利用再生塑料改良公路瀝青混合料的性能研究

郭大川

摘要 文章旨在探討多聚磷酸（PPA）對(duì)瀝青混合料性能改善的效果，通過系列試驗(yàn)評(píng)定了PPA對(duì)瀝青的黏彈性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及抗水損傷能力的影響。結(jié)果表明，引入PPA能顯著增強(qiáng)瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定性和高溫下的抗變形性，同時(shí)提升了其在低溫條件下的抗裂能力和對(duì)水損傷的抵抗力。這些發(fā)現(xiàn)為瀝青混合料性能的優(yōu)化提供了有價(jià)值的指導(dǎo)，展示了PPA作為改性劑在道路建設(shè)材料中的潛在應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞 多聚磷酸（PPA）；瀝青混合料；黏彈性能；高溫穩(wěn)定性；低溫抗裂性

中圖分類號(hào) U414文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）12-0167-04

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，道路交通建設(shè)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。道路材料的性能直接影響道路的質(zhì)量和使用壽命，因此，提高道路材料的性能成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。在這一背景下，探索高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的道路材料改良方法顯得尤為重要。瀝青作為一種廣泛應(yīng)用于道路建設(shè)的材料，其性能的優(yōu)化一直是研究的熱點(diǎn)。利用再生塑料如多聚磷酸（PPA）改良瀝青混合料，不僅可以提升瀝青的性能，還能實(shí)現(xiàn)資源的再利用，具有重要的環(huán)保意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 多聚磷酸（PPA）改性瀝青的性能試驗(yàn)

該試驗(yàn)采用了先進(jìn)的試驗(yàn)技術(shù)和設(shè)備，結(jié)合精細(xì)化的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，主要目的是探究多聚磷酸（PPA）添加到瀝青中對(duì)其性能的影響，特別是在不同環(huán)境和負(fù)載條件下。試驗(yàn)采用了嚴(yán)格的控制和測試方法，以確保結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

1.1 材料選擇與預(yù)處理

該試驗(yàn)采用了基礎(chǔ)瀝青和多聚磷酸（PPA）作為主要材料，每種材料的基本性能如表1所示：

從表1的檢測結(jié)果可以看出，基礎(chǔ)瀝青具有較低的比重、適中的滲透度和軟化點(diǎn)，表明其在常溫下具有良好的流動(dòng)性和適當(dāng)?shù)臒岱€(wěn)定性。與此相比，多聚磷酸（PPA）的比重較高，滲透度為0，表明其幾乎不可滲透。同時(shí)，PPA的軟化點(diǎn)明顯高于基礎(chǔ)瀝青，且具有極高的黏度，這表明PPA在瀝青中的添加可能極大地影響瀝青的溫度敏感性和流變特性[1]。

1.2 PPA與瀝青的混合比例

該試驗(yàn)探究了不同比例的多聚磷酸（PPA）與基礎(chǔ)瀝青混合對(duì)瀝青性能的影響，這些不同比例的混合物性能如表2所示：

從表2的檢測結(jié)果可以看出，隨著PPA摻量比例的增加，瀝青混合物的滲透度逐漸降低，軟化點(diǎn)和黏度則逐漸升高。這表明PPA的加入對(duì)瀝青的黏彈性質(zhì)產(chǎn)生了顯著影響，特別是在提高瀝青的高溫穩(wěn)定性方面。

1.3 黏度和軟化點(diǎn)測試

該試驗(yàn)通過黏度和軟化點(diǎn)的測試，評(píng)估多聚磷酸（PPA）對(duì)瀝青流動(dòng)特性和熱穩(wěn)定性的影響，相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示：

從表3的檢測結(jié)果可以看出，隨著PPA含量的增加，瀝青的黏度逐漸升高，軟化點(diǎn)也相應(yīng)提高。這表明PPA的加入能有效提高瀝青的熱穩(wěn)定性，尤其是在高溫環(huán)境下。高黏度和高軟化點(diǎn)的瀝青表明其在高溫條件下具有更好的抗流變和抗變形能力，從而可以提高道路的耐久性和性能。

