PPA对聚合物改性沥青及其混合料技术性能的影响

侯晓晶

(西安铁路职业技术学院， 陕西 西安　710600)



PPA对聚合物改性沥青及其混合料技术性能的影响

侯晓晶

(西安铁路职业技术学院， 陕西 西安710600)

[摘要]研究了PPA对聚合物改性沥青(SBR、SBS)储存稳定性的影响，并基于车辙试验、低温弯曲试验、冻融劈裂试验、APA疲劳试验研究了PPA对聚合物改性沥青混合料综合路用性能的影响。试验结果表明，在不影响聚合物改性沥青混合料低温抗裂性、水稳定性和疲劳性能的同时，加入0.75%～1%PPA可以提升聚合物改性沥青的高温稳定性，减少SBS改性剂的掺量，PPA对聚合物改性沥青混合料的疲劳性能有较大的改善作用。

[关键词]多聚磷酸； 复合改性沥青混合料； 储存稳定性； 路用性能

0前言

对于目前聚合物改性沥青存在的种种问题，各国的研究人员都在寻求更好的改性剂，研究人员希望化学改性剂能与沥青之间发生化学反应，而不是简单的物理共混，这样沥青与改性剂之间能形成稳定的化学键、化学集团联接，改变沥青胶体结构，从而可以全面提升沥青的化学稳定性和抗老化性能。化学改性沥青能够弥补聚合物改性沥青热储存稳定性方面的不足，近几年来，国内外对化学改性沥青已展开了大量的研究并取得了一些成果。其中，采用多聚磷酸改性沥青的改性方法已初见成效[1-3]。Darrell Fee(2010)等人研究表明采用合适的改性工艺对PPA以及聚合物进行复合改性，所制得的改性沥青性能良好，其性能指标可满足甚至超过单一聚合物改性沥青，其中磷酸的掺量对沥青性能影响较大[5-8]。付立强等人通过对多聚磷酸改性沥青混合料进行车辙试验、弯曲破坏试验和水稳定性试验，结果表明加入多聚磷酸能改善混合料的高温和低温性能,但对混合料的水稳定性改善效果不佳[9]。毛三鹏、熊良铨(2010)分析了减少SBS掺量、改变基质沥青种类和降低多聚磷酸用量这几种改性方法对克拉玛依沥青技术性能的影响，结果表明：采用多聚磷酸部分替代SBS的改性方法能够达到正常掺量SBS改性沥青的高温性能，建议多聚磷酸掺量为1%为宜[10]。曹卫东(2010)通过对多聚磷酸改性沥青分别进行针入度试验、软化点试验、弯曲梁蠕变试验、粘度试验及四组分试验，研究分析了多聚磷酸对沥青技术性能的影响及改性机理[11]。王云普(2007)进行了多聚磷酸与SBR复配改性国产90号沥青的研究，研究了多聚磷酸复配丁苯橡胶(SBR)改性沥青的复配条件及复配改性工艺[12]。目前，国内外已展开了关于多聚磷酸改性沥青及其混合料技术性能的研究，研究内容也从宏观性质层面转向微观结构层面，但相关研究工作比较分散，且缺乏深入系统的研究成果。主要表现为，对多聚磷酸改性沥青及多聚磷酸复配聚合物改性沥青混合料的路用性能研究甚少且不够全面，尤其对PPA与SBR复合改性沥青混合料路用性能鲜有研究且PPA与以上这些关键问题严重制约了多聚磷酸改性剂在我国的推广使用。

1主要原材料性能检测

1.1沥青

选用SK90基质沥青，按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中相关技术标准对沥青进行试验检测，结果如表1所示。

表1 SK90#基质沥青技术指标及要求Table1 SK90#asphaltspecificationsandrequirements指标技术要求试验结果试验方法针入度(25℃,100g,5s)/0.1mm80～10085.3T0604延度(5cm/min,10℃)/cm≥20>100T0605软化点(环球法)/℃≥4548.2T060660℃动力粘度/(Pa·s)≥160165.3T0620

1.2集料

粗集料选用石灰岩，细集料选用机制砂，经检测集料各项指标均满足规范要求[13]。

1.3PPA

多聚磷酸是一种无色透明黏稠状液体，能与水混溶解为正磷酸，根据磷酸所占的百分数，PPA可分成不同等级，H3PO4含量为 105%、110%、115%的 PPA多用于生产改性沥青。在本文研究中，选用工业级的 110%PPA作为试验原材料，其P2O5浓度为 84.2%。

