多聚磷酸對瀝青混合料性能影響研究

鄭德齋 宋曉新

摘要： 文章針對多聚磷酸的特性，研究不同的多聚磷酸摻量對瀝青混合料路用性能的影響。結(jié)果表明， 隨著多聚磷酸摻量的增加，改性瀝青混合料的高溫性能有了明顯改善，而水穩(wěn)定性和低溫抗裂性等路用性能有一定的劣化作用。因此，當(dāng)多聚磷酸作為單一改性劑進(jìn)行使用時(shí)，多聚磷酸摻量不應(yīng)超過1%，或者采用多聚磷酸與其它改性劑對瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，以提高改性瀝青的綜合性能。

【關(guān)鍵詞】多聚磷酸;高溫穩(wěn)定性;低溫抗裂性;水穩(wěn)定性

多聚磷酸為質(zhì)子酸，能溶解多種低分子及高分子有機(jī)化合物。在有機(jī)合成中用作失水劑、環(huán)化劑、酰化劑，是縮合、環(huán)化、重排、取代等反應(yīng)的催化劑或溶劑。近年來，由于多聚磷酸（PPA）能夠與基質(zhì)瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，采用多聚磷酸對瀝青進(jìn)行改性具有熱儲存穩(wěn)定性好、改性工藝簡單、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，因此PPA 復(fù)合改性瀝青的研究越來越受到學(xué)術(shù)界和工程界道路工作者的重視。

本文通過室內(nèi)試驗(yàn)， 研究不同摻量多聚磷酸對AC-20瀝青混合料的水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性等路用性能的影響規(guī)律。

1.原材料

本次研究中使用的基質(zhì)瀝青是茂名石化有限公司生產(chǎn)的70號A級東海瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。粗集料采用青島地區(qū)石灰?guī)r碎石，細(xì)集料采用機(jī)制砂，巖性為石灰?guī)r，礦粉采用石灰?guī)r磨成粉加工而成，經(jīng)檢測礦料的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范規(guī)定。多聚磷酸是一種無色透明粘稠狀液體，具有腐蝕性，屬二極無機(jī)酸性腐蝕物品。論文采用重慶川東化工（集團(tuán)）有限公司生產(chǎn)的工業(yè)級110%的多聚磷酸。相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

2.多聚磷酸改性瀝青試驗(yàn)方案

2.1多聚磷酸改性瀝青方案

論文采用不同的多聚磷酸摻量，研究瀝青及瀝青混合料的性能影響，PPA摻量（外摻）分別為0%、0.5%、1%、1.5%。通過改性瀝青的性能試驗(yàn)，來綜合評價(jià)多聚磷酸改性瀝青的路用性能。

2.2多聚磷酸改性瀝青制備過程

改性瀝青加工工藝：將稱量好的基質(zhì)瀝青脫水，加熱至 150℃左右將基質(zhì)瀝青放人烘箱加熱至融化，再加熱至恒溫160℃，開啟剪切機(jī)進(jìn)行攪拌，攪拌速度為3000r/min，攪拌的同時(shí)將稱量好的多聚磷酸緩慢加入基質(zhì)瀝青中，持續(xù)攪拌20min制得多聚磷酸改性瀝青，保證多聚磷酸能均勻的分散在瀝青中，從而完成多聚磷酸改性瀝青的制備。

3.混合料配合比設(shè)計(jì)

瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004），試驗(yàn)采用AC-20級配，如圖1所示。通過馬歇爾試驗(yàn)方法確定級配組成，瀝青混合料的最佳油石比采用4.7%。

4.多聚磷酸對瀝青混合料性能影響分析

4.1PPA改性瀝青混合料高溫性能

瀝青混合料在一定溫度下（60℃），可抵抗車輛荷載的反復(fù)作用，并在此溫度下不發(fā)生顯著永久變形，一定程度保證路面平整性的特性，這種特性這種特性被稱為瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。論文通過車轍試驗(yàn)表征多聚磷酸對瀝青混合料高溫性能的影響。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004），車轍板試模尺寸采用長300mm寬300mm厚50mm。車轍試驗(yàn)是常用的工程試驗(yàn)法。它可以模擬車輛輪胎在路面上滾動(dòng)，而形成事實(shí)車轍，每組采用3個(gè)試件進(jìn)行平行試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度為高溫60℃。試驗(yàn)輪以每分鐘42±1次的頻率，沿著試件表面在同一軌跡上反復(fù)行走，產(chǎn)生1mm車轍變形所需要的行走次數(shù)即為動(dòng)穩(wěn)定度，其公式為：

