崔 磊

(山東交通職業(yè)學(xué)院， 山東 濰坊 261206)

多聚磷酸及其復(fù)合改性瀝青與瀝青混合料抗裂性能評(píng)價(jià)

崔 磊

(山東交通職業(yè)學(xué)院， 山東 濰坊 261206)

目前對(duì)多聚磷酸改性瀝青和多聚磷酸改性瀝青混合料低溫性能所得結(jié)論不盡相同，有些結(jié)論甚至矛盾。該文采用低溫延度、BBR試驗(yàn)研究了多聚磷酸及其復(fù)合改性瀝青的低溫性能，基于低溫彎曲試驗(yàn)、低溫SCB試驗(yàn)、預(yù)切口J-積分試驗(yàn)和四分點(diǎn)加載疲勞試驗(yàn)研究了多聚磷酸及其復(fù)合改性瀝青與瀝青混合料低溫抗裂性能和抗疲勞耐久性。試驗(yàn)結(jié)果表明，多聚磷酸對(duì)瀝青混合料低溫性能改善效果不明顯，甚至有負(fù)面影響，可通過(guò)摻加SBR、SBS、纖維或橡膠改性瀝青來(lái)改善其低溫抗裂性能，多聚磷酸與SBR復(fù)合改性瀝青對(duì)瀝青混合料低溫性能的改善效果優(yōu)于多聚磷酸與SBS復(fù)合改性瀝青，多聚磷酸與SBS復(fù)合改性瀝青對(duì)瀝青混合料疲勞性能的改善效果優(yōu)于多聚磷酸與SBR復(fù)合改性瀝青，將多聚磷酸與橡膠瀝青或玄武巖纖維復(fù)配可提高瀝青混合料的抗疲勞耐久性。僅采用瀝青的低溫指標(biāo)并不能全面反映多聚磷酸改性瀝青混合料的低溫性能，斷裂能密度、破壞應(yīng)變作為抗彎拉強(qiáng)度與抵抗低溫破壞變形能力的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)可綜合反映多聚磷酸改性瀝青混合料的低溫抗裂性。

道路工程； 多聚磷酸改性瀝青； 多聚磷酸復(fù)合改性瀝青混合料； 低溫抗裂性能； 抗疲勞性能

0 引言

多聚磷酸改性瀝青混合料的低溫抗裂性一直是國(guó)際學(xué)術(shù)界、工程實(shí)踐中關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。長(zhǎng)安大學(xué)曹曉娟、郝培文、張銘銘等采用5℃延度、低溫彎曲試驗(yàn)研究了多聚磷酸改性瀝青的低溫性能，并將多聚磷酸改性瀝青混合料應(yīng)用于高速公路的中面層，結(jié)果表明，多聚磷酸對(duì)瀝青及其混合料低溫性能有負(fù)面影響，但降低幅度不大，為提高多聚磷酸改性瀝青混合料的低溫性能可采用多聚磷酸與聚合物復(fù)配方案[1-4]。重慶交通大學(xué)趙可基于BBR試驗(yàn)研究了多聚磷酸改性瀝青老化前后的低溫流變性能，結(jié)果表明，多聚磷酸對(duì)瀝青的低溫性能無(wú)不良影響。重慶交通科學(xué)研究院周剛采用DAM試驗(yàn)研究了多聚磷酸改性瀝青的低溫流變特性，結(jié)果表明，在0.5%～1.0%摻量范圍內(nèi)多聚磷酸對(duì)瀝青低溫性能的改善效果明顯[5-7]。長(zhǎng)沙理工大學(xué)徐柏清采用針入度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究了多聚磷酸及多聚磷酸與SBS復(fù)合改性瀝青的低溫性能，結(jié)果表明，多聚磷酸可顯著改善SBS改性瀝青的高溫等級(jí)，但低溫等級(jí)保持不變[8，9]。西北師范大學(xué)張峰采用10℃延度研究了多聚磷酸改性瀝青的低溫抗裂性能，結(jié)果表明，摻加多聚磷酸后瀝青的低溫性能顯著降低，多聚磷酸可改善瀝青老化后的低溫抗裂性能[10-13]。瀝青混合料的抗裂性能包括低溫抗裂性和抗疲勞開(kāi)裂性兩方面，瀝青的低溫性能并不能全面反映瀝青混合料的低溫抗裂性能，目前研究人員較多關(guān)注了多聚磷酸改性瀝青的低溫抗裂性能，且關(guān)于低溫性能的試驗(yàn)方法單一，考慮的溫度區(qū)域不一致，對(duì)于多聚磷酸改性瀝青及其混合料的高溫性能?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)達(dá)成一致共識(shí)，而對(duì)多聚磷酸改性瀝青和多聚磷酸改性瀝青混合料低溫性能所得結(jié)論不盡相同，有些結(jié)論甚至矛盾。

