何方超

(河北交規(guī)院瑞志交通技術(shù)咨詢(xún)有限公司 石家莊市 050000)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，交通量日益增長(zhǎng)，對(duì)于瀝青路面的性能提出了更高要求，尤其是重載和超載車(chē)輛的增多，導(dǎo)致瀝青路面過(guò)早地出現(xiàn)一系列病害。目前高等級(jí)瀝青路面主要是采用SBS、SBR或廢膠粉等高分子材料進(jìn)行聚合物改性以增強(qiáng)瀝青的各方面性能，并得到了良好的應(yīng)用。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中也出現(xiàn)了很多的問(wèn)題，如改性劑與基質(zhì)瀝青相容性不好導(dǎo)致儲(chǔ)存穩(wěn)定性差或改性劑用量大導(dǎo)致成本過(guò)高等問(wèn)題。在專(zhuān)家及研究學(xué)者不斷地研究中發(fā)現(xiàn)，存在部分價(jià)格低廉的改性劑在與瀝青發(fā)生改性的過(guò)程中可以重新生成穩(wěn)定的化學(xué)鍵或者基團(tuán)，能夠改善改性瀝青高低溫性能和耐久性能，并且彌補(bǔ)改性瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性不足等問(wèn)題[1]。

研究表明[2]，多聚磷酸可以有效改善聚合物改性瀝青的高溫穩(wěn)定性和抗老化性能，且在改善改性劑與基質(zhì)瀝青的相容性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，它主要是磷酸分子間通過(guò)一系列脫水交聯(lián)得到的一種無(wú)機(jī)酸，目前美國(guó)約有18%的瀝青面層中采用了多聚磷酸改性瀝青，應(yīng)用效果良好，而國(guó)內(nèi)對(duì)于多聚磷酸在改性瀝青中的研究應(yīng)用尚在起步階段，目前對(duì)于多聚磷酸改性瀝青的研究成果中主要集中于多聚磷酸可以提高瀝青的高溫和抗老化性能，而在低溫和水穩(wěn)定性方面存在不足[3-4]。為進(jìn)一步研究多聚磷酸改性瀝青混合料的路用性能，并且改善單一多聚磷酸改性劑的不足，采用多聚磷酸與丁苯橡膠復(fù)配制備復(fù)合改性瀝青，以期在路用性能方面取得較好的使用效果。

1 原材料性能與配合比設(shè)計(jì)

(1)原材料性能

粗集料采用玄武巖，細(xì)集料采用石灰?guī)r，填料采用石灰?guī)r磨細(xì)后的礦粉，經(jīng)檢測(cè)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都滿(mǎn)足規(guī)范要求；基質(zhì)瀝青采用西安某瀝青公司生產(chǎn)的70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1；選用磷酸含量為115%的多聚磷酸，其五氧化二磷含量為84%，是一種無(wú)色粘性液體；丁苯橡膠選用30～40目，其外觀(guān)呈白色粉末狀，抗拉強(qiáng)度為29MPa，伸長(zhǎng)率為300%。

表1 道路石油瀝青70號(hào)A級(jí)技術(shù)指標(biāo)

(2)復(fù)合改性瀝青制備

首先將基質(zhì)瀝青置于135℃烘箱中加熱至熔融流動(dòng)狀態(tài)，然后稱(chēng)取一定量的瀝青放入燒杯中，并置于電爐上繼續(xù)加熱，將3.5%SBR改性劑分次加入燒杯中用玻璃棒不停地?cái)嚢杈鶆?，然后采用高速剪切機(jī)以3500r/min的速率剪切30min，整個(gè)過(guò)程中將溫度控制在165℃±5℃，剪切完成后在165℃烘箱中發(fā)育30min即完成SBR改性瀝青制備[5]。然后分別將0.5%、1.0%和1.5%的多聚磷酸放入裝有SBR改性瀝青的燒杯中，繼續(xù)采用高速剪切機(jī)以4500 r/min的速率剪切30min，全程控制溫度在175℃±5℃，剪切完成后在175℃烘箱中恒溫發(fā)育60min即可完成不同摻量多聚磷酸的SBR/PPA復(fù)合改性瀝青制備。

(3)混合料配合比設(shè)計(jì)

