新型反应性改性沥青改性剂技术性能研究

2015-10-21曹晓娟

当代化工 2015年7期

关键词：试件种类沥青

曹晓娟

摘要：对不同种类改性沥青混合料进行了动态模量试验、小梁弯曲疲劳试验、动态蠕变拉伸试验和无侧限拉伸试验，通过对这四种试验结果进行分析研究，对比了不同种类改性沥青混合料的技术性能，评价了RET改性剂对沥青混合料路用性能的改善效果。

关键词：动态模量试验；小梁弯曲疲劳试验；动态蠕变拉伸试验；无侧限拉伸试验

中图分类号：TE 624 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）07-1487-04

Study on Properties of Reactive Asphalt Modifiers

CAO Xiao-juan

（Xi'an International University Shaanxi Xi'an 710000，China）

Abstract： Different types of modified asphalt mixtures were analyzed by dynamic modulus test， beam bending fatigue test， dynamic creep tests and double-edge-notched tension test， technical properties of different types of modified asphalt mixtures were compared， improvement effect of RET modifier for asphalt pavement performance was evaluated.

Key words： Dynamic modulus test； Beam bending fatigue test； Dynamic creep tests； Double-edge-notched tension test

1 概述

反应性弹性体三元共聚物（RET）作为一种新型的沥青化学改性剂，能够提高沥青的疲劳寿命，改善沥青高温抗车辙、抗剥离、防止低温开裂的能力等。1991年美国首次将RET改性沥青用于俄勒岗州的97号公路[1]，该路段在车辆重载和严峻的高温条件下，表现出良好的路用性能。除此之外，RET改性沥青还被用于高纬度地区、机场跑道和其他各种沥青路面。多年的实践经验表明，RET改性沥青不仅技术性能良好，又具有可观的经济效益。本文主要是通过对不同种类改性沥青混合料进行对比试验，研究分析了新型反应性改性沥青混合料的路用性能。

2 试验介绍

2.1 试验制备

本试验所采用集料的最大公称粒径为12.5 mm，将集料与沥青胶浆在烘箱中保温2 h后用拌锅搅拌均匀并分别制成圆柱形试件和长方形试件。圆柱形试件标准尺寸为直径15 cm，高度18 cm。长方形试件标准尺寸为长60 cm、宽40 cm、高10 cm。并分别测定各试件的正常质量、表干重以及水中重。试验测得，该试验中各试件的孔隙率大小变化幅度不超过2%。试验所采用的沥青混合料类型及马歇尔试验结果见表1。

表1 瀝青混合料类型

Table 1 Asphalt mixture type

序号沥青PG分级/℃ 改性沥青类型油石比，% 孔隙率，%

1 64-36 RET+PPA 64-36 4.8

2 64-36 氧化后SBS 64-36 4.6

3 64-36 SBS 64-36 4.3

4 67-35 SBS+PPA 67-35 4.7

5 66-35 SBS 66-35 4.3

6 59-35 氧化后PPA 59-35 4.0

7 59-35 PPA 59-35 4.3

2.2 动态模量试验

本试验中采用常规的性能试验确定混合料的复合模量和相位角曲线[2]。按照Superpave动态模量试验的要求，将制备好的圆柱形试件切割取芯制成直径为100 mm，高度为150 mm的圆柱形薄片芯样，用环氧树脂将试件固定，试验装置如图1所示。

在动态模量试验之前，首先将试件保温至试验温度，并将试件上下表面用铁垫隔离以减少摩擦力。

图1 动态模量测试试验图

Fig.1 Dynamic modulus test

虽然不同的试验温度（4、12、24、36 ℃）及不同的试验频率（10、1、0.1、0.02 Hz）会导致动态模量试验与既定的试验程序产生略微误差，但是，大量的试验数据足以描绘出不同温度下的动态模量曲线。在试验之前要先用5%的动态荷载进行预加载。随后，向试件试件动态荷载，试件轴向应变大约为75 ～ 125 μm/m之间。（试件应变主要取决于试件刚度和温度）。

