馬峰，溫雅嚕，傅珍，馮喬，金彥鑫，郭興隆

(1.長安大學 公路學院,陜西 西安 710064；2.長安大學 材料學院，陜西 西安 710064)

多聚磷酸(PPA)作為瀝青改性劑在國外應用較早。使用PPA替代SBS，可以節(jié)約造價，增強性能[1-3]。大量研究認為PPA與瀝青官能團發(fā)生反應，使瀝青質能夠吸附膠質，提升瀝青彈性，改善瀝青高溫流變性能[4-8]。國內學者對PPA改性瀝青研究后發(fā)現(xiàn)PPA改性瀝青高溫穩(wěn)定性、抗疲勞能力提升。相比于聚合物改性瀝青儲存穩(wěn)定性更佳[9-12]。當前國內外重點關注PPA改性瀝青高溫性能，對低溫抗裂性及抗疲勞性研究較少。同時，PPA與橡膠粉復配改性瀝青研究較少。

本文將PPA分別與SBS、橡膠粉進行復配，研究兩種復配改性瀝青混合料的路用性能，并與SBS改性瀝青及基質瀝青混合料進行比較。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

SK90#瀝青，技術指標見表1；多聚磷酸(H3PO4含量為115%)，工業(yè)級，理化指標見表2；2116-06線形SBS改性劑；60目脫硫橡膠粉；集料，由玄武巖制成，各項指標符合施工技術規(guī)范；礦粉，為石灰?guī)r磨細制得。

表1 瀝青物理性質

表2 多聚磷酸基本技術指標

HYCZ-5瀝青車轍實驗儀；KY-D4305MTS萬能試驗機；LWD-3馬歇爾穩(wěn)定度實驗儀；UTM-30萬能伺服壓力材料試驗機；BFA四點彎曲疲勞機。

1.2 復配改性瀝青的制備[12-15]

改性瀝青的制備方式為高速剪切法。將2.8%摻量的SBS與1.2%摻量PPA進行復配，18%摻量橡膠粉與1.6%摻量PPA進行復配，制備復配改性瀝青。并將兩種復配改性瀝青與基質瀝青及5%摻量下SBS改性瀝青進行對比。

1.2.1 PPA/SBS復配改性瀝青的制備 將2.8%摻量的SBS與基質瀝青在160 ℃下攪拌5 min。在165～170 ℃、5 000 r/min下剪切45 min。添加1.2% PPA,繼續(xù)剪切20 min。在170 ℃烘箱內溶脹發(fā)育60 min。

1.2.2 PPA/橡膠粉復配改性瀝青的制備 將18%摻量的橡膠粉與基質瀝青在175 ℃下攪拌5 min。在175～180 ℃、5 000 r/min剪切45 min。添加1.6% PPA, 繼續(xù)剪切20 min。在175 ℃烘箱內溶脹發(fā)育60 min。

1.3 瀝青混合料組成設計

混合料級配采用AC-13型級配中值，按馬歇爾實驗方法確定基質瀝青、SBS改性瀝青、PPA/SBS、PPA/橡膠粉復配改性瀝青混合料的最佳油石比。得到4種瀝青混合料最佳油石比，見表3。

表3 瀝青混合料最佳油石比

1.4 性能測試

1.4.1 高溫性能實驗 在最佳油石比下制備瀝青混合料后，將不同瀝青混合料制備車轍實驗板，使用車轍實驗儀，在60 ℃、輪壓0.7 MPa、行走速率42次/min 的條件下進行實驗，得到4種瀝青混合料動穩(wěn)定度。

1.4.2 低溫性能實驗 采用低溫小梁彎曲實驗，研究4種瀝青混合料低溫抗裂性能。實驗時將車轍板加工為250 mm×30 mm×35 mm尺寸的小梁試件，并以50 mm/min的速率對小梁跨中進行加載，得到最大彎拉應變及彎曲勁度模量。

1.4.3 水穩(wěn)定性實驗 將4種瀝青混合料制備馬歇爾試件，將試件放在恒溫水槽中水浴保溫48 h后,按馬歇爾穩(wěn)定度實驗測得穩(wěn)定度，并與未水浴保溫的馬歇爾試件穩(wěn)定度相比，得到混合料殘留穩(wěn)定度。按《公路工程瀝青及瀝青混合料實驗規(guī)程》中T 0729—2000的規(guī)定進行凍融劈裂實驗，得到凍融劈裂比。

