玄武巖纖維/多聚磷酸復合改性瀝青性能研究

孫新凱,牛相杰,聶佳昕,張博文,丁盛權

(華北水利水電大學 土木與交通學院,河南 鄭州 450000)

我國90%以上的高速公路均使用瀝青鋪設,其在常規條件下擁有極好的行車舒適性及施工、養護便利性。但近年來由于極端天氣頻發,普通瀝青路面難以在極端高溫或者低溫環境下有效地抵抗行車重力荷載,導致瀝青路面達不到預期壽命[1]。因此,將不同改性機理的改性劑復合摻入基質瀝青中實現改性劑間優勢互補以提高瀝青性能,對實際道路應用具有重要意義。多聚磷酸(PPA)由于其價格便宜、性能較好被廣泛應用,已有研究普遍認為PPA可以提高其高溫性能,且其摻量應在0.5%～2%,但會對其低溫性能產生不良影響[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,且其摻量應該在1%～3%。

由于玄武巖具有強度高且綠色環保等特點,關于玄武巖纖維改性瀝青的相關研究開始進入人們的視野。相較于其他纖維,玄武巖纖維由于其力學拉伸性能較好,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力耗散能力,從而提高其低溫抗裂性,其摻量應該在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復合改性瀝青,并對復合改性瀝青的常規物理性能和流變性能進行評價,探討其在路面應用中的可行性。

1 原材料與試驗準備

1.1 原材料

1.1.1 基質瀝青

選用70#基質瀝青作為研究對象,根據試驗規程[7]對其進行常規性能指標測試,技術指標如表1所示。

表1 基質瀝青技術指標

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的多聚磷酸,其技術指標見表2。

表2 玄武巖纖維性能指標

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質纖維,主要性能參數如表3所示。

表3 SBR技術指標

1.2 改性瀝青的制備

1.2.1 試樣摻量擬定

為充分發揮PPA在高溫性能方面的優勢同時又不對復合改性瀝青后的低溫性能產生過度消極影響,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%。依據現有研究成果,且綜合考慮PPA及BF特性,選定BF摻量為瀝青質量的2.0%。

1.2.2 PPA改性瀝青制備

把將基質瀝青在160 ℃烘箱中保溫20 min,使其加熱脫水至熔化流動;取一定質量與加熱好的基質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行攪拌,防止出現剪切不均勻現象;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復合改性瀝青制備

把將基質瀝青在160 ℃烘箱中保溫20 min,使其加熱脫水至熔化流動;取一定質量與加熱好的基質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;將轉速調整為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行攪拌,防止出現剪切不均勻現象,直至瀝青表面光滑無氣泡,即完成了BF/PPA復合改性瀝青的制備。

2 試驗與結果分析

2.1 常規性能試驗

由表4可以看出,將1.5%的PPA加入基質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瀝青的稠度,進而提升其高溫穩定性,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產生的對低溫的不利影響。綜上所述,BF/PPA復合改性瀝青既能大幅提升基質瀝青的高溫性能,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

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,基質瀝青、PPA改性瀝青以及BF/PPA復合改性瀝青的相位角δ都呈現遞增的規律,且在同一溫度下復合改性瀝青小于PPA改性瀝青,且兩者都遠小于基質瀝青,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能力。

從圖1(b)可以分析得知,隨著試驗溫度的升高,基質瀝青、PPA改性瀝青以及BF/PPA復合改性瀝青都大致呈現G*/sinδ遞減的規律。同一溫度下,BF/PPA復合改性瀝青的車轍因子大于PPA改性瀝青且都遠大于基質瀝青,如46 ℃時,BF/PPA復合改性瀝青較基質瀝青提升了230.0%,表明三者中復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,從而使車轍變形現象緩慢出現或顯著減少。

采用BBR試驗,不同溫度下(-12,-18和-24 ℃)對3種不同瀝青進行低溫性測試。試驗結果如圖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,基質瀝青、PPA改性瀝青以及BF/PPA復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值都高于基質瀝青和復合改性瀝青,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瀝青降低了63.1%,56.3%,36.1%。結果表明,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,基質瀝青、PPA改性瀝青以及BF/PPA復合改性瀝青的蠕變速率m逐漸下降,呈現正比例關系。而PPA改性瀝青整體m值都低于基質瀝青和復合改性瀝青,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%,且都大于基質瀝青。結果表明,PPA的加入使得瀝青結合料應力松弛恢復能力越差,越容易產生低溫變形裂縫;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 結語

本文就基質瀝青、PPA改性瀝青和BF/PPA復合改性瀝青的制備方法和高低溫性能對比分析,得到以下結論:

1)BF/PPA復合改性瀝青與基質瀝青、PPA改性瀝青相比,均呈現針入度降低,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瀝青的稠度,進而提升其高溫穩定性,但是會對低溫性能造成負面影響。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復合改性瀝青的相位角δ都小于基質瀝青,車轍因子G*/sinδ都大于基質瀝青,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定性,可以更有效地抵抗行車重力荷載,從而使車轍變形現象緩慢出現或顯著減少。

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瀝青產生較大消極影響,而BF的加入之后,BF/PPA復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。