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        新型反應(yīng)性改性瀝青改性劑技術(shù)性能研究

        2015-10-21 18:42:04曹曉娟
        當(dāng)代化工 2015年7期
        關(guān)鍵詞:側(cè)限模量種類

        曹曉娟

        摘 要:對(duì)不同種類改性瀝青混合料進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)、小梁彎曲疲勞試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)蠕變拉伸試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限拉伸試驗(yàn),通過(guò)對(duì)這四種試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析研究,對(duì)比了不同種類改性瀝青混合料的技術(shù)性能,評(píng)價(jià)了RET改性劑對(duì)瀝青混合料路用性能的改善效果。

        關(guān) 鍵 詞:動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn);小梁彎曲疲勞試驗(yàn);動(dòng)態(tài)蠕變拉伸試驗(yàn);無(wú)側(cè)限拉伸試驗(yàn)

        中圖分類號(hào):TE 624 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1671-0460(2015)07-1487-04

        Study on Properties of Reactive Asphalt Modifiers

        CAO Xiao-juan

        (Xi'an International University Shaanxi Xi'an 710000,China)

        Abstract: Different types of modified asphalt mixtures were analyzed by dynamic modulus test, beam bending fatigue test, dynamic creep tests and double-edge-notched tension test, technical properties of different types of modified asphalt mixtures were compared, improvement effect of RET modifier for asphalt pavement performance was evaluated.

        Key words: Dynamic modulus test; Beam bending fatigue test; Dynamic creep tests; Double-edge-notched tension test

        1 概 述

        反應(yīng)性彈性體三元共聚物(RET)作為一種新型的瀝青化學(xué)改性劑,能夠提高瀝青的疲勞壽命,改善瀝青高溫抗車轍、抗剝離、防止低溫開裂的能力等。1991年美國(guó)首次將RET改性瀝青用于俄勒崗州的97號(hào)公路[1],該路段在車輛重載和嚴(yán)峻的高溫條件下,表現(xiàn)出良好的路用性能。除此之外,RET改性瀝青還被用于高緯度地區(qū)、機(jī)場(chǎng)跑道和其他各種瀝青路面。多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,RET改性瀝青不僅技術(shù)性能良好,又具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。本文主要是通過(guò)對(duì)不同種類改性瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),研究分析了新型反應(yīng)性改性瀝青混合料的路用性能。

        2 試驗(yàn)介紹

        2.1 試驗(yàn)制備

        本試驗(yàn)所采用集料的最大公稱粒徑為12.5 mm,將集料與瀝青膠漿在烘箱中保溫2 h后用拌鍋攪拌均勻并分別制成圓柱形試件和長(zhǎng)方形試件。圓柱形試件標(biāo)準(zhǔn)尺寸為直徑15 cm,高度18 cm。長(zhǎng)方形試件標(biāo)準(zhǔn)尺寸為長(zhǎng)60 cm、寬40 cm、高10 cm。并分別測(cè)定各試件的正常質(zhì)量、表干重以及水中重。試驗(yàn)測(cè)得,該試驗(yàn)中各試件的孔隙率大小變化幅度不超過(guò)2%。試驗(yàn)所采用的瀝青混合料類型及馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表1。

        表1 瀝青混合料類型

        Table 1 Asphalt mixture type

        序號(hào) 瀝青PG分級(jí)/℃ 改性瀝青類型 油石比,% 孔隙率,%

        1 64-36 RET+PPA 64-36 4.8

        2 64-36 氧化后SBS 64-36 4.6

        3 64-36 SBS 64-36 4.3

        4 67-35 SBS+PPA 67-35 4.7

        5 66-35 SBS 66-35 4.3

        6 59-35 氧化后PPA 59-35 4.0

        7 59-35 PPA 59-35 4.3

        2.2 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

        本試驗(yàn)中采用常規(guī)的性能試驗(yàn)確定混合料的復(fù)合模量和相位角曲線[2]。按照Superpave動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)的要求,將制備好的圓柱形試件切割取芯制成直徑為100 mm,高度為150 mm的圓柱形薄片芯樣,用環(huán)氧樹脂將試件固定,試驗(yàn)裝置如圖1所示。

