王富強(qiáng),陽(yáng)利君,陳鈺婷
(廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧 530023)
車轍、裂縫及坑槽是瀝青路面的主要病害。提高瀝青結(jié)合料性能是改善瀝青路面抗裂、車轍、熱裂等破壞性能的途徑之一[1-2]。聚氨酯(PU)是一種彈性體,同時(shí)具備熱塑性塑料和橡膠的優(yōu)點(diǎn)。目前有研究學(xué)者基于聚氨酯(PU)材料進(jìn)行改性瀝青的研究,以取代價(jià)格昂貴的聚合物改性劑。研究表明,采用PU改性瀝青提高了抗車轍能力和高溫等級(jí),滿足瀝青路面強(qiáng)度要求且耐磨,但提升程度有限。單獨(dú)摻入PU進(jìn)行改性,不能有效改善瀝青混合料的綜合性能[3-4]。為此,本文選用石灰石粉(LF)作為改性瀝青的填料與PU復(fù)摻[5],進(jìn)行短期老化試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn),研究填料與合成的聚氨酯在中高溫下對(duì)瀝青結(jié)合料流變性能參數(shù)的影響,包括復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ,并與單摻PU進(jìn)行對(duì)比;同時(shí)還研究復(fù)摻LF對(duì)老化指數(shù)AI的影響,為PU改性瀝青的推廣和應(yīng)用提供參考依據(jù)。
(1)基質(zhì)瀝青(BA):為中石油重交瀝青70#,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)得主要技術(shù)指標(biāo)及結(jié)果如表1所示。
(2)聚氨酯(PU):為西安某科技有限公司生產(chǎn),顏色灰白,分子結(jié)構(gòu)中R-N=C=O含量為30.5%,多元醇羥值≥180 mg KOH/g,固體含量≥80%,斷裂伸長(zhǎng)率為323%,拉伸強(qiáng)度為10 MPa,25 ℃黏度為1.01 mPa·s,異氰酸酯與多元醇的比例為100∶56。
(1)單摻PU改性瀝青:采用BA和PU兩種材料。將基質(zhì)瀝青加熱至完全融化,在130 ℃~140 ℃的溫度中高速攪拌10 min;將預(yù)熱至90 ℃的PU緩慢加入到瀝青中,高速攪拌10 min即可。PU摻量分別為瀝青總質(zhì)量的3%、5%、7%。
表1 70#基質(zhì)瀝青主要技術(shù)指標(biāo)表
(2)與LF復(fù)摻改性瀝青:采用BA、PU和石灰石粉(LF)三種材料??紤]到填料的粉膠比推薦范圍為0.8~1.2,本文選取瀝青路面工程中常用的石灰石粉(LF)作為填料,粉膠比為1.0。
制備瀝青膠漿前將石灰石粉放入烘箱中(溫度設(shè)為105 ℃)干燥6 h。在攪拌前1 h將瀝青放入150 ℃的烘箱中加熱至流動(dòng)狀態(tài)。正式攪拌前,將石灰石粉填料與完全融化的基質(zhì)瀝青按粉膠比為1.0進(jìn)行混合,并用玻璃棒人工攪拌使混合物大致均勻。采用恒溫油浴鍋對(duì)瀝青膠漿進(jìn)行保溫(溫度150 ℃),并在保溫同時(shí)采用數(shù)顯電動(dòng)攪拌機(jī)對(duì)瀝青膠漿攪拌45 min,以使填料與瀝青混合均勻,置于150 ℃的烘箱中保溫1 h。將預(yù)熱至90 ℃的PU分別按瀝青總質(zhì)量的3%、5%、7%緩慢加入到瀝青中高速剪切攪拌10 min即可。
(3)單摻PU或與LF復(fù)摻共制備8種瀝青試樣,分別為:BA、BA+3%PU、BA+5%PU、BA+7%PU、BA+LF、BA+LF+3%PU、BA+LF+5%PU、BA+LF+7%PU。
1.3.1 短期老化試驗(yàn)
采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)(RTFOT),對(duì)瀝青試樣進(jìn)行短期老化試驗(yàn),得到老化后試樣。老化瓶控制溫度為(163.0±0.5)℃,瀝青試樣在老化瓶再次進(jìn)行老化,時(shí)間為85 min。
1.3.2 動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)
動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)在高溫下測(cè)定瀝青試樣的流變性能,包括復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ,由此得到抗車轍因子G*/sinδ。車轍因子反映瀝青試樣的抗車轍能力,值越大,高溫時(shí)的流動(dòng)變形越小,則抗車轍性能越高。
在瀝青膠漿制備過(guò)程中,用DSR測(cè)定瀝青試樣的G*/sinδ,分析不同摻量對(duì)其抗車轍性能的影響。DSR試驗(yàn)參數(shù)為:試樣厚度為1 mm,直徑為25 mm。應(yīng)變值采用應(yīng)變式控制模式,未老化樣品的應(yīng)變?cè)O(shè)為12%,老化樣品的應(yīng)變?cè)O(shè)為10%,頻率為1.59 Hz(10 rad/s)。