2PPA对聚合物改性沥青老化性能的影响

2.1PPA与聚合物复合改性沥青制备

室内研究表明，PPA的掺加顺序不同，复合改性沥青的储存稳定性不同，而且差别很大，本文采用以下试验步骤制备复合改性沥青：

① 加热基质沥青至165 ℃，加入聚合物改性剂(SBS、SBR)； ②160～170 ℃溶胀10 min； ③5500 r/min剪切30 min； ④加入预定质量的PPA(沥青质量的百分比)； ⑤5 500 r/min剪切30 min； ⑥放入170 ℃烘箱中发育4 h。为了使研究内容具有对比性，聚合改性沥青的制备也采用上述生产工艺。

2.2试验结果及分析

本文采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(T0610—2011)沥青旋转薄膜加热试验(RTFOT)对掺加PPA前后的聚合物改性沥青进行了研究。将试样分别注入以称量质量的盛样瓶中，其质量为35 g，将盛样瓶放入烘箱环形架的瓶位，开启已经预热好的旋转薄膜烘箱，使试样在163 ℃温度下受热不少于75 min。以试样薄膜加热后的延度保留率、残留针入度比(KP)、软化点增值来评价聚合物改性沥青老化性能。试验结果见表2。

表2 RTFOT试验结果Table2 RTFOTtestresultsPPA掺量/%4.5%SBS改性沥青混合料+PPA(之前)延度保留率/%残留针入度比/%软化点增值/℃027.464.2-10.20.539.278.37.60.7552.188.75.21.059.292.13.44.5%SBS改性沥青混合料+PPA(之后)延度保留率/%残留针入度比/%软化点增值/℃29.762.1-9.343.574.94.557.485.33.167.389.22.0

由老化试验结果可知：对于基质沥青，0.75%PPA掺量可使延度保留率、残留针入度比、软化点增值由不掺加时的19%、61.4%、8.4%分别变化到42.9%、89.9%、4.3%，延度保留率和残留针入度比的增大及软化点差的减小均表明加入PPA的加入显著地提高了基质沥青的抗老化性能；对比掺加PPA后聚合物改性沥青老化前后软化点差、延度保留率、残留针入度比可发现，随着多聚磷酸掺量的增加，改性沥青老化前后软化点差逐渐降低，同时延度保留率和残留针入度比增大，说明多聚磷酸可改善沥青的抗老化性能；随着PPA掺量的增加其对基质沥青及聚合物改性沥青抗老化性能的改善作用越明显。

3PPA对聚合物改性沥青混合料路用性能的影响

3.1PPA对聚合物改性沥青混合料高温稳定性的影响

通常采用车辙试验评价沥青混合料的高温稳定性，车辙试验是沥青混合料试件在60℃、0.7MPa荷载作用下，测定试验轮往返行走所形成车辙变形的速率，以每产生1mm变形的行走次数即动稳定度来表示[14，15]。采用AC-13C中值级配进行试验研究。不同复合改性方案下车辙试验结果见表3。

表3 车辙试验结果Table3 Ruttingtestresults复合改性方案60min(mm)DS/(次·mm-1)基质沥青混合料3.73213760.75%PPA3.27526011.0%PPA3.06628980.75%PPA+3%SBS2.55539100.75%PPA+3.5%SBS2.40744681.0%PPA+3.0%SBS2.37548671.0%PPA+3.5%SBS2.27354410.75%PPA+4%SBR3.14529010.75%PPA+4.5%SBR3.1329151.0%PPA+4.0%SBR3.02831261.0%PPA+4.5%SBR2.94733104.5%SBS2.1135224

车辙试验结果表明： 不掺加PPA，基质沥青混合料的动稳定度只有1376次/mm，0.75%PPA掺加可以使其增大到2601次/mm，增加了96.9%，而且随着PPA掺量的增加，PPA改性沥青混合料车辙试验动稳定度还会有所增大，可见PPA的掺加可以提高沥青混合料的高温稳定性；对于SBS改性沥青混合料，1.0%PPA+3.0%SBS改性沥青混合料的车辙试验动稳定度已经与4.5%SBS改性沥青混合料相当，而1.0%PPA+3.5%SBS改性沥青混合料的动稳定度甚至已经超过了4.5%SBS改性沥青混合料, 由此说明，PPA的掺加可以降低SBS改性剂的掺量，同时提高改性沥青混合料的高温稳定性，用少量的PPA代替部分昂贵的聚合物改性剂，提高沥青混合料的高温稳定性是可行的。对于SBR改性沥青混合料，由于SBR改性剂对沥青混合料的高温性能提升并不显著，PPA对于SBR改性沥青混合料高温稳定性的改善作用主要取决于PPA改性剂。

