李彩霞， 張苛， 羅要飛

(1.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 公路與鐵道工程學(xué)院， 陜西 西安 710018； 2.阜陽(yáng)師范學(xué)院 信息工程學(xué)院；3.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院)

1 前言

多聚磷酸改性瀝青具有較好的高溫抗車轍、抗老化性能和儲(chǔ)存穩(wěn)定性等，近年來(lái)在路面中的應(yīng)用呈現(xiàn)逐年上升的態(tài)勢(shì)，尤其是美國(guó)；相比其他類型的改性劑，PPA在瀝青中的摻量較低，一般為0.5%～2.0%，且價(jià)格低廉，應(yīng)用于中國(guó)南方高溫地區(qū)可顯著降低路面的初期建設(shè)成本。但文獻(xiàn)[1-5]等研究顯示，PPA對(duì)瀝青低溫性能的改善作用不大或者有負(fù)面影響，且損害程度與PPA摻量呈正相關(guān)關(guān)系。一旦南方部分地區(qū)遇到像2008年或2018年的冰雪低溫災(zāi)害天氣，采用該結(jié)合料鋪筑的路面將很可能出現(xiàn)低溫開(kāi)裂破壞，裂縫的出現(xiàn)不僅影響路面感官效果，還會(huì)誘發(fā)路面水損害，尤其是多雨地區(qū)。如何最大程度地提高多聚磷酸改性瀝青或多聚磷酸改性瀝青混合料的低溫抗裂性能，使其能夠適用于更多的地區(qū)或氣候環(huán)境，是值得研究的重要課題。針對(duì)上述問(wèn)題，研究者采用其他高聚物與PPA改性瀝青復(fù)合或混合料中添加纖維的方式進(jìn)行改善，取得了較好的效果。劉紅瑛、劉建敏、曹曉娟等采用SBS或SBR改性劑與PPA改性瀝青復(fù)合的方式彌補(bǔ)了單純PPA改性瀝青混合料低溫性能受損害的缺陷，且指出PPA與SBR復(fù)配對(duì)瀝青混合料低溫性能的改善幅度更好;周艷等研究指出，PPA改性瀝青中添加SBS改性劑或TB膠粉與SBS復(fù)配改性劑均可以改善其低溫性能，且后者的性能相對(duì)更好;游金梅對(duì)比分析了PPA和SBS改性劑摻量對(duì)瀝青混合料低溫性能的影響，指出1%PPA與3.5%SBS復(fù)合得到的改性瀝青混合料低溫性能相對(duì)較好，性能甚至超過(guò)了SBS摻量為5.0%的改性瀝青混合料;崔磊采用彎曲試驗(yàn)、半圓彎拉試驗(yàn)和J-積分試驗(yàn)對(duì)比分析了不同類型多聚磷酸改性瀝青混合料的低溫性能優(yōu)劣，發(fā)現(xiàn)在所選方案中SBR與PPA復(fù)合改性瀝青混合料的低溫性能相對(duì)較好，但性能改善效果受試驗(yàn)方法的影響，且研究中僅采用了一種瀝青和單一纖維摻量，說(shuō)服力相對(duì)不足。

半圓彎拉試驗(yàn)在瀝青混合料中的應(yīng)用主要是評(píng)價(jià)抗拉強(qiáng)度，相對(duì)彎曲試驗(yàn)和間接拉伸試驗(yàn)而言是一種較新的試驗(yàn)方法。該方法有效克服了間接拉伸試驗(yàn)過(guò)程中試件中部拉應(yīng)力分布不均勻以及加載條附近試件塑性變形過(guò)大的現(xiàn)象，受力狀態(tài)更加符合路面實(shí)際的受力情況；而相比彎曲試驗(yàn)，其具有試件成型方便、測(cè)試結(jié)果變異性小等優(yōu)點(diǎn)，且還可以用于評(píng)定現(xiàn)場(chǎng)路面的抗拉強(qiáng)度。結(jié)合地區(qū)環(huán)境氣候特征，選取合適的試驗(yàn)溫度,運(yùn)用SCB試驗(yàn)開(kāi)展瀝青混合料低溫抗裂性能研究，以篩選出性能較好的筑路材料。

鑒于此，該文在先前研究成果的基礎(chǔ)上，以3種不同的PPA改性瀝青混合料(基質(zhì)瀝青SK-70#、Shell-70#和東明-70#)為試驗(yàn)對(duì)象，采用SCB試驗(yàn)探討不同方案(復(fù)合改性瀝青或者混合料中添加纖維)對(duì)PPA改性瀝青混合料低溫性能的改善程度，以優(yōu)化出性價(jià)比較好的改善方案；同時(shí)借助數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)比分析纖維類型和摻量因素對(duì)低溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響程度，其成果可為纖維穩(wěn)定劑在PPA改性瀝青混合料中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 原材料與混合料配合比參數(shù)

