高速公路多聚磷酸复合改性沥青应用研究

陈光军，李星明，唐黎明，杨大伟

（1.蜀道投资集团有限责任公司，四川 成都 610000；2.四川成宜高速公路开发有限公司，四川 宜宾 644000）

0 引言

随着我国社会经济的飞速发展，高速公路交通量和车辆轴载迅速增长，大量道路在建成通车后不久便出现了裂缝、车辙、坑槽、抗滑性下降等病害，这对新建沥青路面性能提出了更高要求。国内外多采用SBS等高聚合物改善沥青的路用性能，虽然具有较高的路用性能，但是成本高昂难以大范围普及，且高聚合物普遍与基质沥青相容性较差，需要采取高温高速剪切的加工工艺，不符合“双碳”目标。

多聚磷酸（PPA）是一种酸性改性沥青，在常温环境下呈黏稠液态，与沥青混合后发生化学反应，因此无需特殊混溶设备和工艺即可与基质沥青充分混融[1]。PPA相比于其他沥青改性剂，具备更好的耐高温性能、抗老化性能、存储稳定性，成本低廉仅为SBS的1/3～1/2，但是对沥青低温性能有衰减作用[2]。

因此，需要PPA与其他高聚合物共同对基质沥青进行复配改性，用低成本的PPA取代一部分昂贵高聚合物改性剂，从而得到综合路用性能优异、相容性好，且成本较低的改性沥青[3]。我国对PPA的应用研究起步较晚，对其复合改性沥青的研究匮乏，本文针对PPA/SBS复合改性效果进行研究，为其推广应用提供依据。

1 PPA/SBS复合改性沥青技术性能研究

1.1 试验原材料

（1）基质沥青

经过调研分析，90#沥青相比其他基质沥青更适合PPA改性，本文采用的90#基质沥青性能符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）对重交通道路石油沥青的技术指标。

（2）SBS改性沥青

本文中采用湖南某公司生产的线型SBS颗粒，嵌段比30/70、灰分0.2%、拉伸强度15MPa、扯断永久变形30%、扯断伸长率750%。

（3）PPA改性剂

PPA应用广泛，根据H3PO4含量可将其分级为食品级和工业级，其中H3PO4含量105%、110%和115%的PPA适用于道路沥青改性。本文参考相关研究成果[4]，认为H3PO4含量110%的PPA改性效果最佳，性价比最高，因此本文选用成都某公司生产的110%PPA进行试验。

1.2 改性沥青制备工艺

PPA/SBS复合改性沥青制备工艺如下为：将基质沥青预热至165℃，均匀搅拌15min脱水；将助剂和SBS改性剂加入基质沥青中，置于高速剪切机以4000r/min转速剪切30min，加入PPA以5000r/min剪切30min；将沥青放置于恒温180℃的烘箱中发育2h，最终制得PPA/SBS复合改性沥青。

1.3 PPA掺量对复合改性沥青性能的影响

现有研究结果表明，PPA掺量在0.5%～1.2%可以兼顾路用性能和经济性，考虑到实际工程中SBS改性沥青中SBS改性剂掺加4%～5%，本文结合成本综合考虑，选用SBS固定掺量3%，PPA掺量分别为0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，分析PPA掺量对PPA/SBS复合改性沥青性能的影响。

由表1可知：随着PPA掺量的增加，PPA/SBS复合改性沥青的针入度和5℃延度呈显著下降趋势，135℃黏度和软化点呈显著上升趋势，说明掺加PPA会导致沥青变得脆，在提升其高温性能的同时，降低了其低温性能，且PPA掺量越大，对其低温性能削弱越明显。PPA/SBS复合改性沥青老化后的针入度、延度和软化点，相较于老化前的差值随着PPA掺量增加而逐渐减小，说明PPA可以显著提高沥青的抗老化性能，PPA掺量越大，抗老化性能越好。综合三大指标结果，推荐PPA掺量0.5%～1%。

表1 PPA掺量对复合改性沥青性能的影响

2 PPA/SBS复合改性沥青混合料路用性能研究

为了评价分析PPA/SBS复合改性沥青的路用性能，根据上文确定的建议掺量，制备3%SBS、0.75%PPA的复合改性沥青，并用基质沥青、5%SBS改性沥青按相同AC-13级配制备混合料，进行路用性能对比。

2.1 PPA/SBS复合改性沥青混合料高温稳定性研究

本文选择车辙试验评价沥青混合料的高温性能，对基质沥青、SBS改性沥青、PPA/SBS复合改性沥青进行试验，结果见图1。

图1 不同沥青混合料车辙试验结果

由图1可知，相比于基质沥青混合料，SBS改性沥青混合料和PPA/SBS复合改性沥青混合料的动稳定度明显增高，分别提升了98.5%、241.3%，PPA/SBS复合改性效果比SBS单质改性明显更好，说明掺加PPA可以显著改善沥青混合料高温性能，单质改性效果高于SBS。这是因为PPA与基质沥青中分胶质发生化学反应，转化为沥青质，沥青中分散出现聚集现象，从而提高了沥青硬度。

2.2 PPA/SBS复合改性沥青混合料低温稳定性研究

本文选择低温小梁弯曲试验评价沥青混合料的低温性能，-10℃环境下试验结果见表2。

表2 不同沥青混合料低温小梁弯曲试验结果

由表2可知，基质沥青混合料的弯拉强度最低，SBS改性沥青混合料和PPA/SBS复合改性沥青混合料的弯拉强度较为接近，且明显高于基质沥青混合料；SBS改性沥青混合料的弯拉应变略大于PPA/SBS复合改性沥青混合料，两者显著大于基质沥青混合料；基质沥青混合料的弯拉劲度模量大于PPA/SBS改性沥青混合料，SBS复合改性沥青混合料最低。由此可以看出，SBS改性沥青混合料的低温稳定性最高，PPA/SBS复合改性沥青混合料略低，但是显著高于基质沥青混合料，这说明PPA对混合料的低温性能改良效果弱于SBS，但是由于复合改性沥青中有3%含量的SBS，其低温性能依旧高于基质沥青，SBS与PPA复合改性解决了PPA单掺对沥青混合料低温性能的劣化作用。

2.3 PPA/SBS复合改性沥青混合料水稳定性研究

本文选择冻融劈裂试验评价混合料水稳定性，结果见图2。

图2 不同沥青混合料冻融劈裂试验结果

由图2可知，SBS改性沥青混合料的TSR最高，PPA/SBS复合改性沥青略弱，基质沥青混合料最低，这说明PPA对于混合料水稳定的改性效果不及SBS，PPA并没有对混合料的水稳定性造成损害，PPA/SBS复合改性能够保证混合料的水稳定性有所改善。

3 结语

推荐PPA/SBS复合改性沥青的PPA掺量范围0.5%～1%、SBS掺量3%，此时复合改性沥青具有较好的综合性能，PPA/SBS复合改性沥青混合料具有较SBS改性沥青混合料更好的高温性能，低温、水稳定性也远高于基质沥青混合料，综合考虑其工程建设成本，具有较好的推广应用价值。