基于動態剪切流變儀試驗的多聚磷酸改性瀝青流變特性

王 楓， 許有俊

(1.山西省交通規劃勘察設計院有限公司， 太原 030032； 2.內蒙古科技大學土木工程學院, 包頭 014010)

瀝青是道路建設中的最常用材料之一，屬于典型的感溫性材料，溫度對其性能影響顯著。瀝青材料的性能與瀝青路面性能息息相關，直接影響瀝青路面使用性能和行車舒適性。新中國成立以來，已形成一套規范且較完善的瀝青路面設計、施工與養護規范，但隨著經濟的交通運輸事業的快速發展，道路年平均交通量急劇增加，瀝青路面負荷加重，車轍。推移等高溫病害加重，嚴重影響了路用性能和行車舒適性。對此，研究者進行了大量研究，研究人員提出采用高性能瀝青代替普通瀝青，以改善瀝青混凝土的路用性能，各種改性劑也被大量運用到道路建設中，取得了顯著成效[1]。多聚磷酸(polyphosphoric acid，PPA)因其與瀝青相容性好、改性效果佳、成本低等特點，受到中外研究者的青睞。研究發現PPA可提高瀝青的高溫性能分級(performance grade，PG)[2-5]。文獻[6]發現PPA改性瀝青的高溫性能優于基質瀝青；文獻[7]將質量分數為1.0%的PPA改性劑加入13種基質瀝青中改性后，其中有12種基質瀝青在摻入PPA后高溫性能均得到不同幅度的提升，只有一種瀝青高溫性能下降；文獻[8-9]通過分析PPA改性瀝青的組分和黏彈性分析，研究了PPA改性機理，結果表明PPA主要通過凝膠作用改善瀝青的黏度和彈性特征，王嵐等[10]研究了多聚磷酸老化后的性能。

瀝青材料的疲勞性能是指瀝青在承受重復荷載作用下其性能演化過程，疲勞開裂也是瀝青路面主要損壞形式之一，是瀝青路面結構設計和瀝青混合料組成設計研究的重點，因此瀝青的疲勞特性對瀝青混合料的疲勞性能有重要影響[11-15]。現有研究分析了PPA改性瀝青的感溫性能，但PPA改性劑對瀝青疲勞性能的改善還有待商榷，在研究瀝青混凝土疲勞開裂之前很有必要對瀝青疲勞性能進行研究。基于動態剪切流變儀(dynamic shear rheometer,DSR)溫度掃描和時間掃描試驗，進一步分析PPA摻量對瀝青流變性能和疲勞性能的影響。以期為后續復合改性瀝青的研究與應用提供必要的參考。

1 原材料與方法

1.1 基質瀝青

采用殼牌70#基質瀝青，根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)(簡稱“試驗規程”)測定其性能指標，測試結果見表1所示，均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)要求。

表1 70#基質瀝青技術指標

1.2 多聚磷酸(PPA)

采用廣西越洋化工集團生產的多聚磷酸(PPA)，其技術參數如表2所示。

表2 PPA技術參數

1.3 PPA改性瀝青的制備

PPA改性劑摻量一般為0.5%～2.5%[16]，為分析不同摻量的PPA改性瀝青高溫流變性能和疲勞性能。采用高速剪切乳化機分別制備摻量為0.5%、1.0%、1.5%和2.0%的PPA改性瀝青。制備時瀝青融化溫度為160 ℃，加入PPA后采用玻璃棒攪拌均勻，最后采用室內高速剪切乳化劑在180 ℃溫度下高速剪切60 min，剪切機轉速為5 000 r/min，高速剪切完成后，在170 ℃溫度中低速攪拌30 min，使其充分發育。改性瀝青制備如圖1所示。

