文翰程

摘要：為研究PPA（多聚磷酸）/SBS復合型瀝青混合料路面性能，文章提出了PPA/SBS復合改性瀝青混合料的原材料選擇和混合料設(shè)計方案，并通過瀝青混合料高溫、低溫及水穩(wěn)試驗分別對比分析了基質(zhì)瀝青混合料、SBS單一改性瀝青混合料及PPA/SBS復合改性瀝青混合料的路用性能。研究結(jié)果表明：相比于基質(zhì)瀝青，單一摻加SBS改性劑均能提高瀝青混合料的高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)定性，而在SBS改性瀝青基礎(chǔ)上再摻加PPA可以進一步提升瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，且在一定范圍內(nèi)隨著多聚磷酸摻量的增加其混合料高溫穩(wěn)定性越高，但對混合料的低溫性能和水穩(wěn)定性沒有顯著影響。

關(guān)鍵詞：PPA;SBS;復合改性瀝青;瀝青混合料;路用性能

0 引言

近年來，我國交通運輸工程事業(yè)發(fā)展迅猛，為了不斷滿足人們?nèi)找嬖鲩L的出行需求，我國進行了大規(guī)模的公路建設(shè)，截至2018年年底，全國高速公路總里程已突破14.26萬 km，位居世界第一[1]。我國95%高速公路路面采用的是瀝青路面，瀝青路面具有耐磨、耐高溫等特點，且具備極高的實用性和經(jīng)濟性。目前，隨著公路交通量和車輛軸載的持續(xù)增加，高速公路路面會出現(xiàn)許多早期病害，其中包括路面車轍、坑槽、裂縫等，嚴重影響了行車舒適性和安全性[2]。

為了改善瀝青路面的使用性能，現(xiàn)階段通常會選用一些聚合物作為改性劑以改善瀝青路面中所用瀝青的性能，如多聚磷酸、SBS、橡膠粉等，可以有效改善瀝青路面的病害問題。目前國內(nèi)以SBS改性瀝青為主，然而SBS改性瀝青在實際使用過程中其性能有時會差強人意，且其制備工藝原理為物理改性，制備過程較為復雜，生產(chǎn)周期較長，需要專門的制備設(shè)備，同時SBS改性劑的價格昂貴，在瀝青中添加量較大，會極大增加施工成本[3]。而PPA的價格遠低于SBS，在SBS改性瀝青中添加適量PPA，可以減少SBS改性劑摻量，提高瀝青制備效率，在降低施工成本的同時能更有效地提高瀝青的性能。本文通過SBS和PPA兩種改性劑對基質(zhì)瀝青進行復合改性，重點研究SBS/PPA復合改性瀝青混合料的級配和油石比設(shè)計，同時比較基質(zhì)瀝青混合料、SBS單一改性瀝青混合料及SBS/PPA復合改性瀝青混合料三種混合料的路用性能，為實際工程的應(yīng)用提供理論參考。

1 原材料與級配設(shè)計

1.1 原材料

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）對本文中的瀝青、集料進行試驗檢測，并根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40-2004）對試驗結(jié)果的有效性進行判定，經(jīng)試驗檢測結(jié)果滿足規(guī)范要求。

1.1.1 基質(zhì)瀝青

本實驗所使用的基質(zhì)瀝青為埃索70#A級道路石油瀝青，其各項性能指標檢測結(jié)果如表1所示。

1.1.2 集料

本實驗選擇石灰?guī)r作為粗、細集料，其粗、細集料和填料的各項性能檢測結(jié)果分別如表2～4所示。

1.1.3 改性劑

本試驗采用南京試劑公司生產(chǎn)的PPA（多聚磷酸）試劑和1301（YH791）SBS改性劑，其各項主要技術(shù)性能分別如表5、表6所示。

1.2 瀝青混合料設(shè)計

1.2.1級配設(shè)計

本試驗采用AC-13型瀝青混合料，借鑒美國俄亥俄州和我國規(guī)范推薦的級配范圍，公稱最大粒徑13.2 mm通過率上限為100%，下限為90%。根據(jù)變K法計算粗集料設(shè)計級配范圍上限時取0.85，設(shè)計級配范圍下限時取0.56，而細集料設(shè)計級配范圍上限時取0.86，下限時取0.55，通過分析不同K值對應(yīng)粗、細集料級配的貫入荷載值變化，確定粗、細集料最佳集料比例。其粗、細集料不同K值對應(yīng)級配貫入荷載值如圖1、圖2所示。

