多聚磷酸复合改性沥青混合料的路用性能
第20卷第2期
2017年4月
建筑材料学报
v01.20,No.2
Apr.,2017
JOuRNAL0FBUILDINGMATERIALS
文章编号:1007—9629(2017)02一0293一07
多聚磷酸复合改性沥青混合料的路用性能
刘红瑛,
常睿,
王
春,曹晓娟,
郝培文
(长安大学道路结构与材料交通行业重点实验室,陕西西安710064)
摘要:采用重复蠕变恢复试验分析了多聚磷酸对基质沥青、SBS及SBR改性沥青抗变形恢复能力的影响,并通过贯入剪切试验、半圆弯拉试验及弯曲疲劳试验评价了多聚磷酸对基质沥青混合料、SBS改性沥青混合料及sBR改性沥青混合料抗剪切性能、低温抗裂性能及疲劳性能的影响,采用WeibuU分布分析了不同沥青混合料在不同失效概率下的疲劳性能.结果表明:多聚磷酸的掺入显著增加了沥青的黏度,对其弹性变形恢复能力贡献较小,而SBS改性剂可大幅度提高沥青的弹性变形恢复能力;多聚磷酸能够明显改善沥青混合料的高温抗剪稳定性;通过复配SBS或SBR改性剂,可有效弥补多聚磷酸对沥青混合料低温性能的负面影响;多聚磷酸对沥青混合料的疲劳性能也有一定程度的改善.关键词:道路工程;多聚磷酸;复合改性;路用性能中图分类号:U414.O
文献标志码:A
doi:10.3969/j.issn.1007—9629.2017.02.024
PaVementPerfOrmanceofPOlyphosphOricAcid
CompOsiteModifiedAsphaltMixtures
LJUHDngyi咒g,
CHANGR“i,W-ANGC危“咒,C.A0Xi口。歹乱口扎,
HA0P矗训P咒
(KeyLaboratoryforRoadStructureandMaterialsofMOC,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China)
Abstract;Theeffectofpolyphosphoricacid(PPA)onelasticdeformationrecoveryabilityofmatrixphalt,SBSandSBRmodifiedasphaltswasanalyzedbyrepeatedcreeprecoverysheartest,semi—circularbending
test
test.
as—
Throughpenetration
andfatiguebendingtest,thepavementperformanceofmatrixasphalt
Finally,thefatiguepropertiesofdifferent
Theresultsshow
mixture,SBSandSBRmodifiedasphaltmixtureswasstudied.asphaltmixtureswereanalyzedbyPPA
can
Weibull
distribution
at
differentfailureprobabilities.
on
significantlyincreasetheviscosityofasphalt,andPPAhaslessinfluence
can
theelasticdeforma—
a
tionrecoveryabilityofasphalt,butSBS
greatlyimprovetheelasticrecoveryofasphalt;PPAhashightemperature;ThenegativeeffectofPPA
on
sig—
nificanteffectinimprovingshear—stability
perature
at
the10wtem—
or
performanceofasphaltmixture
can
can
be[2—3]effectivelycompensatedbycompositingSBS
SBR,andPPA
increaseto
a
certain
extent
anti—fatiguepropertiesofasphaltmixtures.
Keywords:roadenginee“ng;polyphosphoricacid(PPA);compoundingrnodification;paVement
perforrmnce
由于化学改性沥青能够弥补聚合物改性沥青热储存稳定性的不足,近几年来,国内外已对其开展了大量的研究并取得了一些成果‘1|.多聚磷酸(PPA)能提高沥青的高温性能和抗老化性能,降低其温度敏感性,使其具有良好的储存稳定性和黏度特性,同
收稿日期:2015—12—12;修订日期:2016—10-28基金项目:国家自然科学基金资助项目(5lz78060)
时,还能有效地解决聚合物改性沥青的离析问题,且制备工艺及生产设备简单.
