多聚磷酸及橡膠粉復合改性瀝青最佳摻量確定研究

摘要 文章通過分析多聚磷酸的特性，研究橡膠粉與多聚磷酸對石油瀝青復合改性。結果表明，隨著橡膠粉摻量、橡膠粉目數及PPA（多聚磷酸）摻量的不斷增加，針入度在不斷減小；隨著橡膠粉摻量、橡膠粉目數及PPA摻量的不斷增加，瀝青軟化點也在提高；隨著橡膠粉摻量的增大，改性瀝青延度逐漸越大；隨著橡膠粉目數及多聚磷酸摻量增加，瀝青延度越低。隨著橡膠粉摻量和PPA摻量增加，黏度增大；隨著橡膠粉目數增加，瀝青黏度有所下降但變化不大。

關鍵詞 多聚磷酸；復合改性瀝青；橡膠粉；正交試驗；最佳摻量

中圖分類號 U414 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）07-0180-03

0 引言

自21世紀以來，中國的交通量增長迅速，行車荷載逐年增加，這對道路的技術要求與使用壽命都提出了更高的要求。近些年來通過技術手段提高瀝青性能的研究越來越多[1-5]，該文通過試驗研究與理論分析的方式，采用PPA（多聚磷酸）與橡膠粉作為改性劑對瀝青進行復合改性并對多聚磷酸與橡膠粉復合改性瀝青及瀝青混合料進行了研究。

1 原材料

1.1 基質瀝青

瀝青是瀝青混合料中較重要的一種材料，要求各指標滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）中各指標的要求。瀝青是一種黑褐色的高聚物，在自然狀態下以固態或半固體狀態存在。主要由碳氫化合物組成，高溫下為液態，是一種黏彈塑性物質。由于我國地域寬廣，各地的氣候變化比較大，根據我國氣候的分布情況進行了氣候分區，不同氣候分區對瀝青性能要求不同，各地可以根據當地的氣候分區有針對性地選擇瀝青。瀝青選擇時，南方地區一般選用70#基質瀝青，北方地區上、中面層一般選用SBS改性瀝青。該研究選用的瀝青為70#瀝青，其技術指標如表1所示，經過分析各指標均滿足工程的需要。

1.2 橡膠粉

橡膠粉高溫下黏度較大，可以用于改善瀝青的高低溫性能。該研究選用的膠粉粒徑分別為30目、40目、50目，其技術指標如表2所示。

1.3 多聚磷酸

多聚磷酸（PPA）在常溫下為液體，呈無色透明黏稠狀，是一種帶一定腐蝕性的無機酸，可以改善瀝青的高溫性能。該研究使用的多聚磷酸基本組成成分如表3所示。

1.4 粗集料

粗集料應質地堅硬、均勻潔凈、無雜質。研究中使用的粗集料為3～5 mm、5～10 mm、10～15 mm石灰巖碎石，其技術指標如表4所示。

1.5 細集料

瀝青混合料的細集料僅起到填充作用，應選用潔凈、堅固性好，有一定級配要求的石灰巖機制砂作為細集料，其技術要求如表5所示。

1.6 填料

瀝青混合料中的填料為挑選的石灰巖磨細而成，其技術指標如表6所示。

2 實驗方案

試樣的制備方法：將基質瀝青加熱至180 ℃，加入多聚磷酸并稍加攪拌，然后加入膠粉，在195 ℃下保溫10 min后使用剪切機進行剪切，設置剪切轉速為 1 500轉/min，時間為1 h，最后將剪切完畢的改性瀝青冷卻至室溫即可制得PPA/橡膠粉復合改性瀝青。

該次研究采用正交試驗，選取橡膠粉摻量分別為15%、18%、21%，橡膠粉目數為30目、40目、50目，多聚磷酸摻量為1%、1.5%、2%。正交試驗各因素和水平如表7所示。實驗中通過改性瀝青的針入度、軟化點、延度及黏度確定橡膠與多聚磷酸復合改性瀝青的最佳摻量。

3 不同摻量改性瀝青性能分析及最佳摻量確定

3.1 結果與討論

室內采用三因素三水平正交試驗，實驗結果如圖1～圖4所示。

（1）針入度試驗結果分析。由圖1可知，隨著橡膠粉摻量的不斷增加，針入度在不斷減小，但是摻量由18%增加到21%針入度變化不大；隨著橡膠粉目數增加，針入度不斷降低；而隨著PPA摻量的增加，針入度不斷降低。

（2）軟化點試驗分析。由圖2可知，橡膠粉摻量對于軟化點影響比較大，隨著摻量的增加，瀝青軟化點也在提高，但是摻量18%增加到21%軟化點增長趨勢變緩；而隨著橡膠粉目數增加，軟化點也逐漸升高，由40目增加為50目，軟化點升高較快；PPA摻量越大，軟化點越高。

（3）延度試驗分析。由圖3可知，隨著橡膠粉摻量的增大，改性瀝青延度逐漸越大；隨著橡膠粉目數增加，瀝青延度越低。隨著多聚磷酸摻量增大，延度逐漸減小，但由1.5%的摻量增加到2%，延度減小趨勢變緩。

