基于動(dòng)態(tài)剪切流變儀試驗(yàn)的多聚磷酸改性瀝青流變特性

王 楓， 許有俊

(1.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 太原 030032； 2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院, 包頭 014010)

瀝青是道路建設(shè)中的最常用材料之一，屬于典型的感溫性材料，溫度對(duì)其性能影響顯著。瀝青材料的性能與瀝青路面性能息息相關(guān)，直接影響瀝青路面使用性能和行車舒適性。新中國成立以來，已形成一套規(guī)范且較完善的瀝青路面設(shè)計(jì)、施工與養(yǎng)護(hù)規(guī)范，但隨著經(jīng)濟(jì)的交通運(yùn)輸事業(yè)的快速發(fā)展，道路年平均交通量急劇增加，瀝青路面負(fù)荷加重，車轍。推移等高溫病害加重，嚴(yán)重影響了路用性能和行車舒適性。對(duì)此，研究者進(jìn)行了大量研究，研究人員提出采用高性能瀝青代替普通瀝青，以改善瀝青混凝土的路用性能，各種改性劑也被大量運(yùn)用到道路建設(shè)中，取得了顯著成效[1]。多聚磷酸(polyphosphoric acid，PPA)因其與瀝青相容性好、改性效果佳、成本低等特點(diǎn)，受到中外研究者的青睞。研究發(fā)現(xiàn)PPA可提高瀝青的高溫性能分級(jí)(performance grade，PG)[2-5]。文獻(xiàn)[6]發(fā)現(xiàn)PPA改性瀝青的高溫性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青；文獻(xiàn)[7]將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的PPA改性劑加入13種基質(zhì)瀝青中改性后，其中有12種基質(zhì)瀝青在摻入PPA后高溫性能均得到不同幅度的提升，只有一種瀝青高溫性能下降；文獻(xiàn)[8-9]通過分析PPA改性瀝青的組分和黏彈性分析，研究了PPA改性機(jī)理，結(jié)果表明PPA主要通過凝膠作用改善瀝青的黏度和彈性特征，王嵐等[10]研究了多聚磷酸老化后的性能。

瀝青材料的疲勞性能是指瀝青在承受重復(fù)荷載作用下其性能演化過程，疲勞開裂也是瀝青路面主要損壞形式之一，是瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和瀝青混合料組成設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)，因此瀝青的疲勞特性對(duì)瀝青混合料的疲勞性能有重要影響[11-15]。現(xiàn)有研究分析了PPA改性瀝青的感溫性能，但PPA改性劑對(duì)瀝青疲勞性能的改善還有待商榷，在研究瀝青混凝土疲勞開裂之前很有必要對(duì)瀝青疲勞性能進(jìn)行研究?；趧?dòng)態(tài)剪切流變儀(dynamic shear rheometer,DSR)溫度掃描和時(shí)間掃描試驗(yàn)，進(jìn)一步分析PPA摻量對(duì)瀝青流變性能和疲勞性能的影響。以期為后續(xù)復(fù)合改性瀝青的研究與應(yīng)用提供必要的參考。

1 原材料與方法

1.1 基質(zhì)瀝青

采用殼牌70#基質(zhì)瀝青，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)(簡(jiǎn)稱“試驗(yàn)規(guī)程”)測(cè)定其性能指標(biāo)，測(cè)試結(jié)果見表1所示，均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)要求。

表1 70#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 多聚磷酸(PPA)

采用廣西越洋化工集團(tuán)生產(chǎn)的多聚磷酸(PPA)，其技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 PPA技術(shù)參數(shù)

1.3 PPA改性瀝青的制備

PPA改性劑摻量一般為0.5%～2.5%[16]，為分析不同摻量的PPA改性瀝青高溫流變性能和疲勞性能。采用高速剪切乳化機(jī)分別制備摻量為0.5%、1.0%、1.5%和2.0%的PPA改性瀝青。制備時(shí)瀝青融化溫度為160 ℃，加入PPA后采用玻璃棒攪拌均勻，最后采用室內(nèi)高速剪切乳化劑在180 ℃溫度下高速剪切60 min，剪切機(jī)轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，高速剪切完成后，在170 ℃溫度中低速攪拌30 min，使其充分發(fā)育。改性瀝青制備如圖1所示。

圖1 PPA改性瀝青制備

1.4 DSR試驗(yàn)

分別采用DSR試驗(yàn)的溫度掃描、時(shí)間掃描和頻率掃描，分析改性瀝青高溫流變性性、疲勞性能和黏彈性能，DSR試驗(yàn)及試驗(yàn)參數(shù)分別如圖2和表3所示。

