聚合磷酸改性瀝青及其混合料性能研究

仝佳

(山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西 太原 030031)

1 前言

中國道路建設(shè)經(jīng)驗表明，瀝青路面的使用期限要遠(yuǎn)小于設(shè)計使用期限。其原因主要有兩個方面：① 普通的瀝青混合料其性能不能滿足長期疲勞作用，以及各種外界因素的干擾，如雨水、地震等；② 現(xiàn)代社會的快速發(fā)展，其道路交通量日益繁重，通行的重載車輛逐漸增多，使得普通瀝青路面達(dá)不到預(yù)計使用年限。鑒于此，為延長瀝青路面的使用年限，中國國內(nèi)采用一些聚合物改性瀝青。

用于改性瀝青的改性劑大多數(shù)為聚合物，種類各異的聚合物，其制備的改性瀝青以及混合料性能也不一樣。但現(xiàn)在聚合物的使用也存在一些不足之處，比如：聚合物價格本身比較貴，一般添加劑量為2.5%以上，改性效果才能比較明顯；聚合物改性瀝青，其瀝青不與聚合物本身發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，只是物理混合，儲存時間長久后，容易發(fā)生離析。與聚合物改性瀝青不同，聚合磷酸能夠促使瀝青之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，能夠增強(qiáng)改性瀝青及其混合料的各方面性能。該文通過研究聚合磷酸對改性瀝青及其混合料性能的作用效果，為聚合磷酸改性瀝青及其混合料的使用推薦合理的參數(shù)。

2 試驗方法與原材料

2.1 試驗方法

添加劑原材料聚合磷酸中H3PO4含量為105%，采用浸水Marshall試驗、老化試驗和車轍試驗，對比研究聚合磷酸在不同添加劑量作用下，對克拉瑪依70#瀝青、70#A級道路石油瀝青和弘潤70#瀝青及混合料的各方面性能作用效果。在室溫條件下，聚合磷酸是一種無色透明黏稠狀液體，流動性能較差，因此在與瀝青拌和之前，需要利用烘箱加熱至55 ℃，然后再進(jìn)行拌和。聚合磷酸的添加劑量為聚合磷酸的質(zhì)量與瀝青的質(zhì)量之比。先將基質(zhì)瀝青加熱到160 ℃，進(jìn)行脫水，然后將加熱好的聚合磷酸，按照試驗預(yù)計比例加入其中，并攪拌均勻，攪拌時間為(25±1) min。將制備好的聚合磷酸改性瀝青再與集料進(jìn)行拌和。

試驗油石比均采用4.4%，級配采用AC-20C。

2.2 原材料技術(shù)指標(biāo)

(1) 聚合磷酸

聚合磷酸為無色透明黏稠狀液體，P2O5含量為75.8%，密度為1.942 g/cm3，沸點為310 ℃。

(2) 瀝青材料

克拉瑪依70#瀝青、70#A級道路石油瀝青、弘潤70#瀝青檢測結(jié)果分別見表1、2。

表1 克拉瑪依70#瀝青檢測結(jié)果

表2 70#A級道路石油瀝青、弘潤70#瀝青檢測結(jié)果

(3) 集料與礦粉

集料與礦粉檢測指標(biāo)如表3～5所示。

(4) 礦料級配

礦料級配檢測指標(biāo)如表6所示。

表3 粗集料技術(shù)指標(biāo)

表4 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 水穩(wěn)定性試驗結(jié)果與分析

為檢測添加聚合磷酸材料的瀝青混合料水穩(wěn)定性能。采用浸水Marshall試驗，研究不同添加劑量的聚合磷酸對克拉瑪依70#瀝青、70#A級道路石油瀝青和弘潤70#瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響。Marshall殘留穩(wěn)定度如圖1所示。

表5 礦粉技術(shù)指標(biāo)

