PPA/LSBR復合改性瀝青及混合料性能研究*

馬 峰，彭 沖，傅 珍，侯英杰，唐鈺杰，常曉絨

(1. 長安大學 公路學院，西安 710064；2. 長安大學 材料科學與工程學院，西安 710064)

0 引 言

隨著環(huán)境變化以及日益增長的交通量，單一的瀝青改性劑不能滿足現(xiàn)有道路的使用要求。為解決復雜的道路問題，許多瀝青改性劑已被引入，如多聚磷酸(PPA)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)、橡膠粉、液體橡膠(LR)和聚乙烯(PE)[1-4]。其中，液體橡膠(LR)是減少瀝青膠結料開裂的有效改性劑之一，它與瀝青膠結料有非常好的相容性，且對環(huán)境無污染。液體橡膠來自于輪胎的碎屑橡膠，在高溫和無氧環(huán)境下通過熱解獲得。在熱解過程中，碎屑橡膠中的長鏈在液體狀態(tài)下分解成更單一的分子結構，稱為液體橡膠。一般來說，具有短鏈分子結構的液體橡膠與瀝青的相容性比橡膠粉更好[5]。

在眾多液體橡膠中，LSBR具有突出的應用優(yōu)勢。LSBR可以有效提高固化環(huán)氧樹脂的斷裂韌性和耐溫性，并在一定情況下降低體系的黏度[6]。近年來，LSBR作為瀝青改性劑得到了應用。Li等[7]通過研究分子量不同的LSBR對基質瀝青流變性能的影響，發(fā)現(xiàn)LSBR對改善瀝青的低溫抗裂性與抗疲勞性效果顯著。同時，抗疲勞性能隨LSBR分子量的增加而提高。Wang等[8]研究了不同比例LSBR下基質瀝青的流變性能和抗老化性能，并發(fā)現(xiàn)，當LSBR在瀝青中的含量在3%(質量分數)以內時，LSBR會明顯改善瀝青膠結料的低溫抗裂性和抗老化性。

雖然LSBR改性瀝青有效地改善了低溫性能，但它對瀝青的高溫性能有特別大的限制作用，且與瀝青的相容性差。因此，尋找一種既不破壞LSBR改性瀝青的低溫性能又能改善其高溫性能的改性劑是非常必要的。PPA是一種礦物質酸，由于其成本低，改性工藝簡單，儲存穩(wěn)定性好，對瀝青高溫流變具有良好的改善作用，已經引起越來越多的關注。Jafari[9]通過線性振幅掃描和多應力重復蠕變試驗發(fā)現(xiàn)，PPA的加入改善了基質瀝青的疲勞性能和蠕變柔量，進而延長了瀝青的疲勞壽命，提高了高溫穩(wěn)定性。覃珍波[10]通過動態(tài)剪切流變試驗發(fā)現(xiàn)，PPA對高溫抗車轍與抗疲勞性，具有良好的改善作用。同時，PPA作為一種改性劑，經常與其他改性體系結合使用，復合改性后的瀝青表現(xiàn)出良好的高溫性能。馬峰等[11]發(fā)現(xiàn)，PPA/SBS改性瀝青具有良好的高溫穩(wěn)定性，并且可以有效提升瀝青抗疲勞性能。Domingos 等[12]通過多重應力重復蠕變恢復試驗發(fā)現(xiàn)PPA/SBS具有良好的高溫性能。Liu等[13]研究發(fā)現(xiàn)，PPA不僅能明顯改善聚合物改性瀝青的儲存穩(wěn)定性，還能使瀝青硬化，改善聚合物改性瀝青的高溫穩(wěn)定性和抗疲勞性。Saowapark等[14]研究發(fā)現(xiàn)，PPA作為瀝青的輔助材料，通過提高LSBR改性瀝青的初始剛度，可以明顯減少LSBR改性瀝青路面的初始車轍。可以看出，PPA與其他改性劑進行復合改性，既能在保有PPA良好性能的同時，有效改善由此帶來的負面影響，但對于PPA復合LSBR的相關研究，目前卻很少。因此，本文以PPA復配LSBR對瀝青進行復合改性，探究瀝青及其混合料高低溫性能以及水穩(wěn)定性變化，為以后研究提供一些借鑒。

