多聚磷酸改性瀝青混合料低溫?cái)嗔研阅苎芯?/h1>
2023-09-22 15:35:08呂東濱邵鵬坤
西部交通科技 2023年7期
呂東濱,胡 隆,邵鵬坤
(1.廣西高速公路投資有限公司,廣西 南寧 530022;2.廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007)
0 引言
由于多聚磷酸(PPA)與瀝青的組分具有良好的相容性,即在長期儲(chǔ)存過程中不易離析,且易于加工,成本較低。因此,PPA一直是瀝青工業(yè)中較為常用的改性劑。PPA的添加使得瀝青組分之一的瀝青質(zhì)含量增加,而芳香分和飽和分的含量降低,因此改善了瀝青的耐高溫性能和熱穩(wěn)定性,而會(huì)使瀝青的延度降低[1-2]。馬峰等[3]基于低溫小梁彎曲試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),PPA的添加會(huì)降低瀝青混合料的低溫抗裂性能。曹曉娟等[4]采用半圓彎曲(SCB)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),PPA對(duì)瀝青混合料的低溫開裂有不利影響。然而,趙奇峰[5]發(fā)現(xiàn)PPA能同時(shí)顯著改善生物瀝青混合料的高低溫性能。李超等[6]發(fā)現(xiàn)SBS/PPA復(fù)合改性瀝青混合料的低溫抗裂性優(yōu)于單一SBS改性瀝青混合料。
在上述研究中,關(guān)于PPA對(duì)瀝青低溫性能影響的結(jié)果存在差異,這可能與PPA與瀝青的相互作用以及量化開裂的試驗(yàn)指標(biāo)不一致有關(guān)?；赟CB試驗(yàn)的裂縫開口位移(CMOD)已被證明是量化瀝青混合料低溫開裂的成熟指標(biāo)。但盡管CMOD得到了相關(guān)指標(biāo)來評(píng)價(jià)瀝青混合料的斷裂性能,卻未綜合考慮斷裂能、裂縫擴(kuò)展所需時(shí)間和裂縫張開量對(duì)瀝青混合料斷裂特性的協(xié)同影響。因此,基于彎曲梁流變儀(BBR)和SCB試驗(yàn),深入分析PPA對(duì)瀝青及其混合料低溫開裂性能的影響。
1 原材料與試驗(yàn)方法
1.1 原材料及配合比設(shè)計(jì)
該試驗(yàn)采用的基質(zhì)瀝青為70號(hào)A級(jí)石油瀝青(見表1),PPA由湖南某化工公司提供。瀝青混合料所用集料均為玄武巖,礦粉為石灰?guī)r,試驗(yàn)結(jié)果均滿足規(guī)范要求。圖1是該試驗(yàn)的AC-13合成級(jí)配曲線。根據(jù)馬歇爾穩(wěn)定度、空隙率和體積參數(shù)指標(biāo)的結(jié)果選擇最佳油石比為5.8%。
圖1 AC-13混合料級(jí)配曲線圖
表1 基質(zhì)瀝青的物理性質(zhì)表
1.2 試件制備
PPA改性瀝青的制備過程為:將不同摻量的PPA加入基質(zhì)瀝青中,在150 ℃的測試溫度下,以3 000 r/min的剪切速率剪切30 min。PPA的摻量分別為0.5%、1.0%和1.5%。SCB試驗(yàn)的試件基于PPA改性瀝青混合料馬歇爾試樣(直徑15 cm、高15 cm),從水平方向切成5個(gè)直徑150 mm、厚度25 mm的圓盤,再將每個(gè)圓盤切成兩個(gè)半圓形,在每個(gè)半圓形試樣上切出一個(gè)垂直缺口(長25 mm、寬3 mm),如圖2所示。
1.3 試驗(yàn)方法
