多聚磷酸改性瀝青混合料低溫斷裂性能研究

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定性,而會使瀝青的延度降低[1-2]。馬峰等[3]基于低溫小梁彎曲試驗發現,PPA的添加會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)試驗發現,PPA對瀝青混合料的低溫開裂有不利影響。然而,趙奇峰[5]發現PPA能同時顯著改善生物瀝青混合料的高低溫性能。李超等[6]發現SBS/PPA復合改性瀝青混合料的低溫抗裂性優于單一SBS改性瀝青混合料。

在上述研究中,關于PPA對瀝青低溫性能影響的結果存在差異,這可能與PPA與瀝青的相互作用以及量化開裂的試驗指標不一致有關?；赟CB試驗的裂縫開口位移(CMOD)已被證明是量化瀝青混合料低溫開裂的成熟指標。但盡管CMOD得到了相關指標來評價瀝青混合料的斷裂性能,卻未綜合考慮斷裂能、裂縫擴展所需時間和裂縫張開量對瀝青混合料斷裂特性的協同影響。因此,基于彎曲梁流變儀(BBR)和SCB試驗,深入分析PPA對瀝青及其混合料低溫開裂性能的影響。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料及配合比設計

該試驗采用的基質瀝青為70號A級石油瀝青(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,礦粉為石灰巖,試驗結果均滿足規范要求。圖1是該試驗的AC-13合成級配曲線。根據馬歇爾穩定度、空隙率和體積參數指標的結果選擇最佳油石比為5.8%。

圖1 AC-13混合料級配曲線圖

表1 基質瀝青的物理性質表

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個直徑150 mm、厚度25 mm的圓盤,再將每個圓盤切成兩個半圓形,在每個半圓形試樣上切出一個垂直缺口(長25 mm、寬3 mm),如圖2所示。

1.3 試驗方法

采用BBR試驗評價長期老化后的PPA改性瀝青的低溫流變性能,測試溫度分別設置為-6 ℃、-12 ℃、-18 ℃和-24 ℃。評價指標為彎曲蠕變剛度S和蠕變速率m值。為了評估瀝青的臨界低溫開裂溫度,根據Superpave性能分級,將S≤300 MPa和m≥0.300作為限制條件。

在應變控制模式下,采用通用試驗機(UTM)以1 mm/min的速率進行SCB斷裂試驗。首先將所有SCB試件經烘箱干燥以去除水分,然后在0 ℃、15 ℃、25 ℃和35 ℃分別進行三次平行試驗。試件保溫4 h以確保在試驗期間溫度保持恒定。同時,使用高速攝像機觀測SCB試件的裂紋擴展和CMOD。

2 結果與討論

2.1 低溫開裂臨界溫度

瀝青的低溫PG分級根據規范AASHTO M320確定。一般來說,低溫性能等級的確定主要是在不同試驗溫度下,長期老化后的瀝青按照S≤300 MPa和m≥0.300的限制條件,以-6 ℃作為等級區間。然而,將-6 ℃作為等級區間存在區間過大的情況,這樣難以區分和細化具有相同低溫等級的瀝青的抗裂性能。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) 評價矩陣的建立.根據確定的安全管理測度，邀請p個專家對指標Aij進行打分，從而建立評價矩陣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顯示了經過長期老化后的基質瀝青和PPA改性瀝青的S值和m值。將表2中瀝青的BBR試驗結果代入式(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試驗結果表

從圖3可以看出,基于低溫臨界開裂溫度的評價標準來說,PPA的添加對瀝青的低溫性能有一定的負面影響,但是這種負面影響不大。出現這種結果的原因是PPA的添加使得瀝青組分的比例發生了變化,瀝青質和膠質減少,從而形成了新的膠體結構,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試驗結果,根據力-位移曲線下面積計算每個試樣的斷裂能,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 瀝青的斷裂能對比柱狀圖

由圖4可知,SCB試驗的測試溫度越低,瀝青混合料的斷裂能越高。這是因為瀝青混合料具有粘彈性,其SCB試驗對材料的力學響應會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明顯高于基質瀝青,并且這種差異隨著PPA摻量的增加而增加。

2.3 裂縫擴展速率

在SCB試驗過程中,使用高速攝像機程序收集的數據用于繪制裂縫開口程度與時間的關系。根據曲線關系斜率計算得出不同測試溫度下瀝青混合料的裂紋擴展速率v,如表3所示。

表3 瀝青混合料的裂紋擴展速率和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展速率均低于基質瀝青混合料。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展速率均比基質瀝青混合料高,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 ℃)的溫度環境下,1.0%的PPA可以降低裂縫擴展速率來改善低溫開裂性能。這也表明PPA對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相互作用有關。

雖然添加PPA和提高測試溫度對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 ℃時混合料具有最低的CMOD終值,這是因為低溫下瀝青混合料中的瀝青變硬,柔韌性降低。因此,試驗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,但瀝青混合料的承載能力會降低。

2.4 SCB開裂指數

SCB試驗中斷裂能的增加表明試樣的斷裂需要更多的能量,從而提高了對裂紋擴展的抵抗力,但是僅僅采用此參數來評價瀝青的斷裂性能是不夠的。在特定溫度下,CMOD和裂紋擴展速度的降低也表明瀝青抗裂性能提高。因此,采用SCB開裂指數來更好地量化瀝青混合料的斷裂性能,采用式(2)和式(3)計算:

(2)

(3)

式中:Ef——斷裂能(J/m2);

CMOD——裂縫開口位移(mm);

v——裂縫擴展速率(mm/s);

S——評價特定溫度下抵抗荷載的指標。

將PPA改性瀝青混合料的斷裂能、CMOD和裂縫擴展率按公式(2)計算出SCB開裂指數,如圖5所示。

圖5 瀝青的SCB開裂指數對比柱狀圖

由圖5可知,1.0%的PPA會增加瀝青混合料的SCB開裂指數,這表明適量的PPA可以改善瀝青混合料的抗裂性能。然而,當PPA的添加量>1.0%時,SCB開裂指數會降低,說明過量的PPA對瀝青混合料的斷裂性能產生顯著負面影響。同時,可以發現在較高溫度狀態(>0 ℃)下,PPA對其低溫性能的負面影響不太明顯。

3 結語

(1)經過BBR試驗可知,當PPA摻量從0.5%增加到1.5%時,在基質瀝青中摻加的PPA會使瀝青的臨界低溫開裂溫度略微增加,這表明PPA對瀝青的低溫抗裂性能有一定的負面影響。

(2)1.0%的PPA可以增強瀝青混合料的斷裂能,降低其裂縫擴展速率和CMOD值。CMOD的變化在較高溫度下更為顯著,這表明PPA對瀝青混合料的裂紋擴展過程有延滯影響。

(3)SCB開裂指數可以直接反映PPA對瀝青混合料斷裂特性的影響。基于SCB開裂指數,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則會對其產生不利影響。