PPA/SBS復(fù)合改性瀝青及其混合料路用性能研究

文翰程

摘要：為研究PPA（多聚磷酸）/SBS復(fù)合型瀝青混合料路面性能，文章提出了PPA/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的原材料選擇和混合料設(shè)計(jì)方案，并通過瀝青混合料高溫、低溫及水穩(wěn)試驗(yàn)分別對(duì)比分析了基質(zhì)瀝青混合料、SBS單一改性瀝青混合料及PPA/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能。研究結(jié)果表明：相比于基質(zhì)瀝青，單一摻加SBS改性劑均能提高瀝青混合料的高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)定性，而在SBS改性瀝青基礎(chǔ)上再摻加PPA可以進(jìn)一步提升瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，且在一定范圍內(nèi)隨著多聚磷酸摻量的增加其混合料高溫穩(wěn)定性越高，但對(duì)混合料的低溫性能和水穩(wěn)定性沒有顯著影響。

關(guān)鍵詞：PPA;SBS;復(fù)合改性瀝青;瀝青混合料;路用性能

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)交通運(yùn)輸工程事業(yè)發(fā)展迅猛，為了不斷滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的出行需求，我國(guó)進(jìn)行了大規(guī)模的公路建設(shè)，截至2018年年底，全國(guó)高速公路總里程已突破14.26萬(wàn) km，位居世界第一[1]。我國(guó)95%高速公路路面采用的是瀝青路面，瀝青路面具有耐磨、耐高溫等特點(diǎn)，且具備極高的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。目前，隨著公路交通量和車輛軸載的持續(xù)增加，高速公路路面會(huì)出現(xiàn)許多早期病害，其中包括路面車轍、坑槽、裂縫等，嚴(yán)重影響了行車舒適性和安全性[2]。

為了改善瀝青路面的使用性能，現(xiàn)階段通常會(huì)選用一些聚合物作為改性劑以改善瀝青路面中所用瀝青的性能，如多聚磷酸、SBS、橡膠粉等，可以有效改善瀝青路面的病害問題。目前國(guó)內(nèi)以SBS改性瀝青為主，然而SBS改性瀝青在實(shí)際使用過程中其性能有時(shí)會(huì)差強(qiáng)人意，且其制備工藝原理為物理改性，制備過程較為復(fù)雜，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，需要專門的制備設(shè)備，同時(shí)SBS改性劑的價(jià)格昂貴，在瀝青中添加量較大，會(huì)極大增加施工成本[3]。而PPA的價(jià)格遠(yuǎn)低于SBS，在SBS改性瀝青中添加適量PPA，可以減少SBS改性劑摻量，提高瀝青制備效率，在降低施工成本的同時(shí)能更有效地提高瀝青的性能。本文通過SBS和PPA兩種改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，重點(diǎn)研究SBS/PPA復(fù)合改性瀝青混合料的級(jí)配和油石比設(shè)計(jì)，同時(shí)比較基質(zhì)瀝青混合料、SBS單一改性瀝青混合料及SBS/PPA復(fù)合改性瀝青混合料三種混合料的路用性能，為實(shí)際工程的應(yīng)用提供理論參考。

1 原材料與級(jí)配設(shè)計(jì)

1.1 原材料

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）對(duì)本文中的瀝青、集料進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，并根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40-2004）對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的有效性進(jìn)行判定，經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果滿足規(guī)范要求。

1.1.1 基質(zhì)瀝青

本實(shí)驗(yàn)所使用的基質(zhì)瀝青為埃索70#A級(jí)道路石油瀝青，其各項(xiàng)性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

1.1.2 集料

本實(shí)驗(yàn)選擇石灰?guī)r作為粗、細(xì)集料，其粗、細(xì)集料和填料的各項(xiàng)性能檢測(cè)結(jié)果分別如表2～4所示。

1.1.3 改性劑

本試驗(yàn)采用南京試劑公司生產(chǎn)的PPA（多聚磷酸）試劑和1301（YH791）SBS改性劑，其各項(xiàng)主要技術(shù)性能分別如表5、表6所示。

1.2 瀝青混合料設(shè)計(jì)