        在動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)之前,首先將試件保溫至試驗(yàn)溫度,并將試件上下表面用鐵墊隔離以減少摩擦力。

        圖1 動(dòng)態(tài)模量測(cè)試試驗(yàn)圖

        Fig.1 Dynamic modulus test

        雖然不同的試驗(yàn)溫度(4、12、24、36 ℃)及不同的試驗(yàn)頻率(10、1、0.1、0.02 Hz)會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)與既定的試驗(yàn)程序產(chǎn)生略微誤差,但是,大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)足以描繪出不同溫度下的動(dòng)態(tài)模量曲線。在試驗(yàn)之前要先用5%的動(dòng)態(tài)荷載進(jìn)行預(yù)加載。隨后,向試件試件動(dòng)態(tài)荷載,試件軸向應(yīng)變大約為75 ~ 125 μm/m之間。(試件應(yīng)變主要取決于試件剛度和溫度)。

        2.3 小梁彎曲疲勞試驗(yàn)

        本試驗(yàn)采用MTS810伺服液壓萬(wàn)能機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)疲勞彎曲試驗(yàn)[3]。采用四分點(diǎn)控制應(yīng)力或控制位移的方式對(duì)試件進(jìn)行加載,直至試件破環(huán)。試驗(yàn)溫度為室溫(25±1)℃??刂茟?yīng)力加載方式下的疲勞數(shù)據(jù)分析應(yīng)根據(jù)以下失效準(zhǔn)則:(1)試件剛度減小90%;(2)根據(jù)分散能比率確定;(3)加載次數(shù)下的曲線峰值;(4)韋布理論中的曲線斜率??刂莆灰萍虞d方式下的疲勞數(shù)據(jù)分析應(yīng)根據(jù)以下失效準(zhǔn)則:(1)試件剛度減小50%;(2)當(dāng)分散能比率發(fā)生改變的情況下;(3)加載次數(shù)下的曲線峰值;(4)韋布理論中的曲線斜率。

        2.4 受限動(dòng)態(tài)蠕變拉伸試驗(yàn)

        本試驗(yàn)采用MTS810伺服液壓萬(wàn)能機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)蠕變拉伸試驗(yàn)[4]。通過(guò)向154 mm×150 mm×40 mm的長(zhǎng)方形試件上持續(xù)施加150 N的正弦荷載進(jìn)行試驗(yàn)。試件的初始切口深度大約為20 mm。其中試件裂縫的計(jì)算公式見式(1),試驗(yàn)原理如圖2所示。

        (1)

        其中:a—裂縫長(zhǎng)度,m;

        N—加載次數(shù);

        Δk—應(yīng)力強(qiáng)度因子;

        A、n—常數(shù)。

        圖2 受限動(dòng)態(tài)蠕變拉伸試驗(yàn)圖

        Fig.2 Dynamic creep fracture test in compact tension

        2.5 無(wú)側(cè)限拉伸試驗(yàn)

        無(wú)側(cè)限拉伸試驗(yàn)是一種能夠用以評(píng)價(jià)材料破壞時(shí)的基本應(yīng)力(We)和破壞時(shí)所顯示的塑性特征(Wp)的試驗(yàn)方法,并能夠預(yù)估出材料出現(xiàn)臨界裂縫時(shí)的位移δt=We/σnet,即破壞時(shí)所需的基本應(yīng)力占最小凈截面應(yīng)力的比例。本試驗(yàn)采用MTS810伺服液壓萬(wàn)能機(jī)進(jìn)行無(wú)側(cè)限拉伸試驗(yàn)。通過(guò)向180 mm×120 mm×45 mm的棱形試件上持續(xù)施加荷載進(jìn)行試驗(yàn),從力-位移曲線圖中得到試件在荷載作用下的位移變化規(guī)律。為了保證各試件破壞時(shí)產(chǎn)生延性破壞,控制試驗(yàn)溫度為(25±1)℃,控制應(yīng)變?yōu)?.4 mm/min。試驗(yàn)原理如圖3所示。