1 實 驗

1.1 原材料

本文基質瀝青采用SK 90#，成品SBS改性瀝青作為對照組，其相關性能指標見表1與表2。液體橡膠由天津明基金泰橡塑科技公司提供，并采用磷酸含量115%的工業(yè)多聚磷酸進行改性，其性能見表3。

表1 基質瀝青性能指標Table 1 Performance index of base asphalt

表2 成品SBS改性瀝青性能指標Table 2 Performance index of finished SBS modified asphalt

表3 PPA化學性能Table 3 Chemical properties of PPA

1.2 改性瀝青的制備

1.2.1 LSBR改性瀝青

首先將SK 90#瀝青置于125 ℃的烘箱中，并與LSBR混合。將混合后的改性瀝青加熱到160 ℃，以4 000r/min的速度剪切50 min[14]。剪切結束后，將其放入150 ℃的烘箱中，進行20 min的溶脹發(fā)育，制備LSBR改性瀝青。

1.2.2 PPA/LSBR復合改性瀝青

首先，將制備好的LSBR改性瀝青樣品與不同含量的PPA混合。然后，將每種混合物加熱到160 ℃，以4 000r/min的速度剪切40 min[7]。剪切后，放入150 ℃烘箱中進行20 min的溶脹發(fā)育，制備PPA/LSBR復合改性瀝青。

1.3 瀝青混合料組成設計

本文采用SMA-13型級配中值對玄武巖進行級配設計，按照馬歇爾試驗方法確定最佳油石比，結果見表4。

表4 不同瀝青種類混合料最佳油石比

1.4 試驗方案

對PPA/LSBR改性瀝青進行針入度、軟化點、延度試驗，研究不同含量PPA對瀝青基本性能的影響。通過瀝青旋轉黏度試驗，以VTS指標評價瀝青感溫性能。采用四組分試驗探討瀝青改性機理。最后，通過馬歇爾試驗方法，成型試件，確定SMA混合料的最佳瀝青用量，利用車轍試驗、小梁彎曲梁試驗、浸水馬歇爾以及凍融循環(huán)試驗，研究不同瀝青種類下，瀝青混合料高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性能的變化。

2 LSBR/PPA改性瀝青性能研究

2.1 基本性能

以2%摻量的LSBR，配備摻量為0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%的PPA/LSBR復合改性瀝青，進行基本性能試驗，試驗結果如圖1所示。

圖1 PPA/LSBR瀝青延度、針入度、軟化點變化圖Fig.1 Variation diagram of ductility, penetration and softening point of PPA/LSBR asphalt

由圖1可知，隨著PPA含量由0.3%增加至1.5%，PPA/LSBR復合改性瀝青的軟化點提升了25%，極大消除了由LSBR帶來的高溫性能削弱問題，表現(xiàn)出良好的高溫性能。延度與針入度則隨著PPA含量的增加，表現(xiàn)出相反的變化趨勢，特別是，當PPA含量>0.9%時，復合改性瀝青的延度急劇下降。這主要是由于摻入PPA后，瀝青中的分散相發(fā)生了化學變化，從而導致膠質轉變?yōu)闉r青質，并且產生鍵力結合，使得瀝青黏度增強，強度得到加強，塑性減小，改性瀝青高溫性能得到明顯改善[15]。