選用連續(xù)型密級(jí)配瀝青混合料AC-16級(jí)配中值作為研究混合料性能的設(shè)計(jì)級(jí)配，其級(jí)配組成見(jiàn)表2。以5.0%為油石比中值并以0.5%間隔擬定5組油石比，分別為4.0%、4.5%、5.0%、5.5%和6.0%，然后以不同油石比制備馬歇爾試件，分別測(cè)試馬歇爾試件的物理力學(xué)性能指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 AC-16礦料級(jí)配表

表3 SBR/PPA復(fù)合改性瀝青混合料物理力學(xué)指標(biāo)

通過(guò)各指標(biāo)值與油石比的關(guān)系曲線(xiàn)，并考慮密度、穩(wěn)定度最大值和目標(biāo)空隙率、飽和度中值等因素，得到SBR/PPA復(fù)合改性瀝青混合料的最佳油石比為5.13%，同理可得到基質(zhì)瀝青、3.5%SBR改性瀝青、1.0%PPA改性瀝青混合料的最佳油石比分別為4.82%、5.21%和5.06%。

2 路用性能

(1)高溫穩(wěn)定性

目前國(guó)內(nèi)外用于評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫性能的試驗(yàn)方法比較多，主要是馬歇爾試驗(yàn)、單軸或三軸壓縮試驗(yàn)、小型加速加載試驗(yàn)MMLS及(漢堡)車(chē)轍試驗(yàn)等，其中加速加載試驗(yàn)更接近于瀝青路面的實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，其次車(chē)轍試驗(yàn)也較為符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際路面受力狀態(tài)[6]。由于試驗(yàn)設(shè)備條件受限，采用車(chē)轍試驗(yàn)對(duì)SBR/PPA復(fù)合改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)溫度為60℃，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 瀝青混合料高溫穩(wěn)定性分析

從表4可以看出，六種瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度從大到小依次為1.5%PPA+3.5%SBR>1.0%PPA+3.5%SBR>0.5%PPA+3.5%SBR>1.0%PPA>3.5%SBR>基質(zhì)瀝青，單摻1.0%PPA的改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度相比3.5%SBR高出23%，且60min變形量也較小，在保持3.5% SBR不變時(shí)隨著PPA用量增大，動(dòng)穩(wěn)定度值不斷提高，1.5%PPA+3.5%SBR對(duì)應(yīng)的動(dòng)穩(wěn)定度相對(duì)于3.5%SBR提高了51%，由此可見(jiàn)改性劑SBR和PPA都可一定程度地改善瀝青混合料的高溫抗車(chē)轍能力，但單摻一種改性劑時(shí)PPA的效果更顯著，同時(shí)兩種改性劑復(fù)摻時(shí)在改善混合料高溫穩(wěn)定性方面效果更為突出。

(2)低溫抗裂性

瀝青混合料低溫時(shí)抵抗形變的能力即為低溫抗裂性。一般情況下，在外界溫度環(huán)境驟降時(shí)，由于瀝青路面內(nèi)外形成較大溫差而引起收縮應(yīng)力，當(dāng)這種應(yīng)力來(lái)不及松弛而超過(guò)材料自身所能承受的最大應(yīng)力時(shí)便會(huì)發(fā)生縮裂，嚴(yán)重影響了瀝青路面的使用壽命[7]。為了研究SBR/PPA復(fù)合改性瀝青混合料的低溫抗裂性，將室內(nèi)成型的300mm×300mm×50mm車(chē)轍板試件用切割機(jī)制成250mm×35mm×30mm的小梁試件，利用MTS萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)在-10℃環(huán)境箱中進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果整理如表5。

從表5數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于基質(zhì)瀝青而言，單摻3.5%SBR對(duì)應(yīng)的破壞應(yīng)變?cè)黾恿?8%，彎曲勁度模量減小了21%，而單摻1.0%PPA的破壞應(yīng)變卻減小了13%，彎曲勁度模量增加了5%。在SBR用量為3.5%時(shí)隨著PPA用量從0增加到1.5%的過(guò)程中，破壞應(yīng)變一直在減小，彎曲勁度模量在持續(xù)增加，且在1.5%PPA時(shí)破壞應(yīng)變、彎曲勁度模量已然小于或接近于基質(zhì)瀝青，說(shuō)明SBR能夠提高瀝青混合料的低溫抗裂性，但改性劑PPA會(huì)對(duì)混合料的低溫性能產(chǎn)生不利影響，可以看出當(dāng)兩種改性劑復(fù)配時(shí)SBR能夠有效彌補(bǔ)PPA在低溫性能方面的不足，因此在SBR和PPA復(fù)配時(shí)PPA的摻量不宜太高，宜在1.0%以下。

