基于半圓彎拉試驗的多聚磷酸改性瀝青混合料低溫性能改善研究

李彩霞， 張苛， 羅要飛

(1.陜西交通職業技術學院 公路與鐵道工程學院， 陜西 西安 710018； 2.阜陽師范學院 信息工程學院；3.長安大學 公路學院)

1 前言

多聚磷酸改性瀝青具有較好的高溫抗車轍、抗老化性能和儲存穩定性等，近年來在路面中的應用呈現逐年上升的態勢，尤其是美國；相比其他類型的改性劑，PPA在瀝青中的摻量較低，一般為0.5%～2.0%，且價格低廉，應用于中國南方高溫地區可顯著降低路面的初期建設成本。但文獻[1-5]等研究顯示，PPA對瀝青低溫性能的改善作用不大或者有負面影響，且損害程度與PPA摻量呈正相關關系。一旦南方部分地區遇到像2008年或2018年的冰雪低溫災害天氣，采用該結合料鋪筑的路面將很可能出現低溫開裂破壞，裂縫的出現不僅影響路面感官效果，還會誘發路面水損害，尤其是多雨地區。如何最大程度地提高多聚磷酸改性瀝青或多聚磷酸改性瀝青混合料的低溫抗裂性能，使其能夠適用于更多的地區或氣候環境，是值得研究的重要課題。針對上述問題，研究者采用其他高聚物與PPA改性瀝青復合或混合料中添加纖維的方式進行改善，取得了較好的效果。劉紅瑛、劉建敏、曹曉娟等采用SBS或SBR改性劑與PPA改性瀝青復合的方式彌補了單純PPA改性瀝青混合料低溫性能受損害的缺陷，且指出PPA與SBR復配對瀝青混合料低溫性能的改善幅度更好;周艷等研究指出，PPA改性瀝青中添加SBS改性劑或TB膠粉與SBS復配改性劑均可以改善其低溫性能，且后者的性能相對更好;游金梅對比分析了PPA和SBS改性劑摻量對瀝青混合料低溫性能的影響，指出1%PPA與3.5%SBS復合得到的改性瀝青混合料低溫性能相對較好，性能甚至超過了SBS摻量為5.0%的改性瀝青混合料;崔磊采用彎曲試驗、半圓彎拉試驗和J-積分試驗對比分析了不同類型多聚磷酸改性瀝青混合料的低溫性能優劣，發現在所選方案中SBR與PPA復合改性瀝青混合料的低溫性能相對較好，但性能改善效果受試驗方法的影響，且研究中僅采用了一種瀝青和單一纖維摻量，說服力相對不足。

半圓彎拉試驗在瀝青混合料中的應用主要是評價抗拉強度，相對彎曲試驗和間接拉伸試驗而言是一種較新的試驗方法。該方法有效克服了間接拉伸試驗過程中試件中部拉應力分布不均勻以及加載條附近試件塑性變形過大的現象，受力狀態更加符合路面實際的受力情況；而相比彎曲試驗，其具有試件成型方便、測試結果變異性小等優點，且還可以用于評定現場路面的抗拉強度。結合地區環境氣候特征，選取合適的試驗溫度,運用SCB試驗開展瀝青混合料低溫抗裂性能研究，以篩選出性能較好的筑路材料。

鑒于此，該文在先前研究成果的基礎上，以3種不同的PPA改性瀝青混合料(基質瀝青SK-70#、Shell-70#和東明-70#)為試驗對象，采用SCB試驗探討不同方案(復合改性瀝青或者混合料中添加纖維)對PPA改性瀝青混合料低溫性能的改善程度，以優化出性價比較好的改善方案；同時借助數理統計方法對比分析纖維類型和摻量因素對低溫性能評價指標的影響程度，其成果可為纖維穩定劑在PPA改性瀝青混合料中的應用提供參考依據。

2 試驗材料與方法

2.1 原材料與混合料配合比參數

基質瀝青選取3種A級瀝青，分別為SK-70#、殼牌-70#和東明-70#，相應的四組分測試結果如表1所示，其他技術指標均滿足規范要求。PPA采用H3PO4質量分數為110%的產品，其中P2O5含量不低于79%，由襄陽某公司提供。粗細集料分別采用輝綠巖和石灰巖，礦粉為石灰巖磨制而成的石粉。混合料礦料級配選用AC-16C型密級配，具體級配如圖1所示。

表1 基質瀝青的四組分含量

圖1 試驗用AC-16C型礦料級配

基于改善PPA改性瀝青混合料低溫性能的考慮，采用復合改性瀝青(PPA+SBS、PPA+SBR)或混合料中添加纖維的方式進行對比分析。其中單一PPA改性瀝青結合料中PPA的劑量選定為1.0%，而PPA與SBS、SBR復合改性瀝青中不同改性劑的摻配比例參照其他研究成果確定，SBS改性劑為SBS4303型產品，SBR改性劑為顆粒狀的1502型產品，改性瀝青的關鍵性能指標如表2所示。纖維穩定劑采用玄武巖礦物纖維，其長度為6 mm，摻量為0.3%。不同PPA改性瀝青混合料和PPA復合改性瀝青混合料的摻配方案及油石比情況如表3所示，混合料的最佳油石比采用規范推薦的馬歇爾試驗方法確定。

