PPA/SBS复合改性沥青及其混合料路用性能研究

文翰程

摘要：为研究PPA（多聚磷酸）/SBS复合型沥青混合料路面性能，文章提出了PPA/SBS复合改性沥青混合料的原材料选择和混合料设计方案，并通过沥青混合料高温、低温及水稳试验分别对比分析了基质沥青混合料、SBS单一改性沥青混合料及PPA/SBS复合改性沥青混合料的路用性能。研究结果表明：相比于基质沥青，单一掺加SBS改性剂均能提高沥青混合料的高温性能、低温性能和水稳定性，而在SBS改性沥青基础上再掺加PPA可以进一步提升沥青混合料的高温稳定性，且在一定范围内随着多聚磷酸掺量的增加其混合料高温稳定性越高，但对混合料的低温性能和水稳定性没有显著影响。

关键词：PPA;SBS;复合改性沥青;沥青混合料;路用性能

0 引言

近年来，我国交通运输工程事业发展迅猛，为了不断满足人们日益增长的出行需求，我国进行了大规模的公路建设，截至2018年年底，全国高速公路总里程已突破14.26万 km，位居世界第一[1]。我国95%高速公路路面采用的是沥青路面，沥青路面具有耐磨、耐高温等特点，且具备极高的实用性和经济性。目前，随着公路交通量和车辆轴载的持续增加，高速公路路面会出现许多早期病害，其中包括路面车辙、坑槽、裂缝等，严重影响了行车舒适性和安全性[2]。

为了改善沥青路面的使用性能，现阶段通常会选用一些聚合物作为改性剂以改善沥青路面中所用沥青的性能，如多聚磷酸、SBS、橡胶粉等，可以有效改善沥青路面的病害问题。目前国内以SBS改性沥青为主，然而SBS改性沥青在实际使用过程中其性能有时会差强人意，且其制备工艺原理为物理改性，制备过程较为复杂，生产周期较长，需要专门的制备设备，同时SBS改性剂的价格昂贵，在沥青中添加量较大，会极大增加施工成本[3]。而PPA的价格远低于SBS，在SBS改性沥青中添加适量PPA，可以减少SBS改性剂掺量，提高沥青制备效率，在降低施工成本的同时能更有效地提高沥青的性能。本文通过SBS和PPA两种改性剂对基质沥青进行复合改性，重点研究SBS/PPA复合改性沥青混合料的级配和油石比设计，同时比较基质沥青混合料、SBS单一改性沥青混合料及SBS/PPA复合改性沥青混合料三种混合料的路用性能，为实际工程的应用提供理论参考。

1 原材料与级配设计

1.1 原材料

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）对本文中的沥青、集料进行试验检测，并根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）对试验结果的有效性进行判定，经试验检测结果满足规范要求。

1.1.1 基质沥青

本实验所使用的基质沥青为埃索70#A级道路石油沥青，其各项性能指标检测结果如表1所示。

1.1.2 集料

本实验选择石灰岩作为粗、细集料，其粗、细集料和填料的各项性能检测结果分别如表2～4所示。

1.1.3 改性剂

本试验采用南京试剂公司生产的PPA（多聚磷酸）试剂和1301（YH791）SBS改性剂，其各项主要技术性能分别如表5、表6所示。

1.2 沥青混合料设计

1.2.1级配设计

本试验采用AC-13型沥青混合料，借鉴美国俄亥俄州和我国规范推荐的级配范围，公称最大粒径13.2 mm通过率上限为100%，下限为90%。根据变K法计算粗集料设计级配范围上限时取0.85，设计级配范围下限时取0.56，而细集料设计级配范围上限时取0.86，下限时取0.55，通过分析不同K值对应粗、细集料级配的贯入荷载值变化，确定粗、细集料最佳集料比例。其粗、细集料不同K值对应级配贯入荷载值如图1、图2所示。

由图1、图2可知，粗、细集料K值分别为0.75和0.76时对应级配贯入荷载值最大，因此粗、细集料分别选用K值为0.75和0.76时所对应的集料级配。另外，根据以往研究成果，AC-13粗、细集料比值为60/40时混合料性能最佳，经计算可得沥青混合料设计级配如表7所示。

1.2.2 最佳油石比设计

本文取炎热区重载交通马歇尔试验技术标准，设计空隙率为4.8%，每个油石比马歇尔试验平行试验均设置为4个，对试验结果取平均值。其试验结果如表8～9所示。

2.1 抗水损害性能

水损害是沥青路面主要病害之一，其产生的主要原因为沥青路面在受到行車轴载和水冻融循环的共同作用下，结合沥青路面空隙内的水分循环抽吸作用，使得水分逐渐进入沥青和集料当中，从而降低沥青粘结性，造成混合料表面松散、剥落现象，最终形成路面坑槽等病害。室内对混合料水稳定性的评价一般由浸水条件下的力学性能来反映[4]，目前评价方法主要有两大类：一类为将表面裹覆沥青的集料置于温水中浸泡，以沥青从集料表面的脱落程度为评定标准;另一类以浸水或冻融后的混合料试件稳定度为评价指标。本文以浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来评价混合料水稳定性。试验结果如表10所示。