采用BBR試驗(yàn)評(píng)價(jià)長期老化后的PPA改性瀝青的低溫流變性能,測試溫度分別設(shè)置為-6 ℃、-12 ℃、-18 ℃和-24 ℃。評(píng)價(jià)指標(biāo)為彎曲蠕變剛度S和蠕變速率m值。為了評(píng)估瀝青的臨界低溫開裂溫度,根據(jù)Superpave性能分級(jí),將S≤300 MPa和m≥0.300作為限制條件。
在應(yīng)變控制模式下,采用通用試驗(yàn)機(jī)(UTM)以1 mm/min的速率進(jìn)行SCB斷裂試驗(yàn)。首先將所有SCB試件經(jīng)烘箱干燥以去除水分,然后在0 ℃、15 ℃、25 ℃和35 ℃分別進(jìn)行三次平行試驗(yàn)。試件保溫4 h以確保在試驗(yàn)期間溫度保持恒定。同時(shí),使用高速攝像機(jī)觀測SCB試件的裂紋擴(kuò)展和CMOD。
2 結(jié)果與討論
2.1 低溫開裂臨界溫度
瀝青的低溫PG分級(jí)根據(jù)規(guī)范AASHTO M320確定。一般來說,低溫性能等級(jí)的確定主要是在不同試驗(yàn)溫度下,長期老化后的瀝青按照S≤300 MPa和m≥0.300的限制條件,以-6 ℃作為等級(jí)區(qū)間。然而,將-6 ℃作為等級(jí)區(qū)間存在區(qū)間過大的情況,這樣難以區(qū)分和細(xì)化具有相同低溫等級(jí)的瀝青的抗裂性能。因此,采用基于S和m值的臨界溫度來表征低溫性能,如式(1)所示。
1) 評(píng)價(jià)矩陣的建立.根據(jù)確定的安全管理測度，邀請(qǐng)p個(gè)專家對(duì)指標(biāo)Aij進(jìn)行打分，從而建立評(píng)價(jià)矩陣Di=[dijk]s×p.
T=max(TS,Tm)
(1)
式中:T——瀝青的低溫開裂臨界溫度(℃);
Ts——S≤300 MPa條件下瀝青的低溫開裂溫度(℃);
Tm——m≥0.300條件下瀝青的低溫開裂溫度(℃)。
表2顯示了經(jīng)過長期老化后的基質(zhì)瀝青和PPA改性瀝青的S值和m值。將表2中瀝青的BBR試驗(yàn)結(jié)果代入式(1),分別確定了瀝青的臨界低溫開裂溫度,如圖3所示。
表2 瀝青的BBR試驗(yàn)結(jié)果表
從圖3可以看出,基于低溫臨界開裂溫度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來說,PPA的添加對(duì)瀝青的低溫性能有一定的負(fù)面影響,但是這種負(fù)面影響不大。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因是PPA的添加使得瀝青組分的比例發(fā)生了變化,瀝青質(zhì)和膠質(zhì)減少,從而形成了新的膠體結(jié)構(gòu),改性瀝青的塑性降低,低溫性能稍微下降。
2.2 斷裂能
基于SCB試驗(yàn)結(jié)果,根據(jù)力-位移曲線下面積計(jì)算每個(gè)試樣的斷裂能,圖4顯示了PPA改性瀝青混合料在不同測試溫度下的斷裂能。
圖4 瀝青的斷裂能對(duì)比柱狀圖
由圖4可知,SCB試驗(yàn)的測試溫度越低,瀝青混合料的斷裂能越高。這是因?yàn)闉r青混合料具有粘彈性,其SCB試驗(yàn)對(duì)材料的力學(xué)響應(yīng)會(huì)隨著溫度的變化而改變,在溫度下降的情況下,瀝青與集料之間的界面破壞加劇。從圖4可知,在25 ℃和35 ℃的測試溫度下,PPA的添加顯著增加了瀝青混合料的斷裂能,說明PPA改性瀝青的彈性指數(shù)明顯高于基質(zhì)瀝青,并且這種差異隨著PPA摻量的增加而增加。
2.3 裂縫擴(kuò)展速率