表2 不同改性瀝青關鍵性能指標

續表2

基質瀝青類型PPA摻量/%SBS摻量/%SBR摻量/%針入度(25 ℃)/(0.1 mm)軟化點/℃延度(5 cm/min)/cmShell-70#---65.946.0-1.00--56.450.88.00.753.0-44.660.921.80.75-2.550.255.743.5SK-70#---63.549.0-1.00--51.954.67.20.753.0-40.067.818.80.75-2.546.360.538.6

表3 不同PPA改性瀝青混合料和PPA復合改性瀝青混合料摻配方案及油石比

2.2 SCB試驗方法與測試條件

SCB試驗采用三點圓棒方式進行加載，兩支座之間的距離S為SCB試件直徑D的0.8倍。評價瀝青混合料抗拉性能的指標主要有抗拉強度值和斷裂能密度，可根據相應加載過程中的應力-應變曲線求得，計算方法分別如式(1)～(3)所示：

(1)

式中：σ為抗拉強度(MPa)；P為施加最大荷載(N)；D為SCB試件直徑(mm)；h為SCB試件厚度(mm)。

(2)

式中：ε為試件底部中心處的應變值；d為試件底部中心處的撓度(mm)；S為支座間的距離(mm)。

(3)

試件采用旋轉壓實法成型，并切割成尺寸為150 mm(直徑)×25 mm(厚度)的半圓柱，試件加載在萬能試驗機上進行，并以50 mm/min的速率施加荷載，直至試件破壞。試驗溫度根據瀝青使用地區的氣候特征確定，由瀝青路面的氣候分區可知中國南方大部分地區屬于夏炎熱冬溫區，其年極端最低氣溫為-9 ℃左右，因此采用SCB試驗評價瀝青混合料低溫性能時溫度選定為-10 ℃；同時考慮到上述地區冬季氣溫普遍較高，出現極端最低氣溫的概率相對較小(尤其是廣東省和海南省)，試驗時還增加了0 ℃條件進行對比；試驗前試件置于規定溫度的環境箱中保溫不低于3 h。

3 低溫性能改善措施對比分析

不同溫度條件下不同類型PPA改性瀝青混合料的SCB試驗結果如表4所示，對應試驗中平行試件的個數不低于3個，且重復性試驗中彎拉強度和斷裂能密度值的變異系數均不大于20%。

由表4可知：① 單一PPA改性瀝青混合料中摻加纖維或結合料使用復合改性瀝青(PPA與SBS或SBR聚合物復合)均能改善其低溫抗裂性能，但性能改善效果存在一定的差異，性能優劣總體上為：PPA/SBR復合改性瀝青>PPA/SBS復合改性瀝青>PPA/玄武巖纖維，原因為瀝青混合料的低溫性能好壞主要取決于結合料的特征，結合料對其的貢獻率達到了90%左右，故復合改性瀝青改善低溫性能的效果優于纖維穩定劑；② 基質瀝青的不同，一定程度上會影響所列方案的改善效果，對PPA與SBS改性劑復合方案而言，3種瀝青中DM-70#瀝青添加復合改性劑后，對應混合料的低溫性能最好，說明SBS聚合物的改性效果與基質瀝青組分含量的差異密切相關，DM-70#瀝青的組分指數為30.7%，恰好位于文獻[13]提出的SBS改性瀝青最佳改善效果對應的組分指數范圍(26%～32%)，所以其改善效果優于Shell-70#和SK-70#瀝青。而Shell-70#和SK-70#基質瀝青添加PPA/SBR復合改性劑后，對應的混合料低溫性能要優于DM-70#瀝青，這是因為前二者瀝青中的芳香分含量相對較高，促進了基質瀝青與SBR改性劑的相容性，故混合料的低溫性能相對較好；③ 采用Shell-70#瀝青制備的PPA改性瀝青結合料，除SBS聚合物改善方案以外，該結合料與不同方案成型的混合料試件，其對應的低溫抗裂性能優于DM-70#和SK-70#瀝青，且方案SBS改性劑與添加纖維二者對應的混合料低溫性能差異不大，說明采用該PPA改性瀝青鋪筑的路面可以采用添加纖維的方式進行低溫性能改善。

