多聚磷酸改性沥青混合料低温断裂性能研究

2023-09-22吕东滨邵鹏坤

西部交通科技 2023年7期

吕东滨,胡隆,邵鹏坤

(1.广西高速公路投资有限公司,广西南宁 530022;2.广西交科集团有限公司,广西南宁 530007)

0 引言

由于多聚磷酸(PPA)与沥青的组分具有良好的相容性,即在长期储存过程中不易离析,且易于加工,成本较低。因此,PPA一直是沥青工业中较为常用的改性剂。PPA的添加使得沥青组分之一的沥青质含量增加,而芳香分和饱和分的含量降低,因此改善了沥青的耐高温性能和热稳定性,而会使沥青的延度降低[1-2]。马峰等[3]基于低温小梁弯曲试验发现,PPA的添加会降低沥青混合料的低温抗裂性能。曹晓娟等[4]采用半圆弯曲(SCB)试验发现,PPA对沥青混合料的低温开裂有不利影响。然而,赵奇峰[5]发现PPA能同时显著改善生物沥青混合料的高低温性能。李超等[6]发现SBS/PPA复合改性沥青混合料的低温抗裂性优于单一SBS改性沥青混合料。

在上述研究中,关于PPA对沥青低温性能影响的结果存在差异,这可能与PPA与沥青的相互作用以及量化开裂的试验指标不一致有关。基于SCB试验的裂缝开口位移(CMOD)已被证明是量化沥青混合料低温开裂的成熟指标。但尽管CMOD得到了相关指标来评价沥青混合料的断裂性能,却未综合考虑断裂能、裂缝扩展所需时间和裂缝张开量对沥青混合料断裂特性的协同影响。因此,基于弯曲梁流变仪(BBR)和SCB试验,深入分析PPA对沥青及其混合料低温开裂性能的影响。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料及配合比设计

该试验采用的基质沥青为70号A级石油沥青(见表1),PPA由湖南某化工公司提供。沥青混合料所用集料均为玄武岩,矿粉为石灰岩,试验结果均满足规范要求。图1是该试验的AC-13合成级配曲线。根据马歇尔稳定度、空隙率和体积参数指标的结果选择最佳油石比为5.8%。

图1 AC-13混合料级配曲线图

表1 基质沥青的物理性质表

1.2 试件制备

PPA改性沥青的制备过程为:将不同掺量的PPA加入基质沥青中,在150 ℃的测试温度下,以3 000 r/min的剪切速率剪切30 min。PPA的掺量分别为0.5%、1.0%和1.5%。SCB试验的试件基于PPA改性沥青混合料马歇尔试样(直径15 cm、高15 cm),从水平方向切成5个直径150 mm、厚度25 mm的圆盘,再将每个圆盘切成两个半圆形,在每个半圆形试样上切出一个垂直缺口(长25 mm、宽3 mm),如图2所示。

1.3 试验方法

采用BBR试验评价长期老化后的PPA改性沥青的低温流变性能,测试温度分别设置为-6 ℃、-12 ℃、-18 ℃和-24 ℃。评价指标为弯曲蠕变刚度S和蠕变速率m值。为了评估沥青的临界低温开裂温度,根据Superpave性能分级,将S≤300 MPa和m≥0.300作为限制条件。

在应变控制模式下,采用通用试验机(UTM)以1 mm/min的速率进行SCB断裂试验。首先将所有SCB试件经烘箱干燥以去除水分,然后在0 ℃、15 ℃、25 ℃和35 ℃分别进行三次平行试验。试件保温4 h以确保在试验期间温度保持恒定。同时,使用高速摄像机观测SCB试件的裂纹扩展和CMOD。

2 结果与讨论

2.1 低温开裂临界温度

沥青的低温PG分级根据规范AASHTO M320确定。一般来说,低温性能等级的确定主要是在不同试验温度下,长期老化后的沥青按照S≤300 MPa和m≥0.300的限制条件,以-6 ℃作为等级区间。然而,将-6 ℃作为等级区间存在区间过大的情况,这样难以区分和细化具有相同低温等级的沥青的抗裂性能。因此,采用基于S和m值的临界温度来表征低温性能,如式(1)所示。

1) 评价矩阵的建立.根据确定的安全管理测度，邀请p个专家对指标Aij进行打分，从而建立评价矩阵Di=[dijk]s×p.

