PPA-增塑劑聯(lián)合優(yōu)化瀝青的溫度效應(yīng)及路用性能研究*

王 波，文 華

(1 綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽 621000；2 西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621000)

瀝青路面具有降低行車噪音、降低施工難度、提升施工進度和縮短養(yǎng)護周期等優(yōu)點，是目前全球各國最常用的路面結(jié)構(gòu)形式之一[1]。瀝青作為一種黏彈性材料，其使用壽命和變形特性等容易受到溫度的影響[2-3]。隨著瀝青道路的交通量不斷增加以及瀝青道路不斷向著氣候條件更加惡劣的地區(qū)發(fā)展，瀝青的性能需要進一步提升，目前提升瀝青性能的主要方式是采用改性劑對其進行改性，如多聚磷酸、橡膠和樹脂等[4-5]。

以往的研究表明[6-7]，多聚磷酸（PPA）能夠與瀝青中的活性基團產(chǎn)生中和反應(yīng)和酯化反應(yīng)，從而達到打破瀝青質(zhì)和增強瀝青的分散度等效果，最終形成更加穩(wěn)定的膠體結(jié)構(gòu)，從而增強瀝青的低溫性能。還有研究表明[8-10]，增塑劑可以改善塑料制品或樹脂的性能，這是由于增塑劑可以減少材料中的范德華力，強化分子間的流動特性[11]。鑒于增塑劑的改性能力較強，有較多研究人員研究了增塑劑的加入對瀝青及瀝青混合料的影響，結(jié)果顯示雖然增塑劑在瀝青和瀝青混料中能夠改善其低溫特性，但對其高溫特性卻存在著較小的不良影響[12-13]。

目前單獨某一種改性劑對瀝青等材料的改性研究已經(jīng)相對成熟，但是具有不同改性效果的復(fù)合改性劑對瀝青混合料的改性效果研究還處于起步階段[14-15]。因此，本文將PPA和乙酰檸檬酸三丁酯（ATBC）增塑劑作為復(fù)合改性劑，對改性后材料的相關(guān)性能進行試驗研究，探索其改性效果及復(fù)合改性劑的最佳配合比。

1 試驗部分

1.1 原材料

本研究使用的基質(zhì)瀝青為70A級，產(chǎn)地為遼寧盤錦中油遼河石化公司，其物理性質(zhì)見表1。增塑劑為ATBC，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表2。本研究所使用的PPA類型為工業(yè)級115%，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表3。

表1 基質(zhì)瀝青物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of base asphalt

表2 增塑劑技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical specifications of plasticizer

表3 PPA技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical specifications of PPA

1.2 試驗方案

本次試驗首先將基質(zhì)瀝青在135℃條件下加熱至液體狀態(tài)，然后將不同比例的PPA和增塑劑加入其中，PPA的摻量設(shè)置為0%、0.3%、0.6%、0.9%和1.2%，增塑劑的摻量設(shè)置為0%、1%、2%、3%和4%，繼續(xù)剪切攪拌30min制備改性瀝青。隨后將改性瀝青溫度控制至180℃，打入發(fā)育罐進行發(fā)育的同時加入粗細(xì)集料和礦粉，攪拌2min后制備試樣。根據(jù)JTG E20-2011對復(fù)合改性瀝青的基礎(chǔ)物理性能及高低溫穩(wěn)定性進行研究，在確定復(fù)合改性瀝青的最佳改性劑用量基礎(chǔ)之上，再通過對瀝青混合料的相關(guān)特性進行研究，以得出驗證結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性瀝青低溫性能

本研究采用延度指標(biāo)和脆點試驗得出的當(dāng)量脆點指標(biāo)對復(fù)合改性瀝青材料的低溫特性進行表征。復(fù)合改性瀝青材料的延度指標(biāo)測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 復(fù)合改性瀝青5℃延度Fig. 1 Ductile degree of composite modified asphalt at 5℃

從圖中可以看出，對瀝青進行復(fù)合改性后的延度均得到了一定的提升，且在PPA單一改性劑摻量不變的情況下，增塑劑摻量與改性瀝青材料的延度呈正相關(guān)關(guān)系；相反，在增塑劑摻量不變的情況下， PPA摻量與改性瀝青材料的延度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系。有研究指出[8]，增塑劑是通過降低瀝青材料中的重組分瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量的相對比例，從而達到增大輕組分芳香分和飽和分含量的相對比例，最終達到減少瀝青材料中范德華力的效果，從而提高其柔韌性；PPA的加入會改變?yōu)r青的膠體結(jié)構(gòu)，形成瀝青質(zhì)-PPA-瀝青質(zhì)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致瀝青質(zhì)的含量增加[6]。但是在二者的共同作用下，復(fù)合改性瀝青的延度得到了提升，即低溫性能得到提升，且PPA摻量高于0.9%后提升效果大幅減弱。

復(fù)合改性瀝青材料的當(dāng)量脆點測試結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，在瀝青材料中加入復(fù)合改性劑后，材料當(dāng)量脆點呈現(xiàn)較為明顯的下降趨勢，在PPA單一改性劑摻量不變的情況下，隨著增塑劑摻量的增加，改性瀝青的當(dāng)量脆點降低，但是當(dāng)增塑劑摻量大于3%后下降幅度相對較小；在增塑劑摻量不變的情況下， PPA摻量與改性瀝青材料的當(dāng)量脆點呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，說明增塑劑能降低瀝青的當(dāng)量脆點而PPA會提高瀝青的當(dāng)量脆點。這與PPA和增塑劑對瀝青延度的影響類似。說明增塑劑與PPA對瀝青材料的低溫性能分別呈有利影響和不利影響，但是復(fù)合改性劑會提升瀝青的低溫性能，從經(jīng)濟角度出發(fā)，PPA和增塑劑的最佳摻量分別為0.9%和3.0%。