在SCB試驗(yàn)過程中,使用高速攝像機(jī)程序收集的數(shù)據(jù)用于繪制裂縫開口程度與時(shí)間的關(guān)系。根據(jù)曲線關(guān)系斜率計(jì)算得出不同測試溫度下瀝青混合料的裂紋擴(kuò)展速率v,如表3所示。
表3 瀝青混合料的裂紋擴(kuò)展速率和CMOD終值表
由表3可知,0.5%、1.0%PPA改性瀝青混合料的裂紋擴(kuò)展速率均低于基質(zhì)瀝青混合料。在0 ℃、15 ℃、25 ℃和35 ℃的測試溫度下,1.5%PPA改性瀝青混合料的裂紋擴(kuò)展速率均比基質(zhì)瀝青混合料高,并且二者差異隨著PPA用量的增加而增加。這說明在低溫(0 ℃)和中溫(15 ℃、25 ℃、35 ℃)的溫度環(huán)境下,1.0%的PPA可以降低裂縫擴(kuò)展速率來改善低溫開裂性能。這也表明PPA對(duì)瀝青混合料低溫抗裂性的提升,與PPA、瀝青和集料表面之間的化學(xué)相互作用有關(guān)。
雖然添加PPA和提高測試溫度對(duì)CMOD終值沒有明顯影響,但由表3可知,1.5%PPA摻量下以及25 ℃溫度下瀝青混合料的CMOD終值較高。但是,在瀝青粘彈性特性的影響下,隨著溫度的下降,瀝青混合料的CMOD終值也隨之下降。與其他測試溫度相比,在0 ℃時(shí)混合料具有最低的CMOD終值,這是因?yàn)榈蜏叵聻r青混合料中的瀝青變硬,柔韌性降低。因此,試驗(yàn)后觀察到裂紋的開口較小。然而,在較高溫度下,盡管具有更大的柔韌性及非彈性性質(zhì),但瀝青混合料的承載能力會(huì)降低。
2.4 SCB開裂指數(shù)
SCB試驗(yàn)中斷裂能的增加表明試樣的斷裂需要更多的能量,從而提高了對(duì)裂紋擴(kuò)展的抵抗力,但是僅僅采用此參數(shù)來評(píng)價(jià)瀝青的斷裂性能是不夠的。在特定溫度下,CMOD和裂紋擴(kuò)展速度的降低也表明瀝青抗裂性能提高。因此,采用SCB開裂指數(shù)來更好地量化瀝青混合料的斷裂性能,采用式(2)和式(3)計(jì)算:
(2)
(3)
式中:Ef——斷裂能(J/m2);
CMOD——裂縫開口位移(mm);
v——裂縫擴(kuò)展速率(mm/s);
S——評(píng)價(jià)特定溫度下抵抗荷載的指標(biāo)。
將PPA改性瀝青混合料的斷裂能、CMOD和裂縫擴(kuò)展率按公式(2)計(jì)算出SCB開裂指數(shù),如圖5所示。
圖5 瀝青的SCB開裂指數(shù)對(duì)比柱狀圖
由圖5可知,1.0%的PPA會(huì)增加瀝青混合料的SCB開裂指數(shù),這表明適量的PPA可以改善瀝青混合料的抗裂性能。然而,當(dāng)PPA的添加量>1.0%時(shí),SCB開裂指數(shù)會(huì)降低,說明過量的PPA對(duì)瀝青混合料的斷裂性能產(chǎn)生顯著負(fù)面影響。同時(shí),可以發(fā)現(xiàn)在較高溫度狀態(tài)(>0 ℃)下,PPA對(duì)其低溫性能的負(fù)面影響不太明顯。
3 結(jié)語
(1)經(jīng)過BBR試驗(yàn)可知,當(dāng)PPA摻量從0.5%增加到1.5%時(shí),在基質(zhì)瀝青中摻加的PPA會(huì)使瀝青的臨界低溫開裂溫度略微增加,這表明PPA對(duì)瀝青的低溫抗裂性能有一定的負(fù)面影響。
(2)1.0%的PPA可以增強(qiáng)瀝青混合料的斷裂能,降低其裂縫擴(kuò)展速率和CMOD值。CMOD的變化在較高溫度下更為顯著,這表明PPA對(duì)瀝青混合料的裂紋擴(kuò)展過程有延滯影響。
(3)SCB開裂指數(shù)可以直接反映PPA對(duì)瀝青混合料斷裂特性的影響?；赟CB開裂指數(shù),添加1.0%的PPA能夠提高瀝青混合料的抗斷裂性能,但過量的PPA則會(huì)對(duì)其產(chǎn)生不利影響。