基質(zhì)瀝青選取3種A級(jí)瀝青，分別為SK-70#、殼牌-70#和東明-70#，相應(yīng)的四組分測(cè)試結(jié)果如表1所示，其他技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。PPA采用H3PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為110%的產(chǎn)品，其中P2O5含量不低于79%，由襄陽(yáng)某公司提供。粗細(xì)集料分別采用輝綠巖和石灰?guī)r，礦粉為石灰?guī)r磨制而成的石粉?；旌狭系V料級(jí)配選用AC-16C型密級(jí)配，具體級(jí)配如圖1所示。

表1 基質(zhì)瀝青的四組分含量

圖1 試驗(yàn)用AC-16C型礦料級(jí)配

基于改善PPA改性瀝青混合料低溫性能的考慮，采用復(fù)合改性瀝青(PPA+SBS、PPA+SBR)或混合料中添加纖維的方式進(jìn)行對(duì)比分析。其中單一PPA改性瀝青結(jié)合料中PPA的劑量選定為1.0%，而PPA與SBS、SBR復(fù)合改性瀝青中不同改性劑的摻配比例參照其他研究成果確定，SBS改性劑為SBS4303型產(chǎn)品，SBR改性劑為顆粒狀的1502型產(chǎn)品，改性瀝青的關(guān)鍵性能指標(biāo)如表2所示。纖維穩(wěn)定劑采用玄武巖礦物纖維，其長(zhǎng)度為6 mm，摻量為0.3%。不同PPA改性瀝青混合料和PPA復(fù)合改性瀝青混合料的摻配方案及油石比情況如表3所示，混合料的最佳油石比采用規(guī)范推薦的馬歇爾試驗(yàn)方法確定。

表2 不同改性瀝青關(guān)鍵性能指標(biāo)

續(xù)表2

基質(zhì)瀝青類型PPA摻量/%SBS摻量/%SBR摻量/%針入度(25 ℃)/(0.1 mm)軟化點(diǎn)/℃延度(5 cm/min)/cmShell-70#---65.946.0-1.00--56.450.88.00.753.0-44.660.921.80.75-2.550.255.743.5SK-70#---63.549.0-1.00--51.954.67.20.753.0-40.067.818.80.75-2.546.360.538.6

表3 不同PPA改性瀝青混合料和PPA復(fù)合改性瀝青混合料摻配方案及油石比

2.2 SCB試驗(yàn)方法與測(cè)試條件

SCB試驗(yàn)采用三點(diǎn)圓棒方式進(jìn)行加載，兩支座之間的距離S為SCB試件直徑D的0.8倍。評(píng)價(jià)瀝青混合料抗拉性能的指標(biāo)主要有抗拉強(qiáng)度值和斷裂能密度，可根據(jù)相應(yīng)加載過(guò)程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線求得，計(jì)算方法分別如式(1)～(3)所示：

(1)

式中：σ為抗拉強(qiáng)度(MPa)；P為施加最大荷載(N)；D為SCB試件直徑(mm)；h為SCB試件厚度(mm)。

(2)

式中：ε為試件底部中心處的應(yīng)變值；d為試件底部中心處的撓度(mm)；S為支座間的距離(mm)。

(3)

試件采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型，并切割成尺寸為150 mm(直徑)×25 mm(厚度)的半圓柱，試件加載在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，并以50 mm/min的速率施加荷載，直至試件破壞。試驗(yàn)溫度根據(jù)瀝青使用地區(qū)的氣候特征確定，由瀝青路面的氣候分區(qū)可知中國(guó)南方大部分地區(qū)屬于夏炎熱冬溫區(qū)，其年極端最低氣溫為-9 ℃左右，因此采用SCB試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料低溫性能時(shí)溫度選定為-10 ℃；同時(shí)考慮到上述地區(qū)冬季氣溫普遍較高，出現(xiàn)極端最低氣溫的概率相對(duì)較小(尤其是廣東省和海南省)，試驗(yàn)時(shí)還增加了0 ℃條件進(jìn)行對(duì)比；試驗(yàn)前試件置于規(guī)定溫度的環(huán)境箱中保溫不低于3 h。

3 低溫性能改善措施對(duì)比分析

不同溫度條件下不同類型PPA改性瀝青混合料的SCB試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)中平行試件的個(gè)數(shù)不低于3個(gè)，且重復(fù)性試驗(yàn)中彎拉強(qiáng)度和斷裂能密度值的變異系數(shù)均不大于20%。

