公路多聚磷酸復(fù)合改性瀝青應(yīng)用分析

＊王曉波

（東莞東交瀝青有限公司 廣東 523982）

引言

瀝青路面在我國(guó)公路中得到了普遍應(yīng)用，然而，傳統(tǒng)的瀝青路面容易受到環(huán)境的影響，導(dǎo)致路面發(fā)生軟化、龜裂等問題，因此，國(guó)內(nèi)許多公路采用了SBS改性瀝青以應(yīng)對(duì)相關(guān)狀況。但是，SBS改性瀝青具有成本高、工藝復(fù)雜、與基質(zhì)瀝青之間的交融性差等問題。多聚磷酸是目前大量應(yīng)用于瀝青的改性材料，通過發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，與SBS等高聚合物對(duì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，能夠有效解決以上問題。

1.多聚磷酸復(fù)合改性瀝青的制備

(1)材料選擇

在基質(zhì)瀝青的選擇過程中，對(duì)典型的路面工程用料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)90號(hào)基質(zhì)瀝青能夠更好地與多聚磷酸相適應(yīng)。為此，依照路面施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的材料技術(shù)指標(biāo)，選擇90號(hào)瀝青作為基質(zhì)瀝青。在SBS改性瀝青方面，本文選用的SBS顆粒為江蘇省某企業(yè)生產(chǎn)的線性顆粒。其中，灰分的含量為0.3%，嵌段比為35/75，拉伸的強(qiáng)度為16MPa。材料在扯斷后，其伸長(zhǎng)率為800%，永久變形35%。同時(shí)，本文亦加入了SBR改性劑作為對(duì)比材料。在多聚磷酸改性劑的選擇方面，此材料能夠按照磷酸的不同含量分為食品級(jí)多聚磷酸與工業(yè)級(jí)多聚磷酸。其中，磷酸含量處于100%到120%之間的多聚磷酸，能夠使瀝青路面的改性獲得最佳的效果，且成本相對(duì)較低。所以，本文選用四川省某企業(yè)生產(chǎn)的110%多聚磷酸開展后續(xù)的實(shí)驗(yàn)[1]。

(2)制備流程

多聚磷酸復(fù)合改性瀝青的制備流程主要如下文所述：首先，實(shí)驗(yàn)人員對(duì)基質(zhì)瀝青采取預(yù)熱操作，當(dāng)溫度達(dá)到165℃左右時(shí)，對(duì)其進(jìn)行均勻攪拌。攪拌15min后瀝青脫水，此時(shí)，將SBS瀝青改性劑、助劑等添加到基質(zhì)中。將剪切機(jī)設(shè)定為4000r/min，對(duì)材料進(jìn)行剪切。剪切1/2h后，加入磷酸含量為110%的多聚磷酸，并將剪切機(jī)設(shè)定為5000r/min，繼續(xù)剪切1/2h。最后，準(zhǔn)備烘箱，將溫度控制在穩(wěn)定的180℃，在其中放入瀝青。放置2h后，即可獲得基于SBS的多聚磷酸復(fù)合改性瀝青。

(3)多聚磷酸的摻量與油石比的確定

對(duì)相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)果進(jìn)行分析，可以看出多聚磷酸的產(chǎn)量處于1%左右，既能夠保證改性瀝青在實(shí)際路面的可用性，又節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本。就大多數(shù)路面工程而言，SBS添加劑在改性瀝青中添加的比例為5%左右，因此，本文考慮到大多數(shù)工程的實(shí)際情況與實(shí)際的成本情況，確定SBS改性劑的產(chǎn)量保持在3%。為了分析多聚磷酸產(chǎn)量對(duì)改性瀝青使用效果的影響，分別選用0%到2%之間五種摻和比的多聚磷酸復(fù)合改性瀝青開展實(shí)驗(yàn)，以確定多聚磷酸的最佳摻量，結(jié)果如表1所示。

