐增大，表明在低温时，TPS改性剂对材料抗疲劳开裂特性贡献更大。与复合模量曲线相同，SBS改性沥青损失模量曲线仍介于8%TPS和16%TPS改性沥青之间，16%TPS和20%TPS改性沥青的损失模量曲线基本重合。