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由于多聚磷酸(PPA)與瀝青的組分具有良好的相容性,即在長期儲(chǔ)存過程中不易離析,且易于加工,成本較低。因此,PPA一直是瀝青工業(yè)中較為常用的改性劑。PPA的添加使得瀝青組分之一的瀝青質(zhì)含量增加,而芳香分和飽和分的含量降低,因此改善了瀝青的耐高溫性能和熱穩(wěn)定性,而會(huì)使瀝青的延度降低[1-2]。馬峰等[3]基于低溫小梁彎曲試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),PPA的添加會(huì)降低瀝青混合料的低溫抗裂性能。曹曉娟等[4]采用半圓彎曲(SCB)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),PPA對(duì)瀝青混合料的低溫開裂有不利影響。然而,趙奇峰[5]發(fā)現(xiàn)PPA能同時(shí)顯著改善生物瀝青混合料的高低溫性能。李超等[6]發(fā)現(xiàn)SBS/PPA復(fù)合改性瀝青混合料的低溫抗裂性優(yōu)于單一SBS改性瀝青混合料。
在上述研究中,關(guān)于PPA對(duì)瀝青低溫性能影響的結(jié)果存在差異,這可能與PPA與瀝青的相互作用以及量化開裂的試驗(yàn)指標(biāo)不一致有關(guān)?；赟CB試驗(yàn)的裂縫開口位移(CMOD)已被證明是量化瀝青混合料低溫開裂的成熟指標(biāo)。但盡管CMOD得到了相關(guān)指標(biāo)來評(píng)價(jià)瀝青混合料的斷裂性能,卻未綜合考慮斷裂能、裂縫擴(kuò)展所需時(shí)間和裂縫張開量對(duì)瀝青混合料斷裂特性的協(xié)同影響。因此,基于彎曲梁流變儀(BBR)和SCB試驗(yàn),深入分析PPA對(duì)瀝青及其混合料低溫開裂性能的影響。
1 原材料與試驗(yàn)方法
1.1 原材料及配合比設(shè)計(jì)
該試驗(yàn)采用的基質(zhì)瀝青為70號(hào)A級(jí)石油瀝青(見表1),PPA由湖南某化工公司提供。瀝青混合料所用集料均為玄武巖,礦粉為石灰?guī)r,試驗(yàn)結(jié)果均滿足規(guī)范要求。圖1是該試驗(yàn)的AC-13合成級(jí)配曲線。根據(jù)馬歇爾穩(wěn)定度、空隙率和體積參數(shù)指標(biāo)的結(jié)果選擇最佳油石比為5.8%。
圖1 AC-13混合料級(jí)配曲線圖
表1 基質(zhì)瀝青的物理性質(zhì)表
1.2 試件制備
PPA改性瀝青的制備過程為:將不同摻量的PPA加入基質(zhì)瀝青中,在150 ℃的測試溫度下,以3 000 r/min的剪切速率剪切30 min。PPA的摻量分別為0.5%、1.0%和1.5%。SCB試驗(yàn)的試件基于PPA改性瀝青混合料馬歇爾試樣(直徑15 cm、高15 cm),從水平方向切成5個(gè)直徑150 mm、厚度25 mm的圓盤,再將每個(gè)圓盤切成兩個(gè)半圓形,在每個(gè)半圓形試樣上切出一個(gè)垂直缺口(長25 mm、寬3 mm),如圖2所示。
1.3 試驗(yàn)方法
采用BBR試驗(yàn)評(píng)價(jià)長期老化后的PPA改性瀝青的低溫流變性能,測試溫度分別設(shè)置為-6 ℃、-12 ℃、-18 ℃和-24 ℃。評(píng)價(jià)指標(biāo)為彎曲蠕變剛度S和蠕變速率m值。為了評(píng)估瀝青的臨界低溫開裂溫度,根據(jù)Superpave性能分級(jí),將S≤300 MPa和m≥0.300作為限制條件。
