PPA/SBS復(fù)合改性瀝青及其混合料路用性能研究

文翰程

摘要：為研究PPA（多聚磷酸）/SBS復(fù)合型瀝青混合料路面性能，文章提出了PPA/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的原材料選擇和混合料設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)瀝青混合料高溫、低溫及水穩(wěn)試驗(yàn)分別對(duì)比分析了基質(zhì)瀝青混合料、SBS單一改性瀝青混合料及PPA/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能。研究結(jié)果表明：相比于基質(zhì)瀝青，單一摻加SBS改性劑均能提高瀝青混合料的高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)定性，而在SBS改性瀝青基礎(chǔ)上再摻加PPA可以進(jìn)一步提升瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，且在一定范圍內(nèi)隨著多聚磷酸摻量的增加其混合料高溫穩(wěn)定性越高，但對(duì)混合料的低溫性能和水穩(wěn)定性沒(méi)有顯著影響。

關(guān)鍵詞：PPA;SBS;復(fù)合改性瀝青;瀝青混合料;路用性能

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)交通運(yùn)輸工程事業(yè)發(fā)展迅猛，為了不斷滿(mǎn)足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的出行需求，我國(guó)進(jìn)行了大規(guī)模的公路建設(shè)，截至2018年年底，全國(guó)高速公路總里程已突破14.26萬(wàn) km，位居世界第一[1]。我國(guó)95%高速公路路面采用的是瀝青路面，瀝青路面具有耐磨、耐高溫等特點(diǎn)，且具備極高的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。目前，隨著公路交通量和車(chē)輛軸載的持續(xù)增加，高速公路路面會(huì)出現(xiàn)許多早期病害，其中包括路面車(chē)轍、坑槽、裂縫等，嚴(yán)重影響了行車(chē)舒適性和安全性[2]。

為了改善瀝青路面的使用性能，現(xiàn)階段通常會(huì)選用一些聚合物作為改性劑以改善瀝青路面中所用瀝青的性能，如多聚磷酸、SBS、橡膠粉等，可以有效改善瀝青路面的病害問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)以SBS改性瀝青為主，然而SBS改性瀝青在實(shí)際使用過(guò)程中其性能有時(shí)會(huì)差強(qiáng)人意，且其制備工藝原理為物理改性，制備過(guò)程較為復(fù)雜，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，需要專(zhuān)門(mén)的制備設(shè)備，同時(shí)SBS改性劑的價(jià)格昂貴，在瀝青中添加量較大，會(huì)極大增加施工成本[3]。而PPA的價(jià)格遠(yuǎn)低于SBS，在SBS改性瀝青中添加適量PPA，可以減少SBS改性劑摻量，提高瀝青制備效率，在降低施工成本的同時(shí)能更有效地提高瀝青的性能。本文通過(guò)SBS和PPA兩種改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，重點(diǎn)研究SBS/PPA復(fù)合改性瀝青混合料的級(jí)配和油石比設(shè)計(jì)，同時(shí)比較基質(zhì)瀝青混合料、SBS單一改性瀝青混合料及SBS/PPA復(fù)合改性瀝青混合料三種混合料的路用性能，為實(shí)際工程的應(yīng)用提供理論參考。

1 原材料與級(jí)配設(shè)計(jì)

1.1 原材料

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）對(duì)本文中的瀝青、集料進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，并根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40-2004）對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的有效性進(jìn)行判定，經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果滿(mǎn)足規(guī)范要求。

1.1.1 基質(zhì)瀝青

本實(shí)驗(yàn)所使用的基質(zhì)瀝青為埃索70#A級(jí)道路石油瀝青，其各項(xiàng)性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

1.1.2 集料

本實(shí)驗(yàn)選擇石灰?guī)r作為粗、細(xì)集料，其粗、細(xì)集料和填料的各項(xiàng)性能檢測(cè)結(jié)果分別如表2～4所示。

1.1.3 改性劑

本試驗(yàn)采用南京試劑公司生產(chǎn)的PPA（多聚磷酸）試劑和1301（YH791）SBS改性劑，其各項(xiàng)主要技術(shù)性能分別如表5、表6所示。

1.2 瀝青混合料設(shè)計(jì)

1.2.1級(jí)配設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用AC-13型瀝青混合料，借鑒美國(guó)俄亥俄州和我國(guó)規(guī)范推薦的級(jí)配范圍，公稱(chēng)最大粒徑13.2 mm通過(guò)率上限為100%，下限為90%。根據(jù)變K法計(jì)算粗集料設(shè)計(jì)級(jí)配范圍上限時(shí)取0.85，設(shè)計(jì)級(jí)配范圍下限時(shí)取0.56，而細(xì)集料設(shè)計(jì)級(jí)配范圍上限時(shí)取0.86，下限時(shí)取0.55，通過(guò)分析不同K值對(duì)應(yīng)粗、細(xì)集料級(jí)配的貫入荷載值變化，確定粗、細(xì)集料最佳集料比例。其粗、細(xì)集料不同K值對(duì)應(yīng)級(jí)配貫入荷載值如圖1、圖2所示。