3.2PPA对聚合物改性沥青混合料低温抗裂性能的影响

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的要求成型车辙板，切割为30mm×35mm×250mm的梁型试件，试验前将试件放在恒温环境箱中在-10 ℃下保温不少于4 h，试验时采用单点加载方式，支点间距200 mm，加载速率为50 mm/min，记录破坏荷载和破坏应变，以破坏应变指标来评价沥青混合料的低温抗裂性能，试验结果见表4。

低温弯曲试验结果表明： 与基质沥青混合料相比，PPA改性沥青混合料的最大弯拉应变和破坏应变能并没有随着PPA的掺量的增大而发生变化， PPA对沥青混合料的低温性能没有影响；对于聚合物改沥青混合料而言，0.75%PPA掺量与3%以及3.5%SBS复合改性沥青混合料的最大弯拉应变为2943.62、 3167.99 με，相同的SBS掺量，当PPA掺量增加到1%时复合改性沥青混合料的最大弯拉应变分别增加到3455.15、 3678.42 με，破坏应变能分别增加到235.65、 287.98 kPa，因此对于PPA与聚合物复合改性沥青混合料，PPA的加入不但不会对聚合物改性沥青混合料的低温性能造成影响，反而会对其有提升作用，对于SBR改性沥青混合料也有类似增长关系。分析其原因主要可能是因为PPA的加入使得聚合物改性剂在改性沥青混合料中分散状况发生了改变，聚合物改性剂在沥青中的分散更均匀。

表4 低温弯曲试验结果Table4 Low-temperaturebendtestresults混合料类型抗弯拉强度/MPa最大弯拉应变/με弯曲劲度模量/MPa基质沥青混合料9.812182.214495.440.75%PPA9.892200.264494.931.0%PPA102175.874595.860.75%PPA+3%SBS11.32920.193869.610.75%PPA+3.5%SBS11.893144.563781.131.0%PPA+3.0%SBS11.943431.723479.301.0%PPA+3.5%SBS12.433654.993400.830.75%PPA+4%SBR11.452976.443846.870.75%PPA+4.5%SBR11.533063.043764.231.0%PPA+4.0%SBR11.693121.163745.401.0%PPA+4.5%SBR12.23425.533561.4934.5%SBS12.783716.153439.043

3.3PPA对聚合物改性沥青混合料水稳定性的影响

采用冻融劈裂试验评价沥青混合料的水稳定性，以冻融劈裂强度比作为评价指标，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(T0716-2011)试验要求进行冻融劈裂试验，结果见表5。

由表5可知: 加入PPA后，无论是基质沥青混合料还是聚合物改性沥青混合料，冻融后TSR均有一定提高，说明掺加了多聚磷酸改性剂后，沥青混合料力学强度有一定改善。此外还可以发现，添加PPA后复合改性沥青混合料的东同劈裂强度比均超过了89%，这也说明了，PPA对聚合物改性沥青混合料的水稳定性不但没有影响反而会有提升作用。

表5 冻融劈裂试验结果Table5 Thawsplittingtestresults混合料类型RT1/MPaRT2/MPaTSR/%基质沥青混合料0.8140.67382.680.75%PPA1.0210.90088.151.0%PPA1.0610.95189.630.75%PPA+3%SBS1.2771.19793.740.75%PPA+3.5%SBS1.2461.18695.181.0%PPA+3.0%SBS1.2391.14592.411.0%PPA+3.5%SBS1.2641.19094.140.75%PPA+4%SBR1.0240.91489.260.75%PPA+4.5%SBR1.0970.96788.151.0%PPA+4.0%SBR1.1251.01490.131.0%PPA+4.5%SBR1.1741.071091.234.5%SBS1.2941.23695.52

3.4PPA对聚合物改性沥青混合料疲劳性能的影响

本文采用APA疲劳试验对不同复合改性沥青混合料的疲劳性能进行了研究。APA疲劳试验属于室内模拟加速试验，并不是单纯的控制应变或者控制应力模式，其主要是模拟实际轮载在路面结构中的疲劳作用[18]。首先将制备好的试件放入APA试验台上，在某一恒定温度下保温一定时间之后，开始进行试验。试验过程模拟道路实际受力状态，受力模式为简支梁形式(见图1)，试件下半部分是处于弯拉状态，可以更好的反映材料的抗疲劳性能。

