PPA/SBR復合改性瀝青混合料性能試驗研究

何方超

(河北交規(guī)院瑞志交通技術咨詢有限公司 石家莊市 050000)

0 引言

隨著經濟水平的提高，交通量日益增長，對于瀝青路面的性能提出了更高要求，尤其是重載和超載車輛的增多，導致瀝青路面過早地出現(xiàn)一系列病害。目前高等級瀝青路面主要是采用SBS、SBR或廢膠粉等高分子材料進行聚合物改性以增強瀝青的各方面性能，并得到了良好的應用。但在實際應用過程中也出現(xiàn)了很多的問題，如改性劑與基質瀝青相容性不好導致儲存穩(wěn)定性差或改性劑用量大導致成本過高等問題。在專家及研究學者不斷地研究中發(fā)現(xiàn)，存在部分價格低廉的改性劑在與瀝青發(fā)生改性的過程中可以重新生成穩(wěn)定的化學鍵或者基團，能夠改善改性瀝青高低溫性能和耐久性能，并且彌補改性瀝青儲存穩(wěn)定性不足等問題[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瀝青的相容性方面具有明顯優(yōu)勢，它主要是磷酸分子間通過一系列脫水交聯(lián)得到的一種無機酸，目前美國約有18%的瀝青面層中采用了多聚磷酸改性瀝青，應用效果良好，而國內對于多聚磷酸在改性瀝青中的研究應用尚在起步階段，目前對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配制備復合改性瀝青，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計

(1)原材料性能

粗集料采用玄武巖，細集料采用石灰?guī)r，填料采用石灰?guī)r磨細后的礦粉，經檢測，各項技術指標都滿足規(guī)范要求；基質瀝青采用西安某瀝青公司生產的70號A級道路石油瀝青，其技術指標見表1；選用磷酸含量為115%的多聚磷酸，其五氧化二磷含量為84%，是一種無色粘性液體；丁苯橡膠選用30～40目，其外觀呈白色粉末狀，抗拉強度為29MPa，伸長率為300%。

表1 道路石油瀝青70號A級技術指標

(2)復合改性瀝青制備

首先將基質瀝青置于135℃烘箱中加熱至熔融流動狀態(tài)，然后稱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攪拌均勻，然后采用高速剪切機以3500r/min的速率剪切30min，整個過程中將溫度控制在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復合改性瀝青制備。

(3)混合料配合比設計

選用連續(xù)型密級配瀝青混合料AC-16級配中值作為研究混合料性能的設計級配，其級配組成見表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，分別測試馬歇爾試件的物理力學性能指標，結果見表3。

表2 AC-16礦料級配表

表3 SBR/PPA復合改性瀝青混合料物理力學指標

通過各指標值與油石比的關系曲線，并考慮密度、穩(wěn)定度最大值和目標空隙率、飽和度中值等因素，得到SBR/PPA復合改性瀝青混合料的最佳油石比為5.13%，同理可得到基質瀝青、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

目前國內外用于評價瀝青混合料高溫性能的試驗方法比較多，主要是馬歇爾試驗、單軸或三軸壓縮試驗、小型加速加載試驗MMLS及(漢堡)車轍試驗等，其中加速加載試驗更接近于瀝青路面的實際運營狀態(tài)，其次車轍試驗也較為符合現(xiàn)場實際路面受力狀態(tài)[6]。由于試驗設備條件受限，采用車轍試驗對SBR/PPA復合改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性進行試驗研究，試驗溫度為60℃，試驗結果見表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>基質瀝青，單摻1.0%PPA的改性瀝青混合料動穩(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不變時隨著PPA用量增大，動穩(wěn)定度值不斷提高，1.5%PPA+3.5%SBR對應的動穩(wěn)定度相對于3.5%SBR提高了51%，由此可見改性劑SBR和PPA都可一定程度地改善瀝青混合料的高溫抗車轍能力，但單摻一種改性劑時PPA的效果更顯著，同時兩種改性劑復摻時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，由于瀝青路面內外形成較大溫差而引起收縮應力，當這種應力來不及松弛而超過材料自身所能承受的最大應力時便會發(fā)生縮裂，嚴重影響了瀝青路面的使用壽命[7]。為了研究SBR/PPA復合改性瀝青混合料的低溫抗裂性，將室內成型的300mm×300mm×50mm車轍板試件用切割機制成250mm×35mm×30mm的小梁試件，利用MTS萬能材料試驗機在-10℃環(huán)境箱中進行測試，試驗結果整理如表5。