（4）黏度試驗分析。由圖4可知，隨著橡膠粉摻量增加，黏度增大，摻量由18%增加到21%，黏度增長明顯加快；隨著橡膠粉目數增加，瀝青黏度有所下降但變化不大；隨著PPA摻量增加，瀝青黏度增加比較快。

3.2 最佳摻量確定

由以上數據與分析可知，隨著膠粉摻量的增加，瀝青的軟化點、黏度、延度、彈性恢復率升高，針入度降低。從軟化點數據分析可知，膠粉摻量由15%升至18%時，軟化點增長迅速，說明橡膠粉摻量并未達到飽和；而摻量由18%升至21%時，各性能指標也并未出現極值，且摻量為21%的改性瀝青綜合性能優于摻量為18%的改性瀝青，故膠粉最佳摻量選用21%。

隨著膠粉變細，瀝青的針入度、延度、黏度降低，軟化點上升。60目橡膠過細，其制得的瀝青雖然軟化點較高，但延度與彈性恢復率都明顯低于30目與40目；30目與40目橡膠粉細度相近，制得的改性瀝青性能也相近，但40目的彈性恢復率較好，軟化點也稍高于30目，故膠粉的最佳細度選用40目。

隨著PPA摻量的增加，瀝青的黏度、軟化點上升，針入度與延度降低，彈性恢復率變化不大。摻量在由0.5%升至1%時，各性能指標變化幅度很大，而在1%升至1.5%時變化速率放緩，1%摻量與1.5%摻量性能接近，故1.5%不是最佳摻量。而1%摻量的改性瀝青雖然延度較差，但與0.5%摻量的改性瀝青對比針入度大幅下降，軟化點與黏度明顯上升，綜合性能1%摻量優于0.5%，故PPA的最佳摻量選用1%。

4 多聚磷酸及橡膠粉復合改性瀝青混合料性能分析

橡膠粉粒徑采用40目，摻量為21%，多聚磷酸摻量為1%進行瀝青改性，并進行瀝青混合料性能分析。

4.1 高溫性能分析

瀝青混合料的高溫穩定性是指在較高溫度下，經過長時間車輛荷載反復作用，瀝青路面不會產生車轍、推移和擁包等永久變形的特性，高溫性能采用車轍試驗進行分析，試驗結果如表8所示。

4.2 低溫彎曲試驗

瀝青路面在低溫下也應具有抗裂性，即瀝青混合料應具有較好的低溫變形能力和較大的抗彎拉應變能力，采用低溫彎曲試驗進行分析，如表9所示。

4.3 水穩定性分析

瀝青混合料的水穩定性可根據它在浸水條件下物理力學性能降低的程度來表示，以浸水馬歇爾試驗作為瀝青混合料水穩定性的評價方法，以殘留穩定度（MS0）作為評價指標，如表10所示。

4.4 結果分析

由表8～10可知，多聚磷酸與橡膠粉復合改性瀝青混合料動穩定度都達到了4 000次/mm以上，說明其高溫性能較好；多聚磷酸與橡膠粉復合改性瀝青混合料最大彎拉應變都大于2 800，說明其低溫性能較好；通過浸水馬歇爾實驗可以得出殘留穩定度比為85.48，其水穩定性也較好。

5 結論

該文通過正交試驗，找到了在瀝青中加入PPA與橡膠粉各種性能的變化，通過規律尋找到了PPA與橡膠粉的最佳摻量以及橡膠粉的最佳細度，結論如下：

（1）由圖1可知，隨著橡膠粉摻量的不斷增加，針入度在不斷減小，但是摻量由18%增加到21%針入度變化不大；隨著橡膠粉目數增加，針入度不斷降低；而隨著PPA摻量的增加，針入度不斷降低。

（2）由圖2可知，橡膠粉摻量對于軟化點影響比較大，隨著摻量的增加，瀝青軟化點也在提高，但是摻量18%增加到21%軟化點增長趨勢變緩；而隨著橡膠粉目數增加，軟化點也逐漸升高，由40目增加為50目，軟化點升高較快；PPA摻量越大，軟化點越高。

（3）由圖3可知，隨著橡膠粉摻量的增大，改性瀝青延度逐漸越大；隨著橡膠粉目數增加，瀝青延度越低。隨著多聚磷酸摻量增大，延度逐漸減小，但由1.5%的摻量增加到2%，延度減小趨勢變緩。

（4）由圖4可知，隨著橡膠粉摻量增加，黏度增大，摻量由18%增加到21%，黏度增長明顯加快；隨著橡膠粉目數增加，瀝青黏度有所下降但變化不大；隨著PPA摻量增加，瀝青黏度增加比較快。

參考文獻

[1]江鎮海. 廢輪胎熱解產物的綜合利用[J]. 中國資源綜合利用， 2010（3）： 30-31.

[2]董雨明， 譚憶秋， 柳浩， 等. 廢輪胎橡膠粉改性瀝青混合料的性能研究進展[J]. 合成橡膠工業， 2010（2）： 159-163.

[3]常友功. 穩定型橡膠改性瀝青及瀝青混合料路用性能的研究[D]. 濟南：山東建筑大學， 2012.

[4]夏瑋. 廢膠粉改性瀝青及瀝青混合料路用性能研究[D]. 重慶：重慶交通大學， 2009.

[5]許實. 多聚磷酸/膠粉復合改性瀝青的制備與性能研究[D]. 武漢：武漢理工大學， 2018.