图1　APA疲劳模型示意图Figure 1　APA fatigue model schematic

① 试件制备。

成型300×300×100 mm双层车辙板，按照APA试模尺寸300 mm×125 mm×75 mm尺寸制备标准试样。

② 试验温度。

APA疲劳试验的实验温度采用15 ℃，由于试件尺寸比较大，为了确保试件内部温度恒定，试验前先将试件放置到恒温环境箱中保温12 h以上。

③ 钢轮运行频率以及轴载。

采用APA试验仪器固定的试验频率50 Hz，轴载250 LB。

④ 试验终止条件。

APA疲劳试验，程序默认试验终止条件有两种： 一、当APA的位移传感器第N次测得位移变形值与在此之前N-10次所测得位移变形平均值之差大于0.5 mm，试验程序就判定试件产生破坏或者断裂，试验停止。二、 当试验次数达到预先设定的50000次时试验停止。

⑤ 评价指标。荷载作用次数以相应的最大变形值按照预定的试验方案进行APA试验，进而得到不同复合改性方案下的沥青混合料疲劳性能变化规律，APA试验结果见表6。

表6 APA疲劳实验结果Table6 APAfatiguetestresults混合料类型疲劳寿命次数/次最大变形值/mm基质沥青混合料1704515.120.75%PPA355698.371.0%PPA382066.210.75%PPA+3%SBS500004.120.75%PPA+3.5%SBS500003.471.0%PPA+3.0%SBS500003.571.0%PPA+3.5%SBS500003.220.75%PPA+4%SBR410004.470.75%PPA+4.5%SBR442756.661.0%PPA+4.0%SBR500005.021.0%PPA+4.5%SBR500004.264.5%SBS500003.04

由以上数据可知：

① 对比是否掺加PPA沥青混合料的疲劳寿命次数可以发现，基质沥青混合料的疲劳寿命17045次，掺加0.75%PPA后疲劳寿命增加到35569次，增加了一倍多，因此PPA的掺加可以显著提高沥青混合料的疲劳性能。

② APA疲劳试验过程中规定达到50000次即停止试验，那么结合试验过程中发现，PPA与SBS复合改性沥青混合料的疲劳次数均达到50000次停止，此外随着PPA与SBS掺量的提高，复合改性沥青混合料的变形值越来越小。

③ 与4.5%SBS改性沥青混合料相比，1.0%PPA+3.5%SBS复合改性沥青混合料的疲劳寿命次数也同样达到了50000次，而且疲劳破坏时混合料的最大变形值也与SBS改性沥青混合料比较接近。

④ 对于SBR改性沥青混合料，随着PPA掺量的增加，复合改性沥青混合料的疲劳寿命次数增大，疲劳破坏时的最大变形量减小，故PPA的加入可改善SBR改性沥青混合料的疲劳性能。

4结论

PPA的加入可以显著改善聚合物改性沥青的储存稳定性，工程实践中可选用PPA作为聚合物改性沥青的稳定剂；加入PPA可以提高聚合物改性沥青沥青混合料的高温稳定性，减少SBS改性剂掺量； PPA在不影响聚合物改性沥青混合料低温抗裂性的同时提高了聚合物改性沥青混合料的水稳定性，尤其是对复合改性沥青混合料的疲劳性能有较大改善作用。

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The Effect of PPA on Polymer Modified Asphalt and Its Mixtures

HOU Xiaojing

(Xi’an Vocational and Technical Institute, Xi’an, Shanxi 710600, China)

[Abstract]This article studied the effects of PPA on polymer modified bitumen (SBR, SBS) storage stability, and based on the rutting test, low temperature bending test, freeze-thaw splitting test, APA fatigue test to study the Comprehensive road performance of Polymer modified asphalt mixture.The results showed that: to join the 0.5%～0.75% PPA ，without affecting the polymer modified asphalt mixture at low temperature cracking resistance, water stability and fatigue performance, while adding 0.75%～1% PPA can improve the high temperature stability of the polymer modified asphalt, reduce dosage SBS modifier, PPA on the fatigue properties of the polymer modified asphalt mixture has a greater improvement.

[Key words]poly-phosphate; composite modified asphalt mixture; storage stability; road performance

[中图分类号]U 414.1

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)01-0221-04

[作者简介]侯晓晶(1982-)，女,陕西西安人,硕士研究生,研究方向：土木工程。

[收稿日期]2014-10-28