公路多聚磷酸復合改性瀝青應用分析

＊王曉波

（東莞東交瀝青有限公司 廣東 523982）

引言

瀝青路面在我國公路中得到了普遍應用，然而，傳統的瀝青路面容易受到環境的影響，導致路面發生軟化、龜裂等問題，因此，國內許多公路采用了SBS改性瀝青以應對相關狀況。但是，SBS改性瀝青具有成本高、工藝復雜、與基質瀝青之間的交融性差等問題。多聚磷酸是目前大量應用于瀝青的改性材料，通過發生化學反應，與SBS等高聚合物對瀝青進行復合改性，能夠有效解決以上問題。

1.多聚磷酸復合改性瀝青的制備

(1)材料選擇

在基質瀝青的選擇過程中，對典型的路面工程用料進行分析，發現90號基質瀝青能夠更好地與多聚磷酸相適應。為此，依照路面施工技術標準中規定的材料技術指標，選擇90號瀝青作為基質瀝青。在SBS改性瀝青方面，本文選用的SBS顆粒為江蘇省某企業生產的線性顆粒。其中，灰分的含量為0.3%，嵌段比為35/75，拉伸的強度為16MPa。材料在扯斷后，其伸長率為800%，永久變形35%。同時，本文亦加入了SBR改性劑作為對比材料。在多聚磷酸改性劑的選擇方面，此材料能夠按照磷酸的不同含量分為食品級多聚磷酸與工業級多聚磷酸。其中，磷酸含量處于100%到120%之間的多聚磷酸，能夠使瀝青路面的改性獲得最佳的效果，且成本相對較低。所以，本文選用四川省某企業生產的110%多聚磷酸開展后續的實驗[1]。

(2)制備流程

多聚磷酸復合改性瀝青的制備流程主要如下文所述：首先，實驗人員對基質瀝青采取預熱操作，當溫度達到165℃左右時，對其進行均勻攪拌。攪拌15min后瀝青脫水，此時，將SBS瀝青改性劑、助劑等添加到基質中。將剪切機設定為4000r/min，對材料進行剪切。剪切1/2h后，加入磷酸含量為110%的多聚磷酸，并將剪切機設定為5000r/min，繼續剪切1/2h。最后，準備烘箱，將溫度控制在穩定的180℃，在其中放入瀝青。放置2h后，即可獲得基于SBS的多聚磷酸復合改性瀝青。

(3)多聚磷酸的摻量與油石比的確定

對相關學者的研究結果進行分析，可以看出多聚磷酸的產量處于1%左右，既能夠保證改性瀝青在實際路面的可用性，又節省經濟成本。就大多數路面工程而言，SBS添加劑在改性瀝青中添加的比例為5%左右，因此，本文考慮到大多數工程的實際情況與實際的成本情況，確定SBS改性劑的產量保持在3%。為了分析多聚磷酸產量對改性瀝青使用效果的影響，分別選用0%到2%之間五種摻和比的多聚磷酸復合改性瀝青開展實驗，以確定多聚磷酸的最佳摻量，結果如表1所示。

表1 不同摻量的多聚磷酸對瀝青使用效果的影響

通過對表1中的數據進行觀測，可以看出，隨著多聚磷酸摻量的增加，多聚磷酸復合改性瀝青的針入度方面與5℃瀝青延度方面的數據均處于降低狀態，而軟化溫度處于明顯的上升狀態，因此，多聚磷酸摻量的增加會使得瀝青的脆性提高，且低溫的性能降低，高溫的性能提高。同時，多聚磷酸摻量的增加會導致低溫性能降低的幅度逐漸增大。當多聚磷酸復合改性瀝青老化后，隨著多聚磷酸摻量的增加，其在針入度方面、5℃瀝青延度方面、軟化溫度方面的數據均縮小了與老化前數據之間的差距，表明多聚磷酸的加入能夠減少瀝青的老化程度，多聚磷酸加入得越多，該方面的性能則越強。因此，對以上要素進行系統性分析，本文認為多聚磷酸的摻量應在0.5%到1%的范圍內。