1 原材料及改性瀝青制備

試驗(yàn)采用濃度為110%的多聚磷酸為添加劑，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，SBS改性劑選用岳陽(yáng)石化YH-4301、S/B=30/70星型SBS改性劑，摻量為瀝青質(zhì)量的2.5%、3.0%，選用實(shí)體工程中采用的SBR改性劑S/B=25∶75，摻量為2.5%、3.0%。橡膠瀝青是由AH-70重交道路石油瀝青、40目硫化膠粉(摻量為20%)在高溫條件下經(jīng)室內(nèi)高速剪切機(jī)制備而成，橡膠瀝青、SBR、SBS改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。多聚磷酸改性瀝青實(shí)驗(yàn)室制備方法為：將脫水后的基質(zhì)瀝青加熱至165±5 ℃，邊加入多聚磷酸邊勻速攪拌，使加入的多聚磷酸能在短時(shí)間內(nèi)分散均勻并快速升溫至試驗(yàn)溫度，待多聚磷酸全部加入后，保持165±5 ℃試驗(yàn)溫度，以1 000 rad/min的速度勻速攪拌45 min，從而完成多聚磷酸改性瀝青的試驗(yàn)室制備。多聚磷酸復(fù)配聚合物改性瀝青實(shí)驗(yàn)室制備方法為：將成品低劑量SBR(SBS)改性瀝青、橡膠粉改性瀝青加熱至170±5 ℃，加入預(yù)定質(zhì)量的多聚磷酸，使用剪切機(jī)以5 000 r/min對(duì)瀝青進(jìn)行共混剪切30 min，使多聚磷酸能夠與SBR(SBS)改性瀝青、橡膠粉改性瀝青充分反應(yīng)，剪切完成后在170±5 ℃條件下攪拌30 min，制成復(fù)合改性瀝青后備用。

表1 多聚磷酸改性劑物理指標(biāo)Table1 PolyphosphoricacidmodifierphysicalindicatorsP2O5濃度/%25℃密度/(g·m-3)沸點(diǎn)/℃表面張力/(N·cm-1)比熱容/(J/g?℃)25℃蒸汽壓/Pa8431764450911511282

表2 瀝青技術(shù)性能Table2 Asphaltperformance瀝青種類25℃針入度/(01mm)軟化點(diǎn)/℃5℃延度/cm針入度指數(shù)彈性恢復(fù)率/%177℃黏度/(Pa·s)基質(zhì)瀝青78546223-05341—20%橡膠瀝青47865224411488231625%SBS65367344512173220130%SBS64268846812574121325%SBR75255246810177918930%SBR732561492103789195

2 多聚磷酸改性瀝青低溫性能

采用我國(guó)針入度體系指標(biāo)中的低溫延度試驗(yàn)和美國(guó)SHRP彎曲梁流變?cè)囼?yàn)評(píng)價(jià)多聚磷酸改性瀝青的低溫抗裂性能。針入度試驗(yàn)選擇5 ℃、10 ℃2個(gè)試驗(yàn)溫度，試驗(yàn)方法按照《公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)執(zhí)行，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。BBR試驗(yàn)按照SHRP 規(guī)范ASTM D648進(jìn)行，每個(gè)試樣試驗(yàn)溫度分別為-12、-18、-24、-30 ℃評(píng)價(jià)指標(biāo)為蠕變勁度模量S和蠕變曲線斜率m，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3及圖3。在BBR試驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)SHRP提出的連續(xù)分級(jí)溫度指標(biāo)，該指標(biāo)表征瀝青材料在滿足使用要求時(shí)的最低臨界溫度，連續(xù)分級(jí)溫度越低，表明瀝青在使用過(guò)程中出現(xiàn)開(kāi)裂的可能性越小，根據(jù)ASTM D7643連續(xù)溫度定義，得到PAV后多聚磷酸改性瀝青CT試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖1 延度試驗(yàn)結(jié)果Figure 1 Ductility test results

圖2 不同PPA摻量5 ℃延度破壞試件Figure 2 Different PPA content 5 ℃ ductility destroyed specimens