表1 不同摻量的多聚磷酸對(duì)瀝青使用效果的影響

通過對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)，可以看出，隨著多聚磷酸摻量的增加，多聚磷酸復(fù)合改性瀝青的針入度方面與5℃瀝青延度方面的數(shù)據(jù)均處于降低狀態(tài)，而軟化溫度處于明顯的上升狀態(tài)，因此，多聚磷酸摻量的增加會(huì)使得瀝青的脆性提高，且低溫的性能降低，高溫的性能提高。同時(shí)，多聚磷酸摻量的增加會(huì)導(dǎo)致低溫性能降低的幅度逐漸增大。當(dāng)多聚磷酸復(fù)合改性瀝青老化后，隨著多聚磷酸摻量的增加，其在針入度方面、5℃瀝青延度方面、軟化溫度方面的數(shù)據(jù)均縮小了與老化前數(shù)據(jù)之間的差距，表明多聚磷酸的加入能夠減少瀝青的老化程度，多聚磷酸加入得越多，該方面的性能則越強(qiáng)。因此，對(duì)以上要素進(jìn)行系統(tǒng)性分析，本文認(rèn)為多聚磷酸的摻量應(yīng)在0.5%到1%的范圍內(nèi)。

在油石比的確定方面，本文采用馬歇爾實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行研究，首先，確定多聚磷酸的摻量為1%。其次，選擇3.0%到6.0%之間多種油石比對(duì)瀝青混合料進(jìn)行攪拌，并依照實(shí)驗(yàn)中的硬性規(guī)定，對(duì)混合料進(jìn)行正面與反面各75次擊實(shí)操作，確定4.4%為瀝青混合料中的最優(yōu)油石比。

2.多聚磷酸復(fù)合改性瀝青性能試驗(yàn)

(1)黏度實(shí)驗(yàn)

本文使用了在真空條件下的毛細(xì)管方法，對(duì)60℃條件下的基質(zhì)瀝青、1%多聚磷酸改性瀝青、3% SBR改性瀝青、SBS與多聚磷酸的復(fù)合改性瀝青、3% SBR改性瀝青、SBR與多聚磷酸的復(fù)合改性瀝青進(jìn)行動(dòng)力黏度的實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行記錄。經(jīng)過結(jié)果分析，可以發(fā)現(xiàn)在60℃的環(huán)境中，1%多聚磷酸改性瀝青的黏度為基質(zhì)瀝青的3.3倍，SBS或SBR與多聚磷酸的復(fù)合改性瀝青與3% SBS或3% SBR的改性瀝青在黏性方面有著明顯的提升，可以表明多聚磷酸能夠起到提升黏度的作用，并在高溫條件下，使瀝青的性能有所改善。同時(shí)，3% SBR改性瀝青與3% SBS改性瀝青在黏度方面相差不大，表明SBR在高溫條件下沒有對(duì)瀝青的性能起到改善作用[2]。

(2)重復(fù)蠕變實(shí)驗(yàn)