由圖1、圖2可知，粗、細集料K值分別為0.75和0.76時對應(yīng)級配貫入荷載值最大，因此粗、細集料分別選用K值為0.75和0.76時所對應(yīng)的集料級配。另外，根據(jù)以往研究成果，AC-13粗、細集料比值為60/40時混合料性能最佳，經(jīng)計算可得瀝青混合料設(shè)計級配如表7所示。

1.2.2 最佳油石比設(shè)計

本文取炎熱區(qū)重載交通馬歇爾試驗技術(shù)標準，設(shè)計空隙率為4.8%，每個油石比馬歇爾試驗平行試驗均設(shè)置為4個，對試驗結(jié)果取平均值。其試驗結(jié)果如表8～9所示。

2.1 抗水損害性能

水損害是瀝青路面主要病害之一，其產(chǎn)生的主要原因為瀝青路面在受到行車軸載和水凍融循環(huán)的共同作用下，結(jié)合瀝青路面空隙內(nèi)的水分循環(huán)抽吸作用，使得水分逐漸進入瀝青和集料當中，從而降低瀝青粘結(jié)性，造成混合料表面松散、剝落現(xiàn)象，最終形成路面坑槽等病害。室內(nèi)對混合料水穩(wěn)定性的評價一般由浸水條件下的力學性能來反映[4]，目前評價方法主要有兩大類：一類為將表面裹覆瀝青的集料置于溫水中浸泡，以瀝青從集料表面的脫落程度為評定標準;另一類以浸水或凍融后的混合料試件穩(wěn)定度為評價指標。本文以浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗來評價混合料水穩(wěn)定性。試驗結(jié)果如表10所示。

由表10的數(shù)據(jù)可知：

（1）單一摻加SBS改性劑可以提高瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度，在單一SBS改性瀝青基礎(chǔ)上摻入1.0%和1.5%PPA后其混合料的馬歇爾穩(wěn)定度會進一步得到提升，且隨著PPA的增加，混合料的馬歇爾穩(wěn)定度更高。針對殘留穩(wěn)定度指標可知，單一摻加SBS改性劑可以提高混合料的水穩(wěn)定性，但摻入1.0%和1.5%PPA后其混合料的殘留穩(wěn)定度降低，則表示PPA對混合料的水穩(wěn)定性沒有改善作用。在三種瀝青混合料中，基質(zhì)瀝青混合料水穩(wěn)定性最差，SBS/PPA復合改性瀝青混合料次之，SBS單一改性瀝青混合料水穩(wěn)定性最佳。

（2）對于凍融劈裂試驗，單一SBS改性劑的加入可顯著提高混合料的凍融劈裂比，且在一定范圍內(nèi)隨著摻量的增加抗水損害性能不斷得到提高，但PPA改性劑的進一步加入使其混合料的凍融劈裂值降低，且隨著PPA摻量的增加，凍融劈裂值逐漸降低。說明單一SBS可有效改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性，而PPA沒有提高水穩(wěn)定性的作用，PPA/SBS的復配作用反而會降低混合料的水穩(wěn)定性。因此，SBS具有良好的改善混合料抗水損害性能，而PPA會略降低混合料的水穩(wěn)定性。

2.2 高溫穩(wěn)定性

瀝青路面在高溫環(huán)境中長期承受行車荷載會產(chǎn)生不同程度的變形現(xiàn)象，嚴重的更會產(chǎn)生路面永久變形，如何有效地提高混合料粘聚力是提高瀝青混合料高溫性能的一個重要出發(fā)點[5]。目前常通過提高瀝青稠度和瀝青與集料之間的粘附性等改善其高溫性能，而評價瀝青混合料高溫穩(wěn)定性主要有車轍試驗、馬歇爾試驗、三軸試驗等室內(nèi)試驗。本文采用傳統(tǒng)車轍試驗和漢堡車轍試驗評價混合料的高溫穩(wěn)定性，其試驗結(jié)果如表11所示。

