多聚磷酸復(fù)合改性瀝青混合料路用性能

馬峰，溫雅嚕，傅珍，馮喬，金彥鑫，郭興隆

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安 710064；2.長(zhǎng)安大學(xué) 材料學(xué)院，陜西 西安 710064)

多聚磷酸(PPA)作為瀝青改性劑在國(guó)外應(yīng)用較早。使用PPA替代SBS，可以節(jié)約造價(jià)，增強(qiáng)性能[1-3]。大量研究認(rèn)為PPA與瀝青官能團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，使瀝青質(zhì)能夠吸附膠質(zhì)，提升瀝青彈性，改善瀝青高溫流變性能[4-8]。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)PPA改性瀝青研究后發(fā)現(xiàn)PPA改性瀝青高溫穩(wěn)定性、抗疲勞能力提升。相比于聚合物改性瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性更佳[9-12]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)關(guān)注PPA改性瀝青高溫性能，對(duì)低溫抗裂性及抗疲勞性研究較少。同時(shí)，PPA與橡膠粉復(fù)配改性瀝青研究較少。

本文將PPA分別與SBS、橡膠粉進(jìn)行復(fù)配，研究?jī)煞N復(fù)配改性瀝青混合料的路用性能，并與SBS改性瀝青及基質(zhì)瀝青混合料進(jìn)行比較。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

SK90#瀝青，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1；多聚磷酸(H3PO4含量為115%)，工業(yè)級(jí)，理化指標(biāo)見(jiàn)表2；2116-06線形SBS改性劑；60目脫硫橡膠粉；集料，由玄武巖制成，各項(xiàng)指標(biāo)符合施工技術(shù)規(guī)范；礦粉，為石灰?guī)r磨細(xì)制得。

表1 瀝青物理性質(zhì)

表2 多聚磷酸基本技術(shù)指標(biāo)

HYCZ-5瀝青車轍實(shí)驗(yàn)儀；KY-D4305MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)；LWD-3馬歇爾穩(wěn)定度實(shí)驗(yàn)儀；UTM-30萬(wàn)能伺服壓力材料試驗(yàn)機(jī)；BFA四點(diǎn)彎曲疲勞機(jī)。

1.2 復(fù)配改性瀝青的制備[12-15]

改性瀝青的制備方式為高速剪切法。將2.8%摻量的SBS與1.2%摻量PPA進(jìn)行復(fù)配，18%摻量橡膠粉與1.6%摻量PPA進(jìn)行復(fù)配，制備復(fù)配改性瀝青。并將兩種復(fù)配改性瀝青與基質(zhì)瀝青及5%摻量下SBS改性瀝青進(jìn)行對(duì)比。

1.2.1 PPA/SBS復(fù)配改性瀝青的制備 將2.8%摻量的SBS與基質(zhì)瀝青在160 ℃下攪拌5 min。在165～170 ℃、5 000 r/min下剪切45 min。添加1.2% PPA,繼續(xù)剪切20 min。在170 ℃烘箱內(nèi)溶脹發(fā)育60 min。

1.2.2 PPA/橡膠粉復(fù)配改性瀝青的制備 將18%摻量的橡膠粉與基質(zhì)瀝青在175 ℃下攪拌5 min。在175～180 ℃、5 000 r/min剪切45 min。添加1.6% PPA, 繼續(xù)剪切20 min。在175 ℃烘箱內(nèi)溶脹發(fā)育60 min。

1.3 瀝青混合料組成設(shè)計(jì)

混合料級(jí)配采用AC-13型級(jí)配中值，按馬歇爾實(shí)驗(yàn)方法確定基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、PPA/SBS、PPA/橡膠粉復(fù)配改性瀝青混合料的最佳油石比。得到4種瀝青混合料最佳油石比，見(jiàn)表3。

表3 瀝青混合料最佳油石比

1.4 性能測(cè)試

1.4.1 高溫性能實(shí)驗(yàn) 在最佳油石比下制備瀝青混合料后，將不同瀝青混合料制備車轍實(shí)驗(yàn)板，使用車轍實(shí)驗(yàn)儀，在60 ℃、輪壓0.7 MPa、行走速率42次/min 的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到4種瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度。

1.4.2 低溫性能實(shí)驗(yàn) 采用低溫小梁彎曲實(shí)驗(yàn)，研究4種瀝青混合料低溫抗裂性能。實(shí)驗(yàn)時(shí)將車轍板加工為250 mm×30 mm×35 mm尺寸的小梁試件，并以50 mm/min的速率對(duì)小梁跨中進(jìn)行加載，得到最大彎拉應(yīng)變及彎曲勁度模量。

1.4.3 水穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn) 將4種瀝青混合料制備馬歇爾試件，將試件放在恒溫水槽中水浴保溫48 h后,按馬歇爾穩(wěn)定度實(shí)驗(yàn)測(cè)得穩(wěn)定度，并與未水浴保溫的馬歇爾試件穩(wěn)定度相比，得到混合料殘留穩(wěn)定度。按《公路工程瀝青及瀝青混合料實(shí)驗(yàn)規(guī)程》中T 0729—2000的規(guī)定進(jìn)行凍融劈裂實(shí)驗(yàn)，得到凍融劈裂比。