由表4可知：① 單一PPA改性瀝青混合料中摻加纖維或結(jié)合料使用復(fù)合改性瀝青(PPA與SBS或SBR聚合物復(fù)合)均能改善其低溫抗裂性能，但性能改善效果存在一定的差異，性能優(yōu)劣總體上為：PPA/SBR復(fù)合改性瀝青>PPA/SBS復(fù)合改性瀝青>PPA/玄武巖纖維，原因?yàn)闉r青混合料的低溫性能好壞主要取決于結(jié)合料的特征，結(jié)合料對(duì)其的貢獻(xiàn)率達(dá)到了90%左右，故復(fù)合改性瀝青改善低溫性能的效果優(yōu)于纖維穩(wěn)定劑；② 基質(zhì)瀝青的不同，一定程度上會(huì)影響所列方案的改善效果，對(duì)PPA與SBS改性劑復(fù)合方案而言，3種瀝青中DM-70#瀝青添加復(fù)合改性劑后，對(duì)應(yīng)混合料的低溫性能最好，說(shuō)明SBS聚合物的改性效果與基質(zhì)瀝青組分含量的差異密切相關(guān)，DM-70#瀝青的組分指數(shù)為30.7%，恰好位于文獻(xiàn)[13]提出的SBS改性瀝青最佳改善效果對(duì)應(yīng)的組分指數(shù)范圍(26%～32%)，所以其改善效果優(yōu)于Shell-70#和SK-70#瀝青。而Shell-70#和SK-70#基質(zhì)瀝青添加PPA/SBR復(fù)合改性劑后，對(duì)應(yīng)的混合料低溫性能要優(yōu)于DM-70#瀝青，這是因?yàn)榍岸邽r青中的芳香分含量相對(duì)較高，促進(jìn)了基質(zhì)瀝青與SBR改性劑的相容性，故混合料的低溫性能相對(duì)較好；③ 采用Shell-70#瀝青制備的PPA改性瀝青結(jié)合料，除SBS聚合物改善方案以外，該結(jié)合料與不同方案成型的混合料試件，其對(duì)應(yīng)的低溫抗裂性能優(yōu)于DM-70#和SK-70#瀝青，且方案SBS改性劑與添加纖維二者對(duì)應(yīng)的混合料低溫性能差異不大，說(shuō)明采用該P(yáng)PA改性瀝青鋪筑的路面可以采用添加纖維的方式進(jìn)行低溫性能改善。

表4 不同溫度條件下不同瀝青混合料的SCB試驗(yàn)結(jié)果

注：混合料中改性瀝青各組分的摻配比例或纖維摻加量見(jiàn)表3。

采用復(fù)合改性瀝青的方案改善PPA改性瀝青混合料低溫性能的效果優(yōu)于纖維穩(wěn)定劑，但SBS或SBR改性瀝青中聚合物與瀝青之間的反應(yīng)以物理作用為主，其性能并不穩(wěn)定，容易受加工條件和存儲(chǔ)時(shí)間等的影響。為保證改性瀝青良好的性能，使用時(shí)多采用現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)法，即在混合料拌和場(chǎng)采用專門生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)制作改性瀝青后立即使用；然而該方法一定程度上提高了路面的初期建設(shè)成本，且加工工藝流程相對(duì)復(fù)雜，以至于不能體現(xiàn)出PPA改性瀝青(組分間以化學(xué)反應(yīng)為主，性能穩(wěn)定、能夠采用工廠化方式生產(chǎn))的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。由試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于某些基質(zhì)瀝青制備的PPA改性瀝青混合料，采用SBS改性劑復(fù)合或混合料中添加纖維的方式可以達(dá)到基本相同的效果，但后者能夠在拌和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行直接添加、不需要增加額外的設(shè)備，方式簡(jiǎn)便且成本低廉，因此該方法具備一定的推廣價(jià)值，性價(jià)比較高、有必要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的材料優(yōu)化。

4 纖維改善混合料低溫性能影響因素分析

纖維穩(wěn)定劑憑借其加筋、穩(wěn)定和橋接等作用，有效改善了混合料的低溫抗裂性，但現(xiàn)有研究顯示性能改善效果與纖維類型和摻量等因素密切相關(guān)，該結(jié)論是否適用于PPA改性瀝青混合料低溫性能改善目前尚不得而知。另外不同類型纖維復(fù)合在最大限度地發(fā)揮各種纖維改善混合料路用性能的同時(shí)，還可以顯著降低纖維的添加成本，一舉多得。基于此，該文將以上試驗(yàn)結(jié)果，以Shell-70#瀝青制備的PPA改性瀝青混合料為試驗(yàn)對(duì)象，選取工程中常用的聚酯纖維、玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維和復(fù)合纖維添加在混合料中，探討不同纖維和摻量對(duì)混合料低溫性能的改善效果及影響程度，從而為纖維在PPA改性瀝青混合料中的應(yīng)用提供參考。

