侯曉晶

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 西安　710600)

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PPA對聚合物改性瀝青及其混合料技術(shù)性能的影響

侯曉晶

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 西安710600)

[摘要]研究了PPA對聚合物改性瀝青(SBR、SBS)儲存穩(wěn)定性的影響，并基于車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、APA疲勞試驗(yàn)研究了PPA對聚合物改性瀝青混合料綜合路用性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，在不影響聚合物改性瀝青混合料低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和疲勞性能的同時(shí)，加入0.75%～1%PPA可以提升聚合物改性瀝青的高溫穩(wěn)定性，減少SBS改性劑的摻量，PPA對聚合物改性瀝青混合料的疲勞性能有較大的改善作用。

[關(guān)鍵詞]多聚磷酸； 復(fù)合改性瀝青混合料； 儲存穩(wěn)定性； 路用性能

0前言

對于目前聚合物改性瀝青存在的種種問題，各國的研究人員都在尋求更好的改性劑，研究人員希望化學(xué)改性劑能與瀝青之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而不是簡單的物理共混，這樣瀝青與改性劑之間能形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵、化學(xué)集團(tuán)聯(lián)接，改變?yōu)r青膠體結(jié)構(gòu)，從而可以全面提升瀝青的化學(xué)穩(wěn)定性和抗老化性能。化學(xué)改性瀝青能夠彌補(bǔ)聚合物改性瀝青熱儲存穩(wěn)定性方面的不足，近幾年來，國內(nèi)外對化學(xué)改性瀝青已展開了大量的研究并取得了一些成果。其中，采用多聚磷酸改性瀝青的改性方法已初見成效[1-3]。Darrell Fee(2010)等人研究表明采用合適的改性工藝對PPA以及聚合物進(jìn)行復(fù)合改性，所制得的改性瀝青性能良好，其性能指標(biāo)可滿足甚至超過單一聚合物改性瀝青，其中磷酸的摻量對瀝青性能影響較大[5-8]。付立強(qiáng)等人通過對多聚磷酸改性瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)、彎曲破壞試驗(yàn)和水穩(wěn)定性試驗(yàn)，結(jié)果表明加入多聚磷酸能改善混合料的高溫和低溫性能,但對混合料的水穩(wěn)定性改善效果不佳[9]。毛三鵬、熊良銓(2010)分析了減少SBS摻量、改變基質(zhì)瀝青種類和降低多聚磷酸用量這幾種改性方法對克拉瑪依瀝青技術(shù)性能的影響，結(jié)果表明：采用多聚磷酸部分替代SBS的改性方法能夠達(dá)到正常摻量SBS改性瀝青的高溫性能，建議多聚磷酸摻量為1%為宜[10]。曹衛(wèi)東(2010)通過對多聚磷酸改性瀝青分別進(jìn)行針入度試驗(yàn)、軟化點(diǎn)試驗(yàn)、彎曲梁蠕變試驗(yàn)、粘度試驗(yàn)及四組分試驗(yàn)，研究分析了多聚磷酸對瀝青技術(shù)性能的影響及改性機(jī)理[11]。王云普(2007)進(jìn)行了多聚磷酸與SBR復(fù)配改性國產(chǎn)90號瀝青的研究，研究了多聚磷酸復(fù)配丁苯橡膠(SBR)改性瀝青的復(fù)配條件及復(fù)配改性工藝[12]。目前，國內(nèi)外已展開了關(guān)于多聚磷酸改性瀝青及其混合料技術(shù)性能的研究，研究內(nèi)容也從宏觀性質(zhì)層面轉(zhuǎn)向微觀結(jié)構(gòu)層面，但相關(guān)研究工作比較分散，且缺乏深入系統(tǒng)的研究成果。主要表現(xiàn)為，對多聚磷酸改性瀝青及多聚磷酸復(fù)配聚合物改性瀝青混合料的路用性能研究甚少且不夠全面，尤其對PPA與SBR復(fù)合改性瀝青混合料路用性能鮮有研究且PPA與以上這些關(guān)鍵問題嚴(yán)重制約了多聚磷酸改性劑在我國的推廣使用。