由延度、BBR試驗(yàn)結(jié)果可知： ①相比基質(zhì)瀝青，摻加多聚磷酸后瀝青5 ℃、10 ℃延度減小，延度隨多聚磷酸摻量增大呈負(fù)線性關(guān)系減小，隨著多聚磷酸摻量增大，改性瀝青BBR試驗(yàn)彎曲勁度模量增大，同時(shí)蠕變斜率減小，可見(jiàn)增大多聚磷酸降低了瀝青的硬度增大、釋放荷載的能力降低、脆性增大，依次判斷多聚磷酸對(duì)瀝青的低溫性能有負(fù)面影響。 ②將多聚磷酸與SBS、SBR或橡膠改性瀝青復(fù)配可提高多聚磷酸改性瀝青的低溫延度，增大BBR試驗(yàn)蠕變斜率，降低BBR試驗(yàn)勁度模量，改善了瀝青的低溫PG分級(jí)，同時(shí)降級(jí)了瀝青的連續(xù)分級(jí)溫度，多聚磷酸與SBS、SBR或橡膠改性瀝青分別復(fù)配后的復(fù)合改性滿足我國(guó)北方常用的SBS改性瀝青I-C低溫延度要求，0.75%PPA+2.5%SBS、1.0%PPA+2.5%SBS、1.0%PPA+3.0%SBS、0.75%PPA+圖5(a)和圖5(b)為不同多聚磷酸摻量的多聚磷酸改性瀝青和多聚磷酸與SBS復(fù)合改性瀝青原子力顯微鏡物相圖，不摻加多聚磷酸，基質(zhì)瀝青中存在著明顯的以輕組分為主的連續(xù)相和以瀝青質(zhì)為核心的分散相，摻加多聚磷酸后連續(xù)相的面積減小，隨著多聚磷酸摻量增大，分散相開(kāi)締合，瀝青中的輕質(zhì)組分發(fā)生反應(yīng)。將多聚磷酸摻加到低劑量SBS改性瀝青中，多聚磷酸與瀝青中的活性官能團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，增強(qiáng)了SBS聚合物在瀝青中的交聯(lián)作用，彌補(bǔ)了SBS改性瀝青中的界面連結(jié)缺陷，同時(shí)使得聚合物的分散均勻性提高。

表3 BBR試驗(yàn)結(jié)果匯總Table3 BBRTestresults瀝青類型代號(hào)勁度模量S/MPa蠕變斜率m-12℃-18℃-24℃-30℃-12℃-18℃-24℃-30℃基質(zhì)瀝青A253346445—038402760203—05%PPAB267366497—035202690191—075%PPAC284378514—033402520185—10%PPAD297391534—032802370173—125%PPAE315411555—031402250168—15%PPAF321457581—030502140159—075%PPA+25%SBSG1182122984140505043703260278075%PPA+30%SBSH85143225331049404460333028610%PPA+25%SBSI132231317473049204190301025410%PPA+30%SBSJ1011972843970474042703150263075%PPA+25%SBRK981752513250518045703300282075%PPA+30%SBRL67143225294050404670348030210%PPA+25%SBRM112204288354049504140319026510%PPA+30%SBRN771642583240484042703290280075%PPA+20%膠粉O135237345448041403660323024710%PPA+20%膠粉P1642693674750401034703130224

圖3 多聚磷酸改性瀝青BBR試驗(yàn)勁度模量S和蠕變斜率mFigure 3 Polyphosphate modified asphalt test BBR stiffness modulus S and creep slope m

圖4 多聚磷酸改性瀝青連續(xù)分級(jí)溫度試驗(yàn)結(jié)果Figure 4 Consecutive graded asphalt polyphosphate temperature test results

2.5%SBR、0.75%PPA+3.0%SBR、1.0%PPA+2.5%SBR、1.0%PPA+3.0%SBR、0.75%PPA+20%膠粉、1.0%PPA+20%膠粉9種復(fù)配方案下多聚磷酸改性瀝青的低溫PG分級(jí)依次可達(dá)到-24 ℃，0.75%PPA+3.0%SBS低溫PG分級(jí)為-30 ℃。

(a) PPA單一改性瀝青

(b) PPA與SBS復(fù)合改性瀝青

3 多聚磷酸改性瀝青混合料低溫抗裂性

3.1 配合比設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)展了大量礦料級(jí)配對(duì)瀝青混合料低溫性能的影響方面報(bào)道，這里不再贅述。試驗(yàn)選擇實(shí)體工程中采用的AC-16C型級(jí)配，合成級(jí)配曲線見(jiàn)圖6。粗細(xì)集料均由現(xiàn)場(chǎng)拌合站獲取，玄武巖粗集料、石灰?guī)r機(jī)制砂細(xì)集料、石灰?guī)r礦粉各項(xiàng)性能滿足規(guī)范要求。按照J(rèn)TG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》馬歇爾試驗(yàn)方法要求確定多聚磷酸改性瀝青混合料的最佳瀝青用量，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

