多聚磷酸对沥青混合料性能影响研究

郑德斋 宋晓新

摘要： 文章针对多聚磷酸的特性，研究不同的多聚磷酸掺量对沥青混合料路用性能的影响。结果表明， 随着多聚磷酸掺量的增加，改性沥青混合料的高温性能有了明显改善，而水稳定性和低温抗裂性等路用性能有一定的劣化作用。因此，当多聚磷酸作为单一改性剂进行使用时，多聚磷酸掺量不应超过1%，或者采用多聚磷酸与其它改性剂对沥青进行复合改性，以提高改性沥青的综合性能。

【关键词】多聚磷酸;高温稳定性;低温抗裂性;水稳定性

多聚磷酸为质子酸，能溶解多种低分子及高分子有机化合物。在有机合成中用作失水剂、环化剂、酰化剂，是缩合、环化、重排、取代等反应的催化剂或溶剂。近年来，由于多聚磷酸（PPA）能够与基质沥青发生化学反应，采用多聚磷酸对沥青进行改性具有热储存稳定性好、改性工艺简单、价格低廉的特点，因此PPA 复合改性沥青的研究越来越受到学术界和工程界道路工作者的重视。

本文通过室内试验， 研究不同掺量多聚磷酸对AC-20沥青混合料的水稳定性、高温稳定性和低温抗裂性等路用性能的影响规律。

1.原材料

本次研究中使用的基质沥青是茂名石化有限公司生产的70号A级东海沥青，其主要技术指标如表1所示。粗集料采用青岛地区石灰岩碎石，细集料采用机制砂，岩性为石灰岩，矿粉采用石灰岩磨成粉加工而成，经检测矿料的各项技术指标均满足规范规定。多聚磷酸是一种无色透明粘稠状液体，具有腐蚀性，属二极无机酸性腐蚀物品。论文采用重庆川东化工（集团）有限公司生产的工业级110%的多聚磷酸。相关数据如表2所示。

2.多聚磷酸改性沥青试验方案

2.1多聚磷酸改性沥青方案

论文采用不同的多聚磷酸掺量，研究沥青及沥青混合料的性能影响，PPA掺量（外掺）分别为0%、0.5%、1%、1.5%。通过改性沥青的性能试验，来综合评价多聚磷酸改性沥青的路用性能。

2.2多聚磷酸改性沥青制备过程

改性沥青加工工艺：将称量好的基质沥青脱水，加热至 150℃左右将基质沥青放人烘箱加热至融化，再加热至恒温160℃，开启剪切机进行搅拌，搅拌速度为3000r/min，搅拌的同时将称量好的多聚磷酸缓慢加入基质沥青中，持续搅拌20min制得多聚磷酸改性沥青，保证多聚磷酸能均匀的分散在沥青中，从而完成多聚磷酸改性沥青的制备。

3.混合料配合比设计

沥青混合料配合比设计根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004），试验采用AC-20级配，如图1所示。通过马歇尔试验方法确定级配组成，沥青混合料的最佳油石比采用4.7%。

4.多聚磷酸对沥青混合料性能影响分析

4.1PPA改性沥青混合料高温性能

沥青混合料在一定温度下（60℃），可抵抗车辆荷载的反复作用，并在此温度下不发生显著永久变形，一定程度保证路面平整性的特性，这种特性这种特性被称为沥青混合料的高温稳定性。论文通过车辙试验表征多聚磷酸对沥青混合料高温性能的影响。根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004），车辙板试模尺寸采用长300mm宽300mm厚50mm。车辙试验是常用的工程试验法。它可以模拟车辆轮胎在路面上滚动，而形成事实车辙，每组采用3个试件进行平行试验。试验温度为高温60℃。试验轮以每分钟42±1次的频率，沿着试件表面在同一轨迹上反复行走，产生1mm车辙变形所需要的行走次数即为动稳定度，其公式为：

