PPA-增塑剂联合优化沥青的温度效应及路用性能研究*

王 波，文 华

(1 绵阳职业技术学院，四川 绵阳 621000；2 西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621000)

沥青路面具有降低行车噪音、降低施工难度、提升施工进度和缩短养护周期等优点，是目前全球各国最常用的路面结构形式之一[1]。沥青作为一种黏弹性材料，其使用寿命和变形特性等容易受到温度的影响[2-3]。随着沥青道路的交通量不断增加以及沥青道路不断向着气候条件更加恶劣的地区发展，沥青的性能需要进一步提升，目前提升沥青性能的主要方式是采用改性剂对其进行改性，如多聚磷酸、橡胶和树脂等[4-5]。

以往的研究表明[6-7]，多聚磷酸（PPA）能够与沥青中的活性基团产生中和反应和酯化反应，从而达到打破沥青质和增强沥青的分散度等效果，最终形成更加稳定的胶体结构，从而增强沥青的低温性能。还有研究表明[8-10]，增塑剂可以改善塑料制品或树脂的性能，这是由于增塑剂可以减少材料中的范德华力，强化分子间的流动特性[11]。鉴于增塑剂的改性能力较强，有较多研究人员研究了增塑剂的加入对沥青及沥青混合料的影响，结果显示虽然增塑剂在沥青和沥青混料中能够改善其低温特性，但对其高温特性却存在着较小的不良影响[12-13]。

目前单独某一种改性剂对沥青等材料的改性研究已经相对成熟，但是具有不同改性效果的复合改性剂对沥青混合料的改性效果研究还处于起步阶段[14-15]。因此，本文将PPA和乙酰柠檬酸三丁酯（ATBC）增塑剂作为复合改性剂，对改性后材料的相关性能进行试验研究，探索其改性效果及复合改性剂的最佳配合比。

1 试验部分

1.1 原材料

本研究使用的基质沥青为70A级，产地为辽宁盘锦中油辽河石化公司，其物理性质见表1。增塑剂为ATBC，其相关技术指标见表2。本研究所使用的PPA类型为工业级115%，其相关技术指标见表3。

表1 基质沥青物理性质Table 1 Physical properties of base asphalt

表2 增塑剂技术指标Table 2 Technical specifications of plasticizer

表3 PPA技术指标Table 3 Technical specifications of PPA

1.2 试验方案

本次试验首先将基质沥青在135℃条件下加热至液体状态，然后将不同比例的PPA和增塑剂加入其中，PPA的掺量设置为0%、0.3%、0.6%、0.9%和1.2%，增塑剂的掺量设置为0%、1%、2%、3%和4%，继续剪切搅拌30min制备改性沥青。随后将改性沥青温度控制至180℃，打入发育罐进行发育的同时加入粗细集料和矿粉，搅拌2min后制备试样。根据JTG E20-2011对复合改性沥青的基础物理性能及高低温稳定性进行研究，在确定复合改性沥青的最佳改性剂用量基础之上，再通过对沥青混合料的相关特性进行研究，以得出验证结果。

2 结果与讨论

2.1 改性沥青低温性能

本研究采用延度指标和脆点试验得出的当量脆点指标对复合改性沥青材料的低温特性进行表征。复合改性沥青材料的延度指标测试结果如图1所示。

图1 复合改性沥青5℃延度Fig. 1 Ductile degree of composite modified asphalt at 5℃

从图中可以看出，对沥青进行复合改性后的延度均得到了一定的提升，且在PPA单一改性剂掺量不变的情况下，增塑剂掺量与改性沥青材料的延度呈正相关关系；相反，在增塑剂掺量不变的情况下， PPA掺量与改性沥青材料的延度呈现负相关的关系。有研究指出[8]，增塑剂是通过降低沥青材料中的重组分沥青质和胶质含量的相对比例，从而达到增大轻组分芳香分和饱和分含量的相对比例，最终达到减少沥青材料中范德华力的效果，从而提高其柔韧性；PPA的加入会改变沥青的胶体结构，形成沥青质-PPA-沥青质结构，导致沥青质的含量增加[6]。但是在二者的共同作用下，复合改性沥青的延度得到了提升，即低温性能得到提升，且PPA掺量高于0.9%后提升效果大幅减弱。

复合改性沥青材料的当量脆点测试结果如图2所示。从图中可以看出，在沥青材料中加入复合改性剂后，材料当量脆点呈现较为明显的下降趋势，在PPA单一改性剂掺量不变的情况下，随着增塑剂掺量的增加，改性沥青的当量脆点降低，但是当增塑剂掺量大于3%后下降幅度相对较小；在增塑剂掺量不变的情况下， PPA掺量与改性沥青材料的当量脆点呈现正相关的关系，说明增塑剂能降低沥青的当量脆点而PPA会提高沥青的当量脆点。这与PPA和增塑剂对沥青延度的影响类似。说明增塑剂与PPA对沥青材料的低温性能分别呈有利影响和不利影响，但是复合改性剂会提升沥青的低温性能，从经济角度出发，PPA和增塑剂的最佳掺量分别为0.9%和3.0%。