3.2 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)方案

國(guó)內(nèi)外關(guān)于瀝青混合料抗裂性評(píng)價(jià)方法有低溫彎曲蠕變?cè)囼?yàn)、約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)、收縮系數(shù)試驗(yàn)、低溫SCB試驗(yàn)、低溫等應(yīng)變加載破壞試驗(yàn)(壓縮試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn))、低溫三分點(diǎn)J積分試驗(yàn)等。研究表明，瀝青混合料承受低溫破壞荷載能力、抗變形能力(收縮性能)和低溫應(yīng)力釋放松弛能力是決定瀝青混凝土的抗裂性能的3個(gè)重要參數(shù)。抗拉強(qiáng)度和抗變形能力越強(qiáng)，所能承受極端最低氣溫越低，此外混合料自身變形能力越強(qiáng)，柔性越好破壞時(shí)產(chǎn)生的位移越大，混合料破壞時(shí)需要克服的能量越大；低溫應(yīng)力松弛能力越強(qiáng)，低溫環(huán)境溫度產(chǎn)生的荷載應(yīng)力能夠得到及時(shí)釋放，避免了溫度應(yīng)力聚集導(dǎo)致的低溫疲勞開(kāi)裂。評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫性能需要考慮低溫條件下的抗彎拉強(qiáng)度、混合料的變形能力和應(yīng)力松弛能力。大量研究成果表明，低溫彎曲試驗(yàn)與瀝青路面開(kāi)裂時(shí)的能量積累、能量釋放過(guò)程比較吻合，低溫彎曲試驗(yàn)也是《公路瀝青路面施工規(guī)范》(JTG F40-2004)馬歇爾法檢驗(yàn)瀝青混合料低溫性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為普遍，試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，受力明確。郝培文等人研究表明，現(xiàn)場(chǎng)芯樣驗(yàn)證采用低溫蠕變?cè)囼?yàn)作為瀝青混合料的低溫評(píng)價(jià)指標(biāo)是可靠的，且該法試驗(yàn)簡(jiǎn)單，能適應(yīng)不同品種瀝青混合料。瀝青混合料具有儲(chǔ)存能量的能力，儲(chǔ)存能量越大其抵抗低溫破壞的能量越強(qiáng)，評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗裂性應(yīng)以能力為基準(zhǔn)，J積分試驗(yàn)從能量角度以斷裂韌度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用帶切口的小梁試件可以模擬路面使用過(guò)程中裂縫已經(jīng)產(chǎn)生并繼續(xù)擴(kuò)展時(shí)抵抗裂縫發(fā)展的能力，可以定量描述車(chē)輛荷載和低溫環(huán)境溫度作用下瀝青混合料應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)度。SCB試驗(yàn)試件制備簡(jiǎn)單、試件拉壓受力狀態(tài)與實(shí)際路面較為接近，可將路面鉆芯后的試件切割后使用，便于施工質(zhì)量控制。本文采用低溫彎曲試驗(yàn)、J積分試驗(yàn)和SCB試驗(yàn)以低溫破壞強(qiáng)度和破壞應(yīng)變能指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)多聚磷酸改性瀝青混合料的低溫性能。

圖6 AC-16C合成級(jí)配曲線Figure 6 AC-16C mixture synthesis grading curve

表4 AC-16C混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Table4 AC-16Cmixturemarshalltestresults瀝青類型油石比/%VV/%VMA/%VFA/%MS/kNFL/mm基質(zhì)瀝青44401407141062305%PPA454013971211929075%PPA46401427181173010%PPA464013871011325125%PPA46401407141192315%PPA464014271811424075%PPA+25%SBS484013971212426075%PPA+30%SBS48401427181272310%PPA+25%SBS49401427181262110%PPA+30%SBS494014071413120075%PPA+25%SBR474014372011927075%PPA+30%SBR48401417161222610%PPA+25%SBR48401447221252510%PPA+30%SBR484014271813126075%PPA+20%膠粉57401457241142910%PPA+20%膠粉574014372012628

3.3 低溫彎曲試驗(yàn)

在表4最佳瀝青用量條件下按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)的要求成型車(chē)轍板，切割尺寸為30 mm×35 mm×250 mm小梁試件，試驗(yàn)溫度為-10 ℃，試驗(yàn)時(shí)采用單點(diǎn)加載方式，支點(diǎn)間距200 mm，根據(jù)低溫彎曲試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線確定式(2)回歸曲線參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算單位體積破壞應(yīng)變能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

σ=Aε3+Bε2+Cε+D

(1)

(2)

式中：ε為應(yīng)變，σ表示應(yīng)力，MPa；Wf為單位體積破壞能，MPa；εc為應(yīng)力峰值時(shí)的應(yīng)變，A、B、C、D為材料參數(shù)。