1主要原材料性能檢測

1.1瀝青

選用SK90基質(zhì)瀝青，按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對瀝青進(jìn)行試驗(yàn)檢測，結(jié)果如表1所示。

表1 SK90#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)及要求Table1 SK90#asphaltspecificationsandrequirements指標(biāo)技術(shù)要求試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)方法針入度(25℃,100g,5s)/0.1mm80～10085.3T0604延度(5cm/min,10℃)/cm≥20>100T0605軟化點(diǎn)(環(huán)球法)/℃≥4548.2T060660℃動(dòng)力粘度/(Pa·s)≥160165.3T0620

1.2集料

粗集料選用石灰?guī)r，細(xì)集料選用機(jī)制砂，經(jīng)檢測集料各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求[13]。

1.3PPA

多聚磷酸是一種無色透明黏稠狀液體，能與水混溶解為正磷酸，根據(jù)磷酸所占的百分?jǐn)?shù)，PPA可分成不同等級，H3PO4含量為 105%、110%、115%的 PPA多用于生產(chǎn)改性瀝青。在本文研究中，選用工業(yè)級的 110%PPA作為試驗(yàn)原材料，其P2O5濃度為 84.2%。

2PPA對聚合物改性瀝青老化性能的影響

2.1PPA與聚合物復(fù)合改性瀝青制備

室內(nèi)研究表明，PPA的摻加順序不同，復(fù)合改性瀝青的儲存穩(wěn)定性不同，而且差別很大，本文采用以下試驗(yàn)步驟制備復(fù)合改性瀝青：

① 加熱基質(zhì)瀝青至165 ℃，加入聚合物改性劑(SBS、SBR)； ②160～170 ℃溶脹10 min； ③5500 r/min剪切30 min； ④加入預(yù)定質(zhì)量的PPA(瀝青質(zhì)量的百分比)； ⑤5 500 r/min剪切30 min； ⑥放入170 ℃烘箱中發(fā)育4 h。為了使研究內(nèi)容具有對比性，聚合改性瀝青的制備也采用上述生產(chǎn)工藝。

2.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

本文采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(T0610—2011)瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)(RTFOT)對摻加PPA前后的聚合物改性瀝青進(jìn)行了研究。將試樣分別注入以稱量質(zhì)量的盛樣瓶中，其質(zhì)量為35 g，將盛樣瓶放入烘箱環(huán)形架的瓶位，開啟已經(jīng)預(yù)熱好的旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱，使試樣在163 ℃溫度下受熱不少于75 min。以試樣薄膜加熱后的延度保留率、殘留針入度比(KP)、軟化點(diǎn)增值來評價(jià)聚合物改性瀝青老化性能。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 RTFOT試驗(yàn)結(jié)果Table2 RTFOTtestresultsPPA摻量/%4.5%SBS改性瀝青混合料+PPA(之前)延度保留率/%殘留針入度比/%軟化點(diǎn)增值/℃027.464.2-10.20.539.278.37.60.7552.188.75.21.059.292.13.44.5%SBS改性瀝青混合料+PPA(之后)延度保留率/%殘留針入度比/%軟化點(diǎn)增值/℃29.762.1-9.343.574.94.557.485.33.167.389.22.0

由老化試驗(yàn)結(jié)果可知：對于基質(zhì)瀝青，0.75%PPA摻量可使延度保留率、殘留針入度比、軟化點(diǎn)增值由不摻加時(shí)的19%、61.4%、8.4%分別變化到42.9%、89.9%、4.3%，延度保留率和殘留針入度比的增大及軟化點(diǎn)差的減小均表明加入PPA的加入顯著地提高了基質(zhì)瀝青的抗老化性能；對比摻加PPA后聚合物改性瀝青老化前后軟化點(diǎn)差、延度保留率、殘留針入度比可發(fā)現(xiàn)，隨著多聚磷酸摻量的增加，改性瀝青老化前后軟化點(diǎn)差逐漸降低，同時(shí)延度保留率和殘留針入度比增大，說明多聚磷酸可改善瀝青的抗老化性能；隨著PPA摻量的增加其對基質(zhì)瀝青及聚合物改性瀝青抗老化性能的改善作用越明顯。