1.4.4 疲勞性能實(shí)驗(yàn) 采用萬(wàn)能伺服壓力材料實(shí)驗(yàn)機(jī)UTM及其配套的BFA四點(diǎn)彎曲疲勞機(jī)研究瀝青混合料抗疲勞能力。在加載溫度15 ℃，加載頻率10 Hz，加載應(yīng)變400,500,600 με條件下,對(duì)4種瀝青混合料進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)。以加載50次后的勁度模量作為初始勁度模量值，并將初始模量值下降至50%時(shí)的加載次數(shù)作為疲勞壽命。

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫穩(wěn)定性

車轍實(shí)驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 4種瀝青混合料高溫車轍實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖1可知，3種改性瀝青都表現(xiàn)出良好的高溫穩(wěn)定性，5% SBS改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度是基質(zhì)瀝青混合料的1.85倍，PPA/SBS復(fù)配改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度接近基質(zhì)瀝青的3倍，并且PPA/SBS復(fù)配改性和PPA/橡膠復(fù)配改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度比5% SBS改性瀝青分別高出61.2%和27.3%。這說(shuō)明在較低摻量的SBS改性瀝青及橡膠改性瀝青中加入PPA能較大地提升高溫抗車轍性能。

PPA與瀝青發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)主要有三類。瀝青長(zhǎng)鏈或側(cè)鏈上的官能團(tuán)接枝，瀝青中官能基團(tuán)與PPA中的羥基發(fā)生磷酸酯化反應(yīng)以及PPA與瀝青中烴類衍生物發(fā)生環(huán)化反應(yīng)。這三類反應(yīng)改變了瀝青的化學(xué)結(jié)構(gòu)，重組分增加，輕組分減少。從流變性能來(lái)說(shuō)，瀝青黏性成分增加，復(fù)數(shù)模量變大，抗剪切變形能力提升[16]。

2.2 低溫性能

瀝青混合料的低溫小梁彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 低溫小梁彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖2(a)可知， 5% SBS、PPA/橡膠粉以及PPA/SBS復(fù)配改性瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變均顯著高于基質(zhì)瀝青混合料。最大彎拉應(yīng)變排序?yàn)镻PA/橡膠粉>5% SBS>PPA/SBS>基質(zhì)瀝青。PPA/橡膠粉復(fù)配改性瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變與5%SBS改性瀝青及PPA/SBS復(fù)配改性瀝青混合料相比分別提升了3.77%和27.11%。相關(guān)研究[18-19]表明，橡膠粉改性瀝青對(duì)比SBS改性瀝青要表現(xiàn)出更加優(yōu)良的低溫性能，但加入了PPA的橡膠粉改性瀝青最大彎拉應(yīng)變只略高于SBS改性瀝青。這說(shuō)明將PPA與橡膠粉復(fù)配一定程度上使瀝青混合料在低溫條件下抗開(kāi)裂能力降低，但PPA與SBS及橡膠粉復(fù)配后瀝青混合料的低溫性能仍然滿足要求。

彎曲勁度模量越小，說(shuō)明溫度越低時(shí)，混合料的低溫抗裂性能越好。由圖2(b)可知，PPA/SBS與PPA/橡膠粉復(fù)配改性瀝青混合料的勁度模量比5% SBS改性瀝青混合料大了43.2%和17.6%。這表明PPA加入后瀝青混合料在低溫條件下表現(xiàn)出更大的硬度，混合料更易出現(xiàn)裂縫，PPA復(fù)配改性瀝青混合料低溫抗裂性比SBS改性瀝青混合料要差。

2.3 水穩(wěn)定性

瀝青混合料水穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3。

圖3 4種瀝青混合料水穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知，4種瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度從大到小依次為PPA/橡膠粉、5% SBS、PPA/SBS、基質(zhì)瀝青，且3種改性瀝青殘留穩(wěn)定度均大于90%。SBS改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度隨著SBS摻量的增加而增大，當(dāng)SBS摻量達(dá)到5%后繼續(xù)增加摻量對(duì)水穩(wěn)定性改善效果并不明顯[20]。將低摻量的SBS與PPA進(jìn)行復(fù)配，其殘留穩(wěn)定度僅比5% SBS改性瀝青混合料低0.44%。4種混合料的凍融劈裂比與殘留穩(wěn)定度排序一致，3種改性瀝青混合料的凍融劈裂均大于80%。由以上分析可知，PPA加入后瀝青混合料的水穩(wěn)定性提升，PPA/橡膠粉復(fù)配改性瀝青有最優(yōu)的水穩(wěn)定性。