在油石比的確定方面，本文采用馬歇爾實驗的方式進行研究，首先，確定多聚磷酸的摻量為1%。其次，選擇3.0%到6.0%之間多種油石比對瀝青混合料進行攪拌，并依照實驗中的硬性規定，對混合料進行正面與反面各75次擊實操作，確定4.4%為瀝青混合料中的最優油石比。

2.多聚磷酸復合改性瀝青性能試驗

(1)黏度實驗

本文使用了在真空條件下的毛細管方法，對60℃條件下的基質瀝青、1%多聚磷酸改性瀝青、3% SBR改性瀝青、SBS與多聚磷酸的復合改性瀝青、3% SBR改性瀝青、SBR與多聚磷酸的復合改性瀝青進行動力黏度的實驗，并對實驗的結果進行記錄。經過結果分析，可以發現在60℃的環境中，1%多聚磷酸改性瀝青的黏度為基質瀝青的3.3倍，SBS或SBR與多聚磷酸的復合改性瀝青與3% SBS或3% SBR的改性瀝青在黏性方面有著明顯的提升，可以表明多聚磷酸能夠起到提升黏度的作用，并在高溫條件下，使瀝青的性能有所改善。同時，3% SBR改性瀝青與3% SBS改性瀝青在黏度方面相差不大，表明SBR在高溫條件下沒有對瀝青的性能起到改善作用[2]。

(2)重復蠕變實驗

本文選用了動態剪切流變儀作為重復蠕變實驗的器材，實驗人員在60℃的實驗環境中，對儀器加載1s，之后卸載9s，并將該操作重復100次。實驗中的應力為3000Pa左右，工作人員要在實驗中對變形率、恢復率等數據進行記錄。對試驗數據進行分析，可以看出，1%多聚磷酸改性瀝青與基質瀝青相比，變形率有大幅度減小。同時，基質瀝青的恢復率為10.1%，而1%多聚磷酸改性瀝青的恢復率僅為0.69%，可以看出，多聚磷酸改性瀝青具有較高的變形與恢復水平。同時，3% SBR改性瀝青、SBR與多聚磷酸的復合改性瀝青與其他瀝青進行對比，發現這兩種瀝青的變形速度與恢復速度更快，并且，在加載后的瞬時時間內，3% SBR改性瀝青的變形率基本為SBS與多聚磷酸的復合改性瀝青的1.8到2倍。然而，到了8s左右，它們的變形率達到了相同的狀態。之后，3% SBR改性瀝青繼續恢復，而SBR與多聚磷酸的復合改性瀝青的恢復速度逐漸減小。經過整體的加載與卸載的過程，3% SBR改性瀝青的恢復率為79.1%，SBR與多聚磷酸的復合改性瀝青的回復率為45.72%。因此，在高溫環境中，多聚磷酸提升瀝青的抗變形水平，主要作用在黏度的提升方面；而SBS在抗變形方面的主要作用為彈性的增強。最后，將3% SBR改性瀝青與SBR與多聚磷酸的復合改性瀝青進行對比，發現在60℃的條件下，SBR沒有對瀝青起到明顯的改性作用。

3.多聚磷酸復合改性瀝青的應用效果研究。

(1)多聚磷酸復合改性瀝青的耐低溫性

本文通過半圓彎拉的方式進行相關實驗，對多聚磷酸復合改性瀝青在低溫環境中抗拉扯的能力進行分析。具體來說，首先，裝置中的試件呈半圓形，在左下方、右下方、頂部分別設置圓棒，對實際路面的牽拉狀況進行模擬，如圖1所示。在實驗中，P為頂點、h為半圓裝置試件的半徑、S為左下方圓棒與右下方圓棒圓心之間的距離，且半圓試件的厚度為0.25mm，S=0.8×2h。