2.3 小梁弯曲疲劳试验

本试验采用MTS810伺服液压万能机进行动态疲劳弯曲试验[3]。采用四分点控制应力或控制位移的方式对试件进行加载，直至试件破环。试验温度为室温（25±1）℃。控制应力加载方式下的疲劳数据分析应根据以下失效准则：（1）试件刚度减小90%；（2）根据分散能比率确定；（3）加载次数下的曲线峰值；（4）韦布理论中的曲线斜率。控制位移加载方式下的疲劳数据分析应根据以下失效准则：（1）试件刚度减小50%；（2）当分散能比率发生改变的情况下；（3）加载次数下的曲线峰值；（4）韦布理论中的曲线斜率。

2.4 受限动态蠕变拉伸试验

本试验采用MTS810伺服液压万能机进行动态蠕变拉伸试验[4]。通过向154 mm×150 mm×40 mm的长方形试件上持续施加150 N的正弦荷载进行试验。试件的初始切口深度大约为20 mm。其中试件裂缝的计算公式见式（1），试验原理如图2所示。

（1）

其中：a—裂缝长度，m；

N—加载次数；

Δk—应力强度因子；

A、n—常数。

图2 受限动态蠕变拉伸试验图

Fig.2 Dynamic creep fracture test in compact tension

2.5 无侧限拉伸试验

无侧限拉伸试验是一种能够用以评价材料破坏时的基本应力（We）和破坏时所显示的塑性特征（Wp）的试验方法，并能够预估出材料出现临界裂缝时的位移δt=We/σnet，即破坏时所需的基本应力占最小净截面应力的比例。本试验采用MTS810伺服液压万能机进行无侧限拉伸试验。通过向180 mm×120 mm×45 mm的棱形试件上持续施加荷载进行试验，从力-位移曲线图中得到试件在荷载作用下的位移变化规律。为了保证各试件破坏时产生延性破坏，控制试验温度为（25±1）℃，控制应变为5.4 mm/min。试验原理如图3所示。

图3 无侧限拉伸试验图

Fig.3 Constant rate test in double-edge-notched tension

3 试验结果分析

3.1 动态模量试验分析结果

不同种类沥青混合料的复合模量及相位角主曲线结果如图4所示。

由不同种类改性沥青混合料的衰减频率-模量对数曲线图试验结果可以得到以下结论：

①不同加载频率下，氧化后SBS改性沥青混合料的复合模量最大；

②PPA催化改性RET改性沥青混合料、SBS改性沥青混合料（66-35）、氧化后PPA改性沥青混合料，这三种改性沥青混合料在不同加载频率下的复合模量基本一致。RET改性沥青混合料的复合模量能够达到通常掺量下的SBS改性沥青混合料的复合模量，即RET改性沥青混合料的强度能够达到SBS改性沥青混合料强度；

图4 动态模量主曲线图

Fig.4 The dynamic modulus master curve

③同一加载频率下，经氧化后的SBS改性沥青混合料复合模量>未经过氧化的SBS改性沥青混合料复合模量，经氧化后的PPA改性沥青混合料复合模量>未经氧化后的PPA改性沥青混合料复合模量，由此可见，通过加氧改性的方法能够明显改善不同种类沥青混合料的复合模量，提高混合料的强度。

3.2 四分点小梁弯曲疲劳试验分析结果

不同种类沥青混合料小梁在不同应力下的疲劳试验结果如图5所示，分别将不同种类改性沥青混合料疲劳试验中各个应力比下的疲劳寿命取对数，绘入以应力比为横坐标，疲劳寿命对数值为纵坐标的坐标系中，并对其进行线性回归，回归结果如图6所示。