图2 复合改性沥青当量脆点Fig. 2 Equivalent brittle point of composite modified asphalt

2.2 改性沥青高温性能

本研究采用软化点指标和针入度指标对复合改性沥青材料的高温性能进行表征。从图3复合改性沥青的软化点测试结果可以看出，在增塑剂掺量固定时，改性沥青的软化点与PPA掺量呈正相关；在PPA掺量固定时，改性沥青的软化点与增塑剂掺量呈负相关，说明PPA有利于提高沥青的高温性能，而增塑剂会降低材料的高温性能，这与两者改性剂对沥青的低温性能恰好相反。传统沥青的软化点为45.5℃，当PPA掺量高于0.6%后，复合改性沥青的软化点均得到了一定的提升，结合低温性能测试结果，当PPA和增塑剂的掺量分别为0.9%和3.0%时，复合改性沥青的软化点为48.2℃，提升了5.9%。

图3 复合改性沥青软化点Fig. 3 Softening point of compound modified asphalt

复合改性沥青的针入度测试结果如图4所示。从图中可以看出，在增塑剂掺量固定时，改性沥青的针入度与PPA掺量呈负相关的关系；在PPA掺量固定时，改性沥青的针入度与增塑剂掺量呈正相关的关系，说明PPA与增塑剂对沥青材料的高温特性影响效果相反。传统沥青的针入度为67.8，当PPA掺量高于0.6%后，复合改性沥青的针入度均得到了一定的降低，结合低温性能测试结果，当PPA和增塑剂的掺量分别为0.9%和3.0%时，复合改性沥青的针入度为62.7，减小了7.5%。

图4 复合改性沥青针入度Fig. 4 Penetration degree of compound-modified asphalt

2.3 改性沥青混合料路用性能

对复合改性沥青混合料进行低温抗裂性能（低温弯曲试验）、高温稳定性能（车辙试验）和水稳定性能（浸水马歇尔试验）测试，判定其路用性能。复合改性沥青混合料的抗弯拉强度测试结果如图5所示。从图中可以看出，PPA和增塑剂单独作用或两者复合作用下均能提高沥青混合料的抗弯拉强度，但是当PPA掺量高于0.9%和增塑剂掺量高于3%后，复合改性沥青混合料的抗弯拉强度提升幅度相对较小，这与复合改性沥青基础性能测试结果一致。当不掺加任何改性剂时沥青材料的抗弯拉强度为5.7 MPa，当PPA和增塑剂掺量分别为0.9%和3%时材料的抗弯拉强度为7.6 MPa，提升了33.33%。复合改性沥青混合料的动态稳定度测试结果如图6所示。从图中可以看出，在增塑剂掺量固定时，改性沥青混合料的动态稳定度与PPA掺量呈正相关关系，但当PPA掺量高于0.9%后增大幅度显著降低；在PPA掺量固定时，改性沥青混合料的动态稳定度与增塑剂掺量呈负相关关系，说明PPA有利于提高沥青的高温性能，而增塑剂会降低材料的高温性能。

图5 复合改性沥青混合料的抗弯拉强度Fig. 5 Flexural tensile strength of composite modified asphalt mixture

图6 复合改性沥青混合料的动态稳定度Fig. 6 Dynamic stability of composite modified asphalt mixture

从图7复合改性沥青混合料的残留稳定度可以看出，PPA、增塑剂和复合改性剂均能提高沥青混合料的残留稳定度，但是当PPA掺量高于0.9%后，复合改性沥青混合料的残留稳定度提升幅度相对较小。增塑剂掺量与沥青混合料的残留稳定度呈正相关关系，这是由于增塑剂拥有极化末端，通过吸附相反电荷的分子材料使其附着在沥青粘结剂和集料之间，从而增强材料抵抗水作用的能力。当不掺加任何改性剂时沥青材料的残留稳定度为72.4%，当PPA和增塑剂掺量分别为0.9%和3%时，复合改性沥青混合料的残留稳定度为82.0%，提升了10.5%。

图7 复合改性沥青混合料的残留稳定度Fig. 7 Residual stability of compound modified asphalt mixture

3 结论

（1）增塑剂单独作用时会在提升材料低温特性的同时降低材料的高温稳定性，PPA单独作用时会在提升材料高温特性的同时降低材料的低温稳定性，二者作用效果相反。

（2）PPA和增塑剂组成的联合改性剂能同时提高沥青和沥青混合料的低温特性、高温特性和水稳定性。

（3）复合改性沥青中PPA和增塑剂的最佳掺量分别为0.9%和3.0%。