低溫試驗(yàn)結(jié)果表明： ①相比基質(zhì)瀝青混合料，添加0.5%、0.75%、1.0%、1.25%、1.5%多聚磷酸后瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，在1.0%多聚磷酸摻量時(shí)抗彎拉強(qiáng)度、彎拉應(yīng)變和單位體積破壞應(yīng)變均達(dá)到峰值，此時(shí)低溫抗裂性能最好，而多聚磷酸摻量超過(guò)1%后改性瀝青混合料彎曲應(yīng)變小于基質(zhì)瀝青混合料。 ②5種摻量下，多聚磷酸單一改性瀝青混合料的低溫彎曲應(yīng)變均不能滿足規(guī)范冬嚴(yán)寒區(qū)大于2 800 με的要求，可見(jiàn)摻加適宜劑量的多聚磷酸雖能小幅度改善瀝青混合料的低溫性能，但提高幅度不大，過(guò)多的多聚磷酸摻量將會(huì)對(duì)瀝青混合料低溫性能造成不利影響，這與文獻(xiàn)[3-7]研究成果相吻合。 ③相比基質(zhì)瀝青混合料和多聚磷酸單一改性瀝青混合料，多聚磷酸與SBS、SBR、橡膠改性瀝青及纖維復(fù)配后低溫抗裂性能顯著提高，13種多聚磷酸復(fù)合改性瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度均大于11 MPa，彎曲應(yīng)變大于4 000 με，滿足所有氣候分區(qū)內(nèi)低溫抗裂性能要求，相同多聚磷酸摻量情況下，從改性效果來(lái)看，SBR與多聚磷酸復(fù)合改性瀝青的低溫抗裂性能最好，其次是SBS與多聚磷酸復(fù)合改性瀝青混合料，橡膠粉與多聚磷酸復(fù)合改性瀝青混合料次之，纖維與多聚磷酸復(fù)合改性瀝青混合料的低溫抗裂性能相對(duì)最差，對(duì)低溫抗裂性能要求嚴(yán)格時(shí)實(shí)體工程可優(yōu)先選擇多聚磷酸與SBR復(fù)配方案。 ④對(duì)比不同添加劑對(duì)多聚磷酸改性瀝青混合料低溫性能的改善效果，彎曲應(yīng)變由大到小依次是：1.0%PPA+3.0%SBR>1.0%PPA+3.0%SBS>0.75%PPA+3.0%SBR>1.0%PPA+2.5%SBR>0.75%PPA+3.0%SBS>1.0%PPA+20%膠粉>0.75%PPA+3.5%玄武巖纖維>0.75%PPA+2.5%SBR>1.0%PPA+2.5%SBS>0.75%PPA+20%膠粉>0.75%PPA+2.5%SBS>4.5%SBS>0.75%PPA+3.5%聚酯素纖維>0.75%PPA+3.5%木質(zhì)素纖維，多聚磷酸與玄武巖復(fù)合改性瀝青混合料呈現(xiàn)出較好的低溫抗裂性能，這主要與纖維的“吸附穩(wěn)定作用”、“加筋錨固作用”和“吸油作用”有關(guān)，橡膠瀝青對(duì)多聚磷酸改性瀝青混合料低溫性能改善作用主要與橡膠類材料改善了瀝青混合料的柔性和提高了釋放荷載應(yīng)力的能力等因素有關(guān)。 ⑤對(duì)于多聚磷酸與聚合物復(fù)合改性瀝青混合料，相同SBR、SBS摻量下，0.75%～1%多聚磷酸摻量范圍內(nèi)，隨著多聚磷酸摻量增大復(fù)合改性瀝青混合料低溫彎拉強(qiáng)度、彎曲應(yīng)變、單位體積破壞應(yīng)變能均增大，但增加幅度不大，這與增加多聚磷酸摻量時(shí)多聚磷酸單一改性瀝青混合料低溫性能變化趨勢(shì)相同，可以預(yù)測(cè)，進(jìn)一步增大多聚磷酸摻量復(fù)合改性瀝青混合料的低溫性能將保持不變或有小幅度降低，從工程的經(jīng)濟(jì)性考慮，多聚磷酸與聚合物(橡膠瀝青)復(fù)合改性瀝青混合料復(fù)配時(shí)適宜的多聚磷酸摻量不宜超過(guò)1.0%。 ⑥圖7建立了破壞應(yīng)變能與彎曲應(yīng)變、彎拉強(qiáng)度及勁度模量之間的線性擬合關(guān)系，隨著單位體積破壞應(yīng)變能增大，勁度模量減小，彎曲應(yīng)變?cè)龃?，單位體積破壞應(yīng)變能與彎曲應(yīng)變、勁度模量線性相關(guān)系數(shù)R2大于0.9，在統(tǒng)計(jì)意義上相關(guān)性良好，可見(jiàn)破壞應(yīng)變作為抗彎拉強(qiáng)度與抵抗低溫破壞變形能力的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)可綜合反映多聚磷酸改性瀝青混合料的低溫抗裂性。

表5 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table5 Lowtemperaturebendingtestresults混合料類型抗彎拉強(qiáng)度/MPa最大彎拉應(yīng)變/με彎曲勁度模量/MPa破壞應(yīng)變能/(kJ·m-3)混合料類型抗彎拉強(qiáng)度/MPa最大彎拉應(yīng)變/με彎曲勁度模量/MPa破壞應(yīng)變能/(kJ·m-3)基質(zhì)瀝青9892205644483961975075%PPA+25%SBR1123445663251984358105%PPA10792352874585892232075%PPA+30%SBR11674890432386293990075%PPA1117241347451592237710%PPA+25%SBR1113468909237359374110%PPA1137243542453816248910%PPA+30%SBR11344902322313194093125%PPA11172167164926872299075%PPA+20%膠粉1167430932270808384315%PPA1058216474488742215410%PPA+20%膠粉11434593842488113917075%PPA+25%SBS11344279872649613235075%PPA+35%木質(zhì)素纖維11864076092909653593075%PPA+30%SBS12124659092601373533075%PPA+35%聚酯素纖維1232420812292767372310%PPA+25%SBS11184309342594363343075%PPA+35%玄武巖纖維1245453993274233390410%PPA+30%SBS1164489243237919369145%SBS11434292342662883661