其中，DS为沥青混合料的动稳定度，次/min;t1、t2分别为试验时间，通常为45min和60min;d1、d2分别为时间t1和t2对应的试件表面的变形量，mm;42为每分钟行走次数;c1、c2分别为试验机或试样修正系数。

由图2可以看出掺加多聚磷酸的改性沥青混合料与基质沥青混合料的动稳定度相比有很明显的提高，当PPA掺量达到了1.5%时动稳定度较基质沥青提高了75.9%，说明加入多聚磷酸可以显著的改善沥青混合料的高温稳定性。

4.2PPA改性沥青混合料低温抗裂性

沥青路面的低温开裂是路面破坏的主要形式之一。低温开裂造成的裂缝给地表水创造了条件，地表水顺着“水路”进入到路面内部，进而将路基软化，路面承载能力逐步下降，从而影响行车舒适性，大大缩短路面的使用寿命。为了避免问题的发生，可以根据相关规定，采用低温弯曲试验的破坏应变指标阻止低温裂缝的可能性。低温弯曲破坏试验也是沥青混合料低温变形能力的常用方法之一。在试验温度达到-10±0.5℃的条件下，以50mm/min的加载速率，对跨径为200mm的沥青混合料小梁试件（35mm×30mm×250mm）跨中施加集中荷载至断裂破坏，并按式（2）计算最大弯拉应变，PPA改性沥青混合料低温抗裂性试验研究结果如图3所示。

由图3可以看出随着PPA掺量的增加，破坏应变逐渐减小，当PPA掺量为1.5%时的破坏应变为基质沥青的94%，下降幅度比较大，说明多聚磷酸对沥青混合料的低温抗裂性起劣化作用，不宜使用在寒冷地区。

4.3PPA改性沥青混合料水稳定性

水穩定性是沥青混合料抵抗由于水侵蚀而逐渐产生沥青模剥离、松散、坑槽等破坏的能力。水稳定性差的沥青混合料会在有水存在的情况下，会发生沥青与矿料颗粒表面的局部分离，并逐渐形成坑槽，导致沥青路面产生早期病害，根据我国《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004），进行水稳定性评价的试验方法有浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验两种试验方法。PPA改性沥青混合料水稳定性试验研究结果如图4和图5所示。

从以上试验结果可以得出：随着PPA 掺量的增加，沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂比均有不同程度的下降，表明PPA对沥青混合料的水稳定性有一定的劣化作用，当PPA 掺量增加到1% 时残留稳定度和冻融劈裂比均降到了80%以下。因此从水稳定性方面考虑，当PPA 作为单一改性剂进行使用时，掺量不应超过1%，或者采取与其它改性剂共同对沥青进行复合改性。

5.结束语

（1）掺加多聚磷酸的改性沥青混合料与基质沥青混合料的动稳定度相比有很明显的提高，当PPA掺量达到了1.5%时动稳定度较基质沥青提高了75.9%，说明加入多聚磷酸可以显著的改善沥青混合料的高温稳定性。（2）随着PPA掺量的增加，破坏应变逐渐减小，当PPA掺量为1.5%时的破坏应变为基质沥青的94%，下降幅度比较大，说明多聚磷酸对沥青混合料的低温抗裂性起劣化作用，不宜使用在寒冷地区。（3）随着PPA 掺量的增加，沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂比均有不同程度的下降，表明PPA对沥青混合料的水稳定性有一定的劣化作用，当PPA 掺量增加到1% 时残留稳定度和冻融劈裂比均降到了80%以下。因此从水稳定性考虑，当PPA 作为单一改性剂进行使用时，掺量不应超过1%，或者与其它改性剂对沥青进行复合改性。

【参考文献】

[1]毛三鹏，熊良铨. 多聚磷酸在SBS改性沥青中的应用研究[J].石油沥青，2010，24（5）：29-32.

[2]郭洪欣，郭洪杰.PPA复合改性沥青混合料抗紫外光与热老化性能研究[J].新型建筑材料，2018，3：108-113.