趙 宇
(中冶南方城市建設(shè)工程技術(shù)有限公司,湖北 武漢 430223)
隨著我國(guó)公路建設(shè)的迅猛發(fā)展,瀝青路面以其優(yōu)越的性能在全國(guó)得到廣泛應(yīng)用。然而隨著車輛數(shù)量的日益增多,車輛軸載不斷加重,加上我國(guó)大部分地區(qū)夏季高溫時(shí)間長(zhǎng)、氣溫高,因此對(duì)瀝青的高溫性能要求不斷提高。在瀝青中摻加各種性能優(yōu)良、價(jià)格適中的改性劑,是提高瀝青高溫性能比較有效的方法。
多聚磷酸(PPA)是一種硫磷類化學(xué)瀝青改性劑。將PPA 摻入基質(zhì)瀝青中,改性劑將與石油瀝青組分中的瀝青醇發(fā)生酯化反應(yīng),使基質(zhì)瀝青平均分子量增大、瀝青黏度增大、高溫穩(wěn)定性增強(qiáng),改善了瀝青的高溫性能。
長(zhǎng)期以來(lái),SHRP對(duì)瀝青高溫性能的評(píng)價(jià)方法是采用動(dòng)態(tài)剪切蠕變儀DSR 對(duì)未老化及RTFO 老化瀝青進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn),在不同的溫度和荷載頻率下測(cè)得車轍因子G*/sinδ作為高溫性能指標(biāo)。但后來(lái)的研究發(fā)現(xiàn),車轍因子G*/sinδ對(duì)基質(zhì)瀝青高溫性能的評(píng)價(jià)效果雖然較好,但不能準(zhǔn)確地對(duì)改性瀝青高溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。
多應(yīng)力蠕變恢復(fù)(Multiple Stress Creep Recovery,MSCR)試驗(yàn)[1-3],目前被用作研究Superpave 高溫性能指標(biāo)G*/sinδ的替代指標(biāo)。2008 年,作為Superpave 性能規(guī)范中新的進(jìn)展,MSCR 被編入ASTM和AASHTO規(guī)范中,并進(jìn)行了多次修訂完善。
綜上所述,使用MSCR試驗(yàn)可以更好地評(píng)價(jià)改性瀝青的高溫性能。本研究對(duì)不同摻量的PPA改性瀝青進(jìn)行MSCR試驗(yàn),從而評(píng)價(jià)改性瀝青的高溫性能。
本研究中選用70 號(hào)A 級(jí)石油瀝青作為基質(zhì)瀝青,其技術(shù)指標(biāo)見表1。由表1 可知,本研究選用的基質(zhì)瀝青滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的技術(shù)要求[4]。
表1 基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)
多聚磷酸(PPA)是由磷酸(H3PO4)加熱脫水縮合而成。本研究所用多聚磷酸(PPA)為市售產(chǎn)品,購(gòu)自濟(jì)南盈動(dòng)化工有限公司。
將基質(zhì)瀝青加熱至160 ℃,摻入預(yù)定比例的PPA,摻加過程中不斷攪拌,使得PPA 均勻混合于基質(zhì)瀝青中,并將混合物放入150~160 ℃的烘箱中,發(fā)育1 h 后取出,在150~160 ℃的溫度下采用高速剪切機(jī)以3 000 r/min 的轉(zhuǎn)速剪切1 h。在高速剪切后可以觀察到瀝青質(zhì)地均勻,冷卻后呈光滑的鏡面,即制得PPA 改性瀝青。基質(zhì)瀝青也使用同樣的制備方法,得到空白樣。
老化試驗(yàn)按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)[5]中T0610—2011“瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)”方法進(jìn)行。
多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)選用的儀器是動(dòng)態(tài)剪切流變儀DSR,對(duì)經(jīng)瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱(RTFOT)老化的瀝青樣品進(jìn)行試驗(yàn)。首先,用0.1 kPa 的剪切應(yīng)力加載1 s,卸載9 s,重復(fù)20 個(gè)周期。然后,用3.2 kPa 的剪切應(yīng)力加載1 s,卸載9 s,重復(fù)10 個(gè)周期。整個(gè)試驗(yàn)共30 個(gè)周期,耗時(shí)300 s。其中,0.1 kPa 剪切應(yīng)力的前10 個(gè)周期用于調(diào)整試樣,數(shù)據(jù)不予采納。由計(jì)算機(jī)繪制出累計(jì)應(yīng)變和時(shí)間的關(guān)系曲線,并計(jì)算出對(duì)應(yīng)的3.2 kPa 剪切應(yīng)力下平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr3.2值和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃肯鄬?duì)差異Jnrdiff。