3PPA對聚合物改性瀝青混合料路用性能的影響

3.1PPA對聚合物改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響

通常采用車轍試驗(yàn)評價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，車轍試驗(yàn)是瀝青混合料試件在60℃、0.7MPa荷載作用下，測定試驗(yàn)輪往返行走所形成車轍變形的速率，以每產(chǎn)生1mm變形的行走次數(shù)即動(dòng)穩(wěn)定度來表示[14，15]。采用AC-13C中值級配進(jìn)行試驗(yàn)研究。不同復(fù)合改性方案下車轍試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 車轍試驗(yàn)結(jié)果Table3 Ruttingtestresults復(fù)合改性方案60min(mm)DS/(次·mm-1)基質(zhì)瀝青混合料3.73213760.75%PPA3.27526011.0%PPA3.06628980.75%PPA+3%SBS2.55539100.75%PPA+3.5%SBS2.40744681.0%PPA+3.0%SBS2.37548671.0%PPA+3.5%SBS2.27354410.75%PPA+4%SBR3.14529010.75%PPA+4.5%SBR3.1329151.0%PPA+4.0%SBR3.02831261.0%PPA+4.5%SBR2.94733104.5%SBS2.1135224

車轍試驗(yàn)結(jié)果表明： 不摻加PPA，基質(zhì)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度只有1376次/mm，0.75%PPA摻加可以使其增大到2601次/mm，增加了96.9%，而且隨著PPA摻量的增加，PPA改性瀝青混合料車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度還會有所增大，可見PPA的摻加可以提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性；對于SBS改性瀝青混合料，1.0%PPA+3.0%SBS改性瀝青混合料的車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度已經(jīng)與4.5%SBS改性瀝青混合料相當(dāng)，而1.0%PPA+3.5%SBS改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度甚至已經(jīng)超過了4.5%SBS改性瀝青混合料, 由此說明，PPA的摻加可以降低SBS改性劑的摻量，同時(shí)提高改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，用少量的PPA代替部分昂貴的聚合物改性劑，提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性是可行的。對于SBR改性瀝青混合料，由于SBR改性劑對瀝青混合料的高溫性能提升并不顯著，PPA對于SBR改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的改善作用主要取決于PPA改性劑。

3.2PPA對聚合物改性瀝青混合料低溫抗裂性能的影響

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中的要求成型車轍板，切割為30mm×35mm×250mm的梁型試件，試驗(yàn)前將試件放在恒溫環(huán)境箱中在-10 ℃下保溫不少于4 h，試驗(yàn)時(shí)采用單點(diǎn)加載方式，支點(diǎn)間距200 mm，加載速率為50 mm/min，記錄破壞荷載和破壞應(yīng)變，以破壞應(yīng)變指標(biāo)來評價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明： 與基質(zhì)瀝青混合料相比，PPA改性瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變和破壞應(yīng)變能并沒有隨著PPA的摻量的增大而發(fā)生變化， PPA對瀝青混合料的低溫性能沒有影響；對于聚合物改瀝青混合料而言，0.75%PPA摻量與3%以及3.5%SBS復(fù)合改性瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變?yōu)?943.62、 3167.99 με，相同的SBS摻量，當(dāng)PPA摻量增加到1%時(shí)復(fù)合改性瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變分別增加到3455.15、 3678.42 με，破壞應(yīng)變能分別增加到235.65、 287.98 kPa，因此對于PPA與聚合物復(fù)合改性瀝青混合料，PPA的加入不但不會對聚合物改性瀝青混合料的低溫性能造成影響，反而會對其有提升作用，對于SBR改性瀝青混合料也有類似增長關(guān)系。分析其原因主要可能是因?yàn)镻PA的加入使得聚合物改性劑在改性瀝青混合料中分散狀況發(fā)生了改變，聚合物改性劑在瀝青中的分散更均勻。

