公路多聚磷酸复合改性沥青应用分析

＊王晓波

（东莞东交沥青有限公司 广东 523982）

引言

沥青路面在我国公路中得到了普遍应用，然而，传统的沥青路面容易受到环境的影响，导致路面发生软化、龟裂等问题，因此，国内许多公路采用了SBS改性沥青以应对相关状况。但是，SBS改性沥青具有成本高、工艺复杂、与基质沥青之间的交融性差等问题。多聚磷酸是目前大量应用于沥青的改性材料，通过发生化学反应，与SBS等高聚合物对沥青进行复合改性，能够有效解决以上问题。

1.多聚磷酸复合改性沥青的制备

(1)材料选择

在基质沥青的选择过程中，对典型的路面工程用料进行分析，发现90号基质沥青能够更好地与多聚磷酸相适应。为此，依照路面施工技术标准中规定的材料技术指标，选择90号沥青作为基质沥青。在SBS改性沥青方面，本文选用的SBS颗粒为江苏省某企业生产的线性颗粒。其中，灰分的含量为0.3%，嵌段比为35/75，拉伸的强度为16MPa。材料在扯断后，其伸长率为800%，永久变形35%。同时，本文亦加入了SBR改性剂作为对比材料。在多聚磷酸改性剂的选择方面，此材料能够按照磷酸的不同含量分为食品级多聚磷酸与工业级多聚磷酸。其中，磷酸含量处于100%到120%之间的多聚磷酸，能够使沥青路面的改性获得最佳的效果，且成本相对较低。所以，本文选用四川省某企业生产的110%多聚磷酸开展后续的实验[1]。

(2)制备流程

多聚磷酸复合改性沥青的制备流程主要如下文所述：首先，实验人员对基质沥青采取预热操作，当温度达到165℃左右时，对其进行均匀搅拌。搅拌15min后沥青脱水，此时，将SBS沥青改性剂、助剂等添加到基质中。将剪切机设定为4000r/min，对材料进行剪切。剪切1/2h后，加入磷酸含量为110%的多聚磷酸，并将剪切机设定为5000r/min，继续剪切1/2h。最后，准备烘箱，将温度控制在稳定的180℃，在其中放入沥青。放置2h后，即可获得基于SBS的多聚磷酸复合改性沥青。

(3)多聚磷酸的掺量与油石比的确定

对相关学者的研究结果进行分析，可以看出多聚磷酸的产量处于1%左右，既能够保证改性沥青在实际路面的可用性，又节省经济成本。就大多数路面工程而言，SBS添加剂在改性沥青中添加的比例为5%左右，因此，本文考虑到大多数工程的实际情况与实际的成本情况，确定SBS改性剂的产量保持在3%。为了分析多聚磷酸产量对改性沥青使用效果的影响，分别选用0%到2%之间五种掺和比的多聚磷酸复合改性沥青开展实验，以确定多聚磷酸的最佳掺量，结果如表1所示。

表1 不同掺量的多聚磷酸对沥青使用效果的影响

通过对表1中的数据进行观测，可以看出，随着多聚磷酸掺量的增加，多聚磷酸复合改性沥青的针入度方面与5℃沥青延度方面的数据均处于降低状态，而软化温度处于明显的上升状态，因此，多聚磷酸掺量的增加会使得沥青的脆性提高，且低温的性能降低，高温的性能提高。同时，多聚磷酸掺量的增加会导致低温性能降低的幅度逐渐增大。当多聚磷酸复合改性沥青老化后，随着多聚磷酸掺量的增加，其在针入度方面、5℃沥青延度方面、软化温度方面的数据均缩小了与老化前数据之间的差距，表明多聚磷酸的加入能够减少沥青的老化程度，多聚磷酸加入得越多，该方面的性能则越强。因此，对以上要素进行系统性分析，本文认为多聚磷酸的掺量应在0.5%到1%的范围内。