由不同种类改性沥青混合料在不同加载应力下的疲劳寿命结果可以得到以下结论：①不同种类改性沥青混合料的疲劳次数均随加载应力的增大而减小；②在同一加载应力条件下，RET改性沥青混合料的疲劳寿命>PPA复配SBS改性沥青混合料的疲劳寿命>经氧化后的SBS改性沥青混合料的疲劳寿命>PPA改性沥青混合料的疲劳寿命>未经氧化的SBS改性沥青混合料的疲劳寿命>经氧化后的PPA改性沥青混合料的疲劳寿命；③采用PPA催化改性RET的方法能够明显改善沥青混合料的疲劳性能，增加沥青混合料的疲劳寿命；④采用PPA复配SBS改性沥青混合料的方法能够明显改善沥青混合料的疲劳性能。

图5 不同类型混合料疲劳试验结果图

Fig.5 Different types of mixture fatigue test results

图6 不同类型沥青混合料疲劳拟合曲线图

Fig.6 Different types of asphalt mixture fatigue curve fitting

3.3 动态蠕变拉伸试验分析结果

不同种类沥青混合料动态蠕变拉伸试验结果如图7所示。

圖7 动态蠕变拉伸试验结果图

Fig.7 Dynamic creep tensile test results

由动态蠕变拉伸试验结果可以得到以下结论：①不同种类改性沥青混合料的变形率随加载频率的增大而逐渐增大；②同一加载频率下，RET改性沥青混合料的变形率

3.4 无侧限拉伸试验分析结果

不同种类改性沥青混合料的无侧限拉伸试验结果如图8所示。

图8 无侧限拉伸试验结果图

Fig.8 Unconfined tensile test results

由不同种类沥青混合料在无侧限拉伸试验过程中发生破坏时的最小应力We及产生裂缝时的最小位移的试验结果可以看出：①RET改性沥青混合料破坏时所需的应力>SBS改性沥青混合料破坏时所需的应力>氧化后的PPA改性沥青混合料破坏时所需的应力>经氧化后的SBS改性沥青混合料破坏时所需的应力>PPA复配SBS改性沥青混合料破坏时所需的应力>PPA改性沥青混合料破坏时所需的应力，由此可见，采用PPA催化改性RET改性沥青混合料的方法能够提高混合料的开裂强度，抵抗沥青混合料的抗开裂能力。

4 结论

采用PPA催化改性RET改性沥青混合料的方法能够明显改善沥青混合料的路用性能，延长沥青路面的使用寿命，带来可观的经济效益，为国内化学改性沥青市场的发展开辟新途径[5]。

参考文献：

[1]Baumgardner G. （2004） “Rutting and Moisture Resistance of Asphalt Mixtures Containing Polymer and Polyphosphoric Acid Modified Bitumen”[C]. Presented at the Meeting of the AI Spring Meeting， Washington DC.

[2]李德超.沥青混合料动态模量试验研究[J].公路，2008（1）：5-6.

[3]朱洪洲.沥青混合料应变小梁弯曲疲劳试验[J].华中科技大学学报，2009（8）：17.

[4]王为标.沥青混合料拉伸蠕变性能的试验研究[J].石油沥青，1993（4）：23-25.

[5]徐希娟、原健安.化学改性沥青的应用前景分析[C].中国公路学会学术交流文集，2001（36）.

（上接第1486页）

（4）在实际应用中，取沈阳理工大学琴湖中水样进行分析测定。运用加标法富集了水样中的铅，其回收率达到了97%，准确度较高，测定出水样中的铅离子的浓度为0.079 mg/L。

（5）实验中也存在吸附剂的选择性不是很好的情况，有待于后续工作加以改进及研究。

参考文献：

[1]汪德进，黄银芝.硅藻土吸附水中Cr+6的试验[J]. 化学工程师，2007（4）：28-30.

[2]郭晓芳，刘云国，樊霆.改性新型锰硅藻土吸附电镀废水中铅锌的研究[J].非金属矿，2006，29（6）：43-45.

[3]陈宗淇，张玉荣，曾利荣.聚丙烯酰胺对蒙脱土絮凝的研究[J].化学学报.1981，39（7）：672-675.

[4]云南环境科学研究所，昆明煤炭科学研究所.云南寻甸县先锋硅藻土在造价纤维及其他工业废水处理中的应用研究报告[J].非金属矿，1986（4）：7-10.