玄武巖纖維/多聚磷酸復(fù)合改性瀝青性能研究

孫新凱,牛相杰,聶佳昕,張博文,丁盛權(quán)

(華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院,河南 鄭州 450000)

我國90%以上的高速公路均使用瀝青鋪設(shè),其在常規(guī)條件下?lián)碛袠O好的行車舒適性及施工、養(yǎng)護(hù)便利性。但近年來由于極端天氣頻發(fā),普通瀝青路面難以在極端高溫或者低溫環(huán)境下有效地抵抗行車重力荷載,導(dǎo)致瀝青路面達(dá)不到預(yù)期壽命[1]。因此,將不同改性機理的改性劑復(fù)合摻入基質(zhì)瀝青中實現(xiàn)改性劑間優(yōu)勢互補以提高瀝青性能,對實際道路應(yīng)用具有重要意義。多聚磷酸(PPA)由于其價格便宜、性能較好被廣泛應(yīng)用,已有研究普遍認(rèn)為PPA可以提高其高溫性能,且其摻量應(yīng)在0.5%～2%,但會對其低溫性能產(chǎn)生不良影響[2]。通過瀝青四組分分析和黏彈性分析,探明了PPA主要通過凝膠作用增加瀝青中的黏度和彈性元件來提高其高溫穩(wěn)定性[3-4]。玄武巖纖維加入瀝青中可以提高低溫性能,且其摻量應(yīng)該在1%～3%。

由于玄武巖具有強度高且綠色環(huán)保等特點,關(guān)于玄武巖纖維改性瀝青的相關(guān)研究開始進(jìn)入人們的視野。相較于其他纖維,玄武巖纖維由于其力學(xué)拉伸性能較好,加入瀝青后可以起到加筋阻裂的效果,所以能在一定程度上增強低溫下的應(yīng)力耗散能力,從而提高其低溫抗裂性,其摻量應(yīng)該在1%～3%[5-6]。然而,僅僅以物理混合的方式將改性劑添加到瀝青中,雖在一定程度上增強了某些性能,但是無法充分發(fā)揮出PPA的高溫性能和BF的低溫性能。

因此,本文將制備BF/PPA復(fù)合改性瀝青,并對復(fù)合改性瀝青的常規(guī)物理性能和流變性能進(jìn)行評價,探討其在路面應(yīng)用中的可行性。

1 原材料與試驗準(zhǔn)備

1.1 原材料

1.1.1 基質(zhì)瀝青

選用70#基質(zhì)瀝青作為研究對象,根據(jù)試驗規(guī)程[7]對其進(jìn)行常規(guī)性能指標(biāo)測試,技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 多聚磷酸(PPA)改性劑

采用由安徽龍華化工股份有限公司生產(chǎn)的多聚磷酸,其技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 玄武巖纖維性能指標(biāo)

1.1.3 玄武巖纖維(BF)

采用的玄武巖纖維為由湖南省玄武巖石材有限公司提供的優(yōu)質(zhì)纖維,主要性能參數(shù)如表3所示。

表3 SBR技術(shù)指標(biāo)

1.2 改性瀝青的制備

1.2.1 試樣摻量擬定

為充分發(fā)揮PPA在高溫性能方面的優(yōu)勢同時又不對復(fù)合改性瀝青后的低溫性能產(chǎn)生過度消極影響,一般都把PPA摻量定在0.5%～2%,甚至還有大量研究認(rèn)為PPA的含量最好不要超過1%,但由于本文摻加BF來提高其低溫抗裂性能,因此選定PPA摻量為1.5%。依據(jù)現(xiàn)有研究成果,且綜合考慮PPA及BF特性,選定BF摻量為瀝青質(zhì)量的2.0%。

1.2.2 PPA改性瀝青制備

把將基質(zhì)瀝青在160 ℃烘箱中保溫20 min,使其加熱脫水至熔化流動;取一定質(zhì)量與加熱好的基質(zhì)瀝青倒入不銹鋼容器中,并將其放在高速剪切機下的160 ℃恒溫加熱爐上;加入1.5%的PPA,以4 500 r/min剪切30 min,期間不斷用玻璃棒進(jìn)行攪拌,防止出現(xiàn)剪切不均勻現(xiàn)象;然后以1 500 r/min剪切10 min,以減少氣泡,便可得到PPA改性瀝青。

1.2.3 BF/PPA復(fù)合改性瀝青制備

把將基質(zhì)瀝青在160 ℃烘箱中保溫20 min,使其加熱脫水至熔化流動;取一定質(zhì)量與加熱好的基質(zhì)瀝青倒入不銹鋼容器中,并將其放在高速剪切機下的160 ℃恒溫加熱爐上;加入1.5%的PPA,以4 500 r/min剪切30 min;將轉(zhuǎn)速調(diào)整為1 500 r/min,然后將稱量好的2.0%的BF多次少量加入其中,剪切約40 min,剪切期間不斷用玻璃棒進(jìn)行攪拌,防止出現(xiàn)剪切不均勻現(xiàn)象,直至瀝青表面光滑無氣泡,即完成了BF/PPA復(fù)合改性瀝青的制備。

2 試驗與結(jié)果分析

2.1 常規(guī)性能試驗

由表4可以看出,將1.5%的PPA加入基質(zhì)瀝青之后針入度和延度均大幅下降,降幅分別為34.5%,60.5%,軟化點上升幅度為34.1%,說明PPA的加入可以大幅提升基質(zhì)瀝青的稠度,進(jìn)而提升其高溫穩(wěn)定性,但是降低其低溫性能。加入2.0%的BF后,相較于PPA改性瀝青針入度降低4.4%,軟化點增加3.0%,延度大幅增加,增幅為181.3%,說明BF加入PPA改性瀝青后可以小幅度提升其高溫性能,大幅度提升了由PPA產(chǎn)生的對低溫的不利影響。綜上所述,BF/PPA復(fù)合改性瀝青既能大幅提升基質(zhì)瀝青的高溫性能,又能彌補由PPA帶來對低溫的不利影響。

