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        聚氨酯-石灰石粉復(fù)合改性瀝青抗高溫性能試驗研究

        2022-11-17 11:04:22李衛(wèi)寧王富強
        西部交通科技 2022年9期
        關(guān)鍵詞:剪切應(yīng)力車轍敏感性

        李衛(wèi)寧,王富強,鄧 君

        (廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧 530023)

        0 引言

        瀝青混合料面層在夏季高溫環(huán)境中長期承受重載車輛荷載的反復(fù)作用,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)直至破壞,瀝青混合料面層產(chǎn)生永久變形[1]。永久變形是瀝青混合料面層產(chǎn)生車轍坑槽病害的主要原因之一[2]。提高瀝青混合料性能尤其是改善其抗高溫性能非常重要,可提高其抵抗永久變形的能力,有效消除車轍、坑槽等病害的產(chǎn)生[3]。

        研究表明,選用聚氨酯(PU)作為化學(xué)改性劑摻入道路石油瀝青,產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)后能改變?yōu)r青結(jié)構(gòu)并生成新基團,從而降低瀝青溫度敏感性和改善存儲穩(wěn)定性,提高瀝青的抗車轍能力和抗高溫性能,但提升程度有限[4]。如果只是單獨摻入PU進行改性,不能有效改善瀝青混合料的綜合性能,相比之下,摻入兩種以上材料的復(fù)合改性技術(shù)具有更顯著的優(yōu)勢,可有效提升瀝青的各項性能。

        瀝青混合料中摻入石灰石粉(LF)作為填料,可增加混合物的密度從而提升其力學(xué)穩(wěn)定性能,在我國工程實踐中得到了廣泛認可[5]。本文選用LF作為填料,利用復(fù)合改性技術(shù)制備聚氨酯-石灰石粉復(fù)合改性瀝青,進行多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗,與單摻PU試驗結(jié)果進行對比,研究合成的聚氨酯-石灰石粉復(fù)合改性瀝青在中高溫環(huán)境中的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr,旨在研究其在中高溫下的抗高溫性能,為以后的實際工程和進一步的理論研究提供參考。

        1 試驗材料及試驗方案

        1.1 試驗材料

        (1)基質(zhì)瀝青(BA):采用中石油70#A瀝青,其性能指標(biāo)如表1所示。

        表1 基質(zhì)瀝青的性能指標(biāo)表

        (2)聚氨酯(PU):采用PU預(yù)聚體多元醇與異氰酸酯分步對基質(zhì)瀝青進行改性,多元醇為聚丙二醇分子結(jié)構(gòu)中的R-N=C=O,含量為30.5%,羥值≥180 mg KOH/g。常溫下固體顏色灰白,熔化后為透明液體,為西安某科技有限公司生產(chǎn)。

        (3)石灰石粉(LF):本試驗的填料選擇了目前國內(nèi)常用的LF,填料的細度經(jīng)過篩析,均<75μm。表2列出了石灰石粉填料的化學(xué)成分。

        表2 石灰石粉填料的化學(xué)成分含量表(%)

        1.2 制備

        (1)PU改性瀝青:基質(zhì)瀝青中單一摻入PU?;|(zhì)瀝青預(yù)熱至150 ℃并且完全融化,在高速剪切儀中高速攪拌10 min,隨后將預(yù)熱至90 ℃的PU摻入其中,繼續(xù)攪拌10 min,制得PU改性瀝青。PU摻量為基質(zhì)瀝青總質(zhì)量的3%、5%和7%。

        (2)PU-LF復(fù)合改性瀝青:PU改性瀝青與LF復(fù)摻。基質(zhì)瀝青預(yù)熱至150 ℃并且完全融化,摻入石灰石粉(LF)作為填料進行混合,粉膠比為1.0。在高速剪切儀中攪拌45 min后,按瀝青總質(zhì)量的3%、5%和7%分別摻入聚氨酯預(yù)聚體,攪拌反應(yīng)60 min后,將其放入120 ℃的烘箱中。24 h后取出制樣進行性能測試。

        1.3 多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(MSCR)方案

        采用AR1500ex型動態(tài)剪切流變儀進行多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(MSCR),制備PU改性瀝青和PU-LF復(fù)合改性瀝青試樣,分別為BA、BA+3%PU、BA+5%PU、BA+7%PU、BA+LF、BA+LF+3%PU、BA+LF+5%PU和BA+7%PU+LF。對比分析PU改性瀝青與PU-LF復(fù)合改性瀝青的試驗結(jié)果,評價PU-LF復(fù)合改性瀝青高溫抗車轍性能。

        MSCR試驗設(shè)置轉(zhuǎn)子直徑為25 mm,間隙為1 mm,先后在0.1 kPa和3.2 kPa剪切應(yīng)力控制模式下進行加載,即進行1 s水平加載后卸載9 s,并確保兩個步驟連貫不間歇。先在0.1 kPa的應(yīng)力水平重復(fù)加載10個周期,然后在3.2 kPa的應(yīng)力水平下重復(fù)加載10個周期,共計20個周期。前10個周期用于調(diào)整試件,數(shù)據(jù)不予采納。后10個周期蠕變恢復(fù)周期內(nèi)的平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃恐捣謩e表示為Jnr,0.1和Jnr,3.2。