圖2 DSR試驗(yàn)設(shè)備

表3 DSR試驗(yàn)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 高溫流變性

瀝青屬于典型的黏彈性材料，在瀝青剪切變形試驗(yàn)中，既有彈性恢復(fù)又有黏性變形。采用復(fù)數(shù)剪切模量(G*)來表征瀝青抵抗剪切變形的能力，G*越大表示瀝青抗剪切變形能力越強(qiáng)，該模量表示了應(yīng)力和應(yīng)變的比值，主要由彈性恢復(fù)和黏性兩部分組成?？刹捎密囖H因子(G*/sinδ)評(píng)價(jià)瀝青的高溫穩(wěn)定性，G*/sinδ越大，瀝青高溫穩(wěn)定性能越好，抗車轍性能越強(qiáng)。

圖3所示為各摻量的PPA改性瀝青和70#基質(zhì)瀝青在不同溫度下復(fù)數(shù)剪切模量(G*)和車轍因子(G*/sinδ)隨溫度的變化關(guān)系。從圖3(a)中可以看出，70#基質(zhì)瀝青和各摻量PPA改性瀝青的G*均隨著試驗(yàn)溫度的增加而下降，說明隨著溫度的升高，瀝青抵抗變形能力下降。在夏季高溫時(shí)，瀝青路面溫度可達(dá)到60 ℃，由圖3(a)可知當(dāng)溫度超過64 ℃后，當(dāng)繼續(xù)提高溫度時(shí)，各瀝青G*基本變化較小。此外，當(dāng)溫度相同時(shí)，PPA改性瀝青的G*均大于70#基質(zhì)瀝青，說明摻入PPA改性劑可改善瀝青抵抗變形能力，且隨著PPA含量的增加，對(duì)瀝青抗變形能力改善效果越顯著，如當(dāng)溫度為46 ℃時(shí)，摻量為0.5%、1.0%、1.5%、2.0% 的PPA改性瀝青的G*分別約為70#基質(zhì)瀝青的1.3、1.7、2.0和2.5倍，顯著提高了瀝青的抵抗變形能力。

由圖3(b)可知，70#基質(zhì)瀝青和各摻量PPA改性瀝青的G*/sinδ均隨著溫度的增加呈下降趨勢(shì)，說明溫度越高，瀝青高溫穩(wěn)定性越弱，抗車轍性能越差。當(dāng)溫度超過64 ℃后，隨著溫度的增加，G*/sinδ基本保持不變，說明瀝青已基本失去高溫穩(wěn)定性。此外，當(dāng)溫度相同時(shí)，PPA改性瀝青的G*/sinδ均優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青，說明摻入PPA改性劑可以改善瀝青高溫穩(wěn)定性，提高瀝青抗車轍能力，而且PPA摻量越大，瀝青高溫穩(wěn)定性能越顯著，如當(dāng)溫度為46 ℃時(shí)，摻量為0.5%、1.0%、1.5%和2.0% 的PPA改性瀝青的G*/sinδ分別約為70#基質(zhì)瀝青的1.3、1.6、2.0和2.6倍，顯著提高了瀝青的高溫穩(wěn)定性和抗車轍能力。

圖3 PPA改性瀝青DSR溫度掃描試驗(yàn)結(jié)果

2.2 疲勞性能

采用DSR的時(shí)間掃描試驗(yàn)可以研究瀝青在重復(fù)剪切荷載作用性能衰變規(guī)律及其抵抗重復(fù)剪切變形能力，在不同加載應(yīng)力下瀝青復(fù)數(shù)剪切模量隨荷載作用次數(shù)變化趨勢(shì)基本相同，以0.15 MPa為例，瀝青復(fù)數(shù)剪切模量G*隨荷載作用次數(shù)(N)變化關(guān)系(G*-N曲線)如圖4所示。

圖4 PPA改性瀝青DSR時(shí)間掃描試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)有研究[15]，采用復(fù)數(shù)剪切模量下降到其初始值的50%時(shí)的荷載作用次數(shù)表征瀝青的疲勞壽命，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得到不同摻量PPA改性瀝青疲勞壽命隨應(yīng)力變化關(guān)系如圖5所示。

從圖5可知，在相同應(yīng)力條件下，隨著PPA摻量的增加，改性瀝青疲勞壽命增大，如當(dāng)應(yīng)力為0.15 MPa時(shí)，70%基質(zhì)瀝青疲勞壽命為518次，而摻量為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的PPA改性瀝青的疲勞壽命分別為1 430、3 205、5 744、7 498次，顯著提高了瀝青疲勞壽命，即瀝青抗疲勞性能越好。此外，不同摻量的改性瀝青疲勞壽命均隨著應(yīng)力水平的增加而下降，現(xiàn)有研究表明[15]，瀝青疲勞壽命與應(yīng)力服從雙對(duì)數(shù)線性關(guān)系，表達(dá)式為