付力强等‘23研究了PPA改性沥青及其混合料的技术性能,结果表明,加入PPA能改善沥青混合料的高低温性能;毛三鹏嘲研究了PPA对SBS改
第一作者:刘红瑛(1971一),女,河南开封人,长安大学副教授,硕士生导师,博士.E—mail:gli71@91.chd.edu.cn通信作者:郝墙文(1967一),男,内蒙古和林人,长安大学教授,博士生导师,博士.E—mail:9102@chd.edu.cn
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建筑材料学报第20卷
性沥青技术性能的影响,结果表明,采用PPA部分替代SBS可达到正常掺量SBS改性沥青的高温性能;曹卫东等[4]通过对PPA改性沥青胶结料的研究,发现PPA对基质沥青的低温性能影响并不显著.PPA与SBS(SBR)复配可改善基质沥青的高低温性能,而且可有效解决聚合物改性沥青常见的离析问题,具有良好的储存稳定性[5].但是,目前对PPA改性沥青及PPA复配改性沥青混合料的路用性能研究甚少且不够全面,在路用性能评价方面尚未形成一套合理规范的指标体系与试验方法.因此,本文以基质沥青混合料、SBS改性沥青混合料和
13C型PPA改性沥青及PPA复配改性沥青混合料的高温稳定性能、低温抗裂性能及疲劳性能,并结合PPA改性沥青的重复蠕变试验结果分析了PPA对不同沥青改性效果的影响,以期为PPA改性沥青路面的研究与施工控制提供参考.1
试验
粗集料采用玄武岩,细集料为石灰岩,矿粉为石
1.1原材料
灰岩粉,沥青选用弘润708基质沥青,其技术指标满足规范要求,采用质量分数为110%的PPA为添加剂,其技术指标如表1所示.
a卵nt
SBR改性沥青混合料为参照对象,深入研究AC一
表1
TabIe1
PPA改性剂技术指标
Technicalindexofthemodified
of叫yphospho订cacid
1.2改性沥青配制
PPA掺量(质量分数)为o.75%~1.00%,SBS掺量(质量分数)为3.oo%,SBR掺量(质量分数)为2.50%.6种沥青为:基质沥青(编号Jo),基质沥青+1.oo%PPA(编号J1),基质沥青+3.oo%SBS(编号J2),基质沥青+3.oo%SBS+O.75%PPA(编号J3),基质沥青+2.50%SBR(编号J4),基质沥青+2.50%SBR+O.75%PPA(编号J5).1.3矿料级配及最佳油石比确定
采用马歇尔试验方法进行AC_13C型沥青混凝土配合比设计,其中基质沥青混合料(编号Jo一1)、基质沥青+1。oo%PPA混合料(编号J1—1)的最佳油石比为4.5%(质量分数),而基质沥青+3.00%SBS混合料(编号J2—1)、基质沥青+3.oo%SBS+O.75%PPA混合料(编号J3—1)、基质沥青+2.50%SBR混合料(编号J4—1)、基质沥青+2.50%S丑R+0.75%PPA混合料(编号J5—1)的最佳油石比为4.6%.
2
SBR改性沥青的黏度增加幅度不大,这说明SBR并不能有效改善沥青的高温性能.
表2
Table2
60℃不同沥青动力黏度试验结果
Testr憾uItsof
dyn眦icVjsc僻ity
at
of
Pa・s
diff电rentasphalts60℃
2.2重复蠕变试验2.2.1重复蠕变试验方法
采用25mm平板、板间隙1mm的动态剪切流变仪(DSR)进行试验.加卸载方式为:加载1.Os,卸载9.os,如此重复100次.试验温度为60℃,应力水平为3.2
kPa.
2.2.2试验结果
在第50次循环加载作用下,沥青JO~J5的应变经时曲线如图1所示,不同沥青的变形恢复率如图2所示.
由图1(a),图2可见,PPA改性沥青的变形率明显小于基质沥青,且前者的变形恢复率为9.80%,后者的变形恢复率只有O.73%,表明PPA能提高沥青的变形恢复能力.
由图2可见,SBS改性沥青和SBS复配PPA改性沥青的变形恢复能力明显大于其他2种沥青,且前者的变形恢复速率大于后者.在1.os卸载瞬时,SBS改性沥青的变形率几乎是SBS复配PPA改性沥青的2倍,但在约7.5s时,2种沥青变形率为同一水平(图1(b)),之后SBS改性沥青的变形恢复继
PPA改性沥青性能试验结果与分析
2.1黏度试验
采用真空减压毛细管法测定了6种沥青60℃的动力黏度,试验结果如表2所示.
由表2可见,PPA改性沥青60℃的黏度是基质沥青的3.25倍,SBS(SBR)复配PPA改性沥青60℃的黏度较SBS(SBR)单一改性沥青有大幅度提高,表明PPA可以显著增大沥青的黏度,具有很好的高温改善作用.此外,与SBS改性沥青相比,
第2期刘红瑛,等:多聚磷酸复合改性沥青混合料的路用性能
图1
Fig.1
沥青JO~J5的应变经时曲线
RelationshipofstrainandtimeofcreepofrecoveryofSBRandSBRcompoundPPAmodifiedasphalt
沥青的变形恢复率只有2.46%,而SBR复配PPA
莲
旦
改性沥青沥青变形恢复率为5.60%,表明SBR的高温改性效果并不显著.3
舀奇警
8
£
g
焉重
&
凸
沥青混合料路用性能试验结果与分析
与传统的剪切试验相比,贯入剪切试验考虑了
3.1高温抗剪切性能
沥青混合料的黏弹性特征,能够更加真实地模拟路面实际的受力状况和破坏过程[6].