2.4 抗疲勞性

4種瀝青混合料在不同加載應(yīng)變下的疲勞壽命見(jiàn)圖4。

圖4 4種瀝青混合料應(yīng)變-疲勞壽命關(guān)系曲線

由圖4可知，在相同的加載應(yīng)變下，加入改性劑的瀝青混合料疲勞壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基質(zhì)瀝青混合料,說(shuō)明PPA、SBS以及橡膠粉加入瀝青后，都能使基質(zhì)瀝青混合料的抗疲勞性能得到改善。3種改性瀝青混合料中疲勞壽命最大的是PPA/SBS，其次為PPA/橡膠粉。SBS改性瀝青混合料疲勞壽命比PPA/橡膠粉更低。當(dāng)加載應(yīng)變?cè)龃髸r(shí)，4種瀝青混合料的疲勞壽命都逐漸降低，這表明應(yīng)變的增加使得混合料疲勞性能衰減。但當(dāng)應(yīng)變變化時(shí)， PPA/SBS復(fù)配改性瀝青混合料的疲勞壽命明顯高于其他2種改性瀝青混合料,并且PPA/橡膠粉復(fù)配改性瀝青混合料疲勞壽命也略高于5% SBS改性瀝青,說(shuō)明PPA的加入，對(duì)提升低摻量SBS改性瀝青及橡膠粉改性瀝青的抗疲勞能力有較好的效果。

4種瀝青混合料的加載應(yīng)變與初始勁度模量關(guān)系見(jiàn)圖5。

圖5 4種瀝青混合料應(yīng)變-初始勁度模量關(guān)系曲線

由圖5可知，在相同的應(yīng)變條件下，對(duì)比3種改性瀝青的初始勁度模量可知，最大的是5% SBS改性瀝青混合料，PPA/橡膠粉復(fù)配改性瀝青混合料次之，PPA/SBS復(fù)配改性瀝青混合料最小，這說(shuō)明5% SBS改性瀝青相對(duì)硬度最大，其次是PPA/橡膠粉、PPA/SBS復(fù)配改性瀝青相對(duì)硬度最小。加載應(yīng)變?cè)龃髸r(shí)，瀝青混合料初始勁度模量也表現(xiàn)為逐漸上升的規(guī)律。3種改性瀝青中，5% SBS上升速率最大、PPA/橡膠粉其次， PPA/SBS復(fù)配改性瀝青最低，說(shuō)明5% SBS改性瀝青對(duì)應(yīng)變最為敏感，抗疲勞性能略差于兩種復(fù)配改性瀝青混合料。

4種瀝青混合料加載應(yīng)變與滯后角的關(guān)系見(jiàn)圖6。

疲勞實(shí)驗(yàn)中得到的瀝青滯后角是在應(yīng)變控制模式下，應(yīng)變產(chǎn)生應(yīng)力所滯后的相位差，是確定黏彈特性的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。當(dāng)滯后角越大時(shí)，混合料趨向于黏性，其受重復(fù)荷載作用影響越小，疲勞性能越好；滯后角越小，混合料趨向于彈性，疲勞性能越差。

圖6 4種瀝青混合料應(yīng)變-滯后角關(guān)系曲線

由圖6可知，在不同加載應(yīng)變時(shí)，4種瀝青混合料滯后角從大到小依次為PPA/橡膠粉、PPA/SBS、SBS、基質(zhì)瀝青。這說(shuō)明加入PPA后，瀝青中黏性成分增加，抵抗荷載重復(fù)作用能力越強(qiáng)，疲勞性能越好。

3 結(jié)論

(1)PPA加入瀝青后，混合料高溫抗車轍能力得到較大提升。復(fù)配改性瀝青混合料比單一SBS改性瀝青混合料有更好的抗車轍能力。PPA與低摻量的SBS改性瀝青進(jìn)行復(fù)配，高溫穩(wěn)定性較高摻量SBS改性瀝青混合料高出60%以上。

(2)PPA對(duì)瀝青混合料的低溫抗裂性有一定削弱，PPA復(fù)配改性瀝青混合料在低溫條件下表現(xiàn)出更大的硬度，將PPA與橡膠粉復(fù)配可降低對(duì)低溫抗裂性的不良影響；PPA的加入使瀝青混合料抗水損害能力得到一定提升；在4種瀝青混合料中，PPA/橡膠粉復(fù)配改性瀝青混合料的抗水損害能力最強(qiáng)。

(3)相比于SBS改性瀝青，PPA與SBS復(fù)配后，混合料疲勞壽命增幅在30%以上，最大可達(dá)63.5%，且PPA/SBS復(fù)配改性瀝青混合料對(duì)應(yīng)變的變化最不敏感。PPA/橡膠粉復(fù)配改性瀝青混合料的抗疲勞性也略優(yōu)于SBS改性瀝青混合料。

(4)綜合對(duì)比4種瀝青混合料可知，用PPA代替部分SBS，不僅可以降低工程造價(jià)，還能得到性能優(yōu)異的瀝青混合料。PPA/橡膠粉復(fù)配改性瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能均優(yōu)于SBS改性瀝青混合料，在工程上也可作為一種選擇。