在油石比的确定方面，本文采用马歇尔实验的方式进行研究，首先，确定多聚磷酸的掺量为1%。其次，选择3.0%到6.0%之间多种油石比对沥青混合料进行搅拌，并依照实验中的硬性规定，对混合料进行正面与反面各75次击实操作，确定4.4%为沥青混合料中的最优油石比。

2.多聚磷酸复合改性沥青性能试验

(1)黏度实验

本文使用了在真空条件下的毛细管方法，对60℃条件下的基质沥青、1%多聚磷酸改性沥青、3% SBR改性沥青、SBS与多聚磷酸的复合改性沥青、3% SBR改性沥青、SBR与多聚磷酸的复合改性沥青进行动力黏度的实验，并对实验的结果进行记录。经过结果分析，可以发现在60℃的环境中，1%多聚磷酸改性沥青的黏度为基质沥青的3.3倍，SBS或SBR与多聚磷酸的复合改性沥青与3% SBS或3% SBR的改性沥青在黏性方面有着明显的提升，可以表明多聚磷酸能够起到提升黏度的作用，并在高温条件下，使沥青的性能有所改善。同时，3% SBR改性沥青与3% SBS改性沥青在黏度方面相差不大，表明SBR在高温条件下没有对沥青的性能起到改善作用[2]。

(2)重复蠕变实验

本文选用了动态剪切流变仪作为重复蠕变实验的器材，实验人员在60℃的实验环境中，对仪器加载1s，之后卸载9s，并将该操作重复100次。实验中的应力为3000Pa左右，工作人员要在实验中对变形率、恢复率等数据进行记录。对试验数据进行分析，可以看出，1%多聚磷酸改性沥青与基质沥青相比，变形率有大幅度减小。同时，基质沥青的恢复率为10.1%，而1%多聚磷酸改性沥青的恢复率仅为0.69%，可以看出，多聚磷酸改性沥青具有较高的变形与恢复水平。同时，3% SBR改性沥青、SBR与多聚磷酸的复合改性沥青与其他沥青进行对比，发现这两种沥青的变形速度与恢复速度更快，并且，在加载后的瞬时时间内，3% SBR改性沥青的变形率基本为SBS与多聚磷酸的复合改性沥青的1.8到2倍。然而，到了8s左右，它们的变形率达到了相同的状态。之后，3% SBR改性沥青继续恢复，而SBR与多聚磷酸的复合改性沥青的恢复速度逐渐减小。经过整体的加载与卸载的过程，3% SBR改性沥青的恢复率为79.1%，SBR与多聚磷酸的复合改性沥青的回复率为45.72%。因此，在高温环境中，多聚磷酸提升沥青的抗变形水平，主要作用在黏度的提升方面；而SBS在抗变形方面的主要作用为弹性的增强。最后，将3% SBR改性沥青与SBR与多聚磷酸的复合改性沥青进行对比，发现在60℃的条件下，SBR没有对沥青起到明显的改性作用。

3.多聚磷酸复合改性沥青的应用效果研究。

(1)多聚磷酸复合改性沥青的耐低温性

本文通过半圆弯拉的方式进行相关实验，对多聚磷酸复合改性沥青在低温环境中抗拉扯的能力进行分析。具体来说，首先，装置中的试件呈半圆形，在左下方、右下方、顶部分别设置圆棒，对实际路面的牵拉状况进行模拟，如图1所示。在实验中，P为顶点、h为半圆装置试件的半径、S为左下方圆棒与右下方圆棒圆心之间的距离，且半圆试件的厚度为0.25mm，S=0.8×2h。