1.4.4 疲勞性能實驗 采用萬能伺服壓力材料實驗機UTM及其配套的BFA四點彎曲疲勞機研究瀝青混合料抗疲勞能力。在加載溫度15 ℃，加載頻率10 Hz，加載應變400,500,600 με條件下,對4種瀝青混合料進行四點彎曲疲勞實驗。以加載50次后的勁度模量作為初始勁度模量值，并將初始模量值下降至50%時的加載次數(shù)作為疲勞壽命。

2 結果與討論

2.1 高溫穩(wěn)定性

車轍實驗的結果見圖1。

圖1 4種瀝青混合料高溫車轍實驗結果

由圖1可知，3種改性瀝青都表現(xiàn)出良好的高溫穩(wěn)定性，5% SBS改性瀝青混合料動穩(wěn)定度是基質瀝青混合料的1.85倍，PPA/SBS復配改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度接近基質瀝青的3倍，并且PPA/SBS復配改性和PPA/橡膠復配改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度比5% SBS改性瀝青分別高出61.2%和27.3%。這說明在較低摻量的SBS改性瀝青及橡膠改性瀝青中加入PPA能較大地提升高溫抗車轍性能。

PPA與瀝青發(fā)生的化學反應主要有三類。瀝青長鏈或側鏈上的官能團接枝，瀝青中官能基團與PPA中的羥基發(fā)生磷酸酯化反應以及PPA與瀝青中烴類衍生物發(fā)生環(huán)化反應。這三類反應改變了瀝青的化學結構，重組分增加，輕組分減少。從流變性能來說，瀝青黏性成分增加，復數(shù)模量變大，抗剪切變形能力提升[16]。

2.2 低溫性能

瀝青混合料的低溫小梁彎曲實驗結果見圖2。

圖2 低溫小梁彎曲實驗結果

由圖2(a)可知， 5% SBS、PPA/橡膠粉以及PPA/SBS復配改性瀝青混合料的最大彎拉應變均顯著高于基質瀝青混合料。最大彎拉應變排序為PPA/橡膠粉>5% SBS>PPA/SBS>基質瀝青。PPA/橡膠粉復配改性瀝青混合料最大彎拉應變與5%SBS改性瀝青及PPA/SBS復配改性瀝青混合料相比分別提升了3.77%和27.11%。相關研究[18-19]表明，橡膠粉改性瀝青對比SBS改性瀝青要表現(xiàn)出更加優(yōu)良的低溫性能，但加入了PPA的橡膠粉改性瀝青最大彎拉應變只略高于SBS改性瀝青。這說明將PPA與橡膠粉復配一定程度上使瀝青混合料在低溫條件下抗開裂能力降低，但PPA與SBS及橡膠粉復配后瀝青混合料的低溫性能仍然滿足要求。

彎曲勁度模量越小，說明溫度越低時，混合料的低溫抗裂性能越好。由圖2(b)可知，PPA/SBS與PPA/橡膠粉復配改性瀝青混合料的勁度模量比5% SBS改性瀝青混合料大了43.2%和17.6%。這表明PPA加入后瀝青混合料在低溫條件下表現(xiàn)出更大的硬度，混合料更易出現(xiàn)裂縫，PPA復配改性瀝青混合料低溫抗裂性比SBS改性瀝青混合料要差。

2.3 水穩(wěn)定性

瀝青混合料水穩(wěn)定性實驗數(shù)據(jù)見圖3。

圖3 4種瀝青混合料水穩(wěn)定性實驗結果

由圖3可知，4種瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度從大到小依次為PPA/橡膠粉、5% SBS、PPA/SBS、基質瀝青，且3種改性瀝青殘留穩(wěn)定度均大于90%。SBS改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度隨著SBS摻量的增加而增大，當SBS摻量達到5%后繼續(xù)增加摻量對水穩(wěn)定性改善效果并不明顯[20]。將低摻量的SBS與PPA進行復配，其殘留穩(wěn)定度僅比5% SBS改性瀝青混合料低0.44%。4種混合料的凍融劈裂比與殘留穩(wěn)定度排序一致，3種改性瀝青混合料的凍融劈裂均大于80%。由以上分析可知，PPA加入后瀝青混合料的水穩(wěn)定性提升，PPA/橡膠粉復配改性瀝青有最優(yōu)的水穩(wěn)定性。