表4 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table4 Low-temperaturebendtestresults混合料類型抗彎拉強(qiáng)度/MPa最大彎拉應(yīng)變/με彎曲勁度模量/MPa基質(zhì)瀝青混合料9.812182.214495.440.75%PPA9.892200.264494.931.0%PPA102175.874595.860.75%PPA+3%SBS11.32920.193869.610.75%PPA+3.5%SBS11.893144.563781.131.0%PPA+3.0%SBS11.943431.723479.301.0%PPA+3.5%SBS12.433654.993400.830.75%PPA+4%SBR11.452976.443846.870.75%PPA+4.5%SBR11.533063.043764.231.0%PPA+4.0%SBR11.693121.163745.401.0%PPA+4.5%SBR12.23425.533561.4934.5%SBS12.783716.153439.043

3.3PPA對聚合物改性瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響

采用凍融劈裂試驗(yàn)評價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，以凍融劈裂強(qiáng)度比作為評價(jià)指標(biāo)，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(T0716-2011)試驗(yàn)要求進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，結(jié)果見表5。

由表5可知: 加入PPA后，無論是基質(zhì)瀝青混合料還是聚合物改性瀝青混合料，凍融后TSR均有一定提高，說明摻加了多聚磷酸改性劑后，瀝青混合料力學(xué)強(qiáng)度有一定改善。此外還可以發(fā)現(xiàn)，添加PPA后復(fù)合改性瀝青混合料的東同劈裂強(qiáng)度比均超過了89%，這也說明了，PPA對聚合物改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性不但沒有影響反而會有提升作用。

表5 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果Table5 Thawsplittingtestresults混合料類型RT1/MPaRT2/MPaTSR/%基質(zhì)瀝青混合料0.8140.67382.680.75%PPA1.0210.90088.151.0%PPA1.0610.95189.630.75%PPA+3%SBS1.2771.19793.740.75%PPA+3.5%SBS1.2461.18695.181.0%PPA+3.0%SBS1.2391.14592.411.0%PPA+3.5%SBS1.2641.19094.140.75%PPA+4%SBR1.0240.91489.260.75%PPA+4.5%SBR1.0970.96788.151.0%PPA+4.0%SBR1.1251.01490.131.0%PPA+4.5%SBR1.1741.071091.234.5%SBS1.2941.23695.52

3.4PPA對聚合物改性瀝青混合料疲勞性能的影響

本文采用APA疲勞試驗(yàn)對不同復(fù)合改性瀝青混合料的疲勞性能進(jìn)行了研究。APA疲勞試驗(yàn)屬于室內(nèi)模擬加速試驗(yàn)，并不是單純的控制應(yīng)變或者控制應(yīng)力模式，其主要是模擬實(shí)際輪載在路面結(jié)構(gòu)中的疲勞作用[18]。首先將制備好的試件放入APA試驗(yàn)臺上，在某一恒定溫度下保溫一定時(shí)間之后，開始進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過程模擬道路實(shí)際受力狀態(tài)，受力模式為簡支梁形式(見圖1)，試件下半部分是處于彎拉狀態(tài)，可以更好的反映材料的抗疲勞性能。

圖1　APA疲勞模型示意圖Figure 1　APA fatigue model schematic

① 試件制備。

成型300×300×100 mm雙層車轍板，按照APA試模尺寸300 mm×125 mm×75 mm尺寸制備標(biāo)準(zhǔn)試樣。

② 試驗(yàn)溫度。

APA疲勞試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)溫度采用15 ℃，由于試件尺寸比較大，為了確保試件內(nèi)部溫度恒定，試驗(yàn)前先將試件放置到恒溫環(huán)境箱中保溫12 h以上。

③ 鋼輪運(yùn)行頻率以及軸載。

采用APA試驗(yàn)儀器固定的試驗(yàn)頻率50 Hz，軸載250 LB。

④ 試驗(yàn)終止條件。

APA疲勞試驗(yàn)，程序默認(rèn)試驗(yàn)終止條件有兩種： 一、當(dāng)APA的位移傳感器第N次測得位移變形值與在此之前N-10次所測得位移變形平均值之差大于0.5 mm，試驗(yàn)程序就判定試件產(chǎn)生破壞或者斷裂，試驗(yàn)停止。二、 當(dāng)試驗(yàn)次數(shù)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的50000次時(shí)試驗(yàn)停止。

