玄武岩纤维/多聚磷酸复合改性沥青性能研究

孙新凯,牛相杰,聂佳昕,张博文,丁盛权

(华北水利水电大学 土木与交通学院,河南 郑州 450000)

我国90%以上的高速公路均使用沥青铺设,其在常规条件下拥有极好的行车舒适性及施工、养护便利性。但近年来由于极端天气频发,普通沥青路面难以在极端高温或者低温环境下有效地抵抗行车重力荷载,导致沥青路面达不到预期寿命[1]。因此,将不同改性机理的改性剂复合掺入基质沥青中实现改性剂间优势互补以提高沥青性能,对实际道路应用具有重要意义。多聚磷酸(PPA)由于其价格便宜、性能较好被广泛应用,已有研究普遍认为PPA可以提高其高温性能,且其掺量应在0.5%～2%,但会对其低温性能产生不良影响[2]。通过沥青四组分分析和黏弹性分析,探明了PPA主要通过凝胶作用增加沥青中的黏度和弹性元件来提高其高温稳定性[3-4]。玄武岩纤维加入沥青中可以提高低温性能,且其掺量应该在1%～3%。

由于玄武岩具有强度高且绿色环保等特点,关于玄武岩纤维改性沥青的相关研究开始进入人们的视野。相较于其他纤维,玄武岩纤维由于其力学拉伸性能较好,加入沥青后可以起到加筋阻裂的效果,所以能在一定程度上增强低温下的应力耗散能力,从而提高其低温抗裂性,其掺量应该在1%～3%[5-6]。然而,仅仅以物理混合的方式将改性剂添加到沥青中,虽在一定程度上增强了某些性能,但是无法充分发挥出PPA的高温性能和BF的低温性能。

因此,本文将制备BF/PPA复合改性沥青,并对复合改性沥青的常规物理性能和流变性能进行评价,探讨其在路面应用中的可行性。

1 原材料与试验准备

1.1 原材料

1.1.1 基质沥青

选用70#基质沥青作为研究对象,根据试验规程[7]对其进行常规性能指标测试,技术指标如表1所示。

表1 基质沥青技术指标

1.1.2 多聚磷酸(PPA)改性剂

采用由安徽龙华化工股份有限公司生产的多聚磷酸,其技术指标见表2。

表2 玄武岩纤维性能指标

1.1.3 玄武岩纤维(BF)

采用的玄武岩纤维为由湖南省玄武岩石材有限公司提供的优质纤维,主要性能参数如表3所示。

表3 SBR技术指标

1.2 改性沥青的制备

1.2.1 试样掺量拟定

为充分发挥PPA在高温性能方面的优势同时又不对复合改性沥青后的低温性能产生过度消极影响,一般都把PPA掺量定在0.5%～2%,甚至还有大量研究认为PPA的含量最好不要超过1%,但由于本文掺加BF来提高其低温抗裂性能,因此选定PPA掺量为1.5%。依据现有研究成果,且综合考虑PPA及BF特性,选定BF掺量为沥青质量的2.0%。

1.2.2 PPA改性沥青制备

把将基质沥青在160 ℃烘箱中保温20 min,使其加热脱水至熔化流动;取一定质量与加热好的基质沥青倒入不锈钢容器中,并将其放在高速剪切机下的160 ℃恒温加热炉上;加入1.5%的PPA,以4 500 r/min剪切30 min,期间不断用玻璃棒进行搅拌,防止出现剪切不均匀现象;然后以1 500 r/min剪切10 min,以减少气泡,便可得到PPA改性沥青。

1.2.3 BF/PPA复合改性沥青制备

把将基质沥青在160 ℃烘箱中保温20 min,使其加热脱水至熔化流动;取一定质量与加热好的基质沥青倒入不锈钢容器中,并将其放在高速剪切机下的160 ℃恒温加热炉上;加入1.5%的PPA,以4 500 r/min剪切30 min;将转速调整为1 500 r/min,然后将称量好的2.0%的BF多次少量加入其中,剪切约40 min,剪切期间不断用玻璃棒进行搅拌,防止出现剪切不均匀现象,直至沥青表面光滑无气泡,即完成了BF/PPA复合改性沥青的制备。

2 试验与结果分析

2.1 常规性能试验

由表4可以看出,将1.5%的PPA加入基质沥青之后针入度和延度均大幅下降,降幅分别为34.5%,60.5%,软化点上升幅度为34.1%,说明PPA的加入可以大幅提升基质沥青的稠度,进而提升其高温稳定性,但是降低其低温性能。加入2.0%的BF后,相较于PPA改性沥青针入度降低4.4%,软化点增加3.0%,延度大幅增加,增幅为181.3%,说明BF加入PPA改性沥青后可以小幅度提升其高温性能,大幅度提升了由PPA产生的对低温的不利影响。综上所述,BF/PPA复合改性沥青既能大幅提升基质沥青的高温性能,又能弥补由PPA带来对低温的不利影响。