        圖3 無(wú)側(cè)限拉伸試驗(yàn)圖

        Fig.3 Constant rate test in double-edge-notched tension

        3 試驗(yàn)結(jié)果分析

        3.1 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)分析結(jié)果

        不同種類瀝青混合料的復(fù)合模量及相位角主曲線結(jié)果如圖4所示。

        由不同種類改性瀝青混合料的衰減頻率-模量對(duì)數(shù)曲線圖試驗(yàn)結(jié)果可以得到以下結(jié)論:

        ①不同加載頻率下,氧化后SBS改性瀝青混合料的復(fù)合模量最大;

        ②PPA催化改性RET改性瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料(66-35)、氧化后PPA改性瀝青混合料,這三種改性瀝青混合料在不同加載頻率下的復(fù)合模量基本一致。RET改性瀝青混合料的復(fù)合模量能夠達(dá)到通常摻量下的SBS改性瀝青混合料的復(fù)合模量,即RET改性瀝青混合料的強(qiáng)度能夠達(dá)到SBS改性瀝青混合料強(qiáng)度;

        圖4 動(dòng)態(tài)模量主曲線圖

        Fig.4 The dynamic modulus master curve

        ③同一加載頻率下,經(jīng)氧化后的SBS改性瀝青混合料復(fù)合模量>未經(jīng)過(guò)氧化的SBS改性瀝青混合料復(fù)合模量,經(jīng)氧化后的PPA改性瀝青混合料復(fù)合模量>未經(jīng)氧化后的PPA改性瀝青混合料復(fù)合模量,由此可見,通過(guò)加氧改性的方法能夠明顯改善不同種類瀝青混合料的復(fù)合模量,提高混合料的強(qiáng)度。

        3.2 四分點(diǎn)小梁彎曲疲勞試驗(yàn)分析結(jié)果

        不同種類瀝青混合料小梁在不同應(yīng)力下的疲勞試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示,分別將不同種類改性瀝青混合料疲勞試驗(yàn)中各個(gè)應(yīng)力比下的疲勞壽命取對(duì)數(shù),繪入以應(yīng)力比為橫坐標(biāo),疲勞壽命對(duì)數(shù)值為縱坐標(biāo)的坐標(biāo)系中,并對(duì)其進(jìn)行線性回歸,回歸結(jié)果如圖6所示。

        由不同種類改性瀝青混合料在不同加載應(yīng)力下的疲勞壽命結(jié)果可以得到以下結(jié)論:①不同種類改性瀝青混合料的疲勞次數(shù)均隨加載應(yīng)力的增大而減?。虎谠谕患虞d應(yīng)力條件下,RET改性瀝青混合料的疲勞壽命>PPA復(fù)配SBS改性瀝青混合料的疲勞壽命>經(jīng)氧化后的SBS改性瀝青混合料的疲勞壽命>PPA改性瀝青混合料的疲勞壽命>未經(jīng)氧化的SBS改性瀝青混合料的疲勞壽命>經(jīng)氧化后的PPA改性瀝青混合料的疲勞壽命;③采用PPA催化改性RET的方法能夠明顯改善瀝青混合料的疲勞性能,增加瀝青混合料的疲勞壽命;④采用PPA復(fù)配SBS改性瀝青混合料的方法能夠明顯改善瀝青混合料的疲勞性能。

        圖5 不同類型混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果圖

        Fig.5 Different types of mixture fatigue test results

        圖6 不同類型瀝青混合料疲勞擬合曲線圖

        Fig.6 Different types of asphalt mixture fatigue curve fitting

        3.3 動(dòng)態(tài)蠕變拉伸試驗(yàn)分析結(jié)果

        不同種類瀝青混合料動(dòng)態(tài)蠕變拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

        圖7 動(dòng)態(tài)蠕變拉伸試驗(yàn)結(jié)果圖

        Fig.7 Dynamic creep tensile test results

        由動(dòng)態(tài)蠕變拉伸試驗(yàn)結(jié)果可以得到以下結(jié)論:①不同種類改性瀝青混合料的變形率隨加載頻率的增大而逐漸增大;②同一加載頻率下,RET改性瀝青混合料的變形率