⑤ 評價(jià)指標(biāo)。荷載作用次數(shù)以相應(yīng)的最大變形值按照預(yù)定的試驗(yàn)方案進(jìn)行APA試驗(yàn)，進(jìn)而得到不同復(fù)合改性方案下的瀝青混合料疲勞性能變化規(guī)律，APA試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 APA疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table6 APAfatiguetestresults混合料類型疲勞壽命次數(shù)/次最大變形值/mm基質(zhì)瀝青混合料1704515.120.75%PPA355698.371.0%PPA382066.210.75%PPA+3%SBS500004.120.75%PPA+3.5%SBS500003.471.0%PPA+3.0%SBS500003.571.0%PPA+3.5%SBS500003.220.75%PPA+4%SBR410004.470.75%PPA+4.5%SBR442756.661.0%PPA+4.0%SBR500005.021.0%PPA+4.5%SBR500004.264.5%SBS500003.04

由以上數(shù)據(jù)可知：

① 對比是否摻加PPA瀝青混合料的疲勞壽命次數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)瀝青混合料的疲勞壽命17045次，摻加0.75%PPA后疲勞壽命增加到35569次，增加了一倍多，因此PPA的摻加可以顯著提高瀝青混合料的疲勞性能。

② APA疲勞試驗(yàn)過程中規(guī)定達(dá)到50000次即停止試驗(yàn)，那么結(jié)合試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，PPA與SBS復(fù)合改性瀝青混合料的疲勞次數(shù)均達(dá)到50000次停止，此外隨著PPA與SBS摻量的提高，復(fù)合改性瀝青混合料的變形值越來越小。

③ 與4.5%SBS改性瀝青混合料相比，1.0%PPA+3.5%SBS復(fù)合改性瀝青混合料的疲勞壽命次數(shù)也同樣達(dá)到了50000次，而且疲勞破壞時(shí)混合料的最大變形值也與SBS改性瀝青混合料比較接近。

④ 對于SBR改性瀝青混合料，隨著PPA摻量的增加，復(fù)合改性瀝青混合料的疲勞壽命次數(shù)增大，疲勞破壞時(shí)的最大變形量減小，故PPA的加入可改善SBR改性瀝青混合料的疲勞性能。

4結(jié)論

PPA的加入可以顯著改善聚合物改性瀝青的儲存穩(wěn)定性，工程實(shí)踐中可選用PPA作為聚合物改性瀝青的穩(wěn)定劑；加入PPA可以提高聚合物改性瀝青瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，減少SBS改性劑摻量； PPA在不影響聚合物改性瀝青混合料低溫抗裂性的同時(shí)提高了聚合物改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性，尤其是對復(fù)合改性瀝青混合料的疲勞性能有較大改善作用。

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The Effect of PPA on Polymer Modified Asphalt and Its Mixtures

HOU Xiaojing

(Xi’an Vocational and Technical Institute, Xi’an, Shanxi 710600, China)

[Abstract]This article studied the effects of PPA on polymer modified bitumen (SBR, SBS) storage stability, and based on the rutting test, low temperature bending test, freeze-thaw splitting test, APA fatigue test to study the Comprehensive road performance of Polymer modified asphalt mixture.The results showed that: to join the 0.5%～0.75% PPA ，without affecting the polymer modified asphalt mixture at low temperature cracking resistance, water stability and fatigue performance, while adding 0.75%～1% PPA can improve the high temperature stability of the polymer modified asphalt, reduce dosage SBS modifier, PPA on the fatigue properties of the polymer modified asphalt mixture has a greater improvement.

[Key words]poly-phosphate; composite modified asphalt mixture; storage stability; road performance

[中圖分類號]U 414.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)01-0221-04

[作者簡介]侯曉晶(1982-)，女,陜西西安人,碩士研究生,研究方向：土木工程。

[收稿日期]2014-10-28