在一次由加載至卸載的過程中,瀝青均經(jīng)歷了由蠕變至恢復(fù)兩個(gè)階段,其應(yīng)變—時(shí)間變化曲線如圖1所示。
圖1 應(yīng)變—時(shí)間變化示意
每個(gè)周期恢復(fù)階段的末期(10 s 后)校正應(yīng)變值γ10的計(jì)算公式見式(1)。
式中:γ10為每個(gè)周期在恢復(fù)階段末期(10 s 后)的應(yīng)變校正值;γr為每個(gè)周期在恢復(fù)階段末期(10 s后)的應(yīng)變值;γ0為每個(gè)周期在蠕變階段開始的初始應(yīng)變值。
0.1 kPa 剪切應(yīng)力下每個(gè)周期中不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr(0.1,N)的計(jì)算公式見式(2)。
式中:Jn(r0.1,N)是0.1 kPa剪切應(yīng)力下第N周期中不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?,其中N取11到20。
0.1 kPa 剪切應(yīng)力下10 個(gè)循環(huán)周期平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr0.1的計(jì)算公式見式(3)。
式中:Jnr(0.1,N)是0.1 kPa 剪切應(yīng)力下10 個(gè)循環(huán)周期平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃俊?/p>
3.2 kPa 剪切應(yīng)力下每個(gè)周期中不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr(3.2,N)的計(jì)算公式見式(4)。
式中:Jnr(3.2,N)是3.2 kPa剪切應(yīng)力下第N周期中不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?,其中N取1到10。
3.2 kPa 剪切應(yīng)力下10 個(gè)循環(huán)周期平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr3.2的計(jì)算公式見式(5)。
式中:Jnr(3.2,N)是3.2 kPa 剪切應(yīng)力下10 個(gè)循環(huán)周期平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃俊?/p>
3.2 kPa 與0.1 kPa 時(shí)不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃肯鄬?duì)差異的計(jì)算公式見式(6)。
車轍現(xiàn)象是由不可恢復(fù)應(yīng)變的積累造成的,因此平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr是新標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)重要指標(biāo)。平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr越大,說(shuō)明瀝青抗車轍能力越弱,高溫性能越差。不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃肯鄬?duì)差異Jnrdiff反映改性瀝青黏彈性能對(duì)于應(yīng)力變化的敏感性,Jnrdiff越大,瀝青黏彈性能對(duì)應(yīng)力變化的敏感性越強(qiáng)。按照AASHTO M332-14 規(guī)范要求,3.2 kPa剪切應(yīng)力下平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr3.2不得大于4.5 kPa-1,不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃肯鄬?duì)差異Jnrdiff不得大于75%。
本研究采用德國(guó)SmartPave 型號(hào)的動(dòng)態(tài)剪切流變儀,按照AASHTO T350 的要求進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果按要求采用Jnr3.2和Jnrdiff,且須滿足Jnr3.2≤4.5 kPa-1,Jnrdiff≤75%。試驗(yàn)結(jié)果見表2。
表2 PPA改性瀝青MSCR試驗(yàn)結(jié)果