在應(yīng)變控制模式下,采用通用試驗(yàn)機(jī)(UTM)以1 mm/min的速率進(jìn)行SCB斷裂試驗(yàn)。首先將所有SCB試件經(jīng)烘箱干燥以去除水分,然后在0 ℃、15 ℃、25 ℃和35 ℃分別進(jìn)行三次平行試驗(yàn)。試件保溫4 h以確保在試驗(yàn)期間溫度保持恒定。同時(shí),使用高速攝像機(jī)觀測SCB試件的裂紋擴(kuò)展和CMOD。
2 結(jié)果與討論
2.1 低溫開裂臨界溫度
瀝青的低溫PG分級(jí)根據(jù)規(guī)范AASHTO M320確定。一般來說,低溫性能等級(jí)的確定主要是在不同試驗(yàn)溫度下,長期老化后的瀝青按照S≤300 MPa和m≥0.300的限制條件,以-6 ℃作為等級(jí)區(qū)間。然而,將-6 ℃作為等級(jí)區(qū)間存在區(qū)間過大的情況,這樣難以區(qū)分和細(xì)化具有相同低溫等級(jí)的瀝青的抗裂性能。因此,采用基于S和m值的臨界溫度來表征低溫性能,如式(1)所示。
1) 評(píng)價(jià)矩陣的建立.根據(jù)確定的安全管理測度，邀請(qǐng)p個(gè)專家對(duì)指標(biāo)Aij進(jìn)行打分，從而建立評(píng)價(jià)矩陣Di=[dijk]s×p.
T=max(TS,Tm)
(1)
式中:T——瀝青的低溫開裂臨界溫度(℃);
Ts——S≤300 MPa條件下瀝青的低溫開裂溫度(℃);
Tm——m≥0.300條件下瀝青的低溫開裂溫度(℃)。
表2顯示了經(jīng)過長期老化后的基質(zhì)瀝青和PPA改性瀝青的S值和m值。將表2中瀝青的BBR試驗(yàn)結(jié)果代入式(1),分別確定了瀝青的臨界低溫開裂溫度,如圖3所示。
表2 瀝青的BBR試驗(yàn)結(jié)果表
從圖3可以看出,基于低溫臨界開裂溫度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來說,PPA的添加對(duì)瀝青的低溫性能有一定的負(fù)面影響,但是這種負(fù)面影響不大。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因是PPA的添加使得瀝青組分的比例發(fā)生了變化,瀝青質(zhì)和膠質(zhì)減少,從而形成了新的膠體結(jié)構(gòu),改性瀝青的塑性降低,低溫性能稍微下降。
2.2 斷裂能
基于SCB試驗(yàn)結(jié)果,根據(jù)力-位移曲線下面積計(jì)算每個(gè)試樣的斷裂能,圖4顯示了PPA改性瀝青混合料在不同測試溫度下的斷裂能。
圖4 瀝青的斷裂能對(duì)比柱狀圖
由圖4可知,SCB試驗(yàn)的測試溫度越低,瀝青混合料的斷裂能越高。這是因?yàn)闉r青混合料具有粘彈性,其SCB試驗(yàn)對(duì)材料的力學(xué)響應(yīng)會(huì)隨著溫度的變化而改變,在溫度下降的情況下,瀝青與集料之間的界面破壞加劇。從圖4可知,在25 ℃和35 ℃的測試溫度下,PPA的添加顯著增加了瀝青混合料的斷裂能,說明PPA改性瀝青的彈性指數(shù)明顯高于基質(zhì)瀝青,并且這種差異隨著PPA摻量的增加而增加。
2.3 裂縫擴(kuò)展速率
在SCB試驗(yàn)過程中,使用高速攝像機(jī)程序收集的數(shù)據(jù)用于繪制裂縫開口程度與時(shí)間的關(guān)系。根據(jù)曲線關(guān)系斜率計(jì)算得出不同測試溫度下瀝青混合料的裂紋擴(kuò)展速率v,如表3所示。