表4 改性瀝青基本性能指標(biāo)

2.2 流變性能

采用DSR試驗中的溫度掃描試驗,對3種不同瀝青進(jìn)行試驗,不同瀝青相位角、車轍因子分別如圖1所示。

圖1 不同瀝青的相位角和車轍因子圖

從圖1(a)可以分析得知,隨著試驗溫度的升高,基質(zhì)瀝青、PPA改性瀝青以及BF/PPA復(fù)合改性瀝青的相位角δ都呈現(xiàn)遞增的規(guī)律,且在同一溫度下復(fù)合改性瀝青小于PPA改性瀝青,且兩者都遠(yuǎn)小于基質(zhì)瀝青,表明PPA的加入使得瀝青中的黏性組分劇增,有利于提高瀝青路面形變后的恢復(fù)能力。

從圖1(b)可以分析得知,隨著試驗溫度的升高,基質(zhì)瀝青、PPA改性瀝青以及BF/PPA復(fù)合改性瀝青都大致呈現(xiàn)G*/sinδ遞減的規(guī)律。同一溫度下,BF/PPA復(fù)合改性瀝青的車轍因子大于PPA改性瀝青且都遠(yuǎn)大于基質(zhì)瀝青,如46 ℃時,BF/PPA復(fù)合改性瀝青較基質(zhì)瀝青提升了230.0%,表明三者中復(fù)合改性瀝青高溫抗變形能力最好,可以更有效地抵抗行車重力荷載,從而使車轍變形現(xiàn)象緩慢出現(xiàn)或顯著減少。

采用BBR試驗,不同溫度下(-12,-18和-24 ℃)對3種不同瀝青進(jìn)行低溫性測試。試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同瀝青的蠕變勁度S和蠕變速率m圖

從圖2(a)可以分析得知,隨著溫度的降低,基質(zhì)瀝青、PPA改性瀝青以及BF/PPA復(fù)合改性瀝青的蠕變勁度S隨之升高,其變化趨勢十分接近。而PPA改性瀝青整體S值都高于基質(zhì)瀝青和復(fù)合改性瀝青,且在-18和-24 ℃時分別為337.9,718.4 MPa,均不滿足S≤300 MPa的要求;而BF/PPA復(fù)合改性瀝青的蠕變勁度S值在-12,-18和-24 ℃時都是三者中最低的,分別比同溫度下基質(zhì)瀝青降低了63.1%,56.3%,36.1%。結(jié)果表明,PPA的加入使得瀝青混合料越脆,更易開裂;而BF的加入使得PPA改性瀝青的低溫性能大幅提升。

從圖2(b)可以分析得知,隨著溫度的降低,基質(zhì)瀝青、PPA改性瀝青以及BF/PPA復(fù)合改性瀝青的蠕變速率m逐漸下降,呈現(xiàn)正比例關(guān)系。而PPA改性瀝青整體m值都低于基質(zhì)瀝青和復(fù)合改性瀝青,且在-18和-24 ℃時分別為0.28,0.25,均不滿足m≥0.3的要求;而BF/PPA復(fù)合改性瀝青的蠕變勁度S值在-12,-18和-24 ℃時都是三者中最大的,分別比同溫度下PPA改性瀝青增大了37.5%,35.7%,16.0%,且都大于基質(zhì)瀝青。結(jié)果表明,PPA的加入使得瀝青結(jié)合料應(yīng)力松弛恢復(fù)能力越差,越容易產(chǎn)生低溫變形裂縫;而BF的加入起到加筋阻裂的效果,降低了瀝青的低溫敏感性。

3 結(jié)語

本文就基質(zhì)瀝青、PPA改性瀝青和BF/PPA復(fù)合改性瀝青的制備方法和高低溫性能對比分析,得到以下結(jié)論:

1)BF/PPA復(fù)合改性瀝青與基質(zhì)瀝青、PPA改性瀝青相比,均呈現(xiàn)針入度降低,軟化點、延度升高。針入度下降幅度分別為34.5%,37.4%;軟化點上升幅度分別為38.1%,3.0%;延度上升幅度分別為11.3%,181.3%。說明PPA的加入可以大幅提升基質(zhì)瀝青的稠度,進(jìn)而提升其高溫穩(wěn)定性,但是會對低溫性能造成負(fù)面影響。BF加入PPA改性瀝青后可以小幅度提升其高溫性能,大幅度提升了由PPA產(chǎn)生的對低溫的不利影響。

2)同一溫度下,PPA改性瀝青和BF/PPA復(fù)合改性瀝青的相位角δ都小于基質(zhì)瀝青,車轍因子G*/sinδ都大于基質(zhì)瀝青,表明PPA的加入使得瀝青中的黏性組分劇增,說明PPA的加入可明顯提高瀝青的高溫穩(wěn)定性,可以更有效地抵抗行車重力荷載,從而使車轍變形現(xiàn)象緩慢出現(xiàn)或顯著減少。

3)同一溫度下,PPA改性瀝青的蠕變勁度S最大,蠕變速率m最小,說明PPA改性瀝青的會對基質(zhì)瀝青產(chǎn)生較大消極影響,而BF的加入之后,BF/PPA復(fù)合改性瀝青的蠕變勁度S最小,蠕變速率m最大,說明其低溫抗裂性能是最好的,因此,BF可以改善由于PPA帶來的對低溫性能的不利影響。