T=max(TS,Tm)

(1)

式中:T——沥青的低温开裂临界温度(℃);

Ts——S≤300 MPa条件下沥青的低温开裂温度(℃);

Tm——m≥0.300条件下沥青的低温开裂温度(℃)。

表2显示了经过长期老化后的基质沥青和PPA改性沥青的S值和m值。将表2中沥青的BBR试验结果代入式(1),分别确定了沥青的临界低温开裂温度,如图3所示。

表2 沥青的BBR试验结果表

从图3可以看出,基于低温临界开裂温度的评价标准来说,PPA的添加对沥青的低温性能有一定的负面影响,但是这种负面影响不大。出现这种结果的原因是PPA的添加使得沥青组分的比例发生了变化,沥青质和胶质减少,从而形成了新的胶体结构,改性沥青的塑性降低,低温性能稍微下降。

2.2 断裂能

基于SCB试验结果,根据力-位移曲线下面积计算每个试样的断裂能,图4显示了PPA改性沥青混合料在不同测试温度下的断裂能。

图4 沥青的断裂能对比柱状图

由图4可知,SCB试验的测试温度越低,沥青混合料的断裂能越高。这是因为沥青混合料具有粘弹性,其SCB试验对材料的力学响应会随着温度的变化而改变,在温度下降的情况下,沥青与集料之间的界面破坏加剧。从图4可知,在25 ℃和35 ℃的测试温度下,PPA的添加显着增加了沥青混合料的断裂能,说明PPA改性沥青的弹性指数明显高于基质沥青,并且这种差异随着PPA掺量的增加而增加。

2.3 裂缝扩展速率

在SCB试验过程中,使用高速摄像机程序收集的数据用于绘制裂缝开口程度与时间的关系。根据曲线关系斜率计算得出不同测试温度下沥青混合料的裂纹扩展速率v,如表3所示。

表3 沥青混合料的裂纹扩展速率和CMOD终值表

由表3可知,0.5%、1.0%PPA改性沥青混合料的裂纹扩展速率均低于基质沥青混合料。在0 ℃、15 ℃、25 ℃和35 ℃的测试温度下,1.5%PPA改性沥青混合料的裂纹扩展速率均比基质沥青混合料高,并且二者差异随着PPA用量的增加而增加。这说明在低温(0 ℃)和中温(15 ℃、25 ℃、35 ℃)的温度环境下,1.0%的PPA可以降低裂缝扩展速率来改善低温开裂性能。这也表明PPA对沥青混合料低温抗裂性的提升,与PPA、沥青和集料表面之间的化学相互作用有关。

虽然添加PPA和提高测试温度对CMOD终值没有明显影响,但由表3可知,1.5%PPA掺量下以及25 ℃温度下沥青混合料的CMOD终值较高。但是,在沥青粘弹性特性的影响下,随着温度的下降,沥青混合料的CMOD终值也随之下降。与其他测试温度相比,在0 ℃时混合料具有最低的CMOD终值,这是因为低温下沥青混合料中的沥青变硬,柔韧性降低。因此,试验后观察到裂纹的开口较小。然而,在较高温度下,尽管具有更大的柔韧性及非弹性性质,但沥青混合料的承载能力会降低。

2.4 SCB开裂指数

SCB试验中断裂能的增加表明试样的断裂需要更多的能量,从而提高了对裂纹扩展的抵抗力,但是仅仅采用此参数来评价沥青的断裂性能是不够的。在特定温度下,CMOD和裂纹扩展速度的降低也表明沥青抗裂性能提高。因此,采用SCB开裂指数来更好地量化沥青混合料的断裂性能,采用式(2)和式(3)计算:

(2)

(3)

式中:Ef——断裂能(J/m2);

CMOD——裂缝开口位移(mm);

v——裂缝扩展速率(mm/s);

S——评价特定温度下抵抗荷载的指标。

将PPA改性沥青混合料的断裂能、CMOD和裂缝扩展率按公式(2)计算出SCB开裂指数,如图5所示。

图5 沥青的SCB开裂指数对比柱状图

由图5可知,1.0%的PPA会增加沥青混合料的SCB开裂指数,这表明适量的PPA可以改善沥青混合料的抗裂性能。然而,当PPA的添加量>1.0%时,SCB开裂指数会降低,说明过量的PPA对沥青混合料的断裂性能产生显著负面影响。同时,可以发现在较高温度状态(>0 ℃)下,PPA对其低温性能的负面影响不太明显。