圖1所示為試驗(yàn)溫度為64 ℃對(duì)應(yīng)的G*/sinδ值,短期老化后試樣均大于未老化試樣。與BA對(duì)比可知,單摻PU或與LF復(fù)摻均可提高瀝青結(jié)合料的G*/sinδ值,改善其抗車轍性能。與LF復(fù)摻改性瀝青的G*/sinδ值均大于相對(duì)應(yīng)溫度下的單摻PU改性瀝青。與LF復(fù)摻的G*/sinδ值增大最顯著,較未老化BA增大4.7倍,較短期老化后BA增大3.6倍。
(a)64 ℃未老化
(b)64 ℃短期老化
瀝青試樣通常使用60 ℃來(lái)評(píng)價(jià)抗車轍性能,而事實(shí)上,瀝青路面在服役期間會(huì)在較大溫度變化范圍內(nèi)受到外界荷載的作用。本文模擬瀝青路面在服役期間常溫下產(chǎn)生的疲勞變形和極端溫度荷載下產(chǎn)生的瞬時(shí)塑性變形,設(shè)定試驗(yàn)溫度分別為58 ℃、64 ℃、70 ℃、76 ℃,試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。
(a)單摻PU未老化
(b)與 LF 復(fù)摻未老化
(c)單摻PU短期老化
(d)與 LF 復(fù)摻短期老化
由圖2可知,無(wú)論是單摻PU還是與LF復(fù)摻,其摻量由3%增加到5%和7%時(shí),起初階段G*/sinδ均迅速降低,隨溫度的升高降低趨勢(shì)減弱。單摻PU或與LF復(fù)摻摻量為3%和5%的改性瀝青經(jīng)過(guò)短期老化后的G*/sinδ與未老化相比,沒(méi)有顯著變化,但摻量為7%的變化較為顯著。58 ℃和64 ℃時(shí),與LF復(fù)摻的G*/sinδ降低速度較相對(duì)應(yīng)溫度下的單摻PU顯著。70 ℃和76 ℃時(shí),單摻PU或與LF復(fù)摻對(duì)應(yīng)的G*/sinδ幾乎沒(méi)有變化。說(shuō)明PU的摻量為7%時(shí),其抗車轍性能基本達(dá)到最優(yōu)。
試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,瀝青的抗車轍性能隨溫度的升高而降低,但在高溫狀態(tài)下增加PU摻量明顯可減弱G*/sinδ的下降趨勢(shì),提高抗車轍性能。與LF復(fù)摻的高溫性能改性效果較單摻PU的改性效果明顯,表明與LF復(fù)摻改性瀝青較其他類型瀝青具有較好的抗車轍性能。
未老化G*/sinδ與短期老化G*/sinδ的比值為老化指數(shù)AI。AI值越高,表明該瀝青試樣對(duì)老化的敏感性越高,更好地反映了瀝青試樣抗車轍、抗老化的性能。計(jì)算公式如下:
AI=(G*/sinδ)aged/(G*/sinδ)un-aged
(1)
式中:AI——老化指數(shù);
(G*/sinδ)aged——未老化值;
(G*/sinδ)un-aged——短期老化值。
圖3 各瀝青試樣老化指數(shù)AI
計(jì)算結(jié)果繪制如前頁(yè)圖3所示。由圖3可知,與BA對(duì)比,單摻PU或與LF復(fù)摻均可降低AI值;單摻PU的老化指標(biāo)和與LF復(fù)摻的老化指標(biāo)差異較大,與LF復(fù)摻的AI值低于單摻PU。單摻PU摻量由3%增加到5%和7%時(shí),隨溫度的升高,AI值均有增大,說(shuō)明單摻PU對(duì)AI值均有正向影響。與LF復(fù)摻摻量由3%增加到5%和7%時(shí),起初階段AI值均有增大,但增加幅度不大;隨溫度的升高,AI值幾乎保持不變。由此可知,單摻PU改善了瀝青結(jié)合料的流變性能,但易于老化,在PU改性瀝青中復(fù)摻LF,可有效降低改性瀝青老化的敏感性,提高其抗老化的性能。
本文選用石灰石粉(LF)作為改性瀝青的填料與PU復(fù)摻,制備了BA、BA+3%PU、BA+5%PU、BA+7%PU、BA+LF、BA+LF+3%PU、BA+LF+5%PU和BA+LF+7%PU等8種瀝青試樣,進(jìn)行短期老化試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果,分析如下:
(1)單摻PU或與LF復(fù)摻均可改善瀝青結(jié)合料的抗車轍性能。與LF復(fù)摻的結(jié)合料車轍因子(G*/sinδ)值增大最顯著,較未老化BA增大4.7倍;較短期老化后BA增大3.6倍。
(2)單摻PU或與LF復(fù)摻摻量由3%增加到5%和7%時(shí),隨溫度的升高,G*/sinδ降低趨勢(shì)減弱,說(shuō)明PU的摻量為7%時(shí),其抗車轍性能基本達(dá)到最優(yōu)。與LF復(fù)摻的高溫改性效果較單摻PU效果明顯,表明與LF復(fù)摻較其他類型瀝青有較好的抗車轍性能。
(3)單摻PU的老化指標(biāo)和與LF復(fù)摻的老化指標(biāo)差異較大,與LF復(fù)摻的AI值低于單摻PU。單摻PU改善了瀝青結(jié)合料的流變性能,但易于老化;在PU改性瀝青中復(fù)摻LF,可有效降低改性瀝青老化的敏感性,提高其抗老化的性能。