圖5 PPA改性瀝青疲勞壽命

lgNf=a+blgσ

(1)

式(1)中：Nf為疲勞壽命，次；σ為加載應(yīng)力，MPa；a、b為擬合參數(shù)。不同摻量的PPA 瀝青疲勞壽命與應(yīng)力間的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)關(guān)系如圖6所示。從圖6可以看出，疲勞壽命與應(yīng)力具有較好的雙對(duì)數(shù)線性關(guān)系，擬合優(yōu)度R2均大于0.9。對(duì)比回歸直線的斜率絕對(duì)值和截距，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)PPA摻量越大，斜率絕對(duì)值越小、截距越大，瀝青疲勞性能越好。

圖6 瀝青疲勞壽命與應(yīng)力的雙對(duì)數(shù)關(guān)系

2.3 黏彈性能

采用相位角(δ)表征瀝青的黏彈特征，δ越大，瀝青黏性特征越強(qiáng)，越易發(fā)生不可恢復(fù)的永久變形，反之則表示瀝青彈性可恢復(fù)特征越強(qiáng)。DSR頻率掃描得到的δ、G*/sinδ與頻率關(guān)系如圖7所示。

圖7 PPA改性瀝青DSR頻率掃描試驗(yàn)結(jié)果

從圖7(a)可知，加載頻率隨著荷載作用頻率的增加而下降，但下降速率逐漸減小。說明瀝青在低頻荷載作用下主要表現(xiàn)為黏性特征，易產(chǎn)生不可恢復(fù)的永久變形，這一點(diǎn)從圖7(b)也可看出，G*/sinδ隨著頻率的增加而快速增加，頻率較低時(shí)，G*/sinδ較小，高溫抗車轍性能弱。宏觀反映了在重載低速交通荷載作用下，瀝青路面更易產(chǎn)生永久變形而形成路面車轍病害。此外，隨著PPA摻量的增加，改性瀝青δ降低，且當(dāng)加載頻率較低時(shí)，δ變化幅度越大，如當(dāng)加載頻率1 rad/s和10 rad/s時(shí)。PPA摻量為2.0%的改性瀝青較70#基質(zhì)瀝青的相位角分別降低了25.4%和18.6%。進(jìn)一步說明摻入PPA改性劑可以提高瀝青的彈性特征，增強(qiáng)其彈性恢復(fù)能力。

3 結(jié)論

采用高速剪切機(jī)制備不同摻量的PPA改性瀝青，并基于DSR溫度掃描和時(shí)間掃描試驗(yàn)，分析了不同摻量PPA改性瀝青的抗剪切變形能力和疲勞性能，得到如下主要研究結(jié)論。

(1)隨著溫度的升高，70#基質(zhì)瀝青和PPA改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量下降，抗剪切變形能力降低，當(dāng)溫度超過64 ℃后，繼續(xù)升高溫度對(duì)瀝青抗前期變形能力基本無影響；在同一溫度下，瀝青G*值隨著PPA摻量的增加而增加，如摻量為0.5%、1.0%、1.5%、2.0% 的PPA改性瀝青的G*分別約為70#基質(zhì)瀝青的1.3、1.7、2.0、2.5倍，及摻入PPA可顯著改善基質(zhì)瀝青的抗剪切變性能。當(dāng)溫度低于64 ℃時(shí)，瀝青車轍因子隨著溫度的增加而快速降低，當(dāng)溫度超過64 ℃時(shí)，車轍因子基本不變，溫度越高，瀝青高溫穩(wěn)定性越弱；當(dāng)溫度相同時(shí)，PPA摻量越高，改性瀝青車轍因子越大，高溫穩(wěn)定性越好，抗車轍能力越強(qiáng)。

(2)PPA改性瀝青在重復(fù)荷載作用下的模量變化可分為初始適應(yīng)、彈性損傷和黏彈性破壞3個(gè)過程；在基質(zhì)瀝青中摻入PPA改性劑可顯著提高瀝青的抗疲勞性能，隨著PPA摻量的增加，瀝青壽命增大，瀝青抗疲勞性增強(qiáng)。PPA改性瀝青疲勞壽命與加載應(yīng)力在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中具有較好的線性遞減關(guān)系，線性擬合優(yōu)度R2>0.9。

(3)相位角隨著PPA摻量的增加而降低，說明PPA改性劑可以改善瀝青抗剪切變形和彈性恢復(fù)能力。尤其當(dāng)加載頻率較低時(shí)，改善效果顯著。加載頻率較低時(shí)，相位角較大，車轍因子較低，說明在重載低速交通荷載作用下，瀝青路面更易產(chǎn)生永久變形而形成路面車轍病害。