由表2 可以看出,在同一溫度下,PPA 改性瀝青在3.2 kPa剪切應(yīng)力下平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr3.2均隨著PPA 摻量的增加而減小,說(shuō)明摻入PPA 可以改善基質(zhì)瀝青的高溫性能,增強(qiáng)瀝青的抗車轍能力。
另外,PPA 改性瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃肯鄬?duì)差異Jnrdiff隨著PPA 摻量的增加而增大,說(shuō)明瀝青黏彈性能對(duì)應(yīng)力變化的敏感性增強(qiáng)。然而,對(duì)于不同摻量PPA 改性瀝青的Jnrdiff,均遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的75%,這說(shuō)明瀝青對(duì)應(yīng)力變化的敏感性增強(qiáng)的幅度較小,但符合規(guī)范要求。
按照ASTM D7643-10 規(guī)范要求,本研究采用RTFO 老化瀝青Jnr3.2=4.5 kPa-1所對(duì)應(yīng)的連續(xù)分級(jí)溫度作為PG 高溫連續(xù)分級(jí)溫度HT(High Continuous Grading Temperature)。
不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr3.2的連續(xù)分級(jí)溫度則應(yīng)按式(7)取線性插值進(jìn)行計(jì)算。
式中:TC是分級(jí)溫度,℃;T1、T2是兩種試驗(yàn)運(yùn)算溫度,℃,且T2比T1高6 ℃;PS是不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr3.2對(duì)應(yīng)的PS=4.5;P1、P2是兩種試驗(yàn)溫度T1、T2所對(duì)應(yīng)Jnr3.2值。
分析PPA 改性瀝青MSCR 試驗(yàn)結(jié)果,得到不同摻量PPA 改性瀝青的高溫連續(xù)分級(jí)溫度,見表3。PPA改性瀝青的HT如圖2所示。
圖2 PPA改性瀝青的HT
表3 不同摻量PPA改性瀝青的高溫連續(xù)分級(jí)溫度
由表3 和圖2 可知,隨著PPA 摻量的增加,PPA改性瀝青的高溫連續(xù)分級(jí)溫度HT 逐漸增大。摻量為0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%的PPA改性瀝青,其HT分別為基質(zhì)瀝青的102.8%、106.4%、109.0%、112.9%、117.9%。說(shuō)明PPA 改性瀝青PG 高溫等級(jí)隨PPA 摻量的增加而上升,PPA 可以明顯增強(qiáng)基質(zhì)瀝青的高溫抗車轍能力,改善瀝青的高溫性能。
本研究通過RTFO 老化后的PPA 改性瀝青進(jìn)行多應(yīng)力蠕變恢復(fù)MSCR 試驗(yàn),采用3.2 kPa 剪切應(yīng)力下平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr3.2值、不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃肯鄬?duì)差異Jnrdiff和PG 高溫連續(xù)分級(jí)溫度HT 作為指標(biāo),評(píng)價(jià)了不同摻量的PPA 改性瀝青結(jié)合料的高溫性能。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和分析得出以下結(jié)論。
①PPA 改性瀝青的3.2 kPa 剪切應(yīng)力下平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr3.2隨著PPA 的摻量的增大而減小,說(shuō)明摻入PPA可以改善基質(zhì)瀝青的高溫性能,增強(qiáng)瀝青的抗車轍能力。
②PPA 改性瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃肯鄬?duì)差異Jnrdiff隨著PPA 摻量的增加而增大,說(shuō)明瀝青黏彈性能對(duì)應(yīng)力變化的敏感性增強(qiáng)。然而,對(duì)于不同摻量PPA 改性瀝青的Jnrdiff,均遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的75%,這說(shuō)明瀝青對(duì)應(yīng)力變化的敏感性增強(qiáng)的幅度較小,但符合規(guī)范要求。
③PPA 改性瀝青PG 高溫等級(jí)隨PPA 摻量的增大而提升,說(shuō)明PPA 可以明顯增強(qiáng)基質(zhì)瀝青的高溫抗車轍能力,改善瀝青的高溫性能。