1.2.1級(jí)配設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用AC-13型瀝青混合料，借鑒美國(guó)俄亥俄州和我國(guó)規(guī)范推薦的級(jí)配范圍，公稱最大粒徑13.2 mm通過率上限為100%，下限為90%。根據(jù)變K法計(jì)算粗集料設(shè)計(jì)級(jí)配范圍上限時(shí)取0.85，設(shè)計(jì)級(jí)配范圍下限時(shí)取0.56，而細(xì)集料設(shè)計(jì)級(jí)配范圍上限時(shí)取0.86，下限時(shí)取0.55，通過分析不同K值對(duì)應(yīng)粗、細(xì)集料級(jí)配的貫入荷載值變化，確定粗、細(xì)集料最佳集料比例。其粗、細(xì)集料不同K值對(duì)應(yīng)級(jí)配貫入荷載值如圖1、圖2所示。

由圖1、圖2可知，粗、細(xì)集料K值分別為0.75和0.76時(shí)對(duì)應(yīng)級(jí)配貫入荷載值最大，因此粗、細(xì)集料分別選用K值為0.75和0.76時(shí)所對(duì)應(yīng)的集料級(jí)配。另外，根據(jù)以往研究成果，AC-13粗、細(xì)集料比值為60/40時(shí)混合料性能最佳，經(jīng)計(jì)算可得瀝青混合料設(shè)計(jì)級(jí)配如表7所示。

1.2.2 最佳油石比設(shè)計(jì)

本文取炎熱區(qū)重載交通馬歇爾試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)空隙率為4.8%，每個(gè)油石比馬歇爾試驗(yàn)平行試驗(yàn)均設(shè)置為4個(gè)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果取平均值。其試驗(yàn)結(jié)果如表8～9所示。

2.1 抗水損害性能

水損害是瀝青路面主要病害之一，其產(chǎn)生的主要原因?yàn)闉r青路面在受到行車軸載和水凍融循環(huán)的共同作用下，結(jié)合瀝青路面空隙內(nèi)的水分循環(huán)抽吸作用，使得水分逐漸進(jìn)入瀝青和集料當(dāng)中，從而降低瀝青粘結(jié)性，造成混合料表面松散、剝落現(xiàn)象，最終形成路面坑槽等病害。室內(nèi)對(duì)混合料水穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)一般由浸水條件下的力學(xué)性能來(lái)反映[4]，目前評(píng)價(jià)方法主要有兩大類：一類為將表面裹覆瀝青的集料置于溫水中浸泡，以瀝青從集料表面的脫落程度為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn);另一類以浸水或凍融后的混合料試件穩(wěn)定度為評(píng)價(jià)指標(biāo)。本文以浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)混合料水穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

由表10的數(shù)據(jù)可知：

（1）單一摻加SBS改性劑可以提高瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度，在單一SBS改性瀝青基礎(chǔ)上摻入1.0%和1.5%PPA后其混合料的馬歇爾穩(wěn)定度會(huì)進(jìn)一步得到提升，且隨著PPA的增加，混合料的馬歇爾穩(wěn)定度更高。針對(duì)殘留穩(wěn)定度指標(biāo)可知，單一摻加SBS改性劑可以提高混合料的水穩(wěn)定性，但摻入1.0%和1.5%PPA后其混合料的殘留穩(wěn)定度降低，則表示PPA對(duì)混合料的水穩(wěn)定性沒有改善作用。在三種瀝青混合料中，基質(zhì)瀝青混合料水穩(wěn)定性最差，SBS/PPA復(fù)合改性瀝青混合料次之，SBS單一改性瀝青混合料水穩(wěn)定性最佳。

（2）對(duì)于凍融劈裂試驗(yàn)，單一SBS改性劑的加入可顯著提高混合料的凍融劈裂比，且在一定范圍內(nèi)隨著摻量的增加抗水損害性能不斷得到提高，但PPA改性劑的進(jìn)一步加入使其混合料的凍融劈裂值降低，且隨著PPA摻量的增加，凍融劈裂值逐漸降低。說明單一SBS可有效改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性，而PPA沒有提高水穩(wěn)定性的作用，PPA/SBS的復(fù)配作用反而會(huì)降低混合料的水穩(wěn)定性。因此，SBS具有良好的改善混合料抗水損害性能，而PPA會(huì)略降低混合料的水穩(wěn)定性。

