多聚磷酸改性生物瀝青混合料性能試驗研究

趙奇峰

摘要：文章以基質瀝青和調和瀝青作為對照組，通過室內路用性能試驗對PPA改性生物瀝青的高溫、低溫和抗水損害性進行研究。試驗結果表明，生物瀝青自身優異的抗高溫性能能夠增強基質瀝青混合料的高溫穩定性，但會降低其低溫性能和水穩定性;PPA改性劑能夠明顯提高生物瀝青混合料的高溫抗車轍變性能和低溫抗開裂能力，但同時也會削弱其抗水損害性能。

關鍵詞：多聚磷酸（PPA）;生物瀝青;調和瀝青;改性瀝青;瀝青混合料性能

0 引言

由于瀝青路面良好的使用性能，世界各國道路建設大多采用瀝青路面。瀝青路面需要消耗大量的石油瀝青，而石油瀝青作為一種不可再生資源變得日益緊張[1]。道路工程領域的專家和學者一直在尋找一種可以替代瀝青的新型材料[2]。

近幾年來，通過從秸稈或者植物油廢料等一些生物材料中裂解等一系列處理過程得到的生物瀝青逐漸出現在人們的視野中，采用生物瀝青替代石油瀝青能夠高效率利用現有的生物質資源，降低道路新建或養護的成本費用，實現道路建設的可持續發展[3]。研究發現，由于生物質原料不同，制取的生物瀝青性能也有所差異，但主要都集中于以下兩方面：（1）生物瀝青與基質瀝青按一定比例混摻（以下稱“調和瀝青”），生物瀝青能夠改善基質瀝青的低溫性能和水穩定性;（2）生物瀝青在高溫時易發生老化，且高溫儲存穩定性較差。由于生物瀝青自身高溫性能差和易老化等缺點，還無法滿足道路路面的路用性能要求，制約了生物瀝青在道路建設中的實際應用，亟須采取一定措施和方法改善和提高生物瀝青的使用性能短板[4-6]。目前通常采用一種或多種聚合物改性劑對瀝青進行改性或復配的方式改善瀝青性能，也有相關方面的研究表明SBS、SBR等一些聚合物改性劑能夠改善生物瀝青的使用性能[7]。根據課題組前期對0.5%、1.0%和1.5%等三種PPA摻量的改性生物瀝青常規性能和流變性能的研究發現，PPA摻量宜為1.0%。本文進一步研究1.0%PPA摻量對于改性生物瀝青混合料路用性能的影響，以加快生物瀝青在道路瀝青路面的實踐應用。

1 試驗原材料和配合比設計

1.1 試驗原材料

試驗采用埃索70 #A級道路石油瀝青，其技術指標性能都滿足規范要求，試驗結果見下頁表1。生物瀝青采用實驗室自制，其技術性能見下頁表2。

多聚磷酸（PPA）采用山東某化工公司生產產品，為工業級115%多聚磷酸，常溫下為無色透明狀粘稠液，密度為2.094 g/cm 3，P2O5質量分數占84%，沸點為550 ℃，其鐵、砷及重金屬含量均≤0.01%。試驗用粗集料采用與瀝青粘附性好的玄武巖，分為10～15 mm和5～10 mm兩檔粗集料，細集料選用石灰巖機制砂，填料則利用石灰巖磨細后的礦粉。經過試驗測試了礦料的物理力學性質，均滿足規范要求。

1.2 配合比設計

良好的級配可以增強混合料的強度和使用性能。試驗采用AC-13型礦料級配進行瀝青混合料路用性能試驗，其合成級配見表3。

根據礦料級配，初步擬定普通基質瀝青混合料的最佳油石比為4.8%，以0.3%的間隔左右各取兩組油石比，得到五組油石比，即4.2%、4.5%、4.8%、5.1%、5.4%，分別制備馬歇爾試件進行馬歇爾試驗得到毛體積密度、飽和度、流值和穩定度等相關技術指標，然后分別繪制各技術指標性能與油石比的關系曲線，綜合各方面性能得到普通瀝青混合料的最佳油石比為4.7%。以同樣的試驗方法可以得到調和瀝青（石油瀝青與基質瀝青復摻比例為2∶8）最佳油石比為5.2%，PPA改性生物瀝青最佳油石比為5.4%。

2 混合料性能試驗結果分析

將1.0%摻量的PPA改性劑加入至熔融的基質瀝青中制備PPA改性瀝青，再與生物瀝青混溶制備得到PPA改性生物瀝青，其中生物瀝青與基質瀝青的質量比為2∶8;采用生物瀝青與基質瀝青復摻（生物瀝青：基質瀝青=2∶8）得到調和瀝青。分別采用馬歇爾試驗和車轍試驗評價不同摻量PPA改性生物瀝青的高溫性能，利用低溫小梁彎曲試驗評價PPA改性生物瀝青的低溫性能，然后通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗對PPA改性生物瀝青的抗水損害性能進行評價，并以調和瀝青和基質瀝青作為對照組。

2.1 高溫性能

（1）馬歇爾試驗

通過對三種瀝青混合料進行馬歇爾試驗，得到了瀝青混合料的馬歇爾穩定度和流值。試驗結果見表4。

從表4可以看出，調和瀝青混合料的馬歇爾穩定度是基質瀝青的2.7倍，PPA改性生物瀝青混合料的馬歇爾穩定度是調和瀝青的1.3倍，且三種瀝青混合料的流值從大到小依次為：基質瀝青>調和瀝青>PPA改性生物瀝青。由此說明基質瀝青中加入生物瀝青后的高溫性能大幅度增加，體現出了生物瀝青自身極好的高溫穩定性，PPA有助于改善和提升生物瀝青的高溫抗車轍能力。這是由于PPA可以增加瀝青質含量，并使瀝青質均勻分散，故而提高了瀝青的高溫性能。