由圖1、圖2可知，粗、細(xì)集料K值分別為0.75和0.76時(shí)對(duì)應(yīng)級(jí)配貫入荷載值最大，因此粗、細(xì)集料分別選用K值為0.75和0.76時(shí)所對(duì)應(yīng)的集料級(jí)配。另外，根據(jù)以往研究成果，AC-13粗、細(xì)集料比值為60/40時(shí)混合料性能最佳，經(jīng)計(jì)算可得瀝青混合料設(shè)計(jì)級(jí)配如表7所示。

1.2.2 最佳油石比設(shè)計(jì)

本文取炎熱區(qū)重載交通馬歇爾試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)空隙率為4.8%，每個(gè)油石比馬歇爾試驗(yàn)平行試驗(yàn)均設(shè)置為4個(gè)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果取平均值。其試驗(yàn)結(jié)果如表8～9所示。

2.1 抗水損害性能

水損害是瀝青路面主要病害之一，其產(chǎn)生的主要原因?yàn)闉r青路面在受到行車(chē)軸載和水凍融循環(huán)的共同作用下，結(jié)合瀝青路面空隙內(nèi)的水分循環(huán)抽吸作用，使得水分逐漸進(jìn)入瀝青和集料當(dāng)中，從而降低瀝青粘結(jié)性，造成混合料表面松散、剝落現(xiàn)象，最終形成路面坑槽等病害。室內(nèi)對(duì)混合料水穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)一般由浸水條件下的力學(xué)性能來(lái)反映[4]，目前評(píng)價(jià)方法主要有兩大類(lèi)：一類(lèi)為將表面裹覆瀝青的集料置于溫水中浸泡，以瀝青從集料表面的脫落程度為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn);另一類(lèi)以浸水或凍融后的混合料試件穩(wěn)定度為評(píng)價(jià)指標(biāo)。本文以浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)混合料水穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

由表10的數(shù)據(jù)可知：

（1）單一摻加SBS改性劑可以提高瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度，在單一SBS改性瀝青基礎(chǔ)上摻入1.0%和1.5%PPA后其混合料的馬歇爾穩(wěn)定度會(huì)進(jìn)一步得到提升，且隨著PPA的增加，混合料的馬歇爾穩(wěn)定度更高。針對(duì)殘留穩(wěn)定度指標(biāo)可知，單一摻加SBS改性劑可以提高混合料的水穩(wěn)定性，但摻入1.0%和1.5%PPA后其混合料的殘留穩(wěn)定度降低，則表示PPA對(duì)混合料的水穩(wěn)定性沒(méi)有改善作用。在三種瀝青混合料中，基質(zhì)瀝青混合料水穩(wěn)定性最差，SBS/PPA復(fù)合改性瀝青混合料次之，SBS單一改性瀝青混合料水穩(wěn)定性最佳。

（2）對(duì)于凍融劈裂試驗(yàn)，單一SBS改性劑的加入可顯著提高混合料的凍融劈裂比，且在一定范圍內(nèi)隨著摻量的增加抗水損害性能不斷得到提高，但PPA改性劑的進(jìn)一步加入使其混合料的凍融劈裂值降低，且隨著PPA摻量的增加，凍融劈裂值逐漸降低。說(shuō)明單一SBS可有效改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性，而PPA沒(méi)有提高水穩(wěn)定性的作用，PPA/SBS的復(fù)配作用反而會(huì)降低混合料的水穩(wěn)定性。因此，SBS具有良好的改善混合料抗水損害性能，而PPA會(huì)略降低混合料的水穩(wěn)定性。

2.2 高溫穩(wěn)定性

瀝青路面在高溫環(huán)境中長(zhǎng)期承受行車(chē)荷載會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形現(xiàn)象，嚴(yán)重的更會(huì)產(chǎn)生路面永久變形，如何有效地提高混合料粘聚力是提高瀝青混合料高溫性能的一個(gè)重要出發(fā)點(diǎn)[5]。目前常通過(guò)提高瀝青稠度和瀝青與集料之間的粘附性等改善其高溫性能，而評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性主要有車(chē)轍試驗(yàn)、馬歇爾試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)等室內(nèi)試驗(yàn)。本文采用傳統(tǒng)車(chē)轍試驗(yàn)和漢堡車(chē)轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)混合料的高溫穩(wěn)定性，其試驗(yàn)結(jié)果如表11所示。