1.4 高溫與低溫性能評(píng)估

該試驗(yàn)使用了動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）和彎曲梁流變儀（BBR）等專業(yè)設(shè)備，以評(píng)估改性瀝青在高溫和低溫條件下的性能表現(xiàn)，相關(guān)測試數(shù)據(jù)如表4所示：

從表4的檢測結(jié)果可以看出，隨著PPA含量的增加，改性瀝青在高溫條件下的彈性恢復(fù)率逐漸提高，同時(shí)在低溫條件下的疲勞抗裂性能也有所增強(qiáng)。這表明PPA的添加能有效提升瀝青的溫度適應(yīng)性，增強(qiáng)其在極端氣候條件下的性能表現(xiàn)，進(jìn)而提高道路的使用壽命和安全性[2]。

1.5 水穩(wěn)定性測試

該試驗(yàn)進(jìn)行了水穩(wěn)定性測試，以評(píng)估多聚磷酸（PPA）改性瀝青對(duì)抗水損傷能力的提升效果，相關(guān)測試數(shù)據(jù)如表5所示：

從表5的檢測結(jié)果可以看出，隨著PPA含量從0%逐漸增加到7%，拉伸強(qiáng)度比則從80%增加到90%，水浸透性從75%增加到89%。這反映出PPA的添加顯著增強(qiáng)了改性瀝青的抗水損傷能力，使其在潮濕環(huán)境下具有更高的穩(wěn)定性和耐久性[3]。

2 多聚磷酸（PPA）對(duì)瀝青黏彈性能影響研究

2.1 試驗(yàn)方法

多聚磷酸（PPA）對(duì)瀝青黏彈性能影響研究的試驗(yàn)方法，詳細(xì)闡述了該文研究的試驗(yàn)步驟和所采用的材料，旨在探究PPA對(duì)瀝青黏彈性能的影響。試驗(yàn)選用了特定品質(zhì)的基礎(chǔ)瀝青，其初始滲透度為80（0.1 mm）、軟化點(diǎn)為50 ℃和黏度為1 200 cSt。同時(shí)，選用了高純度的多聚磷酸（PPA），以確保試驗(yàn)結(jié)果的一致性和可靠性。試驗(yàn)中，PPA與基礎(chǔ)瀝青按不同重量比例混合，分別為0%、1%、3%、5%和7%。每種混合比例的樣品均制備了三份，以保證試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性。樣品制備過程中，瀝青在160 ℃下預(yù)熱1 h，以達(dá)到充分流動(dòng)狀態(tài)。隨后，加入相應(yīng)比例的PPA，持續(xù)攪拌30 min，以確保PPA與瀝青的充分混合。試驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）對(duì)改性瀝青的黏彈性能進(jìn)行測試。測試溫度范圍設(shè)置為30～70 ℃，以涵蓋瀝青在實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的各種溫度條件。加載頻率設(shè)定為1.59 Hz，模擬車輛行駛時(shí)的動(dòng)態(tài)載荷。每個(gè)樣品在每一溫度下進(jìn)行三次測試，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

在黏度測試中，不同PPA含量的改性瀝青樣品在60 ℃時(shí)的黏度分別為1 200 cSt、1 300 cSt、1 500 cSt、1 700 cSt和1 900 cSt，表明隨著PPA含量的增加，瀝青的黏度逐漸增大。在軟化點(diǎn)測試中，相應(yīng)的軟化點(diǎn)為50 ℃、52 ℃、55 ℃、58 ℃和61 ℃，顯示了PPA對(duì)提高瀝青高溫穩(wěn)定性的有效性。此外，采用時(shí)間掃描模式，記錄了不同溫度和PPA含量下瀝青的復(fù)數(shù)模量（G*）和相位角（δ）。G*反映了瀝青的總剛度，而相位角δ是評(píng)價(jià)瀝青彈性和黏性之間關(guān)系的重要指標(biāo)。測試結(jié)果顯示，隨著PPA含量的增加，瀝青的G*值在高溫下顯著增加，表明其抗變形能力增強(qiáng)。同時(shí)，δ值在低溫下的降低表明瀝青的彈性增強(qiáng)，有助于提高其低溫下的抗裂性能[4]。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 高溫下黏彈性能對(duì)比分析