圖7 單位體積破壞應(yīng)變與低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果之間線性擬合關(guān)系Figure 7 Fitting a linear relationship between the volume of des-truction strain and low temperature bending test results

3.4 半圓彎拉試驗(yàn)(SCB)

旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型Φ150 mm，高100 mm試件，為了減小試件成型過(guò)程中邊緣效應(yīng)的影響，每個(gè)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件只制作2個(gè)SCB試件，采用雙面鋸取旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件中部50 mm厚的圓形試件，再將其從中間對(duì)稱打開(kāi)，即制得半圓彎曲試件。SCB試驗(yàn)溫度為0 ℃和-10 ℃，試驗(yàn)單點(diǎn)加載速率為0.5 mm/min，支點(diǎn)間距S=0.8D，SCB試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理公式見(jiàn)式(3)～式(5)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8、表6。

(3)

(4)

(5)

式中：σmax為抗拉強(qiáng)度，MPa；Fmax為最大荷載，N；D為試件直徑，mm；t為試件厚度，mm。

圖8 SCB試驗(yàn)結(jié)果Figure 8 SCB test results

表6 多聚磷酸改性瀝青混合料SCB試驗(yàn)結(jié)果Table6 PolyphosphatemodifiedasphaltmixtureSCBtestresults混合料類型代號(hào)彎拉強(qiáng)度/MPa斷裂能密度/kPa-10℃0℃0℃-10℃混合料類型代號(hào)彎拉強(qiáng)度/MPa斷裂能密度/kPa-10℃0℃0℃-10℃基質(zhì)瀝青A69710410078900529075%PPA+25%SBRK1040114301260114705%PPAB84210790084300658075%PPA+30%SBRL10801187016501502075%PPAC8631107008770068410%PPA+25%SBRM1022112301140103710%PPAD8711117008810068710%PPA+30%SBRN10361139013701247125%PPAE79310170079300619075%PPA+20%膠粉O929114701130091515%PPAF747958007270056710%PPA+20%膠粉P9461168012100980075%PPA+25%SBSG102412340118 00979075%PPA+35%木質(zhì)素纖維Q8081138010300731075%PPA+30%SBSH10891312014701220075%PPA+35%聚酯素纖維R829116701130080210%PPA+25%SBSI9481142010400863075%PPA+35%玄武巖纖維S863121501210085910%PPA+30%SBSJ983118401240102945%SBST10811243011400992

由圖8及表6 SCB試驗(yàn)結(jié)果可知： ①多聚磷酸改性瀝青混合料低溫抗裂性能隨試驗(yàn)溫度減小而降低，這與減小試驗(yàn)溫度瀝青的應(yīng)力松弛能力減弱有關(guān)。隨著多聚磷酸摻量增大，SCB試驗(yàn)彎拉強(qiáng)度和斷裂能密度指標(biāo)均出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，多聚磷酸摻量超過(guò)1%后瀝青混合料彎拉強(qiáng)度和斷裂能密度小于基質(zhì)瀝青混合料，這與低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果相一致，即使在最佳多聚磷酸摻量條件下，相比而言，多聚磷酸對(duì)瀝青混合料的低溫性能改善效果不明顯。結(jié)合已有研究成果，在冬嚴(yán)寒地區(qū)推廣多聚磷酸改性瀝青混合料，低溫抗裂性不足是制約其大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。 ②相比基質(zhì)瀝青混合料和多聚磷酸改性瀝青混合料，摻加SBR、SBS、纖維、橡膠改性瀝青可顯著提高多聚磷酸改性瀝青混合料的低溫抗裂性能，相比4.5%SBS改性瀝青混合料，多聚磷酸與SBS、SBR復(fù)配方案可達(dá)到甚至超過(guò)4.5%SBS改性瀝青混合料的低溫抗裂性能，同時(shí)降低SBS、SBR改性劑摻量。 ③SBS、SBR、橡膠改性瀝青、纖維4種改性劑13種復(fù)配方案的多聚磷酸改性瀝青混合料低溫性能優(yōu)劣排序依次是：0.75%PPA+3.0%SBR>0.75%PPA+3.0%SBS>1.0%PPA+3.0%SBR>0.75%PPA+2.5%SBR>1.0%PPA+3.0%SBS>0.75%PPA+3.5%玄武巖纖維>1.0%PPA+20%膠粉>0.75%PPA+2.5%SBS>4.5%SBS>1.0%PPA+2.5%SBR>0.75%PPA+3.5%聚酯素纖維>0.75%PPA+20%膠粉>1.0%PPA+2.5%SBS>0.75%PPA+3.5%木質(zhì)素纖維，可見(jiàn)多聚磷酸與SBR復(fù)合改性瀝青對(duì)瀝青混合料低溫性能的改善效果優(yōu)于多聚磷酸與SBS復(fù)合改性瀝青。