表4 不同溫度條件下不同瀝青混合料的SCB試驗結果

注：混合料中改性瀝青各組分的摻配比例或纖維摻加量見表3。

采用復合改性瀝青的方案改善PPA改性瀝青混合料低溫性能的效果優于纖維穩定劑，但SBS或SBR改性瀝青中聚合物與瀝青之間的反應以物理作用為主，其性能并不穩定，容易受加工條件和存儲時間等的影響。為保證改性瀝青良好的性能，使用時多采用現場生產法，即在混合料拌和場采用專門生產設備現場制作改性瀝青后立即使用；然而該方法一定程度上提高了路面的初期建設成本，且加工工藝流程相對復雜，以至于不能體現出PPA改性瀝青(組分間以化學反應為主，性能穩定、能夠采用工廠化方式生產)的技術優勢。由試驗發現，對于某些基質瀝青制備的PPA改性瀝青混合料，采用SBS改性劑復合或混合料中添加纖維的方式可以達到基本相同的效果，但后者能夠在拌和現場進行直接添加、不需要增加額外的設備，方式簡便且成本低廉，因此該方法具備一定的推廣價值，性價比較高、有必要對其進行相應的材料優化。

4 纖維改善混合料低溫性能影響因素分析

纖維穩定劑憑借其加筋、穩定和橋接等作用，有效改善了混合料的低溫抗裂性，但現有研究顯示性能改善效果與纖維類型和摻量等因素密切相關，該結論是否適用于PPA改性瀝青混合料低溫性能改善目前尚不得而知。另外不同類型纖維復合在最大限度地發揮各種纖維改善混合料路用性能的同時，還可以顯著降低纖維的添加成本，一舉多得。基于此，該文將以上試驗結果，以Shell-70#瀝青制備的PPA改性瀝青混合料為試驗對象，選取工程中常用的聚酯纖維、玄武巖纖維、木質素纖維和復合纖維添加在混合料中，探討不同纖維和摻量對混合料低溫性能的改善效果及影響程度，從而為纖維在PPA改性瀝青混合料中的應用提供參考。

(1) 纖維類型與摻量對混合料低溫性能的改善效果對比

不同纖維及摻量對PPA改性瀝青混合料低溫性能的改善效果如表5所示，各個方案中平行試件的個數不低于3個，且指標值的變異系數均不大于20%。

從表5可以看出：① 隨著纖維摻量的增加，混合料的低溫性能逐漸提高，但摻量超過0.30%后其改善效果相對不明顯，這是因為混合料結構中容納纖維的量有限，過多的纖維容易產生結團現象、分散不均勻，從而失去改善效果；② 纖維類型的不同顯著影響混合料低溫性能的改善效果，纖維摻量相同時，摻有不同纖維的混合料對應的性能優劣具體為：玄武巖纖維>復合纖維>聚酯纖維>木質素纖維，復合纖維改善混合料低溫性能的效果略低于玄武巖纖維，說明不同纖維復合摻加可以達到明顯改善PPA改性瀝青混合料低溫性能的目的；玄武巖纖維改善效果優于其他纖維的原因為，玄武巖纖維的分散效果相對較好，拌和后能夠均勻地分布于混合料中，最大限度地發揮纖維的“加筋”和“橋接”作用，故對應的混合料低溫性能相對最好。

表5 -10 ℃環境下不同纖維摻量的PPA改性瀝青混合料SCB試驗結果

(2) 低溫性能影響因素方差分析

纖維類型和摻量對PPA改性瀝青混合料低溫性能不同評價指標的影響程度方差分析結果見表6。

從表6可知：纖維類型和摻量對PPA改性瀝青混合料低溫性能的評價指標(彎拉強度和斷裂能密度)均有顯著影響，但二者的影響程度存在明顯差異。依據檢驗統計量F值大小可知，影響PPA改性瀝青混合料低溫性能指標彎拉強度和斷裂能密度的二因素顯著程度排序一致，其影響強弱依次為纖維摻量、纖維類型，且纖維摻量對上述指標的影響遠遠大于纖維類型，可見纖維摻量的變化是決定PPA改性瀝青混合料低溫性能改善效果的重要因素，其合理摻量應根據混合料的性能變化進行確定。

表6 彎拉強度、斷裂能密度影響因素方差分析結果

注：a為R2=0.991(調整R2=0.983)，R2為判定系數。

5 結論

(1) 多聚磷酸改性瀝青的使用有損或不影響混合料的低溫抗裂性能，通過采用復合改性瀝青或混合料中添加纖維的方式均可達到改善PPA改性瀝青混合料低溫性能的目的，但不同方式的改善效果存在差異，性能優劣為：PPA/SBR復合改性瀝青>PPA/SBS復合改性瀝青>PPA/玄武巖纖維。

(2) 基質瀝青的差異影響不同改善措施的效果，對于采用Shell-70#瀝青制備的PPA改性瀝青混合料，PPA/SBS復合改性瀝青與添加玄武巖纖維二者對應的混合料低溫性能差異不大，即二者可以達到基本相同的改善效果，但后者添加方便、成本低廉。

(3) 纖維類型和纖維摻量均顯著影響PPA改性瀝青混合料的低溫抗裂性能，其中纖維摻量對其的影響相對較大，摻量為0.30%時混合料的低溫性能相對最好；摻有4種不同纖維的混合料低溫性能優劣為：玄武巖纖維>復合纖維>聚酯纖維>木質素纖維，且復合纖維的改善效果略低于玄武巖纖維，復合纖維的使用達到了改善低溫性能和降低成本的雙重目的。