圖1 PPA改性瀝青制備

1.4 DSR試驗

分別采用DSR試驗的溫度掃描、時間掃描和頻率掃描，分析改性瀝青高溫流變性性、疲勞性能和黏彈性能，DSR試驗及試驗參數分別如圖2和表3所示。

圖2 DSR試驗設備

表3 DSR試驗參數

2 試驗結果與討論

2.1 高溫流變性

瀝青屬于典型的黏彈性材料，在瀝青剪切變形試驗中，既有彈性恢復又有黏性變形。采用復數剪切模量(G*)來表征瀝青抵抗剪切變形的能力，G*越大表示瀝青抗剪切變形能力越強，該模量表示了應力和應變的比值，主要由彈性恢復和黏性兩部分組成。可采用車轍因子(G*/sinδ)評價瀝青的高溫穩定性，G*/sinδ越大，瀝青高溫穩定性能越好，抗車轍性能越強。

圖3所示為各摻量的PPA改性瀝青和70#基質瀝青在不同溫度下復數剪切模量(G*)和車轍因子(G*/sinδ)隨溫度的變化關系。從圖3(a)中可以看出，70#基質瀝青和各摻量PPA改性瀝青的G*均隨著試驗溫度的增加而下降，說明隨著溫度的升高，瀝青抵抗變形能力下降。在夏季高溫時，瀝青路面溫度可達到60 ℃，由圖3(a)可知當溫度超過64 ℃后，當繼續提高溫度時，各瀝青G*基本變化較小。此外，當溫度相同時，PPA改性瀝青的G*均大于70#基質瀝青，說明摻入PPA改性劑可改善瀝青抵抗變形能力，且隨著PPA含量的增加，對瀝青抗變形能力改善效果越顯著，如當溫度為46 ℃時，摻量為0.5%、1.0%、1.5%、2.0% 的PPA改性瀝青的G*分別約為70#基質瀝青的1.3、1.7、2.0和2.5倍，顯著提高了瀝青的抵抗變形能力。

由圖3(b)可知，70#基質瀝青和各摻量PPA改性瀝青的G*/sinδ均隨著溫度的增加呈下降趨勢，說明溫度越高，瀝青高溫穩定性越弱，抗車轍性能越差。當溫度超過64 ℃后，隨著溫度的增加，G*/sinδ基本保持不變，說明瀝青已基本失去高溫穩定性。此外，當溫度相同時，PPA改性瀝青的G*/sinδ均優于70#基質瀝青，說明摻入PPA改性劑可以改善瀝青高溫穩定性，提高瀝青抗車轍能力，而且PPA摻量越大，瀝青高溫穩定性能越顯著，如當溫度為46 ℃時，摻量為0.5%、1.0%、1.5%和2.0% 的PPA改性瀝青的G*/sinδ分別約為70#基質瀝青的1.3、1.6、2.0和2.6倍，顯著提高了瀝青的高溫穩定性和抗車轍能力。

圖3 PPA改性瀝青DSR溫度掃描試驗結果

2.2 疲勞性能

采用DSR的時間掃描試驗可以研究瀝青在重復剪切荷載作用性能衰變規律及其抵抗重復剪切變形能力，在不同加載應力下瀝青復數剪切模量隨荷載作用次數變化趨勢基本相同，以0.15 MPa為例，瀝青復數剪切模量G*隨荷載作用次數(N)變化關系(G*-N曲線)如圖4所示。

圖4 PPA改性瀝青DSR時間掃描試驗結果

根據現有研究[15]，采用復數剪切模量下降到其初始值的50%時的荷載作用次數表征瀝青的疲勞壽命，根據試驗結果，得到不同摻量PPA改性瀝青疲勞壽命隨應力變化關系如圖5所示。

從圖5可知，在相同應力條件下，隨著PPA摻量的增加，改性瀝青疲勞壽命增大，如當應力為0.15 MPa時，70%基質瀝青疲勞壽命為518次，而摻量為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的PPA改性瀝青的疲勞壽命分別為1 430、3 205、5 744、7 498次，顯著提高了瀝青疲勞壽命，即瀝青抗疲勞性能越好。此外，不同摻量的改性瀝青疲勞壽命均隨著應力水平的增加而下降，現有研究表明[15]，瀝青疲勞壽命與應力服從雙對數線性關系，表達式為

