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)

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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、低溫彎曲試驗、凍融劈裂試驗、APA疲勞試驗研究了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，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?；瘜W(xué)改性瀝青能夠彌補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以及聚合物進行復(fù)合改性，所制得的改性瀝青性能良好，其性能指標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]。付立強等人通過對多聚磷酸改性瀝青混合料進行車轍試驗、彎曲破壞試驗和水穩(wěn)定性試驗，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行針入度試驗、軟化點試驗、彎曲梁蠕變試驗、粘度試驗及四組分試驗，研究分析了多聚磷酸對瀝青技術(shù)性能的影響及改性機理[11]。王云普(2007)進行了多聚磷酸與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)標準對瀝青進行試驗檢測，結(jié)果如表1所示。

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

1.2集料

粗集料選用石灰?guī)r，細集料選用機制砂，經(jīng)檢測集料各項指標均滿足規(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)磷酸所占的百分數(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試驗結(jié)果及分析

本文采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(T0610—2011)瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(RTFOT)對摻加PPA前后的聚合物改性瀝青進行了研究。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)、軟化點增值來評價聚合物改性瀝青老化性能。試驗結(jié)果見表2。

表2 RTFOT試驗結(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/%軟化點增值/℃29.762.1-9.343.574.94.557.485.33.167.389.22.0

由老化試驗結(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、軟化點增值由不摻加時的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差逐漸降低，同時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

通常采用車轍試驗評價瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，車轍試驗是瀝青混合料試件在60℃、0.7MPa荷載作用下，測定試驗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)即動穩(wěn)定度來表示[14，15]。采用AC-13C中值級配進行試驗研究。不同復(fù)合改性方案下車轍試驗結(jié)果見表3。

表3 車轍試驗結(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

車轍試驗結(jié)果表明： 不摻加PPA，基質(zhì)瀝青混合料的動穩(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動穩(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動穩(wěn)定度已經(jīng)與4.5%SBS改性瀝青混合料相當，而1.0%PPA+3.5%SBS改性瀝青混合料的動穩(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，試驗時采用單點加載方式，支點間距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)變指標來評價瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗結(jié)果見表4。

低溫彎曲試驗結(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PPA摻量增加到1%時復(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為PPA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 低溫彎曲試驗結(jié)果Table4 Low-temperaturebendtestresults混合料類型抗彎拉強度/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

采用凍融劈裂試驗評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性，以凍融劈裂強度比作為評價指標，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(T0716-2011)試驗要求進行凍融劈裂試驗，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疲勞試驗對不同復(fù)合改性瀝青混合料的疲勞性能進行了研究。APA疲勞試驗屬于室內(nèi)模擬加速試驗，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試驗臺上，在某一恒定溫度下保溫一定時間之后，開始進行試驗。試驗過程模擬道路實際受力狀態(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尺寸制備標準試樣。

② 試驗溫度。

APA疲勞試驗的實驗溫度采用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 鋼輪運行頻率以及軸載。

采用APA試驗儀器固定的試驗頻率50 Hz，軸載250 LB。

④ 試驗終止條件。

APA疲勞試驗，程序默認試驗終止條件有兩種： 一、當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，試驗程序就判定試件產(chǎn)生破壞或者斷裂，試驗停止。二、 當試驗次數(shù)達到預(yù)先設(shè)定的50000次時試驗停止。

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

表6 APA疲勞實驗結(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疲勞試驗過程中規(guī)定達到50000次即停止試驗，那么結(jié)合試驗過程中發(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)也同樣達到了50000次，而且疲勞破壞時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

[文獻標識碼]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