表3 瀝青混合料的裂紋擴(kuò)展速率和CMOD終值表
由表3可知,0.5%、1.0%PPA改性瀝青混合料的裂紋擴(kuò)展速率均低于基質(zhì)瀝青混合料。在0 ℃、15 ℃、25 ℃和35 ℃的測試溫度下,1.5%PPA改性瀝青混合料的裂紋擴(kuò)展速率均比基質(zhì)瀝青混合料高,并且二者差異隨著PPA用量的增加而增加。這說明在低溫(0 ℃)和中溫(15 ℃、25 ℃、35 ℃)的溫度環(huán)境下,1.0%的PPA可以降低裂縫擴(kuò)展速率來改善低溫開裂性能。這也表明PPA對(duì)瀝青混合料低溫抗裂性的提升,與PPA、瀝青和集料表面之間的化學(xué)相互作用有關(guān)。
雖然添加PPA和提高測試溫度對(duì)CMOD終值沒有明顯影響,但由表3可知,1.5%PPA摻量下以及25 ℃溫度下瀝青混合料的CMOD終值較高。但是,在瀝青粘彈性特性的影響下,隨著溫度的下降,瀝青混合料的CMOD終值也隨之下降。與其他測試溫度相比,在0 ℃時(shí)混合料具有最低的CMOD終值,這是因?yàn)榈蜏叵聻r青混合料中的瀝青變硬,柔韌性降低。因此,試驗(yàn)后觀察到裂紋的開口較小。然而,在較高溫度下,盡管具有更大的柔韌性及非彈性性質(zhì),但瀝青混合料的承載能力會(huì)降低。
2.4 SCB開裂指數(shù)
SCB試驗(yàn)中斷裂能的增加表明試樣的斷裂需要更多的能量,從而提高了對(duì)裂紋擴(kuò)展的抵抗力,但是僅僅采用此參數(shù)來評(píng)價(jià)瀝青的斷裂性能是不夠的。在特定溫度下,CMOD和裂紋擴(kuò)展速度的降低也表明瀝青抗裂性能提高。因此,采用SCB開裂指數(shù)來更好地量化瀝青混合料的斷裂性能,采用式(2)和式(3)計(jì)算:
(2)
(3)
式中:Ef——斷裂能(J/m2);
CMOD——裂縫開口位移(mm);
v——裂縫擴(kuò)展速率(mm/s);
S——評(píng)價(jià)特定溫度下抵抗荷載的指標(biāo)。
將PPA改性瀝青混合料的斷裂能、CMOD和裂縫擴(kuò)展率按公式(2)計(jì)算出SCB開裂指數(shù),如圖5所示。
圖5 瀝青的SCB開裂指數(shù)對(duì)比柱狀圖
由圖5可知,1.0%的PPA會(huì)增加瀝青混合料的SCB開裂指數(shù),這表明適量的PPA可以改善瀝青混合料的抗裂性能。然而,當(dāng)PPA的添加量>1.0%時(shí),SCB開裂指數(shù)會(huì)降低,說明過量的PPA對(duì)瀝青混合料的斷裂性能產(chǎn)生顯著負(fù)面影響。同時(shí),可以發(fā)現(xiàn)在較高溫度狀態(tài)(>0 ℃)下,PPA對(duì)其低溫性能的負(fù)面影響不太明顯。
3 結(jié)語
(1)經(jīng)過BBR試驗(yàn)可知,當(dāng)PPA摻量從0.5%增加到1.5%時(shí),在基質(zhì)瀝青中摻加的PPA會(huì)使瀝青的臨界低溫開裂溫度略微增加,這表明PPA對(duì)瀝青的低溫抗裂性能有一定的負(fù)面影響。
(2)1.0%的PPA可以增強(qiáng)瀝青混合料的斷裂能,降低其裂縫擴(kuò)展速率和CMOD值。CMOD的變化在較高溫度下更為顯著,這表明PPA對(duì)瀝青混合料的裂紋擴(kuò)展過程有延滯影響。
(3)SCB開裂指數(shù)可以直接反映PPA對(duì)瀝青混合料斷裂特性的影響?；赟CB開裂指數(shù),添加1.0%的PPA能夠提高瀝青混合料的抗斷裂性能,但過量的PPA則會(huì)對(duì)其產(chǎn)生不利影響。
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