表5 低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

(3)水穩(wěn)定性

隨著雨水滲入瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部后，在車(chē)輛荷載和動(dòng)水壓力的持續(xù)作用下，礦料表面的瀝青薄膜在反復(fù)沖擊作用下逐漸剝落，脫離了粘結(jié)性的集料成為松散狀態(tài)，路面逐漸形成坑槽，影響行車(chē)安全[8]。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于水穩(wěn)定性的試驗(yàn)方法有浸水車(chē)轍或漢堡車(chē)轍水浴試驗(yàn)、浸水劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗(yàn)等，本文采用浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)作為SBR/PPA復(fù)合改性瀝青混合料抗水損害性能的評(píng)價(jià)依據(jù)，以浸水前后或凍融前后的殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

從表6試驗(yàn)結(jié)果可看出，SBR和PPA兩種改性劑無(wú)論是單摻或復(fù)摻，其殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂殘留強(qiáng)度比都比基質(zhì)瀝青高很多，在兩種改性劑分別單摻時(shí)1.0%PPA對(duì)應(yīng)的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比相對(duì)于3.5%SBR都要略低一些，當(dāng)SBR和PPA復(fù)摻時(shí)隨著PPA用量的增大，其殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均逐漸增大，且在1.5%PPA+3.5%SBR時(shí)達(dá)到最大，同時(shí)可發(fā)現(xiàn)在PPA用量大于1.0%后都要比任一種改性劑單摻時(shí)高，說(shuō)明兩種改性劑都可以明顯改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，同時(shí)兩種改性劑復(fù)配后的效果更顯著。

(4)抗疲勞性能

為了進(jìn)一步探討SBR/PPA復(fù)合改性瀝青混合料的疲勞特性，利用MTS萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)并采用四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，試驗(yàn)采用應(yīng)力控制模式進(jìn)行加載，應(yīng)力比選擇0.5，以疲勞壽命次數(shù)作為評(píng)價(jià)依據(jù)，試件尺寸為250mm×40mm×40mm，是以車(chē)轍板經(jīng)切割而成，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7所示。

表7 四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果

從表7可以看出，六種瀝青混合料疲勞壽命次數(shù)大小順序?yàn)?.5%PPA+3.5%SBR>1.0%PPA+3.5%SBR>0.5%PPA+3.5%SBR>1.0%PPA>3.5%SBR>基質(zhì)瀝青，摻加了3.5% SBR或1.0%PPA后的基質(zhì)瀝青疲勞壽命次數(shù)分別增加了36%、46%，在SBR為3.5%時(shí)隨著PPA摻量的增加，疲勞壽命次數(shù)呈現(xiàn)大幅度增長(zhǎng)趨勢(shì)，說(shuō)明兩種改性劑在改善瀝青混合料的抗疲勞性能方面都有很大的優(yōu)勢(shì)，但在SBR與PPA復(fù)摻時(shí)的效果更顯著。

3 結(jié)論

通過(guò)將SBR與PPA兩種改性劑復(fù)摻制備復(fù)合改性瀝青，并在此基礎(chǔ)上制備不同改性劑或摻量的瀝青混合料進(jìn)行了一系列室內(nèi)試驗(yàn)研究，主要得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果表明，六種改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度從大到小依次為1.5%PPA+3.5%SBR>1.0%PPA+3.5%SBR>0.5%PPA+3.5%SBR>1.0%PPA>3.5%SBR>基質(zhì)瀝青，PPA在提高混合料高溫性能方面更有優(yōu)勢(shì)，且兩種改性劑復(fù)合后進(jìn)一步增強(qiáng)了混合料的抗車(chē)轍能力。

(2)低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明，SBR改性劑能夠增強(qiáng)混合料低溫抗裂性，PPA會(huì)有不利影響，兩種改性劑復(fù)合后SBR在一定程度上可以彌補(bǔ)PPA在低溫方面的缺陷，且同時(shí)PPA用量不宜超過(guò)1.0%。

(3)從殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂殘留強(qiáng)度比數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，兩種改性劑都可不同程度地改善混合料抗水損害性能，但PPA顯得更突出，同時(shí)兩者復(fù)合后的效果最顯著。

(4)四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種改性劑在改善瀝青混合料的抗疲勞性能方面都有很大的優(yōu)勢(shì)，且復(fù)摻時(shí)的效果更明顯。