2.2 高溫穩(wěn)定性

瀝青路面在高溫環(huán)境中長(zhǎng)期承受行車荷載會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形現(xiàn)象，嚴(yán)重的更會(huì)產(chǎn)生路面永久變形，如何有效地提高混合料粘聚力是提高瀝青混合料高溫性能的一個(gè)重要出發(fā)點(diǎn)[5]。目前常通過提高瀝青稠度和瀝青與集料之間的粘附性等改善其高溫性能，而評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性主要有車轍試驗(yàn)、馬歇爾試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)等室內(nèi)試驗(yàn)。本文采用傳統(tǒng)車轍試驗(yàn)和漢堡車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)混合料的高溫穩(wěn)定性，其試驗(yàn)結(jié)果如表11所示。

由表11的數(shù)據(jù)結(jié)果可知：

針對(duì)SBS單一改性瀝青混合料，隨著SBS摻量的增加，SBS改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度逐漸增加;而PPA/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均大于基質(zhì)瀝青和SBS單一改性瀝青混合料，且在SBS改性瀝青的基礎(chǔ)上，隨著多聚磷酸摻量的增加，PPA/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度進(jìn)一步得到增大。

對(duì)于漢堡車轍試驗(yàn)，70#基質(zhì)瀝青在20 000次荷載碾壓的作用下試件發(fā)生破壞，說明70#基質(zhì)瀝青高溫穩(wěn)定性不良，而單一SBS改性瀝青和SBS/PPA復(fù)合改性瀝青試件均未發(fā)生破壞，且變形量遠(yuǎn)低于12.7 mm，說明SBS、PPA改性劑的加入可大幅度地提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。同時(shí)，SBS/PPA復(fù)合改性瀝青漢堡變形量最小，PPA摻量的增加會(huì)使高溫穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提高，這主要是因?yàn)镾BS改性劑主要改善瀝青的彈性變形恢復(fù)能力，而PPA主要提高基質(zhì)瀝青的黏度，對(duì)彈性變形恢復(fù)能力作用不大，兩者的復(fù)配可進(jìn)一步提高瀝青的高溫性能。由此可知，SBS、PPA均能改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，而SBS/PPA復(fù)合改性瀝青體現(xiàn)出更好的高溫性能。

2.3 低溫抗裂性

瀝青混合料的低溫抗裂性能是評(píng)價(jià)瀝青混合料路用性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。瀝青路面的大多數(shù)裂縫均存在于低溫荷載環(huán)境下，進(jìn)而造成路面的低溫破壞。目前國(guó)家常用于低溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的有直接拉伸試驗(yàn)、間接拉伸試驗(yàn)、小梁低溫彎曲破壞試驗(yàn)以及彎曲蠕變?cè)囼?yàn)。本文采用小梁低溫彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)混合料的低溫抗裂性，其試驗(yàn)結(jié)果如表12所示。

由表12的數(shù)據(jù)可知：

五組摻配組合下的瀝青混合料中，SBS單一改性瀝青混合料的彎拉應(yīng)變最大，且隨著摻量的增加混合料低溫性能進(jìn)一步得到提高。[JP4]而在3.5%SBS改性瀝青的基礎(chǔ)上，PPA改性劑的加入會(huì)降低瀝青混合料的低溫性能，且隨著PPA摻量的增加，瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變會(huì)出現(xiàn)較大幅度的降低，但仍優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青，說明瀝青混合料低溫性能對(duì)PPA較為敏感，PPA改性劑的加入會(huì)顯著降低瀝青混合料的低溫抗裂性能。

3 結(jié)語(yǔ)

為充分了解PPA/SBS復(fù)配作用下的性能變化，本文在SBS改性瀝青的基礎(chǔ)上，對(duì)PPA/SBS復(fù)合改性瀝青及其混合料路用性能進(jìn)行詳細(xì)研究，提出PPA/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的原材料選擇和混合料設(shè)計(jì)，并通過瀝青混合料高溫、低溫及水穩(wěn)試驗(yàn)分別對(duì)比分析了基質(zhì)瀝青混合料、SBS單一改性瀝青混合料及PPA/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能，認(rèn)為PPA/SBS復(fù)合改性能更好地提高混合料的高溫穩(wěn)定性，且在一定范圍內(nèi)隨著多聚磷酸摻量的增加混合料高溫穩(wěn)定性越高，但多聚磷酸的摻入對(duì)混合料的低溫性能和水穩(wěn)定性沒有顯著影響。

參考文獻(xiàn)：

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