        Jnr越小,說明黏性流動變形(殘余變形)越小,瀝青膠漿在高溫下抵抗變形的能力越強,抗高溫性能越好,反之,則抗高溫性能差。

        2 試驗結(jié)果與分析

        2.1 不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr的評價

        如圖1所示為瀝青試樣在0.1 kPa和3.2 kPa兩種剪切應(yīng)力作用下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr,0.1、Jnr,3.2。從圖1可知,Jnr值變化規(guī)律基本一致,均隨PU摻量增加而降低,隨溫度的升高其降低趨勢增強。溫度升高導(dǎo)致瀝青試樣抗高溫性能下降,而增加PU摻量可提高其抗高溫性能;溫度越高,各摻量改性瀝青的Jnr和BA之間的差值也越大,表明其在高溫環(huán)境中具有顯著的抗高溫性能;相同溫度對應(yīng)的Jnr隨PU摻量增加而減小,與BA的差值也逐漸增大,表明摻入PU能有效改善瀝青高溫抗永久變形能力;應(yīng)力從0.1 kPa增大到3.2 kPa時,Jnr值增大,這與實際瀝青混凝土路面上較大的軸載會產(chǎn)生較大的車轍深度相符合。

        同等溫度和摻量情況下,單摻PU的Jnr為PU-LF復(fù)合的近50倍左右。58 ℃和64 ℃單摻PU或PU-LF復(fù)合摻量為3%和5%的Jnr變化不大,當(dāng)摻量增加為7%降低趨勢顯著。70 ℃下?lián)搅坑?%增加到5%和7%時,單摻PU較PU-LF復(fù)合的Jnr降低趨勢顯著,說明PU改性瀝青中加入LF后增強了抵抗變形的能力,提高了抗高溫性能。PU摻量由3%增加到5%和7%時,單摻PU的Jnr減小幅度較復(fù)摻顯著;而PU-LF復(fù)合改性瀝青的Jnr減小幅度很小。單摻PU時,通過增加PU摻量可有效提高瀝青試樣的抗高溫性能;而PU-LF復(fù)合改性瀝青對PU摻量不敏感,說明增加PU摻量對其抗高溫性能增效是有限的。與基質(zhì)瀝青相比,改性瀝青的Jnr值從小到大排序為PU-LF復(fù)合

        (a)0.1 kPa剪切應(yīng)力下

        (b)3.2 kPa剪切應(yīng)力下

        (c)0.1 kPa剪切應(yīng)力下

        (d)3.2 kPa剪切應(yīng)力下

        2.2 不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃侩S應(yīng)力變化率Jnr,diff的評價

        本文采用不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃侩S應(yīng)力變化率Jnr,diff評價瀝青試樣對蠕變應(yīng)力的敏感性。計算公式如下:

        Jnr,diff=[(Jnr,3.2 kPa-Jnr,0.1 kPa)/Jnr,0.1 kPa]×100

        (1)

        式中:Jnr,diff——不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃侩S應(yīng)力變化率;

        Jnr,0.1 kPa和Jnr,3.2 kPa——在0.1 kPa和3.2 kPa剪切應(yīng)力下的平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃恐怠?/p>

        Jnr,diff越大,說明在應(yīng)力作用下會產(chǎn)生較大影響,敏感性強,穩(wěn)定性差。

        (a)單摻PU的Jnr,diff

        (b)PU-LF復(fù)合的Jnr,diff

        如圖2所示,隨著PU摻量增大和溫度的升高,不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坎頙nr,diff總體上呈現(xiàn)上下波動的變化規(guī)律,而并非是單一變化趨勢。瀝青試樣的Jnr,diff值相差較大,這說明PU-LF復(fù)合改性瀝青表現(xiàn)出較強的應(yīng)力敏感性,特別是PU摻量對應(yīng)力敏感性影響較大。PU摻量增大其抗變形能力降低,穩(wěn)定性較差。單摻PU的Jnr,diff敏感性高,PU-LF復(fù)合的Jnr,diff值顯著減小。表明采用復(fù)合改性技術(shù)后的PU-LF復(fù)合改性瀝青,應(yīng)力敏感性明顯降低,抗變形能力提高。

        3 結(jié)語

        本文采用AR1500ex型動態(tài)剪切流變儀進行多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(MSCR),研究合成的聚氨酯-石灰石粉復(fù)合改性瀝青在中高溫環(huán)境中的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr,并與單摻PU試驗結(jié)果進行對比,分析PU-LF復(fù)合改性瀝青高溫和中溫環(huán)境下抵抗變形的能力和抗高溫性能,得出以下結(jié)論:

        (1)Jnr均隨PU摻量增加而降低,隨溫度的升高降低趨勢增強。表明摻入PU能有效改善瀝青高溫抗永久變形能力。應(yīng)力從0.1 kPa增大到3.2 kPa時,Jnr值增大,這與實際瀝青混凝土路面上較大的軸載會產(chǎn)生較大的車轍深度相符合。

        (2)同等溫度和摻量情況下,單摻PU的Jnr為PU-LF復(fù)合的近50倍左右。各瀝青試樣的Jnr值由小到大排序為:PU-LF復(fù)合

        (3)不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坎頙nr,diff總體上呈現(xiàn)出上下波動的變化規(guī)律。單摻PU的Jnr,diff敏感性高,PU-LF復(fù)合的Jnr,diff值顯著減小。這表明采用復(fù)合改性技術(shù)的PU-LF復(fù)合改性瀝青,明顯降低了應(yīng)力敏感性,提升了高溫性能,復(fù)合改性明顯優(yōu)于摻入單一材料改性。

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