圖5 PPA改性瀝青疲勞壽命

lgNf=a+blgσ

(1)

式(1)中：Nf為疲勞壽命，次；σ為加載應力，MPa；a、b為擬合參數。不同摻量的PPA 瀝青疲勞壽命與應力間的雙對數坐標關系如圖6所示。從圖6可以看出，疲勞壽命與應力具有較好的雙對數線性關系，擬合優度R2均大于0.9。對比回歸直線的斜率絕對值和截距，可以發現當PPA摻量越大，斜率絕對值越小、截距越大，瀝青疲勞性能越好。

圖6 瀝青疲勞壽命與應力的雙對數關系

2.3 黏彈性能

采用相位角(δ)表征瀝青的黏彈特征，δ越大，瀝青黏性特征越強，越易發生不可恢復的永久變形，反之則表示瀝青彈性可恢復特征越強。DSR頻率掃描得到的δ、G*/sinδ與頻率關系如圖7所示。

圖7 PPA改性瀝青DSR頻率掃描試驗結果

從圖7(a)可知，加載頻率隨著荷載作用頻率的增加而下降，但下降速率逐漸減小。說明瀝青在低頻荷載作用下主要表現為黏性特征，易產生不可恢復的永久變形，這一點從圖7(b)也可看出，G*/sinδ隨著頻率的增加而快速增加，頻率較低時，G*/sinδ較小，高溫抗車轍性能弱。宏觀反映了在重載低速交通荷載作用下，瀝青路面更易產生永久變形而形成路面車轍病害。此外，隨著PPA摻量的增加，改性瀝青δ降低，且當加載頻率較低時，δ變化幅度越大，如當加載頻率1 rad/s和10 rad/s時。PPA摻量為2.0%的改性瀝青較70#基質瀝青的相位角分別降低了25.4%和18.6%。進一步說明摻入PPA改性劑可以提高瀝青的彈性特征，增強其彈性恢復能力。

3 結論

采用高速剪切機制備不同摻量的PPA改性瀝青，并基于DSR溫度掃描和時間掃描試驗，分析了不同摻量PPA改性瀝青的抗剪切變形能力和疲勞性能，得到如下主要研究結論。

(1)隨著溫度的升高，70#基質瀝青和PPA改性瀝青的復數剪切模量下降，抗剪切變形能力降低，當溫度超過64 ℃后，繼續升高溫度對瀝青抗前期變形能力基本無影響；在同一溫度下，瀝青G*值隨著PPA摻量的增加而增加，如摻量為0.5%、1.0%、1.5%、2.0% 的PPA改性瀝青的G*分別約為70#基質瀝青的1.3、1.7、2.0、2.5倍，及摻入PPA可顯著改善基質瀝青的抗剪切變性能。當溫度低于64 ℃時，瀝青車轍因子隨著溫度的增加而快速降低，當溫度超過64 ℃時，車轍因子基本不變，溫度越高，瀝青高溫穩定性越弱；當溫度相同時，PPA摻量越高，改性瀝青車轍因子越大，高溫穩定性越好，抗車轍能力越強。

(2)PPA改性瀝青在重復荷載作用下的模量變化可分為初始適應、彈性損傷和黏彈性破壞3個過程；在基質瀝青中摻入PPA改性劑可顯著提高瀝青的抗疲勞性能，隨著PPA摻量的增加，瀝青壽命增大，瀝青抗疲勞性增強。PPA改性瀝青疲勞壽命與加載應力在雙對數坐標中具有較好的線性遞減關系，線性擬合優度R2>0.9。

(3)相位角隨著PPA摻量的增加而降低，說明PPA改性劑可以改善瀝青抗剪切變形和彈性恢復能力。尤其當加載頻率較低時，改善效果顯著。加載頻率較低時，相位角較大，車轍因子較低，說明在重載低速交通荷載作用下，瀝青路面更易產生永久變形而形成路面車轍病害。