其中，DS為瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，次/min;t1、t2分別為試驗(yàn)時(shí)間，通常為45min和60min;d1、d2分別為時(shí)間t1和t2對應(yīng)的試件表面的變形量，mm;42為每分鐘行走次數(shù);c1、c2分別為試驗(yàn)機(jī)或試樣修正系數(shù)。

由圖2可以看出摻加多聚磷酸的改性瀝青混合料與基質(zhì)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度相比有很明顯的提高，當(dāng)PPA摻量達(dá)到了1.5%時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度較基質(zhì)瀝青提高了75.9%，說明加入多聚磷酸可以顯著的改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

4.2PPA改性瀝青混合料低溫抗裂性

瀝青路面的低溫開裂是路面破壞的主要形式之一。低溫開裂造成的裂縫給地表水創(chuàng)造了條件，地表水順著“水路”進(jìn)入到路面內(nèi)部，進(jìn)而將路基軟化，路面承載能力逐步下降，從而影響行車舒適性，大大縮短路面的使用壽命。為了避免問題的發(fā)生，可以根據(jù)相關(guān)規(guī)定，采用低溫彎曲試驗(yàn)的破壞應(yīng)變指標(biāo)阻止低溫裂縫的可能性。低溫彎曲破壞試驗(yàn)也是瀝青混合料低溫變形能力的常用方法之一。在試驗(yàn)溫度達(dá)到-10±0.5℃的條件下，以50mm/min的加載速率，對跨徑為200mm的瀝青混合料小梁試件（35mm×30mm×250mm）跨中施加集中荷載至斷裂破壞，并按式（2）計(jì)算最大彎拉應(yīng)變，PPA改性瀝青混合料低溫抗裂性試驗(yàn)研究結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出隨著PPA摻量的增加，破壞應(yīng)變逐漸減小，當(dāng)PPA摻量為1.5%時(shí)的破壞應(yīng)變?yōu)榛|(zhì)瀝青的94%，下降幅度比較大，說明多聚磷酸對瀝青混合料的低溫抗裂性起劣化作用，不宜使用在寒冷地區(qū)。

4.3PPA改性瀝青混合料水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性是瀝青混合料抵抗由于水侵蝕而逐漸產(chǎn)生瀝青模剝離、松散、坑槽等破壞的能力。水穩(wěn)定性差的瀝青混合料會在有水存在的情況下，會發(fā)生瀝青與礦料顆粒表面的局部分離，并逐漸形成坑槽，導(dǎo)致瀝青路面產(chǎn)生早期病害，根據(jù)我國《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004），進(jìn)行水穩(wěn)定性評價(jià)的試驗(yàn)方法有浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)兩種試驗(yàn)方法。PPA改性瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)研究結(jié)果如圖4和圖5所示。

從以上試驗(yàn)結(jié)果可以得出：隨著PPA 摻量的增加，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂比均有不同程度的下降，表明PPA對瀝青混合料的水穩(wěn)定性有一定的劣化作用，當(dāng)PPA 摻量增加到1% 時(shí)殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂比均降到了80%以下。因此從水穩(wěn)定性方面考慮，當(dāng)PPA 作為單一改性劑進(jìn)行使用時(shí)，摻量不應(yīng)超過1%，或者采取與其它改性劑共同對瀝青進(jìn)行復(fù)合改性。

5.結(jié)束語

（1）摻加多聚磷酸的改性瀝青混合料與基質(zhì)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度相比有很明顯的提高，當(dāng)PPA摻量達(dá)到了1.5%時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度較基質(zhì)瀝青提高了75.9%，說明加入多聚磷酸可以顯著的改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。（2）隨著PPA摻量的增加，破壞應(yīng)變逐漸減小，當(dāng)PPA摻量為1.5%時(shí)的破壞應(yīng)變?yōu)榛|(zhì)瀝青的94%，下降幅度比較大，說明多聚磷酸對瀝青混合料的低溫抗裂性起劣化作用，不宜使用在寒冷地區(qū)。（3）隨著PPA 摻量的增加，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂比均有不同程度的下降，表明PPA對瀝青混合料的水穩(wěn)定性有一定的劣化作用，當(dāng)PPA 摻量增加到1% 時(shí)殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂比均降到了80%以下。因此從水穩(wěn)定性考慮，當(dāng)PPA 作為單一改性劑進(jìn)行使用時(shí)，摻量不應(yīng)超過1%，或者與其它改性劑對瀝青進(jìn)行復(fù)合改性。

【參考文獻(xiàn)】

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