        3.4 無(wú)側(cè)限拉伸試驗(yàn)分析結(jié)果

        不同種類改性瀝青混合料的無(wú)側(cè)限拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

        圖8 無(wú)側(cè)限拉伸試驗(yàn)結(jié)果圖

        Fig.8 Unconfined tensile test results

        由不同種類瀝青混合料在無(wú)側(cè)限拉伸試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生破壞時(shí)的最小應(yīng)力We及產(chǎn)生裂縫時(shí)的最小位移 的試驗(yàn)結(jié)果可以看出:①RET改性瀝青混合料破壞時(shí)所需的應(yīng)力>SBS改性瀝青混合料破壞時(shí)所需的應(yīng)力>氧化后的PPA改性瀝青混合料破壞時(shí)所需的應(yīng)力>經(jīng)氧化后的SBS改性瀝青混合料破壞時(shí)所需的應(yīng)力>PPA復(fù)配SBS改性瀝青混合料破壞時(shí)所需的應(yīng)力>PPA改性瀝青混合料破壞時(shí)所需的應(yīng)力,由此可見,采用PPA催化改性RET改性瀝青混合料的方法能夠提高混合料的開裂強(qiáng)度,抵抗瀝青混合料的抗開裂能力。

        4 結(jié) 論

        采用PPA催化改性RET改性瀝青混合料的方法能夠明顯改善瀝青混合料的路用性能,延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命,帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益,為國(guó)內(nèi)化學(xué)改性瀝青市場(chǎng)的發(fā)展開辟新途徑[5]。

        參考文獻(xiàn):

        [1]Baumgardner G. (2004) “Rutting and Moisture Resistance of Asphalt Mixtures Containing Polymer and Polyphosphoric Acid Modified Bitumen”[C]. Presented at the Meeting of the AI Spring Meeting, Washington DC.

        [2]李德超.瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)研究[J].公路,2008(1):5-6.

        [3]朱洪洲.瀝青混合料應(yīng)變小梁彎曲 疲勞試驗(yàn)[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009(8):17.

        [4]王為標(biāo).瀝青混合料拉伸蠕變性能的試驗(yàn)研究[J].石油瀝青,1993(4):23-25.

        [5]徐希娟、原健安.化學(xué)改性瀝青的應(yīng)用前景分析[C].中國(guó)公路學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)交流文集,2001(36).

        (上接第1486頁(yè))

        (4)在實(shí)際應(yīng)用中,取沈陽(yáng)理工大學(xué)琴湖中水樣進(jìn)行分析測(cè)定。運(yùn)用加標(biāo)法富集了水樣中的鉛,其回收率達(dá)到了97%,準(zhǔn)確度較高,測(cè)定出水樣中的鉛離子的濃度為0.079 mg/L。

        (5)實(shí)驗(yàn)中也存在吸附劑的選擇性不是很好的情況,有待于后續(xù)工作加以改進(jìn)及研究。

        參考文獻(xiàn):

        [1]汪德進(jìn),黃銀芝.硅藻土吸附水中Cr+6的試驗(yàn)[J]. 化學(xué)工程師,2007(4):28-30.

        [2]郭曉芳,劉云國(guó),樊霆.改性新型錳硅藻土吸附電鍍廢水中鉛鋅的研究[J].非金屬礦,2006,29(6):43-45.

        [3]陳宗淇,張玉榮,曾利榮.聚丙烯酰胺對(duì)蒙脫土絮凝的研究[J].化學(xué)學(xué)報(bào).1981,39(7):672-675.

        [4]云南環(huán)境科學(xué)研究所,昆明煤炭科學(xué)研究所.云南尋甸縣先鋒硅藻土在造價(jià)纖維及其他工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用研究報(bào)告[J].非金屬礦,1986(4):7-10.

        [5] 劉志江.β-環(huán)糊精表面Pb(II)分子印跡聚合材料的制備及吸附性能[D].沈陽(yáng):遼寧大學(xué),2012.

        [6] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局編.水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法[M]. 第四版.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2002.

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