2.2 改性瀝青感溫性

隨著測試溫度的升高,瀝青材料的黏度降低,而黏度對溫度變化的敏感程度反應了瀝青的感溫性[16]。良好的感溫性能，是提升瀝青路用性能的重要保障。

圖2顯示了不同摻量下，瀝青黏度變化情況。

圖2 不同改性瀝青黏度變化圖Fig.2 Viscosity change of different modified asphalt

由圖2可以看出，在相同改性劑摻量下，隨著溫度的升高，瀝青由粘彈性狀態(tài)向粘性狀態(tài)轉變，黏度逐漸下降。相同溫度條件下，LSBR改性瀝青隨LSBR摻量的增加，其黏度逐漸減小，具有一定的降粘效果，而PPA/LSBR改性瀝青，隨PPA摻量的增加，黏度逐漸增加。這主要是PPA與瀝青組分發(fā)生化學作用，導致瀝青四組分中瀝青質的含量增加，促進了瀝青向凝膠型轉變，最終使得黏度增加[10]。

為分析改性瀝青的感溫性，采用粘溫指數(VTS)進行評價，其計算公式為：

式中：T1、T2為黏度試驗的溫度值，℃；η1、η2為T1、T2對應的黏度值，Pa·s。

計算結果如圖3所示。

圖3 不同改性劑摻量下瀝青感溫性變化圖Fig.3 Variation of asphalt temperature sensitivity under different modifier content

可以看出，當LSBR摻量<2.0%時，基質瀝青的VTS值增加了69.3%、51.7%與22.4%，其溫度敏感性提升，LSBR摻量超過2.0%時，感溫性能明顯優(yōu)于基質瀝青，表現(xiàn)出良好的溫度敏感性。這主要是由于，瀝青和LSBR之間的交聯(lián)過程中，瀝青中的芳烴被吸收，形成空間網絡結構[17]。當PPA含量<0.9%時，基質瀝青的VTS值增加了7.3%與1.8%，增幅較小；摻量>0.9%時，VTS值隨PPA摻量的增加逐漸減小，感溫性能顯著優(yōu)于基質瀝青，溫度敏感性得到明顯改善。

2.3 改性瀝青四組分

瀝青作為化學連續(xù)體系，其分子的極性、摩爾質量和碳氫比等，隨其瀝青質(As)、膠質(R)、芳香分(Ar)、飽和分(S)遞變[18]。瀝青質作為瀝青組分中的核心，對瀝青黏度以及其它性質起著決定性作用。膠質以膠束的形式吸附于瀝青質周圍，并含有較多的芳香類物質，這使得其具有良好的粘附性與塑性，并能夠改善瀝青的延展性與脆裂性。瀝青膠體結構主要受到飽和分與芳香的影響，并控制著低溫延度、流變性能以及粘附性。因此，通過分析瀝青組分變化，可有效解釋其性能變化的原因。本文采用SARA分析方法，按照JTG E20-2011標準進行試驗，SK 90#、LSBR改性瀝青以及PPA/LSBR改性瀝青四組分結果如圖4所示。

圖4 不同瀝青四組分變化圖Fig.4 Variation diagram of four components of different asphalt

3 改性瀝青混合料路用性能研究

為探究改性瀝青對混合料路用性能的影響，從高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性出發(fā)，研究SK 90#、2.0%LSBR改性瀝青、PPA/LSBR復合改性瀝青以及SBS改性瀝青性能變化。

3.1 高溫性能

對不同瀝青混合料進行車轍試驗，其試驗結果如圖5所示。

圖5 瀝青混合料車轍深度與動穩(wěn)定度Fig.5 Rutting depth and dynamic stability of asphalt mixture

不同瀝青種類的瀝青混合料車轍深度，隨著時間的增加逐漸增大。隨著LSBR的加入，基質瀝青動穩(wěn)定度明顯降低，表明LSBR的加入不利于瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，這主要是由于LSBR加速了瀝青分子的運動，減少了粘彈性網絡結構[19]。加入0.9%的PPA后，動穩(wěn)定度增加了77.2%，與SBS改性瀝青接近，顯著改善了LSBR改性瀝青的高溫穩(wěn)定性，這是因為摻入PPA增加了瀝青中的數均分子量、重均分子量以及分散系數，從而使瀝青抵抗剪切變形能力變強，高溫性能逐漸增強[20]。