3.5 斷裂力學(xué)J-積分試驗(yàn)

J積分試驗(yàn)試件制備方法同低溫小梁彎曲試驗(yàn)，試件尺寸為250 mm×40 mm×40 mm，試件有效跨徑200 cm，跨中切口深度5 mm，寬度2 mm，裂紋尖端呈V形，單點(diǎn)加載速率為0.5 mm/min，試驗(yàn)溫度為0 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7，圖9。

表7、圖9試驗(yàn)結(jié)果表明：相比基質(zhì)瀝青混合料，多聚磷酸單一改性瀝青混合料的低溫抗裂性能隨多聚磷酸摻量增大呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，采用多聚磷酸與SBR、SBS、橡膠粉、纖維復(fù)配方案可顯著改善多聚磷酸改性瀝青混合料抑制裂縫擴(kuò)展的能力。相比玄武巖纖維的阻裂效果最好，多聚磷酸與SBR復(fù)配方案次之，橡膠粉與多聚磷酸復(fù)合改性瀝青混合料并未呈現(xiàn)出良好的阻裂效果。

表7 J-積分試驗(yàn)結(jié)果Table7 J?integraltestresults混合料類型破壞時(shí)總應(yīng)變能/(N·mm)斷裂韌度JC/(MPa·mm)基質(zhì)瀝青5580139705%PPA56201423075%PPA5750149310%PPA58101513125%PPA5430134515%PPA51701286075%PPA+25%SBS137603595075%PPA+30%SBS14280411310%PPA+25%SBS14040391710%PPA+30%SBS144604319075%PPA+25%SBR139403687075%PPA+30%SBR14570442410%PPA+25%SBR14310431210%PPA+30%SBR147904572075%PPA+20%膠粉13480346110%PPA+20%膠粉140904214075%PPA+35%木質(zhì)素纖維124903198075%PPA+35%聚酯素纖維133103411075%PPA+35%玄武巖纖維13940411545%SBS135103496

圖9 J-積分試驗(yàn)結(jié)果Figure 9 J-integral test results

4 多聚磷酸改性瀝青混合料抗疲勞性能

采用四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)評(píng)價(jià)多聚磷酸改性瀝青混合料的抗疲勞性能，試件制備和試驗(yàn)方法參考AASHTO T346標(biāo)準(zhǔn)，一組3個(gè)平行試樣，試件尺寸為385 mm×65 mm×50 mm，試驗(yàn)溫度15 ℃，應(yīng)變水平采用1 000 με，選擇加載100次的彎曲勁度模量作為初始勁度模量，疲勞壽命確定方法采用“歸一化勁度模量峰值法”，(僅列舉疲勞試驗(yàn)結(jié)果平均值)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8，圖10。

表8 四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table8 Four?pointbendingfatiguetestresults混合料類型初始勁度模量/MPaNFNM均值/次與AH-70瀝青混合料NFNM比值基質(zhì)瀝青210317679010 05%PPA24901969021114075%PPA2676210971119310%PPA27082299041300125%PPA2790229871130015%PPA28582108431193075%PPA+25%SBS33124309272438075%PPA+30%SBS3693450841255010%PPA+25%SBS3797470358266110%PPA+30%SBS38794930822789075%PPA+25%SBR32804508982550075%PPA+30%SBR3421420835238010%PPA+25%SBR3690418368236610%PPA+30%SBR37984253202406075%PPA+20%膠粉3136440836249410%PPA+20%膠粉33694647592629075%PPA+35%木質(zhì)素纖維29833908732211075%PPA+35%聚酯素纖維30234208342380075%PPA+35%玄武巖纖維3210441279249645%SBS41864238642398

圖10 四分點(diǎn)加載疲勞試驗(yàn)結(jié)果Figure 10 Quarter-point loading fatigue test results

圖10疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明： ①相比基質(zhì)瀝青混合料，摻加多聚磷酸可顯著增大瀝青混合料的彎曲勁度模量，同時(shí)改善瀝青混合料的抗疲勞性能，多聚磷酸改性瀝青混合料疲勞壽命為基質(zhì)瀝青混合料的1.3倍。 ②相比多聚磷酸改性瀝青混合料，將多聚磷酸與SBS、SBR、橡膠改性瀝青、纖維4種改性劑復(fù)配后疲勞壽命可增大1倍多，彎曲勁度模量增大了50%，低劑量SBS、SBR和纖維、橡膠瀝青與多聚磷酸復(fù)配后混合料的抗疲勞性能可達(dá)到甚至超過(guò)4.5%SBS改性瀝青混合料，可見(jiàn)多聚磷酸復(fù)合改性瀝青混合料抗疲勞性能優(yōu)良。 ③SBS、SBR、橡膠改性瀝青、纖維4種改性劑13種復(fù)配方案的多聚磷酸改性瀝青混合料低溫性能優(yōu)劣排序依次是：1.0%PPA+3.0%SBS>1.0%PPA+2.5%SBS>1.0%PPA+20%膠粉>0.75%PPA+2.5%SBR>0.75%PPA+3.0%SBS>0.75%PPA+3.5%玄武巖纖維>0.75%PPA+20%膠粉>0.75%PPA+2.5%SBS>1.0%PPA+3.0%SBR>4.5%SBS>0.75%PPA+3.0%SBR>0.75%PPA+3.5%聚酯素纖維>1.0%PPA+2.5%SBR>0.75%PPA+3.5%木質(zhì)素纖維，可見(jiàn)多聚磷酸與SBS復(fù)合改性瀝青對(duì)瀝青混合料疲勞性能的改善效果優(yōu)于多聚磷酸與SBR復(fù)合改性瀝青，將多聚磷酸與橡膠瀝青或玄武巖纖維復(fù)配可提高瀝青混合料的抗疲勞耐久性。