2.4 抗疲勞性

4種瀝青混合料在不同加載應變下的疲勞壽命見圖4。

圖4 4種瀝青混合料應變-疲勞壽命關系曲線

由圖4可知，在相同的加載應變下，加入改性劑的瀝青混合料疲勞壽命遠遠高于基質瀝青混合料,說明PPA、SBS以及橡膠粉加入瀝青后，都能使基質瀝青混合料的抗疲勞性能得到改善。3種改性瀝青混合料中疲勞壽命最大的是PPA/SBS，其次為PPA/橡膠粉。SBS改性瀝青混合料疲勞壽命比PPA/橡膠粉更低。當加載應變增大時，4種瀝青混合料的疲勞壽命都逐漸降低，這表明應變的增加使得混合料疲勞性能衰減。但當應變變化時， PPA/SBS復配改性瀝青混合料的疲勞壽命明顯高于其他2種改性瀝青混合料,并且PPA/橡膠粉復配改性瀝青混合料疲勞壽命也略高于5% SBS改性瀝青,說明PPA的加入，對提升低摻量SBS改性瀝青及橡膠粉改性瀝青的抗疲勞能力有較好的效果。

4種瀝青混合料的加載應變與初始勁度模量關系見圖5。

圖5 4種瀝青混合料應變-初始勁度模量關系曲線

由圖5可知，在相同的應變條件下，對比3種改性瀝青的初始勁度模量可知，最大的是5% SBS改性瀝青混合料，PPA/橡膠粉復配改性瀝青混合料次之，PPA/SBS復配改性瀝青混合料最小，這說明5% SBS改性瀝青相對硬度最大，其次是PPA/橡膠粉、PPA/SBS復配改性瀝青相對硬度最小。加載應變增大時，瀝青混合料初始勁度模量也表現(xiàn)為逐漸上升的規(guī)律。3種改性瀝青中，5% SBS上升速率最大、PPA/橡膠粉其次， PPA/SBS復配改性瀝青最低，說明5% SBS改性瀝青對應變最為敏感，抗疲勞性能略差于兩種復配改性瀝青混合料。

4種瀝青混合料加載應變與滯后角的關系見圖6。

疲勞實驗中得到的瀝青滯后角是在應變控制模式下，應變產生應力所滯后的相位差，是確定黏彈特性的實驗參數(shù)。當滯后角越大時，混合料趨向于黏性，其受重復荷載作用影響越小，疲勞性能越好；滯后角越小，混合料趨向于彈性，疲勞性能越差。

圖6 4種瀝青混合料應變-滯后角關系曲線

由圖6可知，在不同加載應變時，4種瀝青混合料滯后角從大到小依次為PPA/橡膠粉、PPA/SBS、SBS、基質瀝青。這說明加入PPA后，瀝青中黏性成分增加，抵抗荷載重復作用能力越強，疲勞性能越好。

3 結論

(1)PPA加入瀝青后，混合料高溫抗車轍能力得到較大提升。復配改性瀝青混合料比單一SBS改性瀝青混合料有更好的抗車轍能力。PPA與低摻量的SBS改性瀝青進行復配，高溫穩(wěn)定性較高摻量SBS改性瀝青混合料高出60%以上。

(2)PPA對瀝青混合料的低溫抗裂性有一定削弱，PPA復配改性瀝青混合料在低溫條件下表現(xiàn)出更大的硬度，將PPA與橡膠粉復配可降低對低溫抗裂性的不良影響；PPA的加入使瀝青混合料抗水損害能力得到一定提升；在4種瀝青混合料中，PPA/橡膠粉復配改性瀝青混合料的抗水損害能力最強。

(3)相比于SBS改性瀝青，PPA與SBS復配后，混合料疲勞壽命增幅在30%以上，最大可達63.5%，且PPA/SBS復配改性瀝青混合料對應變的變化最不敏感。PPA/橡膠粉復配改性瀝青混合料的抗疲勞性也略優(yōu)于SBS改性瀝青混合料。

(4)綜合對比4種瀝青混合料可知，用PPA代替部分SBS，不僅可以降低工程造價，還能得到性能優(yōu)異的瀝青混合料。PPA/橡膠粉復配改性瀝青混合料的各項路用性能均優(yōu)于SBS改性瀝青混合料，在工程上也可作為一種選擇。