由表11的數(shù)據(jù)結(jié)果可知：

針對SBS單一改性瀝青混合料，隨著SBS摻量的增加，SBS改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度逐漸增加;而PPA/SBS復合改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度均大于基質(zhì)瀝青和SBS單一改性瀝青混合料，且在SBS改性瀝青的基礎(chǔ)上，隨著多聚磷酸摻量的增加，PPA/SBS復合改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度進一步得到增大。

對于漢堡車轍試驗，70#基質(zhì)瀝青在20 000次荷載碾壓的作用下試件發(fā)生破壞，說明70#基質(zhì)瀝青高溫穩(wěn)定性不良，而單一SBS改性瀝青和SBS/PPA復合改性瀝青試件均未發(fā)生破壞，且變形量遠低于12.7 mm，說明SBS、PPA改性劑的加入可大幅度地提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。同時，SBS/PPA復合改性瀝青漢堡變形量最小，PPA摻量的增加會使高溫穩(wěn)定性得到進一步提高，這主要是因為SBS改性劑主要改善瀝青的彈性變形恢復能力，而PPA主要提高基質(zhì)瀝青的黏度，對彈性變形恢復能力作用不大，兩者的復配可進一步提高瀝青的高溫性能。由此可知，SBS、PPA均能改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，而SBS/PPA復合改性瀝青體現(xiàn)出更好的高溫性能。

2.3 低溫抗裂性

瀝青混合料的低溫抗裂性能是評價瀝青混合料路用性能的一項重要指標。瀝青路面的大多數(shù)裂縫均存在于低溫荷載環(huán)境下，進而造成路面的低溫破壞。目前國家常用于低溫性能評價指標的有直接拉伸試驗、間接拉伸試驗、小梁低溫彎曲破壞試驗以及彎曲蠕變試驗。本文采用小梁低溫彎曲試驗評價混合料的低溫抗裂性，其試驗結(jié)果如表12所示。

由表12的數(shù)據(jù)可知：

五組摻配組合下的瀝青混合料中，SBS單一改性瀝青混合料的彎拉應(yīng)變最大，且隨著摻量的增加混合料低溫性能進一步得到提高。[JP4]而在3.5%SBS改性瀝青的基礎(chǔ)上，PPA改性劑的加入會降低瀝青混合料的低溫性能，且隨著PPA摻量的增加，瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變會出現(xiàn)較大幅度的降低，但仍優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青，說明瀝青混合料低溫性能對PPA較為敏感，PPA改性劑的加入會顯著降低瀝青混合料的低溫抗裂性能。

3 結(jié)語

為充分了解PPA/SBS復配作用下的性能變化，本文在SBS改性瀝青的基礎(chǔ)上，對PPA/SBS復合改性瀝青及其混合料路用性能進行詳細研究，提出PPA/SBS復合改性瀝青混合料的原材料選擇和混合料設(shè)計，并通過瀝青混合料高溫、低溫及水穩(wěn)試驗分別對比分析了基質(zhì)瀝青混合料、SBS單一改性瀝青混合料及PPA/SBS復合改性瀝青混合料的路用性能，認為PPA/SBS復合改性能更好地提高混合料的高溫穩(wěn)定性，且在一定范圍內(nèi)隨著多聚磷酸摻量的增加混合料高溫穩(wěn)定性越高，但多聚磷酸的摻入對混合料的低溫性能和水穩(wěn)定性沒有顯著影響。

參考文獻：

[1]侯鐵軍.PPA與聚合物復合改性瀝青及混合料性能研究[J].新型建筑材料，2019，46（11）：18-22.

[2]李彩霞，張 苛，羅要飛.基于半圓彎拉試驗的多聚磷酸改性瀝青混合料低溫性能改善研究[J].中外公路，2019，39（4）：234-239.

[3]王貴珍.多聚磷酸復配聚合物改性瀝青性能及其混合料性能研究[J].公路工程，2019，44（4）：225-231.

[4][JP4]翟啟遠，李子奇，韓旭東.基于黏彈理論的PPA復配SBS改性瀝青老化性能研究[J].中外公路，2018，38（2）：234-237.

[5]王永寧，李 波，任小遇，等.基于正交試驗的多聚磷酸復配SBS改性瀝青粘彈性研究[J].硅酸鹽通報，2018，37（2）：383-390.