多聚磷酸改性生物沥青混合料性能试验研究

赵奇峰

摘要：文章以基质沥青和调和沥青作为对照组，通过室内路用性能试验对PPA改性生物沥青的高温、低温和抗水损害性进行研究。试验结果表明，生物沥青自身优异的抗高温性能能够增强基质沥青混合料的高温稳定性，但会降低其低温性能和水稳定性;PPA改性剂能够明显提高生物沥青混合料的高温抗车辙变性能和低温抗开裂能力，但同时也会削弱其抗水损害性能。

关键词：多聚磷酸（PPA）;生物沥青;调和沥青;改性沥青;沥青混合料性能

0 引言

由于沥青路面良好的使用性能，世界各国道路建设大多采用沥青路面。沥青路面需要消耗大量的石油沥青，而石油沥青作为一种不可再生资源变得日益紧张[1]。道路工程领域的专家和学者一直在寻找一种可以替代沥青的新型材料[2]。

近几年来，通过从秸秆或者植物油废料等一些生物材料中裂解等一系列处理过程得到的生物沥青逐渐出现在人们的视野中，采用生物沥青替代石油沥青能够高效率利用现有的生物质资源，降低道路新建或养护的成本费用，实现道路建设的可持续发展[3]。研究发现，由于生物质原料不同，制取的生物沥青性能也有所差异，但主要都集中于以下两方面：（1）生物沥青与基质沥青按一定比例混掺（以下称“调和沥青”），生物沥青能够改善基质沥青的低温性能和水稳定性;（2）生物沥青在高温时易发生老化，且高温储存稳定性较差。由于生物沥青自身高温性能差和易老化等缺点，还无法满足道路路面的路用性能要求，制约了生物沥青在道路建设中的实际应用，亟须采取一定措施和方法改善和提高生物沥青的使用性能短板[4-6]。目前通常采用一种或多种聚合物改性剂对沥青进行改性或复配的方式改善沥青性能，也有相关方面的研究表明SBS、SBR等一些聚合物改性剂能够改善生物沥青的使用性能[7]。根据课题组前期对0.5%、1.0%和1.5%等三种PPA掺量的改性生物沥青常规性能和流变性能的研究发现，PPA掺量宜为1.0%。本文进一步研究1.0%PPA掺量对于改性生物沥青混合料路用性能的影响，以加快生物沥青在道路沥青路面的实践应用。

1 试验原材料和配合比设计

1.1 试验原材料

试验采用埃索70 #A级道路石油沥青，其技术指标性能都满足规范要求，试验结果见下页表1。生物沥青采用实验室自制，其技术性能见下页表2。

多聚磷酸（PPA）采用山东某化工公司生产产品，为工业级115%多聚磷酸，常温下为无色透明状粘稠液，密度为2.094 g/cm 3，P2O5质量分数占84%，沸点为550 ℃，其铁、砷及重金属含量均≤0.01%。试验用粗集料采用与沥青粘附性好的玄武岩，分为10～15 mm和5～10 mm两档粗集料，细集料选用石灰岩机制砂，填料则利用石灰岩磨细后的矿粉。经过试验测试了矿料的物理力学性质，均满足规范要求。

1.2 配合比设计

良好的级配可以增强混合料的强度和使用性能。试验采用AC-13型矿料级配进行沥青混合料路用性能试验，其合成级配见表3。

根据矿料级配，初步拟定普通基质沥青混合料的最佳油石比为4.8%，以0.3%的间隔左右各取两组油石比，得到五组油石比，即4.2%、4.5%、4.8%、5.1%、5.4%，分别制备马歇尔试件进行马歇尔试验得到毛体积密度、饱和度、流值和稳定度等相关技术指标，然后分别绘制各技术指标性能与油石比的关系曲线，综合各方面性能得到普通沥青混合料的最佳油石比为4.7%。以同样的试验方法可以得到调和沥青（石油沥青与基质沥青复掺比例为2∶8）最佳油石比为5.2%，PPA改性生物沥青最佳油石比为5.4%。

2 混合料性能试验结果分析

将1.0%掺量的PPA改性剂加入至熔融的基质沥青中制备PPA改性沥青，再与生物沥青混溶制备得到PPA改性生物沥青，其中生物沥青与基质沥青的质量比为2∶8;采用生物沥青与基质沥青复掺（生物沥青：基质沥青=2∶8）得到调和沥青。分别采用马歇尔试验和车辙试验评价不同掺量PPA改性生物沥青的高温性能，利用低温小梁弯曲试验评价PPA改性生物沥青的低温性能，然后通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验对PPA改性生物沥青的抗水损害性能进行评价，并以调和沥青和基质沥青作为对照组。

2.1 高温性能

（1）马歇尔试验

通过对三种沥青混合料进行马歇尔试验，得到了沥青混合料的马歇尔稳定度和流值。试验结果见表4。

从表4可以看出，调和沥青混合料的马歇尔稳定度是基质沥青的2.7倍，PPA改性生物沥青混合料的马歇尔稳定度是调和沥青的1.3倍，且三种沥青混合料的流值从大到小依次为：基质沥青>调和沥青>PPA改性生物沥青。由此说明基质沥青中加入生物沥青后的高温性能大幅度增加，体现出了生物沥青自身极好的高温稳定性，PPA有助于改善和提升生物沥青的高温抗车辙能力。这是由于PPA可以增加沥青质含量，并使沥青质均匀分散，故而提高了沥青的高温性能。