表4 改性沥青基本性能指标

2.2 流变性能

采用DSR试验中的温度扫描试验,对3种不同沥青进行试验,不同沥青相位角、车辙因子分别如图1所示。

图1 不同沥青的相位角和车辙因子图

从图1(a)可以分析得知,随着试验温度的升高,基质沥青、PPA改性沥青以及BF/PPA复合改性沥青的相位角δ都呈现递增的规律,且在同一温度下复合改性沥青小于PPA改性沥青,且两者都远小于基质沥青,表明PPA的加入使得沥青中的黏性组分剧增,有利于提高沥青路面形变后的恢复能力。

从图1(b)可以分析得知,随着试验温度的升高,基质沥青、PPA改性沥青以及BF/PPA复合改性沥青都大致呈现G*/sinδ递减的规律。同一温度下,BF/PPA复合改性沥青的车辙因子大于PPA改性沥青且都远大于基质沥青,如46 ℃时,BF/PPA复合改性沥青较基质沥青提升了230.0%,表明三者中复合改性沥青高温抗变形能力最好,可以更有效地抵抗行车重力荷载,从而使车辙变形现象缓慢出现或显著减少。

采用BBR试验,不同温度下(-12,-18和-24 ℃)对3种不同沥青进行低温性测试。试验结果如图2所示。

图2 不同沥青的蠕变劲度S和蠕变速率m图

从图2(a)可以分析得知,随着温度的降低,基质沥青、PPA改性沥青以及BF/PPA复合改性沥青的蠕变劲度S随之升高,其变化趋势十分接近。而PPA改性沥青整体S值都高于基质沥青和复合改性沥青,且在-18和-24 ℃时分别为337.9,718.4 MPa,均不满足S≤300 MPa的要求;而BF/PPA复合改性沥青的蠕变劲度S值在-12,-18和-24 ℃时都是三者中最低的,分别比同温度下基质沥青降低了63.1%,56.3%,36.1%。结果表明,PPA的加入使得沥青混合料越脆,更易开裂;而BF的加入使得PPA改性沥青的低温性能大幅提升。

从图2(b)可以分析得知,随着温度的降低,基质沥青、PPA改性沥青以及BF/PPA复合改性沥青的蠕变速率m逐渐下降,呈现正比例关系。而PPA改性沥青整体m值都低于基质沥青和复合改性沥青,且在-18和-24 ℃时分别为0.28,0.25,均不满足m≥0.3的要求;而BF/PPA复合改性沥青的蠕变劲度S值在-12,-18和-24 ℃时都是三者中最大的,分别比同温度下PPA改性沥青增大了37.5%,35.7%,16.0%,且都大于基质沥青。结果表明,PPA的加入使得沥青结合料应力松弛恢复能力越差,越容易产生低温变形裂缝;而BF的加入起到加筋阻裂的效果,降低了沥青的低温敏感性。

3 结语

本文就基质沥青、PPA改性沥青和BF/PPA复合改性沥青的制备方法和高低温性能对比分析,得到以下结论:

1)BF/PPA复合改性沥青与基质沥青、PPA改性沥青相比,均呈现针入度降低,软化点、延度升高。针入度下降幅度分别为34.5%,37.4%;软化点上升幅度分别为38.1%,3.0%;延度上升幅度分别为11.3%,181.3%。说明PPA的加入可以大幅提升基质沥青的稠度,进而提升其高温稳定性,但是会对低温性能造成负面影响。BF加入PPA改性沥青后可以小幅度提升其高温性能,大幅度提升了由PPA产生的对低温的不利影响。

2)同一温度下,PPA改性沥青和BF/PPA复合改性沥青的相位角δ都小于基质沥青,车辙因子G*/sinδ都大于基质沥青,表明PPA的加入使得沥青中的黏性组分剧增,说明PPA的加入可明显提高沥青的高温稳定性,可以更有效地抵抗行车重力荷载,从而使车辙变形现象缓慢出现或显著减少。

3)同一温度下,PPA改性沥青的蠕变劲度S最大,蠕变速率m最小,说明PPA改性沥青的会对基质沥青产生较大消极影响,而BF的加入之后,BF/PPA复合改性沥青的蠕变劲度S最小,蠕变速率m最大,说明其低温抗裂性能是最好的,因此,BF可以改善由于PPA带来的对低温性能的不利影响。