由表10的数据可知：

（1）单一掺加SBS改性剂可以提高沥青混合料的马歇尔稳定度，在单一SBS改性沥青基础上掺入1.0%和1.5%PPA后其混合料的马歇尔稳定度会进一步得到提升，且随着PPA的增加，混合料的马歇尔稳定度更高。针对残留稳定度指标可知，单一掺加SBS改性剂可以提高混合料的水稳定性，但掺入1.0%和1.5%PPA后其混合料的残留稳定度降低，则表示PPA对混合料的水稳定性没有改善作用。在三种沥青混合料中，基质沥青混合料水稳定性最差，SBS/PPA复合改性沥青混合料次之，SBS单一改性沥青混合料水稳定性最佳。

（2）对于冻融劈裂试验，单一SBS改性剂的加入可显著提高混合料的冻融劈裂比，且在一定范围内随着掺量的增加抗水损害性能不断得到提高，但PPA改性剂的进一步加入使其混合料的冻融劈裂值降低，且随着PPA掺量的增加，冻融劈裂值逐渐降低。说明单一SBS可有效改善沥青混合料的水稳定性，而PPA没有提高水稳定性的作用，PPA/SBS的复配作用反而会降低混合料的水稳定性。因此，SBS具有良好的改善混合料抗水损害性能，而PPA会略降低混合料的水稳定性。

2.2 高温稳定性

沥青路面在高温环境中长期承受行车荷载会产生不同程度的变形现象，严重的更会产生路面永久变形，如何有效地提高混合料粘聚力是提高沥青混合料高温性能的一个重要出发点[5]。目前常通过提高沥青稠度和沥青与集料之间的粘附性等改善其高温性能，而评价沥青混合料高温稳定性主要有车辙试验、马歇尔试验、三轴试验等室内试验。本文采用传统车辙试验和汉堡车辙试验评价混合料的高温稳定性，其试验结果如表11所示。

由表11的数据结果可知：

针对SBS单一改性沥青混合料，随着SBS掺量的增加，SBS改性沥青混合料的动稳定度逐渐增加;而PPA/SBS复合改性沥青混合料的动稳定度均大于基质沥青和SBS单一改性沥青混合料，且在SBS改性沥青的基础上，随着多聚磷酸掺量的增加，PPA/SBS复合改性沥青混合料的动稳定度进一步得到增大。

对于汉堡车辙试验，70#基质沥青在20 000次荷载碾压的作用下试件发生破坏，说明70#基质沥青高温稳定性不良，而单一SBS改性沥青和SBS/PPA复合改性沥青试件均未发生破坏，且变形量远低于12.7 mm，说明SBS、PPA改性剂的加入可大幅度地提高沥青混合料的高温稳定性。同时，SBS/PPA复合改性沥青汉堡变形量最小，PPA掺量的增加会使高温稳定性得到进一步提高，这主要是因为SBS改性剂主要改善沥青的弹性变形恢复能力，而PPA主要提高基质沥青的黏度，对弹性变形恢复能力作用不大，两者的复配可进一步提高沥青的高温性能。由此可知，SBS、PPA均能改善沥青混合料的高温稳定性，而SBS/PPA复合改性沥青体现出更好的高温性能。

2.3 低温抗裂性

沥青混合料的低温抗裂性能是评价沥青混合料路用性能的一项重要指标。沥青路面的大多数裂缝均存在于低温荷载环境下，进而造成路面的低温破坏。目前国家常用于低温性能评价指标的有直接拉伸试验、间接拉伸试验、小梁低温弯曲破坏试验以及弯曲蠕变试验。本文采用小梁低温弯曲试验评价混合料的低温抗裂性，其试验结果如表12所示。

由表12的数据可知：

五组掺配组合下的沥青混合料中，SBS单一改性沥青混合料的弯拉应变最大，且随着掺量的增加混合料低温性能进一步得到提高。[JP4]而在3.5%SBS改性沥青的基礎上，PPA改性剂的加入会降低沥青混合料的低温性能，且随着PPA掺量的增加，沥青混合料的最大弯拉应变会出现较大幅度的降低，但仍优于70#基质沥青，说明沥青混合料低温性能对PPA较为敏感，PPA改性剂的加入会显著降低沥青混合料的低温抗裂性能。

3 结语

为充分了解PPA/SBS复配作用下的性能变化，本文在SBS改性沥青的基础上，对PPA/SBS复合改性沥青及其混合料路用性能进行详细研究，提出PPA/SBS复合改性沥青混合料的原材料选择和混合料设计，并通过沥青混合料高温、低温及水稳试验分别对比分析了基质沥青混合料、SBS单一改性沥青混合料及PPA/SBS复合改性沥青混合料的路用性能，认为PPA/SBS复合改性能更好地提高混合料的高温稳定性，且在一定范围内随着多聚磷酸掺量的增加混合料高温稳定性越高，但多聚磷酸的掺入对混合料的低温性能和水稳定性没有显著影响。

参考文献：

[1]侯铁军.PPA与聚合物复合改性沥青及混合料性能研究[J].新型建筑材料，2019，46（11）：18-22.

[2]李彩霞，张 苛，罗要飞.基于半圆弯拉试验的多聚磷酸改性沥青混合料低温性能改善研究[J].中外公路，2019，39（4）：234-239.

[3]王贵珍.多聚磷酸复配聚合物改性沥青性能及其混合料性能研究[J].公路工程，2019，44（4）：225-231.

[4][JP4]翟启远，李子奇，韩旭东.基于黏弹理论的PPA复配SBS改性沥青老化性能研究[J].中外公路，2018，38（2）：234-237.

[5]王永宁，李 波，任小遇，等.基于正交试验的多聚磷酸复配SBS改性沥青粘弹性研究[J].硅酸盐通报，2018，37（2）：383-390.