图2不同沥青的变形恢复翠
Fig.2
Deformationrecovery
rate
ofdifferentasphalts
根据JTGE20一2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》,采用双面各击实75次成型马歇尔试件,试验前将试件在60℃下保温3h以上.试验时以50mm/min的加载速率进行加载,记录最大荷载及其对应的位移.以应力强度SD作为评价指标[7],其计算公式见式(1).压头形状、尺寸与贯入剪切试验过程如图3,4所示,试验结果见表3.
。
续发展,而SBS复配PPA改性沥青的变形恢复速率变慢.在1个加卸载循环结束后,SBS改性沥青的变形恢复率高达78.97%,SBS复配PPA改性沥青的变形恢复率则为45.65%.由此表明,PPA对沥青高温抗变形能力的改善主要体现在沥青黏度的增大,而SBS对沥青高温抗变形能力的改善主要体现在弹性性能的提高.
由图1(c),图2可见,SBR复配PPA改性沥青的变形恢复率明显小于SBR改性沥青,表明PPA可提高SBR改性沥青的高温抗变形能力;SBR改性
式中:SD为应力强度,MPa;P为破坏荷载,N;D为压头直径(40mm);r为倒角半径(10mm);y为破坏荷载对应的位移,mm.
砩一币F瓦=历丽u’
4P
…
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建筑材料学报第20卷
能改善效果最佳,对基质沥青混合料和SBR改性沥青混合料的高温性能改善效果基本相同.3.2低温抗裂性能
采用半圆弯拉试验(SCB)来评价沥青混合料的抗拉性能.该试验采用三点圆棒加载方式,能模拟实际路面结构层层底的受拉情况,其装置如图5所示.本试验中2个支点托轮间距S为试件直径D,的O.8倍,即S—o.8DJ‘8|.
试件由马歇尔试件切成厚度为25mm的半圆形.采用疲劳试验机进行弯拉试验[9].试验前,将试件在规定温度(O,一10℃)下保温3h以上.加载速
图3压头形状、尺寸
Fig.3
率为50mm/min,直至试件破坏.根据SCB试验结果,计算试件的破坏荷载,弯拉强度及断裂能密度.
Shapeandsizeoftheindenter
图5
图4贯入剪切试验过程
Fig.4
Penetration
Fig.5
SCB装置
ofSCB
test
Device
shear
test
不同温度下沥青混合料的SCB结果如表4
表3沥青混合料贯入剪切试验结果
TabIe3
7restresllItsOfthepenetratiOnshearofasphaJtmixture
既示.
表4不同温度下沥青混合料的sCB结果
Table4
1bstr借ⅡltsofSCB
of酬t
nlixtum
at
diffe咖t
tempe憎tlⅡ锚
由表3可见,对于AC一13C型沥青混合料,掺加PPA后,基质沥青混合料、SBS改性沥青混合料和SBR改性沥青混合料的应力强度分别提高了36.1%,82.9%,31.8%,表明PPA能够明显改善沥青混合料的高温稳定性.结合不同沥青的黏度与变形恢复试验结果可知,SBS改性沥青与其他改性沥青的主要区别在于SBS对沥青的弹性变形恢复能力有显著的改善作用,而PPA和SBR只是增大了基质沥青的黏度,对弹性变形恢复能力的提升作用并不大,即PPA对SBS改性沥青混合料的高温性
从表4可以看出,在基质沥青中掺入1.00%的PPA后,沥青混合料的破坏荷载、弯拉强度、断裂能密度均降低,且o,一10℃时其断裂能密度分别减小
第2期
刘红瑛,等:多聚磷酸复合改性沥青混合料的路用性能
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了44.1%,45.1%;在SBS改性沥青中掺入0.75%的PPA后,沥青混合料的破坏荷载、弯拉强度、断裂能密度均有所提高,且o,一10℃时其断裂能密度分别提高了7.2%,6.5%;在SBR改性沥青中掺入o.75%的PPA后,沥青混合料的破坏荷载、弯拉强度、断裂能密度均显著提高,且o,一10℃时其断裂能密度分别提高了18.5%,92.9%;PPA复配SBR对沥青混合料破坏荷载、弯拉强度、断裂能密度的改善幅度最大.3.3疲劳性能
本文采用小梁疲劳试验来评价沥青混合料抗疲
T妯Ie
5
劳性,该试验采用三点加载方式加载.按照JTGE20一2011试验规程,采用轮碾法成型车辙板,并将其切成40
mm×40mm×250
mm的试件㈨.试验
(2)
数据用式(2)进行回归.