本文選用了動(dòng)態(tài)剪切流變儀作為重復(fù)蠕變實(shí)驗(yàn)的器材，實(shí)驗(yàn)人員在60℃的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，對(duì)儀器加載1s，之后卸載9s，并將該操作重復(fù)100次。實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)力為3000Pa左右，工作人員要在實(shí)驗(yàn)中對(duì)變形率、恢復(fù)率等數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看出，1%多聚磷酸改性瀝青與基質(zhì)瀝青相比，變形率有大幅度減小。同時(shí)，基質(zhì)瀝青的恢復(fù)率為10.1%，而1%多聚磷酸改性瀝青的恢復(fù)率僅為0.69%，可以看出，多聚磷酸改性瀝青具有較高的變形與恢復(fù)水平。同時(shí)，3% SBR改性瀝青、SBR與多聚磷酸的復(fù)合改性瀝青與其他瀝青進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)這兩種瀝青的變形速度與恢復(fù)速度更快，并且，在加載后的瞬時(shí)時(shí)間內(nèi)，3% SBR改性瀝青的變形率基本為SBS與多聚磷酸的復(fù)合改性瀝青的1.8到2倍。然而，到了8s左右，它們的變形率達(dá)到了相同的狀態(tài)。之后，3% SBR改性瀝青繼續(xù)恢復(fù)，而SBR與多聚磷酸的復(fù)合改性瀝青的恢復(fù)速度逐漸減小。經(jīng)過整體的加載與卸載的過程，3% SBR改性瀝青的恢復(fù)率為79.1%，SBR與多聚磷酸的復(fù)合改性瀝青的回復(fù)率為45.72%。因此，在高溫環(huán)境中，多聚磷酸提升瀝青的抗變形水平，主要作用在黏度的提升方面；而SBS在抗變形方面的主要作用為彈性的增強(qiáng)。最后，將3% SBR改性瀝青與SBR與多聚磷酸的復(fù)合改性瀝青進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在60℃的條件下，SBR沒有對(duì)瀝青起到明顯的改性作用。

3.多聚磷酸復(fù)合改性瀝青的應(yīng)用效果研究。

(1)多聚磷酸復(fù)合改性瀝青的耐低溫性

本文通過半圓彎拉的方式進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，對(duì)多聚磷酸復(fù)合改性瀝青在低溫環(huán)境中抗拉扯的能力進(jìn)行分析。具體來說，首先，裝置中的試件呈半圓形，在左下方、右下方、頂部分別設(shè)置圓棒，對(duì)實(shí)際路面的牽拉狀況進(jìn)行模擬，如圖1所示。在實(shí)驗(yàn)中，P為頂點(diǎn)、h為半圓裝置試件的半徑、S為左下方圓棒與右下方圓棒圓心之間的距離，且半圓試件的厚度為0.25mm，S=0.8×2h。

圖1 半圓彎拉實(shí)驗(yàn)裝置的構(gòu)成

在實(shí)驗(yàn)的過程中，使用疲勞實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)試件進(jìn)行測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)之前，分別降低試件本身的溫度至0℃與-10℃，保持3h。之后，加載疲勞試驗(yàn)裝置，速率為5cm/min，直到半圓形裝置試件被破壞。最后，實(shí)驗(yàn)人員要對(duì)試件破壞時(shí)所承受的荷載力、斷裂能的密度、拉扯的力度等進(jìn)行記錄。對(duì)表格進(jìn)行分析，如果在基質(zhì)瀝青中加入了1%比例的多聚磷酸，試件破壞的荷載力、拉扯力度、斷裂能的密度等數(shù)值均有所減少，0℃斷裂能的密度降低了44%，-10℃斷裂能的密度降低了45%。如果在SBS改性瀝青中加入了0.75%比例的多聚磷酸，則以上三種數(shù)值均得到了提升，0℃斷裂能的密度升高了7%，-10℃斷裂能的密度升高了6%。如果在SBR改性瀝青中加入了0.75%比例的多聚磷酸，以上數(shù)據(jù)也能夠得到明顯的提高，0℃斷裂能的密度升高了19%，-10℃斷裂能的密度升高了93%。由此可知，SBR多聚磷酸復(fù)合改性瀝青能夠有效提升在低溫環(huán)境中的抗拉扯能力[4]。