由表11的數(shù)據(jù)結(jié)果可知：

針對(duì)SBS單一改性瀝青混合料，隨著SBS摻量的增加，SBS改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度逐漸增加;而PPA/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均大于基質(zhì)瀝青和SBS單一改性瀝青混合料，且在SBS改性瀝青的基礎(chǔ)上，隨著多聚磷酸摻量的增加，PPA/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度進(jìn)一步得到增大。

對(duì)于漢堡車(chē)轍試驗(yàn)，70#基質(zhì)瀝青在20 000次荷載碾壓的作用下試件發(fā)生破壞，說(shuō)明70#基質(zhì)瀝青高溫穩(wěn)定性不良，而單一SBS改性瀝青和SBS/PPA復(fù)合改性瀝青試件均未發(fā)生破壞，且變形量遠(yuǎn)低于12.7 mm，說(shuō)明SBS、PPA改性劑的加入可大幅度地提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。同時(shí)，SBS/PPA復(fù)合改性瀝青漢堡變形量最小，PPA摻量的增加會(huì)使高溫穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提高，這主要是因?yàn)镾BS改性劑主要改善瀝青的彈性變形恢復(fù)能力，而PPA主要提高基質(zhì)瀝青的黏度，對(duì)彈性變形恢復(fù)能力作用不大，兩者的復(fù)配可進(jìn)一步提高瀝青的高溫性能。由此可知，SBS、PPA均能改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，而SBS/PPA復(fù)合改性瀝青體現(xiàn)出更好的高溫性能。

2.3 低溫抗裂性

瀝青混合料的低溫抗裂性能是評(píng)價(jià)瀝青混合料路用性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。瀝青路面的大多數(shù)裂縫均存在于低溫荷載環(huán)境下，進(jìn)而造成路面的低溫破壞。目前國(guó)家常用于低溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的有直接拉伸試驗(yàn)、間接拉伸試驗(yàn)、小梁低溫彎曲破壞試驗(yàn)以及彎曲蠕變?cè)囼?yàn)。本文采用小梁低溫彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)混合料的低溫抗裂性，其試驗(yàn)結(jié)果如表12所示。

由表12的數(shù)據(jù)可知：

五組摻配組合下的瀝青混合料中，SBS單一改性瀝青混合料的彎拉應(yīng)變最大，且隨著摻量的增加混合料低溫性能進(jìn)一步得到提高。[JP4]而在3.5%SBS改性瀝青的基礎(chǔ)上，PPA改性劑的加入會(huì)降低瀝青混合料的低溫性能，且隨著PPA摻量的增加，瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變會(huì)出現(xiàn)較大幅度的降低，但仍?xún)?yōu)于70#基質(zhì)瀝青，說(shuō)明瀝青混合料低溫性能對(duì)PPA較為敏感，PPA改性劑的加入會(huì)顯著降低瀝青混合料的低溫抗裂性能。

3 結(jié)語(yǔ)

為充分了解PPA/SBS復(fù)配作用下的性能變化，本文在SBS改性瀝青的基礎(chǔ)上，對(duì)PPA/SBS復(fù)合改性瀝青及其混合料路用性能進(jìn)行詳細(xì)研究，提出PPA/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的原材料選擇和混合料設(shè)計(jì)，并通過(guò)瀝青混合料高溫、低溫及水穩(wěn)試驗(yàn)分別對(duì)比分析了基質(zhì)瀝青混合料、SBS單一改性瀝青混合料及PPA/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能，認(rèn)為PPA/SBS復(fù)合改性能更好地提高混合料的高溫穩(wěn)定性，且在一定范圍內(nèi)隨著多聚磷酸摻量的增加混合料高溫穩(wěn)定性越高，但多聚磷酸的摻入對(duì)混合料的低溫性能和水穩(wěn)定性沒(méi)有顯著影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯鐵軍.PPA與聚合物復(fù)合改性瀝青及混合料性能研究[J].新型建筑材料，2019，46（11）：18-22.

[2]李彩霞，張 苛，羅要飛.基于半圓彎拉試驗(yàn)的多聚磷酸改性瀝青混合料低溫性能改善研究[J].中外公路，2019，39（4）：234-239.

[3]王貴珍.多聚磷酸復(fù)配聚合物改性瀝青性能及其混合料性能研究[J].公路工程，2019，44（4）：225-231.

[4][JP4]翟啟遠(yuǎn)，李子奇，韓旭東.基于黏彈理論的PPA復(fù)配SBS改性瀝青老化性能研究[J].中外公路，2018，38（2）：234-237.

[5]王永寧，李 波，任小遇，等.基于正交試驗(yàn)的多聚磷酸復(fù)配SBS改性瀝青粘彈性研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2018，37（2）：383-390.