19Nf一忌+雄盯/cro
式中:N。为达到破坏时的重复荷载作用次数;口/氏为水平应力与初始应力之比;足,n为试验参数.
一般采用志值评价沥青混合料的抗疲劳性能,忌值越大,抗疲劳性越好;而以值代表沥青混合料对应力水平的敏感性,其值越大,敏感性越大.试验结果如表5所示.
resist蛐∞of硒phaltmixtu聆s
裹5沥青混合料抗疲劳性试验结果
T奄st瑚ultsof
fatigue
lg
Nf一3.9567—2.2537口/氏,
R2一O.9854
O.12O.18O.250.31
19
Nf=4.195O一2.5649d/山
R2—0.9911
19
Nl一4.2317—2.7029口/氏
R2—0.9871
19
Nf一3.9863—2.2942口/面,
R2—0.9943
19
Nf一4.1214—2.4438口/咖
R2一O.99l6
从表5可以看出,掺入PPA后,基质沥青混合料、SBS改性沥青混合料及SBR改性沥青混合料的咒和忌均有一定程度的变化,表明PPA对沥青混合料疲劳性能有一定程度的改善,相对而言,SBS改性沥青混合料的疲劳性能最好,SBR改性沥青混合料次之,基质沥青混合料最差.
PPA与SBS,SBR复配后,由于PPA可起到稳定剂作用,加之使沥青黏度变大,从而可在一定程度上改善沥青混合料的疲劳性能.3.4基于失效概率的疲劳性能
采用WeibuU分布分析沥青混合料在不同失效概率下的疲劳性能.Weibull分布累积分布函数的
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建筑材料学报第20卷
变形式为:
广
寿命对应力变化的敏感程度也随之增大.(2)在
1
]
hIh『=衰丽J一山N一山M
概率;“为尺度参数.
(3)
不同失效概率下,掺人PPA使基质沥青混合料与SBS改性沥青混合料的忌略微增大;除Pf(N)=o.1外,在其余失效概率下,掺入PPA使sBR改性沥青混合料的忌略微增大.这表明掺入PPA对基质沥青混合料、SBS混合料及sBR改性沥青混合料疲劳性能的影响不显著.(3)SBS改性沥青混合料的疲劳性能最佳,SBR改性沥青混合料的疲劳性能次之,基质沥青混合料的疲劳性能最差.
式中:N为随机变量的特征值;Pf(N)为N的失效
表6为沥青混合料疲劳曲线回归参数.由表6可见,沥青混合料的疲劳试验结果满足WeibuU分布,回归结果的相关系数均大于O.900o.由表6还可见:(1)随着失效概率的增大,愚有所增加,行有所减小,但变化幅度不大.这表明沥青混合料的疲劳寿命随着失效概率的增大而增大,且疲劳
表6沥青混合料疲劳曲线回归参数
TaMe6
Fati印ecⅡrve坤g嘲sionp矗椭瑚te陪of够ph毗t
mixtur幅
^367483一O
793290O9
38673一O94O9O9767
—
3O
92■,0
39722
”
一O8369O94Z1
9717一O9979O9839
础O967309814
^
n
3一2
99904057一259^O67O9597
41563一26273
O9746
4ZO2
p口口o
42420一27130
09884
47O3一2673
础09261O9831
4
结论
(1)PPA的改性作用主要在于增大了沥青的黏
沥青混合料的高温稳定性.
(3)半圆弯拉试验结果表明,掺人PPA对基质沥青混合料的低温抗裂性会产生一定的负面影响.采用PPA复配SBS,SBR的改性方法可弥补其对沥青混合料低温性能造成的损失,且PPA复配SBR对沥青混合料低温抗裂性能的改善效果最佳.
(4)PPA的掺入对不同沥青混合料的疲劳性能有~定程度改善.
度,从而使其抗变形性能得到改善;而SBS的改性作用主要是其特有的弹性变形恢复能力改善了沥青的变形恢复能力.
(2)掺人PPA后,基质沥青混合料、SBS改性沥青混合料、sBR改性沥青混合料的贯入剪切强度明显增大,贯人深度明显减小,表明PPA可显著改善
第2期
刘红瑛,等:多聚磷酸复合改性沥青混合料的路用性能
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