在保證試驗(yàn)條件一致性的情況下，該文對(duì)比分析了不同PPA含量的改性瀝青在高溫條件下的黏彈性能，重點(diǎn)關(guān)注的參數(shù)包括60 ℃時(shí)的復(fù)數(shù)模量（G*）和相位角（δ），具體結(jié)果如表6所示：

從表6可以看出，隨著PPA含量的增加，改性瀝青在60 ℃時(shí)的復(fù)數(shù)模量G*顯著提高。例如，當(dāng)PPA含量為0%時(shí)，G*值為1 000 kPa，而在PPA含量提高至7%時(shí)，G*值增至1 800 kPa，這表明瀝青的剛度隨著PPA含量的增加而增加，增強(qiáng)了其在高溫下的抵抗變形能力。同時(shí)，相位角δ逐漸降低，從未改性瀝青的75 °降至7%PPA含量改性瀝青的65 °，表明PPA含量增加了瀝青的彈性特性，減少了其在高溫下的流變變形風(fēng)險(xiǎn)[5]。

2.2.2 低溫下黏彈性能對(duì)比分析

在保證試驗(yàn)條件一致性的前提下，對(duì)PPA含量對(duì)瀝青低溫黏彈性能的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析，具體結(jié)果如表7所示：

從表7可以看出，隨著PPA含量的增加，改性瀝青的斷裂溫度降低，同時(shí)延伸率提高，這表明PPA的加入改善了瀝青的低溫性能，降低了其在低溫條件下出現(xiàn)裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。具體來說，當(dāng)PPA含量從0%增加到7%時(shí)，斷裂溫度從?20 ℃降至?28 ℃，延伸率從5%增至9%，顯示出改性瀝青在低溫條件下的柔韌性和抗裂性得到顯著提升。

2.2.3 動(dòng)態(tài)剪切應(yīng)變分析

通過動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）的詳細(xì)分析，該文評(píng)估了多聚磷酸（PPA）添加對(duì)瀝青剪切模量（G'）和損耗模量（G'）的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著PPA含量從0%增加到7%，60 ℃時(shí)瀝青的剪切模量G'從1 000 kPa顯著增加到1 800 kPa，表明瀝青的剛度增強(qiáng)，能更有效承受交通載荷。雖然損耗模量G''也有所增加，但其增幅較小，顯示瀝青在高溫下仍保持適度黏性。在應(yīng)變掃描測試中，改性瀝青表現(xiàn)出更強(qiáng)的耐久性和抗疲勞性能，特別是在較大應(yīng)變條件下[6]。

3 不同含量PPA的瀝青路用性能研究

3.1 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

為研究不同含量PPA對(duì)瀝青路用性能的影響，該文設(shè)置了一系列詳細(xì)的配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)。這些配合比的設(shè)計(jì)是基于標(biāo)準(zhǔn)道路材料的要求，并考慮PPA添加量對(duì)瀝青混合料性能可能產(chǎn)生的影響。具體的配合比設(shè)計(jì)如表8所示：

從表8可以看出，隨著PPA含量從0%逐漸增加到7%，而基礎(chǔ)瀝青的比例從2.0%增加到4.0%，可以看出增加PPA含量有助于提高混合料的黏性和彈性，從而提升了道路表面的性能和持久性。骨料的比例從94.0%減少到92.0%。這是因?yàn)殡S著PPA含量的增加，基礎(chǔ)瀝青的作用得到強(qiáng)化，因此需要減少骨料的量，以保持混合料的均勻性和穩(wěn)定性[7]。

3.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

該試驗(yàn)的準(zhǔn)備階段通過精確的材料計(jì)量和混合工藝，確保了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。各種材料的比例和質(zhì)量按照以下公式計(jì)算得出：