图1 半圆弯拉实验装置的构成

在实验的过程中，使用疲劳实验装置对试件进行测试。在实验之前，分别降低试件本身的温度至0℃与-10℃，保持3h。之后，加载疲劳试验装置，速率为5cm/min，直到半圆形装置试件被破坏。最后，实验人员要对试件破坏时所承受的荷载力、断裂能的密度、拉扯的力度等进行记录。对表格进行分析，如果在基质沥青中加入了1%比例的多聚磷酸，试件破坏的荷载力、拉扯力度、断裂能的密度等数值均有所减少，0℃断裂能的密度降低了44%，-10℃断裂能的密度降低了45%。如果在SBS改性沥青中加入了0.75%比例的多聚磷酸，则以上三种数值均得到了提升，0℃断裂能的密度升高了7%，-10℃断裂能的密度升高了6%。如果在SBR改性沥青中加入了0.75%比例的多聚磷酸，以上数据也能够得到明显的提高，0℃断裂能的密度升高了19%，-10℃断裂能的密度升高了93%。由此可知，SBR多聚磷酸复合改性沥青能够有效提升在低温环境中的抗拉扯能力[4]。

(2)多聚磷酸复合改性沥青的耐高温性

对于沥青材料本身而言，其具有一定程度的分散性。如果环境温度较高，沥青则更偏向为黏性程度较低的胶结材料与具有一定强度的骨料组成的混合物质。本文对在高温条件下，多聚磷酸复合改性沥青的抗剪切性能展开研究。在本试验中，基于沥青的黏性与弹性方面的特性，选用了贯入式的剪切方式进行研究，从而能够更好地对沥青的实际受力情况进行分析。按照沥青与沥青混合料的实验标准，本文采用通过击实操作的马歇尔试验件，在实验之前，将试验件置于60℃的高温环境下，并保持该状态3h。在实验的过程中，对试验件进行加载操作，速率保持在5cm/min。同时，实验人员要及时记录荷载力的最大值以及相应的位移情况。结果的评价以应力的强度进行表示[5]。

对试验结果进行分析，在沥青加入多聚磷酸后，无论是基质沥青、SBS改性沥青、还是SBR改性沥青在应力的强度方面均有所提升，提升的程度分别为37%、83%、32%，因此，可以看出，多聚磷酸可以有效提升沥青在高温环境中的稳定程度。结合之前的黏度实验与重复蠕变实验，发现SBS改性剂能够明显提升沥青在弹性状态下的变形能力与恢复能力，多聚磷酸与SBR能够提升沥青的黏性，没有在弹性方面起到显著的作用。因此，在高温条件下，SBS高聚磷酸复合改性沥青能够有效提升沥青的耐高温性。

(3)多聚磷酸复合改性沥青的抗疲劳性能

本文通过开展小梁疲劳实验的方式，对SBS多聚磷酸复合改性沥青的抗疲劳应用效果进行分析。在本实验中，首先进行三点加载，其次基于标准的实验流程，通过车轮碾压的方式形成车辙试件，并将试件分割为4cm×4cm×25cm的规格。最后，对试验进行回归分析，如式（1）所示。

其中，N1指的是试件受到损坏时，荷载力形成的次数；σ/σ0指的是水平与最初的应力的比值；k，n分别为实验中的参数，并通过k评估抗疲劳性能，随着k的增大，沥青能够具有更加优秀的抗疲劳性能；n为沥青对应力的敏感程度，随着n的增加，便代表着沥青敏感程度的增加。

对结果进行分析，当沥青中加入多聚磷酸之后，无论是基质沥青，还是加入了SBS或SBR的改性沥青，其k值增加，n值减小，因此，多聚磷酸能够有效地提升沥青的抗疲劳水平。同时，SBS多聚磷酸复合改性沥青的抗疲劳水平处于三者中首位。结合黏度实验，可以认为多聚磷酸能够提升沥青的稳定性能，加上其提升黏度的作用，使得沥青能够具有较高的抗疲劳水平。

4.结论

总而言之，本文通过多种实验，对多聚磷酸复合改性沥青在公路中的应用效果进行了分析。多聚磷酸复合改性沥青的各项基本数值均得到了优化，且提升了贮存性能；多聚磷酸通过提升黏度的方式优化沥青的变形与恢复的水平；加入多聚磷酸后，沥青的抗低温性能与抗高温性能均有所增加；通过加入多聚磷酸，还能够改善沥青的水稳定性，提升沥青的抗疲劳能力。