(1) 纖維類型與摻量對(duì)混合料低溫性能的改善效果對(duì)比

不同纖維及摻量對(duì)PPA改性瀝青混合料低溫性能的改善效果如表5所示，各個(gè)方案中平行試件的個(gè)數(shù)不低于3個(gè)，且指標(biāo)值的變異系數(shù)均不大于20%。

從表5可以看出：① 隨著纖維摻量的增加，混合料的低溫性能逐漸提高，但摻量超過(guò)0.30%后其改善效果相對(duì)不明顯，這是因?yàn)榛旌狭辖Y(jié)構(gòu)中容納纖維的量有限，過(guò)多的纖維容易產(chǎn)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象、分散不均勻，從而失去改善效果；② 纖維類型的不同顯著影響混合料低溫性能的改善效果，纖維摻量相同時(shí)，摻有不同纖維的混合料對(duì)應(yīng)的性能優(yōu)劣具體為：玄武巖纖維>復(fù)合纖維>聚酯纖維>木質(zhì)素纖維，復(fù)合纖維改善混合料低溫性能的效果略低于玄武巖纖維，說(shuō)明不同纖維復(fù)合摻加可以達(dá)到明顯改善PPA改性瀝青混合料低溫性能的目的；玄武巖纖維改善效果優(yōu)于其他纖維的原因?yàn)?，玄武巖纖維的分散效果相對(duì)較好，拌和后能夠均勻地分布于混合料中，最大限度地發(fā)揮纖維的“加筋”和“橋接”作用，故對(duì)應(yīng)的混合料低溫性能相對(duì)最好。

表5 -10 ℃環(huán)境下不同纖維摻量的PPA改性瀝青混合料SCB試驗(yàn)結(jié)果

(2) 低溫性能影響因素方差分析

纖維類型和摻量對(duì)PPA改性瀝青混合料低溫性能不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響程度方差分析結(jié)果見(jiàn)表6。

從表6可知：纖維類型和摻量對(duì)PPA改性瀝青混合料低溫性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)(彎拉強(qiáng)度和斷裂能密度)均有顯著影響，但二者的影響程度存在明顯差異。依據(jù)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量F值大小可知，影響PPA改性瀝青混合料低溫性能指標(biāo)彎拉強(qiáng)度和斷裂能密度的二因素顯著程度排序一致，其影響強(qiáng)弱依次為纖維摻量、纖維類型，且纖維摻量對(duì)上述指標(biāo)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于纖維類型，可見(jiàn)纖維摻量的變化是決定PPA改性瀝青混合料低溫性能改善效果的重要因素，其合理?yè)搅繎?yīng)根據(jù)混合料的性能變化進(jìn)行確定。

表6 彎拉強(qiáng)度、斷裂能密度影響因素方差分析結(jié)果

注：a為R2=0.991(調(diào)整R2=0.983)，R2為判定系數(shù)。

5 結(jié)論

(1) 多聚磷酸改性瀝青的使用有損或不影響混合料的低溫抗裂性能，通過(guò)采用復(fù)合改性瀝青或混合料中添加纖維的方式均可達(dá)到改善PPA改性瀝青混合料低溫性能的目的，但不同方式的改善效果存在差異，性能優(yōu)劣為：PPA/SBR復(fù)合改性瀝青>PPA/SBS復(fù)合改性瀝青>PPA/玄武巖纖維。

(2) 基質(zhì)瀝青的差異影響不同改善措施的效果，對(duì)于采用Shell-70#瀝青制備的PPA改性瀝青混合料，PPA/SBS復(fù)合改性瀝青與添加玄武巖纖維二者對(duì)應(yīng)的混合料低溫性能差異不大，即二者可以達(dá)到基本相同的改善效果，但后者添加方便、成本低廉。

(3) 纖維類型和纖維摻量均顯著影響PPA改性瀝青混合料的低溫抗裂性能，其中纖維摻量對(duì)其的影響相對(duì)較大，摻量為0.30%時(shí)混合料的低溫性能相對(duì)最好；摻有4種不同纖維的混合料低溫性能優(yōu)劣為：玄武巖纖維>復(fù)合纖維>聚酯纖維>木質(zhì)素纖維，且復(fù)合纖維的改善效果略低于玄武巖纖維，復(fù)合纖維的使用達(dá)到了改善低溫性能和降低成本的雙重目的。