（2）车辙试验

单纯依靠马歇尔试验评价混合料的高温稳定性具有一定的局限性，无法真实反映出沥青路面的实际受力状况，本文利用国内常用的车辙试验补充评价PPA改性生物沥青的高温抗车辙性能。试验结果见表5。

从表5可以看出，三种沥青混合料的动稳定度从大到小分别为：PPA改性生物沥青>调和沥青>基质沥青，且PPA改性生物沥青混合料的动稳定度是调和沥青的2.5倍，调和沥青混合料是基质沥青的1.7倍。说明生物沥青显著增强了基质沥青混合料的高温性能，同时PPA改性剂也明显提高了改性生物沥青的抗车辙能力，这与前文研究马歇尔试验的结论是一致的。

2.2 低温性能

在冬季温度较低时，外界空气温度突然下降时，路面结构内部与外界环境形成较大温差，路面结构应力因来不及松弛变形而易产生应力集中导致温缩开裂现象。为避免或降低这种裂缝的发生，沥青混合料应有很好的低温抗开裂性能。为了评价PPA改性生物沥青的低温性能好坏，本文采用低温小梁弯曲试验对PPA改性生物沥青混合料的低温性能进行评价，并以调和沥青和基质沥青混合料进行对比。试验环境温度为-10 ℃，采用50 mm/min的速率進行加载。试验结果见表6。

从表6可以得出，基质沥青中加入生物沥青后得到的调和沥青混合料试件的低温破坏应变减小了43.8%，劲度模量增加了10.1%;掺PPA改性剂的改性生物沥青的破坏应变较调和沥青增加了61.7%，劲度模量减小了4.75。这说明生物沥青会使基质沥青变得硬脆，降低了基质沥青的低温性能，PPA改性剂会增加改性生物沥青的容許应变，明显改善生物沥青的低温抗裂性。

2.3 水稳定性能

在雨季时由于雨水滴落至沥青路表面，在车辆荷载的反复碾压作用下，水分逐渐通过裂缝或者空隙渗透到路面结构层内部，游离于沥青与集料的界面间，经过车辆荷载的反复作用，集料表面的沥青薄膜逐渐脱落，降低了沥青与集料间的粘附性，最终导致沥青路面发生水损害而破坏。为了评价PPA改性生物沥青的抗水损害性能，本文采用国内推荐的浸水马歇尔和冻融劈裂试验对PPA改性生物沥青的水稳定性进行评价。

（1）浸水马歇尔试验

通过对三种沥青混合料进行浸水马歇尔试验，以残留稳定度为评价指标，试验结果见表7。

从表7可以发现，三种沥青混合料的残留稳定度从大到小分别为基质沥青>调和沥青>PPA改性生物沥青，且发现调和沥青和PPA改性生物沥青的残留稳定度不满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40）规范中关于残留稳定度≥80%的要求。说明生物沥青会降低基质沥青混合料的水稳定性，且PPA改性剂的加入并不能改善生物沥青的抗水损害性能。

（2）冻融劈裂试验

通过对三种沥青混合料进行冻融劈裂试验，以冻融劈裂强度比为评价指标，试验结果见表8。

从表8可知，只有基质沥青能够满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40）规范中关于冻融劈裂强度比≥70%的要求，调和沥青和PPA改性生物沥青均不满足水稳定性要求，这与浸水马歇尔试验的结果相一致。

3 结语

通过对PPA改性生物沥青进行路用性能试验评价，可以得出以下结论：

（1）通过马歇尔试验和车辙试验结果可知，生物沥青可改善基质沥青混合料的高温性能，同时PPA能够提高生物沥青的抗车辙变形能力。

（2）通过低温小梁弯曲试验结果可知，生物沥青降低了基质沥青的低温性能，而PPA可显著提升生物沥青的低温抗裂性。

（3）通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果可知，调和沥青和PPA改性生物沥青的残留稳定度和冻融劈裂强度比不满足规范要求，生物沥青降低了石油沥青混合料的水稳定性，PPA不利于改善生物沥青的抗水损害性能。[KG-1mm][XCW.TIF，JZ]

参考文献：

[1]黄海龙.生物沥青及其混合料路用性能研究[D].北京：北京建筑大学，2015.

[2]彭子茂.生物沥青掺量对再生沥青混合料路用性能影响试验研究[J].路基工程，2020（2）：69-73.

[3]刘卫卫，董祥云.生物沥青混合料试验及应用研究[J].公路交通科技（应用技术版），2019，15（6）：138-141.

[4]马明洋. SBS改性生物沥青及其混合料路用性能的研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2019.

[5]曾梦澜，田 伟，朱艳贵，等.蓖麻油生物沥青调和沥青混合料使用性能研究[J].湖南大学学报（自然科学版），2017，44（11）：177-182.

[6]周 晨. 多聚磷酸改性生物沥青技术研究[D].天津：河北工业大学，2017.

[7]周绍斌，伍衡山，刘鱼行.多聚磷酸改性生物沥青及混合料性能研究[J].当代化工，2019，48（6）：1 205-1 208，1 212.