3.2 低溫性能

根據JTG D50-2006進行混合料低溫彎曲試驗，實驗結果如圖6所示。

圖6 不同混合料低溫彎曲試驗結果Fig.6 Low temperature bending test results of different mixtures

瀝青混合料的低溫性能與極限破壞應變正相關，其數值越高，低溫性能越好；而與勁度模量呈現(xiàn)負相關。與SK 90#瀝青相比，LSBR改性瀝青、PPA/LSBR改性瀝青以及SBS改性極限破壞應變分別增加了96.40%、84.41與80.88%，勁度模量減少了48.56%、43.02%與40.21%。可以看出，LSBR改性瀝青的低溫性能最好，這主要是由于LSBR與SBR兩者在結構上具有相似性，屬于低分子量改性劑，在可塑性變形工程中發(fā)生在裂紋尖端附近的能量耗散和能量耗散，對瀝青的低溫抗裂性能有明顯的改善效果[21-22]。雖然PPA的加入使得LSBR改性瀝青混合料低溫性能下降，但較SBS改性瀝青混合料低溫性能仍存在明顯優(yōu)勢。

3.3 水穩(wěn)定性

根據JTG E20-2011對混合料進行浸水馬歇爾與凍融循環(huán)試驗，其結果如圖7、8所示。

圖7 瀝青混合料浸水馬歇爾試驗結果Fig.7 Immersion Marshall test results of asphalt mixture

圖8 瀝青混合料劈裂強度與凍融劈裂試驗強度比Fig.8 Splitting strength of asphalt mixture and strength ratio of freeze-thaw splitting test

由上圖可以看出，隨著浸水時間的推移以及凍融之后，瀝青混合料的水穩(wěn)定性呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，表明長時間浸水與凍融是影響瀝青混合料水穩(wěn)定性的重要因素。改性后的基質瀝青水穩(wěn)定性顯著提高，但變化趨勢并不相同，具體表現(xiàn)為：浸水馬歇爾試驗中，隨著LSBR與PPA的加入，其水穩(wěn)定性逐漸改善；凍融循環(huán)實驗中，加入LSBR與PPA后，水穩(wěn)定性雖得到改善，但隨著PPA的加入，LSBR改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性有所降低，但仍高于SBS改性瀝青混合料，表現(xiàn)出良好的抗水損害性。

4 結論

(1)通過基本性能與布氏黏度試驗結果可以發(fā)現(xiàn)，加入PPA顯著消除了由于LSBR摻入帶來的高溫性能的負面影響，且隨著PPA含量增加，PPA/LSBR復合改性瀝青的高溫性能逐漸加強，感溫性能得到提升，表現(xiàn)出良好的溫度穩(wěn)定性。

(2)通過瀝青四組分試驗發(fā)現(xiàn)，LSBR與PPA通過溶脹作用與質子化反應，與基質瀝青中的重質組分和輕質組分相互作用，提升了重質組分相對含量，從而實現(xiàn)對基質瀝青的改性效果。

(3)通過車轍試驗與小梁彎曲試驗發(fā)現(xiàn)，PPA的加入使得LSBR改性瀝青混合料的極限破壞應變與勁度模量降低了3.53%與2.81%，但其高溫性能較LSBR改性瀝青提高了77.2%，復合改性的PPA/LSBR瀝青混合料表現(xiàn)出良好的高低溫性能。

(4)通過對比浸水馬歇爾試驗與凍融循環(huán)試驗結果發(fā)現(xiàn)，PPA雖提高了LSBR改性瀝青混合料殘留穩(wěn)定度增加，但凍融劈裂比降低，表明PPA對抗水損害性能具有一定的限制作用，但較SBS改性瀝青混合料，仍具有良好的水穩(wěn)定性。