(2)多聚磷酸復(fù)合改性瀝青的耐高溫性

對(duì)于瀝青材料本身而言，其具有一定程度的分散性。如果環(huán)境溫度較高，瀝青則更偏向?yàn)轲ば猿潭容^低的膠結(jié)材料與具有一定強(qiáng)度的骨料組成的混合物質(zhì)。本文對(duì)在高溫條件下，多聚磷酸復(fù)合改性瀝青的抗剪切性能展開研究。在本試驗(yàn)中，基于瀝青的黏性與彈性方面的特性，選用了貫入式的剪切方式進(jìn)行研究，從而能夠更好地對(duì)瀝青的實(shí)際受力情況進(jìn)行分析。按照瀝青與瀝青混合料的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，本文采用通過擊實(shí)操作的馬歇爾試驗(yàn)件，在實(shí)驗(yàn)之前，將試驗(yàn)件置于60℃的高溫環(huán)境下，并保持該狀態(tài)3h。在實(shí)驗(yàn)的過程中，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行加載操作，速率保持在5cm/min。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員要及時(shí)記錄荷載力的最大值以及相應(yīng)的位移情況。結(jié)果的評(píng)價(jià)以應(yīng)力的強(qiáng)度進(jìn)行表示[5]。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，在瀝青加入多聚磷酸后，無論是基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、還是SBR改性瀝青在應(yīng)力的強(qiáng)度方面均有所提升，提升的程度分別為37%、83%、32%，因此，可以看出，多聚磷酸可以有效提升瀝青在高溫環(huán)境中的穩(wěn)定程度。結(jié)合之前的黏度實(shí)驗(yàn)與重復(fù)蠕變實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)SBS改性劑能夠明顯提升瀝青在彈性狀態(tài)下的變形能力與恢復(fù)能力，多聚磷酸與SBR能夠提升瀝青的黏性，沒有在彈性方面起到顯著的作用。因此，在高溫條件下，SBS高聚磷酸復(fù)合改性瀝青能夠有效提升瀝青的耐高溫性。

(3)多聚磷酸復(fù)合改性瀝青的抗疲勞性能

本文通過開展小梁疲勞實(shí)驗(yàn)的方式，對(duì)SBS多聚磷酸復(fù)合改性瀝青的抗疲勞應(yīng)用效果進(jìn)行分析。在本實(shí)驗(yàn)中，首先進(jìn)行三點(diǎn)加載，其次基于標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)流程，通過車輪碾壓的方式形成車轍試件，并將試件分割為4cm×4cm×25cm的規(guī)格。最后，對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行回歸分析，如式（1）所示。

其中，N1指的是試件受到損壞時(shí)，荷載力形成的次數(shù)；σ/σ0指的是水平與最初的應(yīng)力的比值；k，n分別為實(shí)驗(yàn)中的參數(shù)，并通過k評(píng)估抗疲勞性能，隨著k的增大，瀝青能夠具有更加優(yōu)秀的抗疲勞性能；n為瀝青對(duì)應(yīng)力的敏感程度，隨著n的增加，便代表著瀝青敏感程度的增加。

對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，當(dāng)瀝青中加入多聚磷酸之后，無論是基質(zhì)瀝青，還是加入了SBS或SBR的改性瀝青，其k值增加，n值減小，因此，多聚磷酸能夠有效地提升瀝青的抗疲勞水平。同時(shí)，SBS多聚磷酸復(fù)合改性瀝青的抗疲勞水平處于三者中首位。結(jié)合黏度實(shí)驗(yàn)，可以認(rèn)為多聚磷酸能夠提升瀝青的穩(wěn)定性能，加上其提升黏度的作用，使得瀝青能夠具有較高的抗疲勞水平。

4.結(jié)論

總而言之，本文通過多種實(shí)驗(yàn)，對(duì)多聚磷酸復(fù)合改性瀝青在公路中的應(yīng)用效果進(jìn)行了分析。多聚磷酸復(fù)合改性瀝青的各項(xiàng)基本數(shù)值均得到了優(yōu)化，且提升了貯存性能；多聚磷酸通過提升黏度的方式優(yōu)化瀝青的變形與恢復(fù)的水平；加入多聚磷酸后，瀝青的抗低溫性能與抗高溫性能均有所增加；通過加入多聚磷酸，還能夠改善瀝青的水穩(wěn)定性，提升瀝青的抗疲勞能力。