圖2 復(fù)合改性瀝青當(dāng)量脆點Fig. 2 Equivalent brittle point of composite modified asphalt

2.2 改性瀝青高溫性能

本研究采用軟化點指標(biāo)和針入度指標(biāo)對復(fù)合改性瀝青材料的高溫性能進行表征。從圖3復(fù)合改性瀝青的軟化點測試結(jié)果可以看出，在增塑劑摻量固定時，改性瀝青的軟化點與PPA摻量呈正相關(guān)；在PPA摻量固定時，改性瀝青的軟化點與增塑劑摻量呈負(fù)相關(guān)，說明PPA有利于提高瀝青的高溫性能，而增塑劑會降低材料的高溫性能，這與兩者改性劑對瀝青的低溫性能恰好相反。傳統(tǒng)瀝青的軟化點為45.5℃，當(dāng)PPA摻量高于0.6%后，復(fù)合改性瀝青的軟化點均得到了一定的提升，結(jié)合低溫性能測試結(jié)果，當(dāng)PPA和增塑劑的摻量分別為0.9%和3.0%時，復(fù)合改性瀝青的軟化點為48.2℃，提升了5.9%。

圖3 復(fù)合改性瀝青軟化點Fig. 3 Softening point of compound modified asphalt

復(fù)合改性瀝青的針入度測試結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，在增塑劑摻量固定時，改性瀝青的針入度與PPA摻量呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系；在PPA摻量固定時，改性瀝青的針入度與增塑劑摻量呈正相關(guān)的關(guān)系，說明PPA與增塑劑對瀝青材料的高溫特性影響效果相反。傳統(tǒng)瀝青的針入度為67.8，當(dāng)PPA摻量高于0.6%后，復(fù)合改性瀝青的針入度均得到了一定的降低，結(jié)合低溫性能測試結(jié)果，當(dāng)PPA和增塑劑的摻量分別為0.9%和3.0%時，復(fù)合改性瀝青的針入度為62.7，減小了7.5%。

圖4 復(fù)合改性瀝青針入度Fig. 4 Penetration degree of compound-modified asphalt

2.3 改性瀝青混合料路用性能

對復(fù)合改性瀝青混合料進行低溫抗裂性能（低溫彎曲試驗）、高溫穩(wěn)定性能（車轍試驗）和水穩(wěn)定性能（浸水馬歇爾試驗）測試，判定其路用性能。復(fù)合改性瀝青混合料的抗彎拉強度測試結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，PPA和增塑劑單獨作用或兩者復(fù)合作用下均能提高瀝青混合料的抗彎拉強度，但是當(dāng)PPA摻量高于0.9%和增塑劑摻量高于3%后，復(fù)合改性瀝青混合料的抗彎拉強度提升幅度相對較小，這與復(fù)合改性瀝青基礎(chǔ)性能測試結(jié)果一致。當(dāng)不摻加任何改性劑時瀝青材料的抗彎拉強度為5.7 MPa，當(dāng)PPA和增塑劑摻量分別為0.9%和3%時材料的抗彎拉強度為7.6 MPa，提升了33.33%。復(fù)合改性瀝青混合料的動態(tài)穩(wěn)定度測試結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，在增塑劑摻量固定時，改性瀝青混合料的動態(tài)穩(wěn)定度與PPA摻量呈正相關(guān)關(guān)系，但當(dāng)PPA摻量高于0.9%后增大幅度顯著降低；在PPA摻量固定時，改性瀝青混合料的動態(tài)穩(wěn)定度與增塑劑摻量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明PPA有利于提高瀝青的高溫性能，而增塑劑會降低材料的高溫性能。

圖5 復(fù)合改性瀝青混合料的抗彎拉強度Fig. 5 Flexural tensile strength of composite modified asphalt mixture

圖6 復(fù)合改性瀝青混合料的動態(tài)穩(wěn)定度Fig. 6 Dynamic stability of composite modified asphalt mixture

從圖7復(fù)合改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度可以看出，PPA、增塑劑和復(fù)合改性劑均能提高瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度，但是當(dāng)PPA摻量高于0.9%后，復(fù)合改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度提升幅度相對較小。增塑劑摻量與瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度呈正相關(guān)關(guān)系，這是由于增塑劑擁有極化末端，通過吸附相反電荷的分子材料使其附著在瀝青粘結(jié)劑和集料之間，從而增強材料抵抗水作用的能力。當(dāng)不摻加任何改性劑時瀝青材料的殘留穩(wěn)定度為72.4%，當(dāng)PPA和增塑劑摻量分別為0.9%和3%時，復(fù)合改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度為82.0%，提升了10.5%。

圖7 復(fù)合改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度Fig. 7 Residual stability of compound modified asphalt mixture

3 結(jié)論

（1）增塑劑單獨作用時會在提升材料低溫特性的同時降低材料的高溫穩(wěn)定性，PPA單獨作用時會在提升材料高溫特性的同時降低材料的低溫穩(wěn)定性，二者作用效果相反。

（2）PPA和增塑劑組成的聯(lián)合改性劑能同時提高瀝青和瀝青混合料的低溫特性、高溫特性和水穩(wěn)定性。

（3）復(fù)合改性瀝青中PPA和增塑劑的最佳摻量分別為0.9%和3.0%。