5 結(jié)論

① 綜合低溫延度試驗(yàn)和BBR試驗(yàn)結(jié)果，推薦改性瀝青中的多聚磷酸改摻量不宜超過(guò)1.25%，多聚磷酸對(duì)瀝青的低溫性能改善效果不明顯，摻量超過(guò)1.25%后會(huì)對(duì)瀝青的低溫性能產(chǎn)生不良影響。將多聚磷酸與SBS、SBR或橡膠改性瀝青復(fù)配可提高多聚磷酸改性瀝青的低溫抗裂性能。

② 按照現(xiàn)行施工技術(shù)規(guī)范對(duì)冬嚴(yán)寒區(qū)瀝青混合料低溫性能的要求，對(duì)瀝青混合低溫性能改善效果不明顯是制約多聚磷酸改性瀝青混合料在冬嚴(yán)寒區(qū)推廣應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。多聚磷酸與SBS、SBR、橡膠改性瀝青及纖維復(fù)配后低溫抗裂性能顯著提高，將多聚磷酸與橡膠瀝青或玄武巖纖維復(fù)配可提高瀝青混合料的抗疲勞耐久性。

③ SBR與多聚磷酸復(fù)合改性瀝青的低溫抗裂性能最好，其次是SBS與多聚磷酸復(fù)合改性瀝青混合料，橡膠粉與多聚磷酸復(fù)合改性瀝青混合料次之，纖維與多聚磷酸復(fù)合改性瀝青混合料的低溫抗裂性能相對(duì)最差，對(duì)低溫抗裂性能要求嚴(yán)格時(shí)實(shí)體工程可優(yōu)先選擇多聚磷酸與SBR復(fù)配方案。

④ 多聚磷酸改性瀝青混合料的低溫抗裂性能不僅與其承受荷載的能力有關(guān)，也受溫度變化時(shí)釋放荷載的松弛能力和自身的變形能力的影響，采用瀝青的低溫指標(biāo)并不能全面反映多聚磷酸改性瀝青混合料的低溫性能，斷裂能密度、破壞應(yīng)變作為抗彎拉強(qiáng)度與抵抗低溫破壞變形能力的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)可綜合反映多聚磷酸改性瀝青混合料的低溫抗裂性。

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Poly-phosphate and Its Compound Modified Asphalt and Asphalt Mixture Cracking Performance Evaluation

CUI Lei

(Shandong Transport Vocational College， Weifang， Shandong 261206， China)

The modified asphalt of polyphosphate and polyphosphate modified asphalt mixture at low temperature performance resulting conclusions are not the same，some even contradictory conclusions.In this paper，the use of low-temperature ductility，BBR were studied polyphosphate and low temperature performance composite modified asphalt-based low-temperature bending test，low temperature SCB test，integration test and pre-cut J-quartile studied poly-loading fatigue testing its phosphate compound modified asphalt and asphalt mixture for cracking resistance and fatigue durability.The results show that polyphosphate of low-temperature asphalt mixture performance improvement effect is not obvious，and even have a negative impact，by adding SBR，SBS，fiber or rubber modified asphalt to improve its low temperature crack resistance，polyphosphate and SBR composite modified asphalt on the effect of improving the low temperature performance of asphalt mixture than polyphosphate and SBS compound modified asphalt，polyphosphoric acid and SBS compound modified asphalt improvement effect on asphalt mixture fatigue performance better than polyphosphate and SBR composite modified asphalt，the rubber asphalt and polyphosphoric acid compound or basalt fiber can improve the asphalt mixture fatigue durability.Using only the low-temperature asphalt index does not fully reflect the polyphosphate modified asphalt low temperature performance，fracture energy density，failure strain as flexural strength and low resistance to deformation damage evaluation index may reflect a comprehensive reform polyphosphate low temperature crack resistance of asphalt mixture.

road engineering； polyphosphoric acid modified asphalt； polyphosphate compound modified asphalt mixture； low temperature crack resistance； fatigue resistance

2016 — 08 — 15

崔 磊(1970 — )，女，山東濰坊人，碩士，副教授，研究方向：從事公路工程施工與路面材料的研究。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)06 — 0178 — 10