表6 AC-20C級配組成 %

圖1 殘留穩(wěn)定度與聚合磷酸添加劑量的關(guān)系

由圖1可知:未添加聚合磷酸材料的瀝青混合料，其試件的Marshall殘留穩(wěn)定度均滿足≥85%的要求。克拉瑪依70#瀝青混合料、70#A級道路石油瀝青混合料、弘潤70#瀝青混合料中聚合磷酸的最佳添加劑量分別為1.25%、1.00%、1.00%。3種不同的瀝青混合料，在最佳聚合磷酸添加劑量條件下，其試件的水穩(wěn)定性能依次為：克拉瑪依70#改性瀝青混合料>弘潤70#改性瀝青混合料>70#A級道路石油改性瀝青混合料。3種瀝青混合料Marshall殘留穩(wěn)定度的提高速率先升高后降低，這是因為聚合磷酸在瀝青混合料的拌和過程中，促使瀝青之間發(fā)生化學(xué)接枝反應(yīng)和關(guān)聯(lián)反應(yīng)等，使瀝青混合料形成整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而提高改性瀝青混合料的Marshall殘留穩(wěn)定度。當(dāng)聚合磷酸添加劑量達(dá)到一定值時，改性瀝青的表面自由能下降，此時聚合磷酸改性效果就會下降，導(dǎo)致Marshall殘留穩(wěn)定度的提高速率大大降低。

3.2 抗老化性試驗結(jié)果與分析

采用Marshall試驗，以Marshall試件的劈裂強(qiáng)度比為檢測指標(biāo)，研究不同聚合磷酸添加劑量下，拌和改性瀝青混合料老化前后，3種試驗瀝青混合料的性能?；旌狭习韬秃靡院?，放入160 ℃的烘箱中45 min，進(jìn)行老化。隨后再進(jìn)行試件成型，檢測試件的各項指標(biāo)。試件老化前后的劈裂強(qiáng)度比如圖2所示。

圖2 劈裂強(qiáng)度比與聚合磷酸添加劑量的關(guān)系

由圖2可知：瀝青混合料老化后，由于試件硬度增加，導(dǎo)致試件老化前后的劈裂強(qiáng)度比增大，其數(shù)值越大，說明其老化越嚴(yán)重。3種不同改性瀝青混合料，其試件的劈裂強(qiáng)度比均隨著聚合磷酸添加劑量的增加而逐漸減小，說明聚合磷酸能夠有效提高試件的抗老化能力。并且降低速度越快，效能越好?？死斠?0#瀝青混合料、70#A級道路石油瀝青混合料、弘潤70#瀝青混合料中聚合磷酸的最佳添加劑量分別為1.25%、1.00%、1.25%。3種瀝青混合料老化前后的劈裂強(qiáng)度比的降低速率先升高后降低。

3.3 高溫穩(wěn)定性試驗結(jié)果與分析

采用車轍試驗，以試件動穩(wěn)定度為檢測指標(biāo)，研究不同聚合磷酸添加劑量下，3種混合料試件的性能。按照規(guī)范要求進(jìn)行車轍試驗，其動穩(wěn)定度如圖3所示。

圖3 動穩(wěn)定度與聚合磷酸添加劑量的關(guān)系

由圖3可知：3種混合料試件的動穩(wěn)定度隨聚合磷酸摻量的增加而逐漸增大，說明聚合磷酸能夠有效提高試件的高溫性能?？死斠?0#瀝青混合料、70#A級道路石油瀝青混合料、弘潤70#瀝青混合料中聚合磷酸的最佳添加劑量分別為1.25%、1.25%、1.00%。3種不同的瀝青混合料，聚合磷酸在最佳添加劑量條件下，其試件的高溫性能最優(yōu)的是弘潤70#改性瀝青混合料，動穩(wěn)定度性能類似于試件的Marshall殘留穩(wěn)定度。

4 結(jié)論

(1) 聚合磷酸能夠有效提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性、抗老化性能和高溫性能。

(2) 添加聚合磷酸的克拉瑪依70#瀝青混合料，在添加劑量為1.25%時，試件的殘留穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度比和動穩(wěn)定度均達(dá)到最優(yōu)性能。

(3) 添加聚合磷酸的弘潤70#瀝青混合料，在摻量為1.00%時，試件的殘留穩(wěn)定度增長率和動穩(wěn)定度增長率達(dá)到最大值；在摻量為1.25%時，試件的劈裂強(qiáng)度比降低率達(dá)到最大值。

(4) 在多雨地區(qū)，瀝青路面建議采用克拉瑪依70#瀝青，且聚合磷酸的添加劑量為1.25%；在夏季高溫或者交通量較大的路段，建議采用弘潤70#瀝青，且聚合磷酸摻量為1.00%。