從表5數據可以發(fā)現(xiàn)，相對于基質瀝青而言，單摻3.5%SBR對應的破壞應變增加了38%，彎曲勁度模量減小了21%，而單摻1.0%PPA的破壞應變卻減小了13%，彎曲勁度模量增加了5%。在SBR用量為3.5%時隨著PPA用量從0增加到1.5%的過程中，破壞應變一直在減小，彎曲勁度模量在持續(xù)增加，且在1.5%PPA時破壞應變、彎曲勁度模量已然小于或接近于基質瀝青，說明SBR能夠提高瀝青混合料的低溫抗裂性，但改性劑PPA會對混合料的低溫性能產生不利影響，可以看出當兩種改性劑復配時SBR能夠有效彌補PPA在低溫性能方面的不足，因此在SBR和PPA復配時PPA的摻量不宜太高，宜在1.0%以下。

表5 低溫小梁彎曲試驗結果

(3)水穩(wěn)定性

隨著雨水滲入瀝青路面結構內部后，在車輛荷載和動水壓力的持續(xù)作用下，礦料表面的瀝青薄膜在反復沖擊作用下逐漸剝落，脫離了粘結性的集料成為松散狀態(tài)，路面逐漸形成坑槽，影響行車安全[8]。目前國內關于水穩(wěn)定性的試驗方法有浸水車轍或漢堡車轍水浴試驗、浸水劈裂強度試驗、浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗等，本文采用浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗作為SBR/PPA復合改性瀝青混合料抗水損害性能的評價依據，以浸水前后或凍融前后的殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強度比為評價指標，其計算結果見表6。

表6 浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗結果

從表6試驗結果可看出，SBR和PPA兩種改性劑無論是單摻或復摻，其殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂殘留強度比都比基質瀝青高很多，在兩種改性劑分別單摻時1.0%PPA對應的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比相對于3.5%SBR都要略低一些，當SBR和PPA復摻時隨著PPA用量的增大，其殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比均逐漸增大，且在1.5%PPA+3.5%SBR時達到最大，同時可發(fā)現(xiàn)在PPA用量大于1.0%后都要比任一種改性劑單摻時高，說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，同時兩種改性劑復配后的效果更顯著。

(4)抗疲勞性能

為了進一步探討SBR/PPA復合改性瀝青混合料的疲勞特性，利用MTS萬能材料試驗機并采用四點彎曲疲勞試驗方法進行研究，試驗采用應力控制模式進行加載，應力比選擇0.5，以疲勞壽命次數作為評價依據，試件尺寸為250mm×40mm×40mm，是以車轍板經切割而成，試驗結果見表7所示。

表7 四點彎曲疲勞試驗結果

從表7可以看出，六種瀝青混合料疲勞壽命次數大小順序為1.5%PPA+3.5%SBR>1.0%PPA+3.5%SBR>0.5%PPA+3.5%SBR>1.0%PPA>3.5%SBR>基質瀝青，摻加了3.5% SBR或1.0%PPA后的基質瀝青疲勞壽命次數分別增加了36%、46%，在SBR為3.5%時隨著PPA摻量的增加，疲勞壽命次數呈現(xiàn)大幅度增長趨勢，說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，但在SBR與PPA復摻時的效果更顯著。

3 結論

通過將SBR與PPA兩種改性劑復摻制備復合改性瀝青，并在此基礎上制備不同改性劑或摻量的瀝青混合料進行了一系列室內試驗研究，主要得出以下幾點結論：

(1)車轍試驗結果表明，六種改性瀝青混合料動穩(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>基質瀝青，PPA在提高混合料高溫性能方面更有優(yōu)勢，且兩種改性劑復合后進一步增強了混合料的抗車轍能力。

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

(3)從殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂殘留強度比數據發(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，同時兩者復合后的效果最顯著。

(4)四點彎曲疲勞試驗結果表明，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，且復摻時的效果更明顯。