（2）車轍試驗

單純依靠馬歇爾試驗評價混合料的高溫穩定性具有一定的局限性，無法真實反映出瀝青路面的實際受力狀況，本文利用國內常用的車轍試驗補充評價PPA改性生物瀝青的高溫抗車轍性能。試驗結果見表5。

從表5可以看出，三種瀝青混合料的動穩定度從大到小分別為：PPA改性生物瀝青>調和瀝青>基質瀝青，且PPA改性生物瀝青混合料的動穩定度是調和瀝青的2.5倍，調和瀝青混合料是基質瀝青的1.7倍。說明生物瀝青顯著增強了基質瀝青混合料的高溫性能，同時PPA改性劑也明顯提高了改性生物瀝青的抗車轍能力，這與前文研究馬歇爾試驗的結論是一致的。

2.2 低溫性能

在冬季溫度較低時，外界空氣溫度突然下降時，路面結構內部與外界環境形成較大溫差，路面結構應力因來不及松弛變形而易產生應力集中導致溫縮開裂現象。為避免或降低這種裂縫的發生，瀝青混合料應有很好的低溫抗開裂性能。為了評價PPA改性生物瀝青的低溫性能好壞，本文采用低溫小梁彎曲試驗對PPA改性生物瀝青混合料的低溫性能進行評價，并以調和瀝青和基質瀝青混合料進行對比。試驗環境溫度為-10 ℃，采用50 mm/min的速率進行加載。試驗結果見表6。

從表6可以得出，基質瀝青中加入生物瀝青后得到的調和瀝青混合料試件的低溫破壞應變減小了43.8%，勁度模量增加了10.1%;摻PPA改性劑的改性生物瀝青的破壞應變較調和瀝青增加了61.7%，勁度模量減小了4.75。這說明生物瀝青會使基質瀝青變得硬脆，降低了基質瀝青的低溫性能，PPA改性劑會增加改性生物瀝青的容許應變，明顯改善生物瀝青的低溫抗裂性。

2.3 水穩定性能

在雨季時由于雨水滴落至瀝青路表面，在車輛荷載的反復碾壓作用下，水分逐漸通過裂縫或者空隙滲透到路面結構層內部，游離于瀝青與集料的界面間，經過車輛荷載的反復作用，集料表面的瀝青薄膜逐漸脫落，降低了瀝青與集料間的粘附性，最終導致瀝青路面發生水損害而破壞。為了評價PPA改性生物瀝青的抗水損害性能，本文采用國內推薦的浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗對PPA改性生物瀝青的水穩定性進行評價。

（1）浸水馬歇爾試驗

通過對三種瀝青混合料進行浸水馬歇爾試驗，以殘留穩定度為評價指標，試驗結果見表7。

從表7可以發現，三種瀝青混合料的殘留穩定度從大到小分別為基質瀝青>調和瀝青>PPA改性生物瀝青，且發現調和瀝青和PPA改性生物瀝青的殘留穩定度不滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40）規范中關于殘留穩定度≥80%的要求。說明生物瀝青會降低基質瀝青混合料的水穩定性，且PPA改性劑的加入并不能改善生物瀝青的抗水損害性能。

（2）凍融劈裂試驗

通過對三種瀝青混合料進行凍融劈裂試驗，以凍融劈裂強度比為評價指標，試驗結果見表8。

從表8可知，只有基質瀝青能夠滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40）規范中關于凍融劈裂強度比≥70%的要求，調和瀝青和PPA改性生物瀝青均不滿足水穩定性要求，這與浸水馬歇爾試驗的結果相一致。

3 結語

通過對PPA改性生物瀝青進行路用性能試驗評價，可以得出以下結論：

（1）通過馬歇爾試驗和車轍試驗結果可知，生物瀝青可改善基質瀝青混合料的高溫性能，同時PPA能夠提高生物瀝青的抗車轍變形能力。

（2）通過低溫小梁彎曲試驗結果可知，生物瀝青降低了基質瀝青的低溫性能，而PPA可顯著提升生物瀝青的低溫抗裂性。

（3）通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗結果可知，調和瀝青和PPA改性生物瀝青的殘留穩定度和凍融劈裂強度比不滿足規范要求，生物瀝青降低了石油瀝青混合料的水穩定性，PPA不利于改善生物瀝青的抗水損害性能。[KG-1mm][XCW.TIF，JZ]

參考文獻：

[1]黃海龍.生物瀝青及其混合料路用性能研究[D].北京：北京建筑大學，2015.

[2]彭子茂.生物瀝青摻量對再生瀝青混合料路用性能影響試驗研究[J].路基工程，2020（2）：69-73.

[3]劉衛衛，董祥云.生物瀝青混合料試驗及應用研究[J].公路交通科技（應用技術版），2019，15（6）：138-141.

[4]馬明洋. SBS改性生物瀝青及其混合料路用性能的研究[D].哈爾濱：東北林業大學，2019.

[5]曾夢瀾，田 偉，朱艷貴，等.蓖麻油生物瀝青調和瀝青混合料使用性能研究[J].湖南大學學報（自然科學版），2017，44（11）：177-182.

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[7]周紹斌，伍衡山，劉魚行.多聚磷酸改性生物瀝青及混合料性能研究[J].當代化工，2019，48（6）：1 205-1 208，1 212.