骨料質(zhì)量計(jì)算公式為：

瀝青質(zhì)量計(jì)算公式為：

以一種改性瀝青混合料樣品為例，假設(shè)總質(zhì)量為1 000 g，PPA含量為3，骨料比例為93%，填料比例為4%，基礎(chǔ)瀝青比例為3%[8]。根據(jù)這些比例和式（1）、式（2），計(jì)算出的各種材料質(zhì)量如下：

在混合過程中，首先將基礎(chǔ)瀝青和PPA在160 ℃下預(yù)熱并混合均勻，以確保PPA完全溶解于瀝青中。隨后，將預(yù)熱的瀝青和PPA混合物加入預(yù)先加熱至適宜溫度的骨料和填料中，確保混合物的均勻性。

3.3 試驗(yàn)過程

該試驗(yàn)通過一系列標(biāo)準(zhǔn)化的測試，對(duì)不同PPA含量的改性瀝青混合料進(jìn)行了全面評(píng)估。首先，進(jìn)行了馬歇爾穩(wěn)定性測試，瀝青混合料在75 t的負(fù)荷下進(jìn)行了60 s的穩(wěn)定性測試，記錄了最大負(fù)荷承受能力。其次，通過流變性能測試，在60 ℃的溫度下對(duì)瀝青進(jìn)行了動(dòng)態(tài)剪切流變測試，以評(píng)估其高溫下的流變特性。在高溫車轍測試中，瀝青混合料在60 ℃條件下進(jìn)行了10 000次重復(fù)加載，模擬實(shí)際道路條件下的車轍形成過程。最后，在?20 ℃下進(jìn)行低溫裂縫抵抗測試，通過彎曲梁流變儀測定了瀝青混合料的斷裂強(qiáng)度和延伸率[9]。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示了PPA改性瀝青混合料在各項(xiàng)性能測試中的表現(xiàn)。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析，按照特定的計(jì)算公式和方法得出了具體結(jié)果，如表9所示[10]。

從表9可以清晰地看到，隨著PPA含量的增加，瀝青混合料在馬歇爾穩(wěn)定性測試中的表現(xiàn)呈現(xiàn)出逐漸增強(qiáng)的趨勢；具體來說，當(dāng)PPA含量從0%增加到7%時(shí)，馬歇爾穩(wěn)定性從12 kN增加到16 kN，這一數(shù)據(jù)變化明確地表明了PPA對(duì)提高瀝青混合料穩(wěn)定性的積極作用。進(jìn)一步分析其他測試結(jié)果，還可以觀察到流值的變化；隨著PPA含量的增加，流值也在逐漸增大，從3.5 mm增加到3.9 mm，這表明PPA的加入有助于改善瀝青混合料的流動(dòng)性，使其在施工過程中更容易混合和攤鋪。此外，10 000次循環(huán)后車轍深度的數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢；從最初的10 mm減少到6 mm，這表明PPA能夠提高瀝青混合料的耐久性和抗車轍性能。在?20 ℃的低溫條件下，斷裂強(qiáng)度的增加也驗(yàn)證了PPA對(duì)提高瀝青混合料低溫穩(wěn)定性的積極效果；從2.5 MPa增加到3.5 MPa，這一顯著增長證明了PPA在改善瀝青混合料低溫性能方面的有效性。

4 結(jié)論

該文通過對(duì)多聚磷酸（PPA）改性瀝青混合料的廣泛測試和分析，明確展示了PPA在提升瀝青性能方面的顯著作用。試驗(yàn)結(jié)果顯示，PPA的加入顯著增強(qiáng)了瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定性，從12 kN提升至16 kN，并提高了高溫車轍測試中的抗變形能力，車轍深度從10 mm降至6 mm。同時(shí)，PPA改性瀝青在低溫?cái)嗔褟?qiáng)度測試中也表現(xiàn)出更高的抗裂能力，從2.5 MPa提升至3.5 MPa。

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