圖1 半圓彎拉實驗裝置的構成

在實驗的過程中，使用疲勞實驗裝置對試件進行測試。在實驗之前，分別降低試件本身的溫度至0℃與-10℃，保持3h。之后，加載疲勞試驗裝置，速率為5cm/min，直到半圓形裝置試件被破壞。最后，實驗人員要對試件破壞時所承受的荷載力、斷裂能的密度、拉扯的力度等進行記錄。對表格進行分析，如果在基質瀝青中加入了1%比例的多聚磷酸，試件破壞的荷載力、拉扯力度、斷裂能的密度等數值均有所減少，0℃斷裂能的密度降低了44%，-10℃斷裂能的密度降低了45%。如果在SBS改性瀝青中加入了0.75%比例的多聚磷酸，則以上三種數值均得到了提升，0℃斷裂能的密度升高了7%，-10℃斷裂能的密度升高了6%。如果在SBR改性瀝青中加入了0.75%比例的多聚磷酸，以上數據也能夠得到明顯的提高，0℃斷裂能的密度升高了19%，-10℃斷裂能的密度升高了93%。由此可知，SBR多聚磷酸復合改性瀝青能夠有效提升在低溫環境中的抗拉扯能力[4]。

(2)多聚磷酸復合改性瀝青的耐高溫性

對于瀝青材料本身而言，其具有一定程度的分散性。如果環境溫度較高，瀝青則更偏向為黏性程度較低的膠結材料與具有一定強度的骨料組成的混合物質。本文對在高溫條件下，多聚磷酸復合改性瀝青的抗剪切性能展開研究。在本試驗中，基于瀝青的黏性與彈性方面的特性，選用了貫入式的剪切方式進行研究，從而能夠更好地對瀝青的實際受力情況進行分析。按照瀝青與瀝青混合料的實驗標準，本文采用通過擊實操作的馬歇爾試驗件，在實驗之前，將試驗件置于60℃的高溫環境下，并保持該狀態3h。在實驗的過程中，對試驗件進行加載操作，速率保持在5cm/min。同時，實驗人員要及時記錄荷載力的最大值以及相應的位移情況。結果的評價以應力的強度進行表示[5]。

對試驗結果進行分析，在瀝青加入多聚磷酸后，無論是基質瀝青、SBS改性瀝青、還是SBR改性瀝青在應力的強度方面均有所提升，提升的程度分別為37%、83%、32%，因此，可以看出，多聚磷酸可以有效提升瀝青在高溫環境中的穩定程度。結合之前的黏度實驗與重復蠕變實驗，發現SBS改性劑能夠明顯提升瀝青在彈性狀態下的變形能力與恢復能力，多聚磷酸與SBR能夠提升瀝青的黏性，沒有在彈性方面起到顯著的作用。因此，在高溫條件下，SBS高聚磷酸復合改性瀝青能夠有效提升瀝青的耐高溫性。

(3)多聚磷酸復合改性瀝青的抗疲勞性能

本文通過開展小梁疲勞實驗的方式，對SBS多聚磷酸復合改性瀝青的抗疲勞應用效果進行分析。在本實驗中，首先進行三點加載，其次基于標準的實驗流程，通過車輪碾壓的方式形成車轍試件，并將試件分割為4cm×4cm×25cm的規格。最后，對試驗進行回歸分析，如式（1）所示。

其中，N1指的是試件受到損壞時，荷載力形成的次數；σ/σ0指的是水平與最初的應力的比值；k，n分別為實驗中的參數，并通過k評估抗疲勞性能，隨著k的增大，瀝青能夠具有更加優秀的抗疲勞性能；n為瀝青對應力的敏感程度，隨著n的增加，便代表著瀝青敏感程度的增加。

對結果進行分析，當瀝青中加入多聚磷酸之后，無論是基質瀝青，還是加入了SBS或SBR的改性瀝青，其k值增加，n值減小，因此，多聚磷酸能夠有效地提升瀝青的抗疲勞水平。同時，SBS多聚磷酸復合改性瀝青的抗疲勞水平處于三者中首位。結合黏度實驗，可以認為多聚磷酸能夠提升瀝青的穩定性能，加上其提升黏度的作用，使得瀝青能夠具有較高的抗疲勞水平。

4.結論

總而言之，本文通過多種實驗，對多聚磷酸復合改性瀝青在公路中的應用效果進行了分析。多聚磷酸復合改性瀝青的各項基本數值均得到了優化，且提升了貯存性能；多聚磷酸通過提升黏度的方式優化瀝青的變形與恢復的水平；加入多聚磷酸后，瀝青的抗低溫性能與抗高溫性能均有所增加；通過加入多聚磷酸，還能夠改善瀝青的水穩定性，提升瀝青的抗疲勞能力。